《互聯(lián)直流微電網(wǎng)的物理結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)分析》6600字

互聯(lián)直流微電網(wǎng)的物理結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)分析綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u8106互聯(lián)直流微電網(wǎng)的物理結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)分析綜述 138231.1互聯(lián)直流微電網(wǎng)的物理結(jié)構(gòu) 1272241.1.1直流變換器的狀態(tài)空間模型 2161621.1.2互聯(lián)直流微電網(wǎng)的變換器狀態(tài)空間模型 39125up=d1d2 3178351.2互聯(lián)直流微電網(wǎng)的控制系統(tǒng) 4185231.1.1初級(jí)控制 4163061.1.2二級(jí)控制 6282621.1.3雙微網(wǎng)互聯(lián)條件時(shí)的控制器時(shí)滯狀態(tài)空間模型 8110911.3系統(tǒng)仿真 10173801.3.1單微網(wǎng)運(yùn)行仿真 10196721.3.2雙微網(wǎng)互聯(lián)仿真 131.1互聯(lián)直流微電網(wǎng)的物理結(jié)構(gòu)本研究基于雙微網(wǎng)互聯(lián)結(jié)構(gòu)，每個(gè)微電網(wǎng)由可再生能源發(fā)電單元、儲(chǔ)能單元和負(fù)載構(gòu)成，本研究設(shè)定的可再生能源發(fā)電單元為光伏發(fā)電單元，發(fā)電類型為直流電，用戶負(fù)載為直流負(fù)載，每個(gè)單元通過DC/DC變換器與直流母線連接，當(dāng)雙微網(wǎng)互聯(lián)時(shí)，兩個(gè)微網(wǎng)的直流母線通過連接線形成串聯(lián)。圖1.1互聯(lián)直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖1.1.1直流變換器的狀態(tài)空間模型在該微電網(wǎng)模型中，發(fā)電單元、儲(chǔ)能單元通過雙向直流變換器與直流母線連接在一起，圖1.2所示為本研究所使用的雙向半橋DC/DC變換器，母線電壓設(shè)定為48V，變換器工作在boost升壓模式。圖1.2雙向半橋DC/DC變換器圖中的表示的是濾波電感，表示的是濾波電容，表示的是負(fù)載電阻，和為開關(guān)管。設(shè)變換器的輸出電壓為,電感電流為，升壓模式下，關(guān)斷，作為脈寬調(diào)制（PulseWidthModulation，PWM）的開關(guān)管工作。當(dāng)開關(guān)管開通時(shí)，電源給濾波電感充電，電感電流呈線性上升，同時(shí)濾波電容給負(fù)載供電，有：（1.1）式中的為變換器的輸入電壓，為輸入電感電阻。當(dāng)關(guān)斷時(shí)，電源和濾波電感中存儲(chǔ)的能量共同為負(fù)載供電并為濾波電容充電，有：（1.2）根據(jù)上式（1.1）和（1.2），利用狀態(tài)空間平均法得到變換器在boost工作狀態(tài)下的狀態(tài)空間模型：（1.3）式中的為開關(guān)管的占空比。根據(jù)式（1.3）得到變換器在boost工作狀態(tài)下的狀態(tài)空間矩陣為：（1.4）其中，為變換器的狀態(tài)空間，,為變換器的輸入信號(hào)，即為開關(guān)管的占空比。A=000式中的和分別為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的輸出電壓和電感電流。1.1.2互聯(lián)直流微電網(wǎng)的變換器狀態(tài)空間模型如圖1.1所示的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，每個(gè)微電網(wǎng)有發(fā)電單元和儲(chǔ)能單元兩個(gè)DC/DC變換器并聯(lián)，當(dāng)雙微網(wǎng)互聯(lián)時(shí)，兩個(gè)微電網(wǎng)的母線串聯(lián)，則有四個(gè)DC/DC變換器并聯(lián)，考慮到儲(chǔ)能系統(tǒng)獨(dú)立調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的功率平衡，與控制系統(tǒng)互動(dòng)的主要為發(fā)電單元，所以將兩個(gè)微電網(wǎng)中的發(fā)電單元直流變換器納入考慮之中。設(shè)互聯(lián)的兩個(gè)微電網(wǎng)分別為MG1和MG2根據(jù)式（1.4）的單個(gè)DC/DC變換器狀態(tài)空間矩陣，可得到考慮的兩個(gè)個(gè)變換器并聯(lián)狀態(tài)空間矩陣為：xp=Ap其中：xup=AVin1，iL1，uo1分別為MG1光伏單元變換器的輸入電壓、電感電流和輸出電壓；Vin2，iL2L1,CUo1和IL1為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下MG1光伏變換器的輸出電壓和電感電流；Uo21.2互聯(lián)直流微電網(wǎng)的控制系統(tǒng)本文章中的微電網(wǎng)系統(tǒng)采取的是分層控制結(jié)構(gòu)，在雙微網(wǎng)互聯(lián)時(shí)有針對(duì)單微網(wǎng)的初級(jí)控制和針對(duì)雙微網(wǎng)的二級(jí)控制。兩層控制分別在設(shè)備級(jí)和系統(tǒng)級(jí)層面保證互聯(lián)系統(tǒng)無論運(yùn)行在互聯(lián)模式下或者孤島模式下都能保證母線電壓穩(wěn)定。1.1.1初級(jí)控制初級(jí)控制主要針對(duì)單微網(wǎng)，屬于單微網(wǎng)的本地控制，通過對(duì)各個(gè)分布式發(fā)電單元的控制來分配輸出功率，保證微電網(wǎng)的母線電壓平衡?；ヂ?lián)直流微電網(wǎng)的初級(jí)控制主要為電壓、電流雙閉環(huán)控制，為了調(diào)整變換器功率分配引入下垂控制，其控制框圖如圖1.3所示。圖1.3初級(jí)控制框圖其中，雙閉環(huán)控制由電流環(huán)和電壓環(huán)構(gòu)成，電流環(huán)保證控制對(duì)象的電流能夠跟隨參考值，電壓環(huán)則保證其電壓跟隨參考值。電壓環(huán)中通過采集變換器的輸出電壓來對(duì)控制器進(jìn)行反饋從而形成閉環(huán)，其采樣值與參考值進(jìn)行比較后經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器（proportionalintegralcontroller，比例積分調(diào)節(jié)器），得到電流環(huán)參考值，與輸出電流進(jìn)行比較，從而完成電流閉環(huán)。直流微電網(wǎng)中不同的供電單元的特性以及運(yùn)行狀態(tài)各有不同，控制環(huán)路也會(huì)有所差異，例如光伏發(fā)電單元采取MPPT(MaximumPowerPointTracking,最大功率點(diǎn)跟蹤）控制，以及儲(chǔ)能單元采取的恒功率控制。上述控制在微電網(wǎng)中只能調(diào)整單個(gè)變換器的功率輸出，但是微網(wǎng)是多變換器并聯(lián)的情況，多個(gè)發(fā)電單元或者儲(chǔ)能單元會(huì)同時(shí)向母線供電，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，還需要保證每個(gè)功率源的功率不能超過其允許上界，這種情況下在雙閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上還需要引入下垂控制。在該控制系統(tǒng)中引入下垂控制，是因?yàn)樽儞Q器并聯(lián)的輸出特性與發(fā)電機(jī)的外特性有相似之處，當(dāng)系統(tǒng)中的負(fù)載逐漸增大的時(shí)候，變換器的輸出電壓就會(huì)降低，如圖1.4所示：圖1.4變換器并聯(lián)的下垂控制示意圖和分別為變換器1和變換器2的輸出電壓，和分別為兩個(gè)變換器的輸出電流，和分別為其輸出阻抗，為公共負(fù)載，假設(shè)，則有：（1.6）可以看出，變換器并聯(lián)的情況下，變換器的輸出電流之比等于其輸出阻抗與虛擬阻抗的和之比，實(shí)際場(chǎng)景中的虛擬阻抗一般遠(yuǎn)大于輸出阻抗，因此可將輸出阻抗忽略不計(jì)，有：（1.7）根據(jù)式（1.7）得出直流微電網(wǎng)的下垂負(fù)載特性曲線如圖1.5所示,可以看出當(dāng)輸出電壓下降到時(shí)，變換器1的輸出電流小于變換器2的輸出電流，將該輸出曲線的斜率設(shè)定為下垂系數(shù)，則該系數(shù)決定了變換器的輸出電流。利用該控制思想，在直流微電網(wǎng)內(nèi)部的變換器并聯(lián)結(jié)構(gòu)中，可以控制不同變換器的功率分配，從而避免各個(gè)變換器自身的控制相沖突從而影響母線電壓穩(wěn)定。圖1.5下垂負(fù)載特性曲線根據(jù)圖1.3所示，直流微電網(wǎng)初級(jí)控制中，需要采取變換器的輸出電壓和電感電流作為反饋，取電壓環(huán)和電流環(huán)之前的值，作為控制器的狀態(tài)量，可以得到：xc1=Cx其中,為控制器的狀態(tài)，為被控的變換器狀態(tài)，。ki0和kp0分別為電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)，kd為初級(jí)控制的下垂系數(shù)。設(shè)電流環(huán)輸出的信號(hào)為d，有：d=Ixc1+JI=kp1其中，kp1和ki1分別為電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)和比例系數(shù)。1.1.2二級(jí)控制在單個(gè)微電網(wǎng)控制中，由于下垂控制的引入，導(dǎo)致實(shí)際的母線電壓往往會(huì)略低于參考值。在不同的微電網(wǎng)中，存在功率分配關(guān)系、線路阻抗等條件的不同，從而下垂控制導(dǎo)致的電壓偏差也會(huì)不同，在微電網(wǎng)互聯(lián)時(shí)，這將會(huì)導(dǎo)致互聯(lián)的母線電壓不一致，從而產(chǎn)生母線環(huán)流，環(huán)流的存在會(huì)加大電能在線路上的損耗，同時(shí)給微電網(wǎng)控制系統(tǒng)的采樣造成干擾。當(dāng)環(huán)流較大時(shí)，甚至?xí)茐木€路和設(shè)備。因此，在微電網(wǎng)互聯(lián)時(shí)，我們需要引入二級(jí)控制來消除電壓偏差。電壓偏差產(chǎn)生的根本原因在于下垂控制帶來的壓降，所以基本的控制思路就是對(duì)壓降進(jìn)行補(bǔ)償，讓母線電壓恢復(fù)到參考值，從而讓兩個(gè)微網(wǎng)母線連接時(shí)保持母線電壓一致。在本文所述的互聯(lián)直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中，引入了離散一致性算法來設(shè)計(jì)二級(jí)控制。在多智能體網(wǎng)絡(luò)控制中，需要各個(gè)智能體協(xié)調(diào)一致工作，這就形成了一致性協(xié)同工作問題，需要設(shè)計(jì)合適的一致性算法來協(xié)調(diào)系統(tǒng)中的各個(gè)單元。多智能體網(wǎng)絡(luò)中，分布式控制比中央控制占用更少的資源，且具有更強(qiáng)的靈活性和魯棒性，更容易設(shè)計(jì)一致性控制算法。如圖1.6所示的n個(gè)智能體所組成的系統(tǒng)中，其結(jié)構(gòu)可由圖??={??,??,??}表示。圖1.6多智能體系統(tǒng)示意圖集合??={??1,??2,?,??n}代表智能體節(jié)點(diǎn)。在互聯(lián)微電網(wǎng)系統(tǒng)中，可用??i來表示第i個(gè)直流微電網(wǎng)，n則表示一共有n個(gè)微電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。集合???{(????,????):????,????∈??,??≠??}中，邊(??i,??j)表示微電網(wǎng)??i與微電網(wǎng)??j存在從j到i的信息流交互。矩陣??(??)=[??????](??,??=1,2,3,???)為圖G的鄰接加權(quán)矩陣，該矩陣對(duì)于圖G，表示了圖中所有點(diǎn)和邊的關(guān)系，對(duì)于微電網(wǎng)集群，則表示微電網(wǎng)間的信息交互。其對(duì)角線元素恒為0，而對(duì)任意非對(duì)角線的元素??????，假如有??????>0，表示頂點(diǎn)i和j之間有信號(hào)交互，否則??????=0。定義度矩陣??(??)=????????{??1,??2,?????}，di為節(jié)點(diǎn)??i的度。圖G的Laplace矩陣為??(??)=??(??)???(??)，??(??)的次小特征值是一致性算法收斂的量化指標(biāo)，體現(xiàn)了一致性算法的收斂速度。若對(duì)于系統(tǒng)中所有的智能體都有???≠??,||?????????||→0，則系統(tǒng)趨于一致。連續(xù)時(shí)間動(dòng)態(tài)一致性算法如式(1.9)及(1.10)所示：xit=ε?在上式中，是與一致性算法收斂速度相關(guān)的常數(shù)。集合????表示所有與節(jié)點(diǎn)i存在通信的節(jié)點(diǎn)集合。在直流微電網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)中，??????=??????恒成立，所以網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為無向圖，則有ixi=0xit==ε?基于上述的離散一致性算法，本文章所述的電壓二次控制方法可以在直流微電網(wǎng)互聯(lián)時(shí)補(bǔ)償母線的電壓偏差，讓其恢復(fù)至參考值，從而避免環(huán)流對(duì)電力系統(tǒng)的影響。下式（1.12）為互聯(lián)直流微電網(wǎng)的電壓二次控制算法表達(dá)式：Viavgk+1其中，??????????(??)為??時(shí)刻微電網(wǎng)??的平均母線電壓，Viavgk+1，Viavg由于本文章只考慮雙微網(wǎng)互聯(lián)的情景，設(shè)微電網(wǎng)MG1和MG2互聯(lián)，將式（1.12）化為：V1avgk+1其中，K為常數(shù)系數(shù)，通過上式得到的Viavgk+1為各微電網(wǎng)初始母線電壓的平均值，其值不一定等于預(yù)設(shè)的參考電壓，要讓每條母線電壓最終收斂到參考電壓值，還需要讓Viavg和參考電壓V電壓二次控制的控制框圖如圖1.7所示：圖1.7電壓二次控制框圖根據(jù)式（1.13），雙微網(wǎng)互聯(lián)條件下，設(shè)MG1和MG2的二級(jí)控制器組成的控制系統(tǒng)狀態(tài)為xc2xc2t=由于電壓二級(jí)控制算法中需要采集微電網(wǎng)的母線電壓，所以變換器狀態(tài)會(huì)直接影響到二級(jí)控制器的狀態(tài)。E=?KK電壓二級(jí)控制算法輸出到初級(jí)控制器的信號(hào)設(shè)為u2to1u2to1t=GG=?kp11和1.1.3雙微網(wǎng)互聯(lián)條件時(shí)的控制器時(shí)滯狀態(tài)空間模型如圖1.8所示，雙微網(wǎng)互聯(lián)條件下，控制器主要通過調(diào)節(jié)光伏單元的輸出功率來達(dá)到穩(wěn)定母線電壓的目的，在變換器-控制器模型中，雙微網(wǎng)的二級(jí)控制器之間需要借助通信網(wǎng)絡(luò)來完成信息交互，這也是該模型中時(shí)滯的主要來源。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)滯模型建模的時(shí)候需要將光伏單元的變換器模型和兩級(jí)控制器模型結(jié)合起來。圖1.8時(shí)滯模型建模對(duì)象根據(jù)式（1.8）所得到的單微網(wǎng)初級(jí)控制器狀態(tài)空間模型，在雙微網(wǎng)互聯(lián)的情況下，將狀態(tài)向量xc1拓展為x其中，x11，x21是MG1初級(jí)控制器電流環(huán)和電壓環(huán)輸出的值，x12，xxc1=CCic=M=ki01和kp01分別MG1為電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)，kd1為MG1初級(jí)控制的下垂系數(shù)。ki02和kp02分別MG2為電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)，kd2為MG2初級(jí)控制的下垂系數(shù)。設(shè)初級(jí)控制器輸出給變換器的信號(hào)為d=[dd=IicxIJ其中，kp11和ki11分別是MG1電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)和比例系數(shù)，kp12和ki12分別是MG2電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)和比例系數(shù)。結(jié)合式（1.5），式（1.14）,式（1.15），式（1.16），式（1.17）,設(shè)雙微網(wǎng)互聯(lián)的情況下，系統(tǒng)的狀態(tài)為xt=xp(t)xc1(t)xc2(t)xc2t=E=設(shè)整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)空間為：x=有：xt=AA1=Ap1.3系統(tǒng)仿真在本小節(jié)中，使用了SIMULINK軟件對(duì)上述的微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真建模，通過仿真實(shí)驗(yàn)的方式來驗(yàn)證系統(tǒng)是否能按照預(yù)期的目標(biāo)運(yùn)行。該仿真主要使用了SIMULINK中的電力電子工具箱和數(shù)學(xué)工具箱，搭建了變換器并聯(lián)結(jié)構(gòu)的微電網(wǎng)模型，并使用數(shù)學(xué)邏輯構(gòu)建了控制器模型。為了研究方便，該仿真模型中使用直流電源替代光伏發(fā)電單元為系統(tǒng)供電。1.3.1單微網(wǎng)運(yùn)行仿真如圖1.9所示為單微網(wǎng)的仿真示意圖圖1.9單微網(wǎng)仿真模型示意圖該直流微電網(wǎng)中包括一個(gè)光伏發(fā)電單元、一個(gè)蓄電池單元以及阻性負(fù)載。其中光伏電池的輸出電壓為24V，蓄電池的額定電壓為24V，容量為24Ah，它們都通過雙向DC/DC變換器與母線相連，變換器輸出端為RL濾波環(huán)節(jié)，直流母線電壓為48V。光伏電池作為恒壓源，同時(shí)為蓄電池和負(fù)載供電。當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)載從25Ω突變到50Ω時(shí)，系統(tǒng)的母線電壓變化如圖1.10所示，系統(tǒng)的電感電流變化如圖1.11所示：當(dāng)時(shí)間t在0.2s之內(nèi)時(shí)，負(fù)載為25Ω，光伏變換器的電感電流為8.95A，蓄電池的充電電流為5.02A，直流母線電壓為47.12V。時(shí)間到達(dá)0.2s，負(fù)載突變?yōu)?0Ω，電感電流也隨之突變?yōu)?.94A，而母線電壓出現(xiàn)了大小約為1V的波動(dòng)，隨后穩(wěn)定在47.31V。時(shí)間在0.6s時(shí)，直流負(fù)載再次突變到25Ω，電感電流隨之突變回8.95A，母線電壓在波動(dòng)后回到47.12V。在整個(gè)過程中，蓄電池的充電電流與端電壓保持不變。以上仿真實(shí)驗(yàn)證明了，蓄電池不發(fā)生變化的情況下，系統(tǒng)能夠應(yīng)對(duì)負(fù)載的突變，通過電流的調(diào)節(jié)來穩(wěn)定母線電壓。圖1.10單微網(wǎng)系統(tǒng)母線電壓的變化示意圖圖1.11單微網(wǎng)系統(tǒng)電感電壓的變化示意圖1.3.2雙微網(wǎng)互聯(lián)仿真如圖1.12所示為雙微網(wǎng)互聯(lián)的系統(tǒng)仿真示意圖，微電網(wǎng)MG1和MG2都具有圖1.13所示的結(jié)構(gòu)，二者的母線通過連接線相連，仿真模型可以通過示波器元件監(jiān)測(cè)兩個(gè)微網(wǎng)的母線電壓和電流。圖1.12雙微網(wǎng)互聯(lián)軟件仿真示意圖下圖1.13為微電網(wǎng)中DC/DC變換器的仿真模型，在變換器的輸入端使用直流電源代替光伏直流電源給系統(tǒng)功能，輸出端使用電阻元件模擬微網(wǎng)中的直流負(fù)載：圖1.13DC/DC變換器仿真模型下圖1.14為