关键词：
直流电力弹簧
直流三端口
双向DC/DC
软开关
能量管理系统
分布式协同控制
摘要：
风力和光伏发电分别受风速大小和光照强弱等因素的影响,导致新能源发电系统(Renewable Energy Generation,REG)具有间歇性和随机性等缺点。直流微电网传统功率平衡装置直接使用储能装置吸收新能源发电功率波动,所需储能容量较大,成本较高。针对该问题,已有研究提出了直流电力弹簧(DC Electric Spring,DCES)这一功率平衡装置。DCES将直流用电负载按照对功率波动的承受能力,分为关键负载(Critical Load,CL)和非关键负载(Non-Critical Load,CL)。其中,CL仅能承受较小的电压波动,而NCL可承受较大波动。DCES将新能源功率波动转移到NCL,维持CL的功率稳定,仅在功率波动较大时由蓄电池承担部分功率波动,从而保证直流微电网的供电可靠性,减小了储能装置的容量配置,实现用电量主动匹配发电量这一理念。针对已有DCES拓扑具有体积大、控制复杂等缺陷,本文提出了新型DCES的拓扑结构、控制方法等关键技术,并对软开关进行了分析,提出了单个DCES应用于家庭光伏的能量管理系统和多个DCES应用于直流微电网的分布式协同控制策略。本文提出的新型DCES由直流三端口变换器(Three Port Converter,TPC)、双向直流变换器(Bidirectional Buck-boost Converter,BBC)和蓄电池组构成。基于该拓扑,本文首先介绍了其等效电路模型,建立了系统的功率和电压方程,建立了静态工作点下的小信号数学模型。针对TPC部分,本文采用了移相和解耦等控制方法,设计了解耦网络。本文还对该新型DCES的ZVS软开关进行了分析,用方程式表示出了软开关的边界条件,并且分析了电路参数对ZVS区域的影响,例如绕组漏感,CL和NCL阻值等,从而通过选择合适的电路参数,扩展ZVS区域。针对该新型DCES,搭建了仿真模型,分析不同负载情形下控制策略的可行性和系统的稳定性。最后搭建了硬件实验平台,介绍了系统软件和硬件设计,验证了该新型DCES的有效性和实用性。基于DCES内部储能系统的结构,本文提出一种能量管理系统(Energy Management System,EMS),以应用于家庭光伏发电系统。该EMS检测关键直流母线电压和电池电压,并根据天气信息的影响,控制BBC在正常、特定和紧急状态下的工作模式转换。通过检测和计算电池系统的荷电状态(State of Charge,SOC),EMS可以更改电池系统的运行状态,并实现多种充电和放电控制机制,维持蓄电池和直流电力弹簧的连续可靠运行。最后仿真模型和实验室样机验证了该EMS的有效性。最后,本文研究了多个新型DCES并联运行于直流微电网中的布局结构及其协同控制策略。所提出的分布式协同控制方法,由一次控制和二次控制组成的,可用于实现电压稳定、多个DCES的功率分配以及多个DCES之间的关键直流母线电压和电池SOC的一致性。本文提出的分布式协同控制方法解决了多个DCES在实际应用中的协同控制、储能容量配置和系统稳定性等方面的问题。
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