直流微电网稳定与协调控制关键技术研究
随着光伏发电、电池储能、变频供电等直流应用的大量涌现，以及电力电子技术的逐渐发展成熟，直流微电网技术已成为研究热点之一。作为组成直流微电网的基础单元—变换器，在显著提升直流微电网运行性能和效率的同时，也给变换器内部、变换器与直流微电网之间，以及直流微电网系统等多个层面，带来了诸多稳定与控制问题。同时，考虑经济、可靠运行，直流微电网需要各类变换器协调运行，进一步增加了各层面分析和控制难度。基于此，论文围绕直流微电网稳定与协调运行问题，研究直流变换器精确建模与高频交互、直流微电网系统稳定规律、自适应下垂控制、二次平移控制，以及交/直流电网接口变换器电流控制等若干关键技术。 首先，针对适用高频段的直流变换器精确建模问题，采用扰动信号双采样等效，提出了基于统一载波的脉宽调制比较器矩阵小信号模型，扩展了矩阵小信号建模方法，由此推导出常用三角载波和锯齿载波脉宽调制比较器矩阵小信号模型。并在此基础上，建立了三角载波降压式变换器闭环控制矩阵小信号模型和输出阻抗矩阵小信号模型。为进一步扩展建模方法适用范围，提出了适用多电平变换器的载波移相脉宽调制比较器矩阵小信号模型及其闭环控制矩阵小信号模型。为展示模型实用性，针对直流微电网中变换器开关纹波互扰产生差频振荡问题，采用输出阻抗矩阵小信号模型分析并获得差频振荡产生条件及避免措施。这些扩展为不同拓扑直流变换器的精确建模，以及直流微电网高频交互的分析和控制提供了较实用方法。 其次，为获得直流微电网系统稳定规律，采用等效电源建模方法，建立直流微电网的等效模型，通过分析系统特征值分布、系统静态特性以及失稳分岔等，获得了直流微电网系统稳定和分岔的关键因素，提出了相应的临界条件，确定了与下垂系数、线路阻抗、母线电容等系统参数的精确量化关系，设计了系统稳定判断流程。这为直流微电网系统参数设计和系统稳定性预判提供了有效依据。 再次，针对直流母线电压质量与功率分配特性之间的矛盾，并减少线路损耗，引入功率影响因子和线路阻抗影响因子，提出了一种考虑直流母线电压质量和线路损耗的双因子自适应下垂控制策略。通过理论分析与算例验证，对比传统下垂控制、单因子自适应下垂控制策略，表明该策略可通过变换器下垂曲线斜率自适应改变，有效减少直流母线电压波动，并具备向最优功率分配点逼近能力，降低了直流微电网输电损耗。 然后，传统下垂控制策略二次平移导致下垂控制范围缩小、直流微电网可控区间变窄。为解决该问题，提出了一种基于多目标进化优化的分段式下垂控制策略。该策略以减少线路阻抗影响、容量匹配为目标，以直流微电网系统稳定条件为约束，采用带精英策略的非支配排序遗传算法，搜索最佳分段点，并保持下垂曲线起点和终点位置不变，拟合分段式下垂曲线。获得的最佳下垂曲线可以保证在变换器额定工作点改变后，仍具有不变的下垂控制范围，从而使直流微电网可控区间保持不变。 最后，交/直流电网接口变换器运行功率大，通常采用较低开关频率，致使两个电流分量控制耦合严重。针对这一问题，采用复矢量建模方法，分别建立了电感型和电感-电容-电感型接口变换器的控制模型，证明了开关频率与电流耦合之间的关联关系。进而，提出了多重解耦电流控制方法，实现了两种类型接口变换器电流解耦控制，并结合陷波阻尼实现了无电容支路传感器的谐振抑制。通过系统稳定性、动态性能和参数敏感性分析，证明了这些方法在实现电流控制解耦同时，增强了控制系统稳定性和鲁棒性，改善了动态性能。
直流微电网;精确建模;下垂控制;解耦控制
中国矿业大学;中国矿业大学(江苏)
博士
控制理论与控制工程
郭一楠
2019
中文
TM46;TM73
2020-05-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）