本文是一篇电气自动化论文，本文主要基于典型光储直流微电网系统，研究系统控制中的电压分层控制策略，制定各组网支路在不同电压区间内相应的工作模式，实现各支路协调配合控制母线电压稳定。
1绪论
1.1课题研究背景及意义
随着国家经济发展和人民生活水平的提高，人们对电能的使用需求日益增加，使用传统化石能源发电不可持续还会带来环境污染问题，以太阳能为代表的绿色清洁能源受到广泛关注[1]。光储直流微电网是由分布式电源、储能单元、用电负荷以及并网接口单元组成的微电网系统[2]，通过光伏发电装置将太阳能转化为电能，提供了微电网内的主要能量来源，大力发展光储直流微电网顺应了国家提出的“碳达峰、碳中和”双减目标。传统的交流电网可靠性高但是存在偏远地区供电困难、输配电效率低的问题，而光储直流微网是以光伏为分布式电源，配合储能系统、供用电系统形成的新型分布式能源供给结构，可以部署在电网供电困难地区或太阳能充足地区，充分发挥其分布式的特点[3]。随着大功率直流供电设备的使用增多，直流负荷的耗电量也显著增加，直流微电网的各组网单元是通过公共直流母线进行能量的交互，使得直流微电网相较于交流电网可以减少电能的变换环节，从而提升电能利用率且可以降低硬件设备的成本[4]。
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1.2光储直流微电网的研究现状
1.2.1典型光储直流微电网的组成结构
光储直流微电网系统的组成结构如图1-2所示，包括光伏发电单元、电池储能单元、并网接口电路和诸如恒功率负载等用电负荷单元[13]。光储直流微电网通过公共直流母线将各组网单元连接，实现各单元间能量的交互，其中光伏发电单元是微电网内的主要能量供给来源，储能单元和并网接口单元对能量供给起到瞬态平衡作用[14]，以维持微电网系统内的能量平衡，直流负载和交流负载等用电负荷消纳了微电网内的主要能量，多余的能量通过并网接口单元供给到配电网。
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光伏电池板经DC-DC变换器连接到公共直流母线，为了提高光伏电池板的使用效率，可以通过DC-DC变换器控制光伏电池板的端口电压稳定在最大功率点处[15]。但在直流微电网内，为了保持直流母线电压的稳定，就不能让光伏发电单元只工作在最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）模式[16]，而要根据系统运行情况选择合适工作模式，当母线电压高于设定值时需要让其工作在电压下垂控制模式[17]，以减小光伏输出功率。
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2典型光储直流微电网的结构和其等效阻抗特
2.1光伏支路运行特征及其阻抗模型建立方法
2.1.1光伏电池的数学模型
光伏电池板是光储直流微网系统的主要能量供给来源，将太阳能利用电池板的“光电效应”转化为电能，再通过后级的电力电子装置控制电池板工作在最大功率点处，达到最大发电效率。考虑到光伏电池板的转换效率、供电安全性方面，通常采用Boost电路将光伏能量输送到公共直流母线。由于光伏支路的单向电能传输特性以及常态下的MPPT工作方式，使得光伏支路虽然以“源”的特征向母线输送能量，但其并不进行母线电压控制，所以光伏支路的工作也会对母线形成扰动，造成其事实上体现“载”的特性。
光伏电池的等效电路模型[44]如图2-2所示，其中：Iph为太阳光照产生的光生电流，Id为等效出的二极管流过的电流，Rsh是等效的并联漏电阻，Rs为等效的电池板串联内电阻，Ipv为电池板输出的端口电流，Vpv为电池板输出的端口电压。
光伏电池板的工作特性受环境因素如光照和温度等的影响会发生变化，图2-3和图2-4分析了光伏电池板的电流I和电压U以及功率P和电压U在不同光照、温度情况下的特性曲线，得到了特性曲线的变化规律。在保持温度恒定的情况下，图2-3（a）中的I-U特性曲线随着光照强度的增强，光伏电池板的开路电压基本不变，而短路电流变大。图2-3（b）中的P-U特性曲线中的最大功率也随着光照强度的增加而变大，说明光照强度变化对光伏电池板的短路电流和最大功率影响较大，对开路电压影响小。
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2.2储能支路运行特征及其阻抗模型建立方法
2.2.1储能支路的数学模型
建立储能电池的数学模型时，可以选取简化电化学模型或电路等效模型。简化电化学模型是结合电池特性以及实际使用的工程场景对其电化学特性进行模拟，适用于估计电池的容量，但是由于没有考虑电池内部极化以及内阻变化的影响，应用于电路中时不能准确反映电池内阻对于后级电路的影响。电路等效模型是根据电池内阻、充放电特性等建立的集成参数电路模型，便于在电路中应用分析、适用性强。因此，本文选取电路等效模型中的一阶Thevenin模型对电池进行建模，得到图2-14所示的等效电路模型[55]。
电池内部电极与电解质接触，产生正负极性相反的电荷并排列在电极两侧，形成双电层。双电层在电池内部由于电场效应会阻碍电荷流动，这种阻碍作用可称作内阻。内阻又可分为接触电阻R0和极化电阻Rp，如图2-14中所示的电阻。接触电阻是电极材料及电解质材料形成的电阻，极化电阻是由于双电层对电荷移动的阻碍作用形成的电阻。根据以上分析可得到图2-14中的一阶Thevenin电池模型，其中：uoc为电池电压，Cp为极化电容，Rp为极化电阻，R0为接触电阻，u L为电池端电压。
图2-15的曲线图反映了电池充放电过程中电池电压和电池容量的关系曲线，曲线上有两个关键点(Qexp，vexp)和(Qnom，vnom)，分别表示电池放电前期刚开始进入电池端电压稳定期的临界点和放电后期电池由端电压稳定期转变到电压快速跌落的临界点。电池电压vfull表示电池充满电时的端电压，电池容量Q表示电池电量耗尽时的容量。
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3 系统能量调度及构网变换器的控制方法 ............................. 29
3.1 直流母线电压分层控制方法 .............................. 29
3.2 分层电压临界点处工作模式切换问题 ......................... 34
4 系统状态切换及稳定裕度改进方法 ........................ 39
4.1 传统工作模式切换方法分析 ............................ 39
4.2 主动加权聚合滤波方法........................................ 43
5 实验验证 ....................................... 49
5.1 典型光储直流微电网实验平台建设 ........................ 49
5.2 光伏支路MPPT及降功率运行实验 ......................... 51
5实验验证
5.1典型光储直流微电网实验平台建设
为了验证主动加权聚合滤波方法对系统稳定性提升的有效性和制定的电压分层控制策略在系统中的正确性，按照图5-1所示的系统拓扑搭建了典型光储直流微电网实验平台，采用DSP28335作为装置的处理器芯片，通过CCS10.2版本软件为处理器编译程序。搭建的实验平台包括：（1）光伏模拟器和三相交错Boost变换器组成的光伏发电支路；（2）由整流回馈装置实现的模拟电池和三相交错双向DC-DC变换器组成的电池储能支路；（3）与交流电网进行能量交互的并网接口支路；（4）三相逆变器和负载电阻箱组成的恒功率负载装置。
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6总结与展望
6.1总结
本文采用光伏发电支路、电池储能支路、并网接口支路和恒功率负载组成的典型光储直流微电网作为研究对象，首先建立各支路的等效阻抗模型，通过阻抗稳定性判据将各支路的控制参数和硬件参数对于系统稳定性的影响特征进行研究。然后制定电压分层控制策略对组网支路进行协调控制，实现各支路根据所处电压区间自主切换相应工作模式稳定母线电压。最后针对母线电压波动造成的工作模式频繁切换问题，结合传统模式切换方法的优缺点，提出了主动加权聚合滤波方法提升母线电压的稳定性。总体得出如下几条结论：
（1）微电网系统的稳定性受源输出阻抗和负载输入阻抗共同影响，由于恒功率负载的动态负阻抗特征，当恒功率负载的功率增大时系统的环路增益增大导致稳定性降低。母线电容的增大会减小源输出阻抗以增强系统的抗扰性能，电压环比例系数增大会减小低频段处的输出阻抗以增强系统抗扰性能，但是会增大fs/6频率处的谐振尖峰降低系统的高频抗扰性能。
（2）直流微电网为了满足无互联通讯的分布式控制要求，需要采用电压分层控制策略，在额定电压±30V的电压范围内划分电压区间和工作模式，每个电压区间内至少要包含一个电压控制型装置负责控制母线电压稳定。微电网中的恒功率负载造成的母线电压波动会导致电压分界点处的工作模式频繁切换，电压、电流突变会给直流母线带来冲击，需要优化模式切换方法。电压波动会对电压环PID控制中积分环节的控制效果产生削弱作用，使得装置对于波动的直流母线电压控制效果变差。
（3）在模式切换方法中，传统的低通滤波方法为了追求滤波效果会采用较大的滤波时间常数，当信号动态变化时造成滞后影响，且会增大高频段处的输出阻抗使系统的高频抗扰性能降低。滞环比较方法需要根据电压波动的幅值选取滞环宽度，而恒功率负载功率增大会使电压波动幅度增大导致滞环区间失效。主动加权聚合滤波方法可以在稳态时通过滤波算法把小波动滤除掉，避免在电压分界点处工作模式频繁切换，在电压动态变化时可以快速跟随，减少电压滤波带来的滞后影响。
参考文献（略）