直流微电网中变换器阻抗特性及系统稳定性研究

针对直流微电网中变换器阻抗特性及稳定性问题,从系统级高度将变换器的输出阻抗作为研究对象,对适用于光伏系统中的连续导电模式（CCM）下Boost型变换器进行小信号建模,得到变换器的开环输出阻抗。分析了变换器在下垂控制方式下的闭环输出阻抗的小信号模型及其影响因素,总结出规律性结论,便于对直流微电网的稳定性进行分析。最后,根据阻抗比判据,分析了线路中不同寄生电容对系统稳定性的影响。仿真结果验证了上述分析的正确性。     

Boost DC/DC变换器输出阻抗研究

在直流微电网中,变换器是一个极其重要的单元,对其阻抗特性及稳定性研究很关键。文章基于Boost DC/DC变换器,从电路参数(电感电容等)的角度,在连续导电模式下,根据控制方式的不同对其输出阻抗进行小信号建模,进而理论和实验相结合分析输出阻抗的特性,为制定微电网直流分布系统中变换器的阻抗标准提供了参考依据。最后搭建的一个级联式DC/DC变换器系统对阻抗比(前级输出阻抗与后级输入阻抗模之比)进行测量,并根据阻抗比稳定性判据对系统的稳定性进行判断。分析组成级联系统负载级的线路参数对系统稳定性的影响,总结规律与结论,从而对直流微电网进行稳定性分析。     

双向DC/DC变换器阻抗特性及稳定性研究

将直流微电网中储能接口变换器双向DC/DC的输出阻抗作为研究对象,建立了连续导电模式(CCM)下双向DC/DC变换器的小信号模型,推导了双向DC/DC变换器电压下垂控制工作方式下的闭环输出阻抗,并分析了下垂系数对闭环输出阻抗的影响。最后依据阻抗比判据,研究了线路中不同的负载侧阻抗对储能单元稳定性的影响,总结出规律性结论。仿真和实验结果验证了上述理论分析的正确性。     

主从控制下直流微电网稳定性分析及有源阻尼控制方法

直流微电网系统阻抗的复杂性易造成系统不稳定,以往研究中经常忽略系统节点之间的阻抗,或者给出的稳定性判据不能适用于环网。给出了一种基于阻抗的主从控制下直流微电网系统稳定性判据,并提出了一种基于双准比例谐振(proportional resonance,PR)控制器的有源阻尼控制方法。首先,利用单元连接法对各电源、恒功率负载等功率模块进行戴维南/诺顿等效,得到相应的阻抗/导纳,结合系统节点导纳矩阵给出了一种基于阻抗的主从控制直流微电网的稳定性判据。该判据能够分析含电压控制型主电源、电流控制型从电源、恒功率负载、系统节点间阻抗等复杂直流微电网的稳定性;只与各部分的阻抗或导纳相关,且系统结构可为环形。其次,通过双准PR控制器在电压控制型主电源输出阻抗中串入有源阻尼,能有效降低输出阻抗幅值的峰值,提高系统稳定性,同时不改变输出阻抗的低频段幅值。最后,三机四节点环形直流微电网的仿真结果验证了所提稳定性判据和有源阻尼控制方法的有效性。     

孤岛模式下风电直流微电网小信号稳定性分析

将基于阻抗比判定系统电压稳定的方法引入风电直流微电网中,建立并分析系统小信号模型,推导各单元输出/输入阻抗表达式。对于风电单元,详细推导其在两相同步旋转坐标系下的小信号控制模型,分析母线电压、穿越频率等关键参数对直流端输出阻抗的影响。在此基础上,建立了直流微网源、负载子系统的阻抗比模型,对级联系统稳定性进行了仿真分析。仿真结果表明:所提小信号阻抗比稳定性分析方法对风电直流微电网系统参数设计具有一定的指导性。     

基于无源阻尼的直流微电网稳定性分析

多变换器与负载交互所引起的稳定性问题已成为直流微电网领域的一个研究热点,但目前稳定性研究大多集中在单一控制的直流微电网,缺乏普适性。针对母线电压分层控制下的直流微电网稳定性问题,建立了各接口变换器在不同控制下的小信号模型和直流微电网等效阻抗模型,并利用阻抗比判据判定直流微电网3种模式的小信号稳定性,将稳定性最差的模式作为直流微电网系统稳定性的判定指标。采用无源阻尼法,通过增加阻尼电阻改善了负载阻抗特性,使直流微电网的稳定性得到提高并得出滤波参数对稳定性的影响规律。研究结果表明:模式2下直流微电网稳定性最差,在添加了12?阻尼电阻后,幅值裕量增加了12.7 d B,相角裕量增加了11.5°。因此无源阻尼可改善负载阻抗特性,从而提高直流微电网稳定性。     

考虑光伏发电单元孤岛检测影响的直流电网稳定性分析与阻尼控制

直流电网适合大规模光伏发电的集成接入。光伏发电单元在接入直流电网运行时,需要依托孤岛检测方法,使得发电单元可以在异常断开状态下得到保护。然而,前馈孤岛检测方法会向直流电网注入扰动,影响光伏发电单元在并网运行时的性能,甚至加剧由于变换器交互作用造成的振荡失稳问题。对此,建立直流电网中光伏发电单元、交直流互联变换器的小信号阻抗模型,并综合考虑最大功率跟踪控制、前馈孤岛检测方法对光伏Buck变换器端口特性的影响,探究影响直流电网稳定性的因素。然后,在不影响孤岛检测的情况下,提出一种有源阻尼稳定控制方法,在并网运行的光伏发电单元的直流电网侧端口串入虚拟电阻,使发电单元在输出不同功率时均有较好的稳定性。最后,仿真研究验证了分析内容的准确性和所提阻尼方法的有效性。     

光伏级联DC/DC变换器模式切换稳定性分析及降压运行策略

在光伏直流升压汇集系统中,光伏侧DC/DC变换器通过级联拓扑可实现光伏功率升压直流送出。当光伏输入侧功率差异较大时,级联变换器会在最大功率点跟踪模式和定电压模式间切换,模式切换控制会引起系统稳定性变化。文章以级联隔离升压全桥变换器为研究对象,建立变换器在电导增量法-最大功率点跟踪控制、定电压控制下的小信号输出阻抗模型和级联系统等效阻抗模型,根据阻抗稳定性判据评估控制模式切换下系统稳定性差异。当变换器由最大功率点跟踪模式切换为定电压模式时会降低系统稳定性能,且随着切换控制模式模块数量的增多稳定性显著减小。在此情况下,可采用母线电压降压运行的方案,尽可能使光伏侧DC/DC变换器工作在最大功率点跟踪模式,以维持系统的稳定性。在Matlab/Simulink中搭建级联系统仿真模型,验证了理论分析的正确性。     

孤岛直流微电网光储荷协调分层控制研究

为了提高直流微电网中分布式发电的能源利用率和母线电压稳定性,文中直接从母线电压着手,提出以直流母线电压为基准的分级式控制方法,在储能单元、光伏单元、可控负荷等对应的变换器上设定动作阈值,各单元在不同电压区间下处于不同的运行模式,储能单元采取基于电池剩余容量（state of charge,SOC）偏差和直流母线电压偏差的模糊下垂控制,光伏单元采用双模式切换控制,最后基于Matlab/Simulink搭建了直流微电网模型,模拟了基于模糊下垂的光储荷协调分层控制的8种运行状态,验证了其优越性。     

恒功率负载条件下Boost变换器复合控制技术

直流微电网中大量接入变换器驱动负载,因其输入阻抗往往表现出负阻抗特性,易与供电单元产生交互作用,极大地衰减了系统阻尼,激发了系统振荡。为此,针对直流微电网源侧Boost变换器,此处提出一种无源控制(PBC)和扩张高增益状态观测器(EHGSO)相结合的复合控制方法,首先建立了考虑多因素影响的Boost变换器模型,然后结合无源理论及观测器理论设计了复合控制器,确保了系统在不同负载工况下的全局稳定性,并在实验室内建立了含两台120 W原理样机及一台恒功率负载的实验微电网系统,通过实验验证了所提方法的有效性和正确性。     

光伏中压直流变换器串联系统控制策略研究

针对光伏中压直流变换器串联系统中光伏发电单元功率失配导致的变换器输出过电压及功率损失问题,分析了光伏直流变换器串联系统运行特性,推导了限电压控制下串联系统光伏功率损失与光伏发电单元功率不均衡度及变换器输出电压限幅值之间的关系;提出了改进型Boost全桥隔离功率模块拓扑及其调制策略,基于功率模块输入并联输出串联形成模块级联型直流变换器,通过占空比灵活调节,实现直流变换器宽输出电压范围运行,解决直流变换器调压能力不足导致的功率损失问题;针对光伏直流变换器串联系统复杂运行工况,提出了串联系统直流变换器自适应电压分段式控制策略,实现了串联系统直流变换器多模式自适应稳定运行。研制了3kV/80kW功率模块及20kV/500kW光伏中压直流变换器,基于3台直流变换器输出串联实现了光伏中压直流变换器串联升压并网系统实证应用,现场实验结果验证了所提直流变换器拓扑方案的可行性与控制策略的有效性。     

基于混合储能的直流微电网协同能量管理策略

根据直流微电网的结构以及运行特点,分析了直流微电网中分布式发电单元和混合储能单元的控制策略。针对直流微电网中由于分布式发电单元输出功率的不稳定以及负载突变造成的直流母线电压波动问题,提出了一种基于直流微电源模块和混合储能模块的协同能量管理策略。该控制策略以直流母线电压为信号对混合储能模块的充放电模式进行控制。同时也搭建了含光伏微源单元和混合储能单元的仿真模型,通过MATLAB/Simulik仿真软件对混合储能的能流切换模式进行仿真,结果表明该策略在负荷波动或者光伏单元输出功率不稳定情况下直流母线电压的相对稳定性,验证了该策略的正确性和可行性。     

波浪能装置中液压发电系统Boost变换机理及控制策略

根据液压发电系统特性可知,其工作转速由蓄能器压力和发电机负载决定,而蓄能器压力和发电机负载是实时变量,不加控制将无法实现液压发电系统始终工作在最佳转速曲线。特别是当液压发电系统整流后直接馈入海岛直流微电网时,转速由直流电网电压唯一确定。文中通过引入Boost变换电路,实现液压发电系统转速的实时控制。提出最高效率转换控制策略,实现液压发电系统始终工作在最佳转速曲线。推导了液压发电系统Boost变换机理,通过试验得到了最佳转速曲线,建立了液压发电系统经过交错并联Boost变换器馈入直流微电网的仿真模型。仿真结果表明,在Boost变换器控制下,液压发电系统始终工作在给定的最佳转速曲线,实现了液压发电系统最高效率转换控制策略。     

交直流微电网中变换器级联系统稳定性分析与协同控制

交直流微电网将成为未来配用电系统的重要组成形式,受到广泛的关注。但其中的恒功率负载具有负阻抗特性,容易引发母线电压振荡,不利于系统稳定运行。该文以控制母线电压的源变换器双向DC/DC和控制功率的负载变换器双向DC/AC为研究对象,建立直流变换器级联系统的等效阻抗模型,并进行稳定性分析。研究表明,LC滤波器会增大系统低频段输出阻抗,造成直流母线电压出现输出阻抗峰值频率附近的振荡。对此,该文提出一种协同控制方法,引入电压和功率协同控制,同时调整源变换器的输出阻抗和负载变换器的输入阻抗,从而减少级联系统输出阻抗的幅值并增加输入阻抗的相位,扩大系统的稳定裕度。最后,通过仿真和实验验证该文的分析和所提控制方法的有效性。     

微电网光伏发电系统控制与稳定性研究

在分析光伏电池原理及最大功率跟踪基础上,分析了含光伏发电系统的微电网模型。对光伏系统控制采用的是两级式控制,前级Boost DC/DC实现光伏阵列最大功率跟踪控制以稳定直流母线电压,并可升高电压以满足后级逆变器需要。后级为DC/AC逆变器,对逆变器采用V/f控制策略,此控制策略用以保证微电网的频率电压的稳定性。在Matlab/Simulink平台搭建含光伏发电系统的微电网仿真模型,分别对在并网运行时改变光照和在孤岛运行时改变负荷进行仿真,验证控制策略能够保证光伏发电系统的稳定运行。     

含光伏直流微电网的功率分散协同控制技术研究

为了提高含光伏直流微电网系统的运行稳定性,提出了一种适用于光伏直流微电网的功率分散协同控制技术。该控制策略根据并网换流器的状态、直流电压的变化量以及蓄电池的荷电状态自动调节各端换流站的工作方式,同时开发了光伏发电单元的有功功率控制潜力,使其参与到微电网的多端功率协调控制中,不仅分担了系统的功率调节压力,还实现了光伏能量的优化利用。所提控制策略保证直流微电网系统在不同工况以及电网扰动下,能协调各端电力电子变流器及光伏电源共同维持系统的稳定运行。最后,在MATLAB/Simullink中建立模型,对光伏直流微电网在不同运行工况下进行仿真,验证所提出功率协调控制策略的有效性和可行性。     

直流微电网相关技术研究综述

随着“碳中和、碳达峰”的提出,可再生能源发电占比快速上升。分布式能源发电和微电网技术是促进实现双碳目标的重要途径,与交流微电网相比,直流微电网具有组网灵活、可高效接纳风电、光伏等发电单元以及灵活配置储能单元等优点。然而,由于分布式能源发电的随机性和间歇性以及大量电力电子变换器投入到微电网中使用,会对直流微电网中的母线电压稳定与电能质量造成严重影响。本文围绕这两方面问题阐述了当前直流微电网领域的一些研究方法与进展,详细论述了直流微电网的结构、混合储能系统的控制策略、谐波治理及直流微电网的优化控制与前景。最后,对直流微电网未来的发展趋势做了总结和展望。     

模拟直流发电机特性的储能变换器控制策略

直流微电网的变换器均通过电力电子变换器接入直流母线,而电力电子变换器缺少惯性和阻尼作用,负载功率突变会引起变换器端口电压电流的振荡,给直流母线带来较大的冲击,影响微电网的稳定性。文中参考虚拟同步发电机在并网逆变器控制中的应用,提出了一种模拟直流发电机特性的储能变换器控制策略,使储能变换器具有直流发电机的端口特性,并建立小信号模型,利用阻抗比判据分析了其小信号稳定性。仿真和实验证明所提控制策略可以增强储能单元维持直流微电网内功率平衡的能力,提高直流微电网的供电质量。     

基于滑模的直流微电网电压稳定方法

直流微电网中含有大量的Boost变换器等电力电子器件,这些变换器表现为恒功率负载(CPL),具有负阻抗特性,会破坏系统的稳定性。为此提出一种基于滑模的控制方法,用于给CPL提供稳定的功率和电压,提高系统稳定性。首先介绍了CPL的负阻抗特性,然后通过雅克比矩阵和特征值分析CPL引起的系统不稳定性,基于此提出一种滑模面,选取指数趋近率求解控制率,最后通过仿真验证了所提出的控制方法在不同工况下的有效性。     

基于滑模的直流微电网电压稳定方法

直流微电网中含有大量的 Boost变换器等电力电子器件,这些变换器表现为恒功率负载(CPL),具有负阻抗特性,会破坏系统的稳定性.为此提出一种基于滑模的控制方法,用于给 CPL提供稳定的功率和电压,提高系统稳定性.首先介绍了 CPL的负阻抗特性,然后通过雅克比矩阵和特征值分析 CPL引起的系统不稳定性,基于此提出一种滑模面,选取指数趋近率求解控制率,最后通过仿真验证了所提出的控制方法在不同工况下的有效性。