复合储能装置的协调控制

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随着电网中分布式电源的日益增多,储能技术在提高系统的稳定性和改善电能质量方面显得越来越重要。储能技术中能量型储能元件(比如铅酸电池)一般能量密度大、功率密度小;功率型储能元件(比如超级电容)一般能量密度小、功率密度大,二者具有极强的互补性,因此复合储能系统相比单一储能系统将具有更多优势,其协调控制策略成为研究的热点。与常规以主从控制为主的控制策略相比,本文主要研究了适用于具有分布式特点直流微电网的复合储能装置协调控制策略,使能量型和功率型储能装置仅依靠自身本地信息即可正常运行,具备"即插即用"功能,重点从以下几个方面对储能装置的并联技术展开研究。(1)选取了合适的储能结构、储能元件的简化电路模型。阐述了双向buck-boost变换器工作原理,分析了其模式切换过程、电压和电流控制两种典型控制的原理。(2)针对储能装置的数学模型,对储能元件和双向变换器以boost方向进行统一建模,推导储能装置各开环传递函数,建立开环小信号模型。分析了电流-电压(I-U)下垂控制和电压-电流(U-/)下垂控制的原理和两种下垂控制间输出特性等效时各参数关系,推导了 I-U下垂中电流可近似采用电感侧电流进行下垂控制的数学依据,提出了采用下垂控制实现复合储能的研究思路。(3)提出一种基于/-U下垂控制的改进并联控制策略。能量型部分下垂控制中引入虚拟电感控制,减少其响应的高频功率;功率型部分下垂控制中引入电流前馈控制,提高其高频功率响应能力。深入分析了两种控制的工作原理,推导各自闭环输出阻抗。根据输出阻抗伯德图,详细分析了虚拟电感和电流前馈等对储能装置响应特性的影响原理,得到参数选取原则。最后,提出了复合储能装置协调控制策略整体参数的选取思路。(4)提出另一种基于U-I下垂控制的并联控制策略。能量型部分下垂控制中引入惯性环节,使控制的更稳定;功率型部分采用电压变化率-电流(U’-I)下垂控制,同时也引入惯性环节,使控制更稳定。深入分析了两种控制的工作原理,推导各自闭环输出阻抗。根据输出阻抗伯德图,详细分析了虚拟电导、惯性环节对储能装置响应特性的影响原理,得到参数选取原则。最后,对(3)、(4)中所提的两种复合储能协调控制策略进行简要对比。(5)在上述理论研究的基础上,同时利用Matlab/Simulink搭建的仿真模型和基于dSPACE1103的半实物仿真平台,对理论分析的正确性及控制策略的有效性分别进行了仿真和实验验证。
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