基于背靠背双PWM变流器的飞轮储能系统并网控制方法研究

采用带LCL滤波器的背靠背双PWM变流器作为飞轮电机与电网进行能量交换的接口,提出一种飞轮储能系统并网控制方法。该方法由电网侧变流器控制和电机侧变流器控制两部分组成,并经过充电、预并网和并网运行三个阶段。在充电和预并网阶段,电网侧变流器采用不控整流方式,电机侧变流器先后采用速度外环和电压外环控制方式;在并网运行阶段,电网侧变流器控制采用基于电网侧电流外环、变流器侧电流内环的直接功率控制策略,控制并网有功功率的大小及流向;电机侧变流器控制采用直流母线电压外环、电流内环的双闭环控制策略,维持直流母线电压恒定。采用零极点对消降阶法及对称优化函数等效法分别设计电机侧内外环控制器参数。进行了飞轮储能系统的充电、预并网和并网运行实验。实验结果验证了所提飞轮储能系统并网控制方法的可行性。     

计及光储荷特性的直流微网低压穿越控制策略

针对并网运行的直流微网低电压穿越问题,分析了光储荷直流微网系统构成及运行原理,得出了直流母线电压解析表达式。基于不同电压跌落幅度及变流器最大承载电流限制,提出了一种计及光储荷特性的母线电压分层协调控制策略,依据母线电压波动幅度和微网功率状态,综合调整各单元运行模式来实现系统低电压穿越,提升了系统低电压穿越期间功率平衡及直流母线电压稳定水平。最后通过MATLAB/Simulink平台搭建仿真实例,验证了所提低电压穿越控制策略的可行性和对直流母线电压更好的控制效果。     

微电网混合储能系统充放电控制策略研究

考虑到由蓄电池和超级电容组成的混合储能系统有利于稳定微电网直流母线电压和优化充放电过程,提出了一种基于直流母线电压稳定的混合储能系统充放电控制策略。该控制策略以直流母线电压稳定为控制目标,实现混合储能系统外部功率平衡,结合超级电容的快充能力和蓄电池的续充能力,以超级电容电压和蓄电池的荷电状态为判断条件,实现混合储能系统内部功率平衡。在Matlab/Simulink环境构建孤岛模式下微电网混合储能系统模型,分析了微电网混合储能系统在负荷功率波动时的运行特性,仿真结果验证了该控制策略在稳定直流母线电压同时降低了蓄电池的充放电次数。     

光储微电网锌溴电池储能系统功率优化控制

随着分布式风电、光伏等可再生能源的不断发展,可再生能源本身具有间歇性、随机性特征,给电网安全稳定运行带来很大挑战。针对平抑光储微电网中光伏发电功率波动的需求,提出一种采用锌溴液流电池储能的功率优化控制策略。首先,基于锌溴液流电池的工作原理,建立了其等效电路模型;然后,采用储能变流器级联多重双向直流变换器电路拓扑,分别建立了以稳定直流母线电压为目的的储能变流器矢量控制策略和以电池荷电状态为约束的锌溴电池充放电切换的DC/DC变换器双闭环控制策略;以电池荷电状态和直流母线电压为约束条件,提出一种新型的锌溴电池储能系统功率优化控制策略,同时提出了一种减小充放电切换时直流母线电压突变的混合储能方法;最后,搭建了25 k W/50 k Wh锌溴液流电池储能系统试验平台,在微网并网模式下开展了锌溴储能系统充放电特性研究,结果表明,所提功率优化控制策略能够有效地平抑光伏发电功率波动,所提混合储能方法很好地解决了直流母线电压突变问题。     

独立光储直流微电网分层协调控制

针对独立运行的光储直流微电网,提出分层协调控制策略。第一层控制光伏和储能系统等单元独立运行,且各单元变流器可依次对母线电压进行自动调节。采用自适应下垂控制协调多组储能来稳定母线电压并根据最大功率和荷电状态自动协调不同储能电池之间的负荷功率分配。当独立直流微电网中所需储能系统充电功率超过其最大允许功率时,光伏系统由最大功率跟踪控制切换为下垂模式控制母线电压稳定,且不同光伏单元可根据各自最大功率自动分配负荷功率,同时采用电压前馈补偿控制动态调整下垂控制器的参考电压将母线电压提升至额定值。为了提高运行效率并增强直流母线电压的稳定性,第二层控制根据母线电压协调不同变流器的工作方式,确保不同工作模式下均有变流器根据电压下垂特性控制直流电压来维持系统内的有功功率平衡。最后在Matlab/Simulink搭建仿真模块,分别验证在三种不同工作模式下所设计分层控制策略的有效性。仿真结果表明,该分层控制可实现独立直流微电网的稳定运行。     

基于多组储能动态调节的直流微电网电压稳定控制策略

提出一种基于多组储能动态调节的直流微电网电压稳定控制策略。由于新能源具有波动性并为了提高储能系统的供电可靠性，选择配置一定控制系统的多组储能来控制母线电压稳定。为了避免储能单元过充和过放并降低对通讯的依赖程度，根据储能单元荷电状态（SOC）及最大功率、直流母线电压设计自适应下垂控制自动调节不同储能单元之间的负荷功率分配。此外，设计前馈补偿控制器对下垂控制功率环参考电压进行动态校正以控制母线电压稳定。同时，该控制策略依据直流母线电压自动切换不同变流器工作状态，确保各工况下均有变流器控制直流电压稳定及系统源荷功率平衡。最后，利用Matlab/Simulink搭建仿真模型，结果表明所提出的直流微电网电压稳定控制策略可控制直流微电网稳定运行，各储能单元之间负荷功率可自适应动态分配，并减小了母线电压波动。     

基于小波包-模糊算法的混合储能功率分配策略

针对光储微网中混合储能功率分配不佳导致母线电压频繁波动的问题,提出一种小波包与模糊控制相结合的混合储能功率分配策略。首先利用小波包对光伏系统净功率进行一次分解,得到初次分频点,其次将混合储能荷电状态和电池温度作为模糊控制的参考因素制定模糊规则,对二阶低通滤波器时间常数进行可变调节,修正初次分频点,实现混合储能的最终功率分配。为验证策略的有效性,建模并进行仿真,结果表明所提策略能够有效避免储能电池过充过放,实现光储系统净功率的合理分配,有效平抑功率波动,使直流母线电压波动在±1%以内。     

基于负载电流补偿与转速反馈的飞轮储能系统控制策略

为缓解电动汽车快速充电对电网的冲击,研究在直流快速充电站(DC fast charging station,DC-FCS)应用永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)式飞轮储能系统(flywheel energy storage system,FESS)。在传统PMSM双闭环控制的基础上提出基于负载电流补偿与转速反馈的控制策略。首先建立电动汽车直流快速充电站负荷数学模型,对其冲击特性进行分析。然后阐明所提飞轮储能系统控制策略,并设计配有PMSM-FESS的直流快速充电站控制系统。最后在Matlab/Simulink软件平台上搭建配有FESS的快速充电站系统仿真模型。仿真结果表明：所提PMSM-FESS控制策略可有效限制电网功率上升速率,补偿快速充电站母线电压跌落;即使面临多台电动汽车短时间连续接入的情形,所提控制策略仍可有效缓解直流快速充电站对电网的冲击,降低直流母线电压跌落幅度。     

飞轮储能装置对小规模风力发电系统功率波动的模糊抑制

针对小规模风力发电系统存在发电功率波动的问题,研究了基于模糊控制的飞轮储能装置抑制功率波动的方法.对于飞轮储能系统而言,在其他外部系统参数未知情况下,仅通过检测公共直流母线电压,同时利用飞轮的指令速度变化,构造公共直流母线电压外环模糊控制算法,得出飞轮储能系统的直流环节电流给定.仅通过检测飞轮储能系统的直流环节电流,来实现模糊PI参数自调整,从而进行电流环的PI控制,最终实现与飞轮同轴连接的感应电机V/f控制.实验结果表明该方法具有很好的动静态性能.     

飞轮储能系统中双向功率变换器控制策略的分析与研究

微电网需提供功率缓冲装置,飞轮储能装置可快速调节电能质量,为微电网提供频率、电压支撑.为提高飞轮储能系统的动态响应速度,分析了背靠背变换器的数学模型,以此提出了一种在母线电压平方外环、功率内环的直接功率控制策略基础上,增加功率前馈补偿的控制策略.采用该控制策略可大幅改善由于飞轮储能系统切换状态时电机侧PWM变换器状态突变导致的直流母线电压波动,提高微电网侧PWM变换器的响应速度,从而提高系统的运行效率,改善系统的动态运行性能.分析验证了该控制策略的可行性,并利用仿真与实验进行验证.     

直流微电网孤岛运行控制策略研究

针对湖北黄石地区楼宇建筑直流微电网孤岛运行场景,提出一种光伏和储能电池的协调控制策略。基于直流微电网系统的实时状态,根据直流母线电压数值对微电网的运行模式进行划分,并设置变流器动作阈值,微电网内的各变流器根据母线电压所处的区间范围,执行相应的控制策略,满足微电网的能量平衡及电压稳定性需求。考虑微电网内部储能电池状态的一致性要求,针对电池变流器提出一种基于电池荷电状态(State of Charge,SOC)的协调控制策略,在电池的充放电过程中,根据不同电池组之间的容量差异进行功率分配,避免相同的充放电效率导致过充或过放现象。最后通过Matlab/Simulink对所提控制策略进行仿真验证分析。     

飞轮储能式电动汽车充电站的分布式协同控制策略

电动汽车的大功率充放电对于电网而言是大功率脉冲式负载,突发式负载对电网危害较大。为此介绍了一种基于飞轮储能系统（Flywheel Energy Storage System, FESS）的电动汽车快速充电站,并给出了一种分布式协同控制策略。该控制策略采集了快速充电站内不同设备点处直流母线电压信息以平衡网侧变换器、电动汽车充电器以及FESS间的功率,采用两级控制方法,二级控制器基于电压观测器,利用动态一致性算法不断调整该设备点的直流母线电压。最后采用dSPACE进行实时仿真验证了该控制策略的优越性。     

多模式下风电直流微网功率协调控制策略研究

直流微电网系统的功率平衡是电网安全稳定运行的重要保证。综合考虑微网的运行方式和换流站功率裕量,将含有全功率笼型异步风电机组、储能蓄电池、交直流负载的直流微电网系统分为5种运行模式,即并网运行模式、限流运行模式、短时故障运行模式、孤岛减载运行模式和孤岛降功率运行模式。针对以上5种运行模式,提出一种基于多变量的功率协调控制策略。该策略根据并网变流器电流、蓄电池荷电状态以及直流电压的变化量自动协调各端换流站的工作方式,保证各工况下微网内部的功率平衡和直流母线电压的稳定。最后,在MATLAB/Simulink仿真平台中进行了仿真实验,验证所提出功率协调控制方法的有效性和可行性。     

Energy Management and Control of Electric Vehicle Charging Stations

Abstract

Charging infrastructure is an important component for the healthy growth of the electric vehicle industry. This article presents an energy management and control study of an electric vehicle charging station. The charging station consists of an AC/DC converter for grid interface and multiple DC/DC converters for electric vehicle battery management. For the grid-side AC/DC converter, a direct-current control mechanism is employed for reactive power, AC system bus voltage, and DC-link voltage control. For the electric vehicle-side DC/DC converters, constant current and constant voltage control mechanisms are developed for electric vehicle charging and discharging management. The article considers energy management needs for charge and discharge of multiple electric vehicles simultaneously in a dynamic price framework. A real-time simulation system is developed to evaluate how the electric vehicle charging station can meet grid-to-vehicle, vehicle-to-grid, and vehicle-to-vehicle charging and discharging requirements.     

基于飞轮储能的独立光伏发电系统的研究

光伏发电系统由于受到自然因素的影响,输出功率具有随机性,因此需配置一定容量的储能设备,以确保供电的可靠性和持续性。飞轮储能的充放电速度较快,功率密度高且环保,是一种非常理想的储能元件。研究了配置于独立光伏发电系统的飞轮储能系统,并分别地提出了充电时和放电时的控制策略。最后利用仿真软件Matlab/Simulink搭建了相关模型,在仿真结果中,实现了直流母线电压的稳定控制,验证了控制策略的有效性和灵活性。     

Bi-directional electric vehicle fast charging station with novel reactive power compensation for voltage regulation

Excessive carbon emissions from the current transportation sector has encouraged the growth of electric vehicles. Despite the environmental and economical benefits electric vehicles charging will introduce negative impacts on the existing network operation. This paper examines the voltage impact due to electric vehicle fast charging in low voltage distribution network during the peak load condition. Simulation results show that fast charging of only six electric vehicles have driven the network to go beyond the safe operational voltage level. Therefore, a bi-directional DC fast charging station with novel control topology is proposed to solve the voltage drop problem. The switching of power converter modules of DC fast charging station are controlled to fast charge the electric vehicles with new constant current/reduced constant current approach. The control topology maintains the DC-link voltage at 800 V and provides reactive power compensation to regulate the network bus voltage at the steady-state voltage or rated voltage (one per unit). The reactive power compensation is realized by simple direct-voltage control, which is capable of supplying sufficient reactive power to grid in situations where the electric vehicle is charging or electric vehicle is not receiving charges.     

直流配网中飞轮储能的虚拟惯性控制策略

新能源渗透率的提高对直流配电网的安全稳定带来严峻的挑战,提出一种适用于飞轮储能的基于下垂控制的虚拟惯性控制方法,用以稳定直流母线电压。首先,在分析飞轮储能及直流配网惯性特性的基础上,构建电压波动与飞轮转速之间的关系,同时构建双曲正切函数对下垂系数进行调整,以对特性曲线的摆动进行控制;其次,利用飞轮的惯性调整能力,增大了直流侧虚拟电容,提高了系统的惯性。最后,利用Matlab/Simulink搭建了光储四端直流配电系统进行仿真分析,结果验证了所提控制策略的可行性与有效性。     

光储直流微网能量协调控制方法

直流微网中分布式电源出力的随机波动性,不仅会引起直流母线电压大范围波动,还会影响系统的稳定运行。对此,提出了一种光储直流微网能量协调控制方法,实现了因系统功率供需不平衡引起的母线电压波动的快速平抑。该方法优先利用新能源为负荷供电,通过设定并网变换器和储能模块的工作阈值以协调管理各模块间的能量流动,避免直流母线电压小范围波动引起电力电子器件频繁动作,实现能量的最优利用。在并网状态下,直流微网通过并网变换器与大电网进行能量交换;在离网状态下,光伏模块与混合储能模块协调配合给本地负载供电。其中,考虑混合储能模块的充放电裕量,结合超级电容功率密度大和锂电池能量密度高的特点,混合储能模块让超级电容先工作来平衡系统瞬时功率,提高系统的动态响应特性,减少锂电池动作次数,延长使用寿命。锂电池工作后,可以配合超级电容调整直流母线电压,防止超级电容达到饱和的速度过快。仿真验证了所提方法的有效性。     

直流船舶综合电力系统中混合储能的精确功率分配策略研究

直流船舶综合电力系统是未来船舶的重要发展趋势,可实现全船能源的集中控制和管理。确保船载直流微电网中各分布式电源间的精确功率分配以及母线电压稳定是维持系统安全、经济运行的先决条件。因此,提出一种基于二次规划算法的精确功率分配方法,该方法充分考虑混合储能系统中不同储能介质的额定容量、荷电状态、爬坡速率以及充放电效率的差异,旨在保证系统稳定性的前提下,实现调压成本最小化。具体而言,其通过直流母线电压波动值确定目标功率,采用二次规划算法将目标功率值在混合储能间进行合理分配,从而以最小成本维持母线电压在允许范围内。最后,通过两个实时仿真研究案例验证了所提控制方法的有效性。