交直流混合微電網(wǎng)能源管理工作及所含系統(tǒng)綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u18152交直流混合微電網(wǎng)能源管理工作及所含系統(tǒng)綜述 1249171.1交直流混合微電網(wǎng)能源管理工作 1135841.2交直流混合微電網(wǎng)系的統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成與分析 126391.1.1直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析 2115011.1.2交流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析 3253261.3交直流混合微電網(wǎng)電源系統(tǒng) 362831.3.1光伏發(fā)電系統(tǒng) 374931.3.2蓄電池系統(tǒng) 5228101.4單向DC/DC變換器 6223991.5DC/DC雙向變換器 9222221.6AC/DC雙向變換器 121.1交直流混合微電網(wǎng)能源管理工作微電網(wǎng)能量管理在微電網(wǎng)系統(tǒng)中要保證其功率的穩(wěn)定性，同時要保證分布式發(fā)電與微網(wǎng)還有用戶需求側(cè)之間功率交換的穩(wěn)定。通過能量管理，達(dá)到對變換器的合理控制，在不損耗大量能源的前提下讓整個微電網(wǎng)達(dá)到最高的能源利用率[21]。這是微電網(wǎng)管理的主要工作。微電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)需要在可再生能源不穩(wěn)定的所造成的供電不穩(wěn)定情況下滿足整個微網(wǎng)的供電需求的穩(wěn)定[22]。通過對微電網(wǎng)能量管理的不斷研究已經(jīng)取得了不錯的研究成果，盡管是剛剛起步，但還是逐漸形成了體系。其中現(xiàn)在出現(xiàn)了的微電網(wǎng)能量管理研究大多是對微電網(wǎng)內(nèi)部元件的優(yōu)化研究[23.24]。然而在微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的研究中，針對微電網(wǎng)內(nèi)各個單元協(xié)調(diào)控制策略的相關(guān)研究較少。微電網(wǎng)的抵抗外界干擾能力較弱，是因?yàn)榭稍偕茉吹碾S機(jī)性和波動性所造成的輸出波動，還有用戶需求側(cè)的電壓變化。因此為了解決微電網(wǎng)的這種不穩(wěn)定性設(shè)計(jì)合理的能量管理策略非常重要。為了實(shí)現(xiàn)平衡微電網(wǎng)中的輸出功率，以及提高其能源利用率快速發(fā)展微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)是非常重要的。同時交直流混合微電網(wǎng)的交流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)之間的能源交換穩(wěn)定也需要能量管理系統(tǒng)的控制[25]。1.2交直流混合微電網(wǎng)系的統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成與分析圖2-1交直流混合微電網(wǎng)大多交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)架如圖2-1所示。首先光伏發(fā)電陣列通過單向DC/DC變換器與直流母線相連。蓄電池通過雙向DC/DC變換器與直流母線相連，對蓄電池進(jìn)行充放電。直流負(fù)載直接直流母線連接，直流母線與交流母線通過AC/DC雙向交直流變換器連接。通過并網(wǎng)點(diǎn)的斷開與連接交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)和并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能通過DC/DC變換器進(jìn)入直流母線，蓄電池通過DC/DC雙向變換器接入直流母線，風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過AC/DC變換器接入直流母線。二次電源之就與直流母線連接。正常情況下系統(tǒng)通過光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行供電，但當(dāng)用戶負(fù)載需求量增大到光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出點(diǎn)亮無法滿足時，蓄電池和二次電源對系統(tǒng)供電。1.1.1直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析直流系統(tǒng)包括光伏發(fā)電器，蓄電池，二次電源。(1)光伏發(fā)電器光伏發(fā)電通過太陽能進(jìn)行發(fā)電工作產(chǎn)生直流電壓，直接通過直流母線進(jìn)入電網(wǎng)。(2)蓄電池光伏發(fā)電等可再生能源有較大的波動性和局限性，其產(chǎn)生的輸出能源波動會影響整個微電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定。而蓄電池進(jìn)行供電不會出現(xiàn)較大波動，當(dāng)光伏發(fā)電供電不穩(wěn)定或用戶負(fù)載需求量遠(yuǎn)超于光伏發(fā)電輸出的電量時就需要增加蓄電池進(jìn)行供電，來滿足用戶負(fù)載需求，維持微電網(wǎng)能量穩(wěn)定。(3)二次電源是整個光伏發(fā)電交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)中的最后供電保障，平時不進(jìn)行放電，當(dāng)光伏發(fā)電和蓄電池發(fā)電所提供的電量仍舊不能滿足用戶負(fù)載需求時進(jìn)行緊急供電。1.1.2交流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析(1)用戶負(fù)載整個光伏發(fā)電交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)中的用電部分，通過微電網(wǎng)中的光伏發(fā)電和蓄電池等發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行供電，滿足日常生活所需點(diǎn)電量。通過并網(wǎng)點(diǎn)連入微電網(wǎng)，可通過并網(wǎng)點(diǎn)的斷開連接進(jìn)行狀態(tài)切換。(2)小型發(fā)電機(jī)當(dāng)長時間進(jìn)行孤島狀態(tài)運(yùn)行，光伏發(fā)電和蓄電池的供電量可能依舊不夠，這時就需要小型發(fā)電機(jī)進(jìn)行供電。1.3交直流混合微電網(wǎng)電源系統(tǒng)1.3.1光伏發(fā)電系統(tǒng)(1)光伏發(fā)電工作原理經(jīng)過多年的發(fā)展我國的光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)相對成熟和普及，到處都能可以看到光伏發(fā)電的身影，同時在微電網(wǎng)中光伏發(fā)電也是非常重要的組成部分。首先太陽能發(fā)電可以通過光伏發(fā)電和光熱發(fā)電，收到光照強(qiáng)度和光照溫度的影響。其中光伏電池是光伏發(fā)電的重要器件，光伏電池通過太陽的照射利用自身PN結(jié)的特性產(chǎn)生空穴電子，通過電子的移動將光能轉(zhuǎn)換為電能。這就是光伏發(fā)電的原理，可以很好的利用太陽能這種量大污染小的可再生能源。圖2-2光伏發(fā)電原理圖在交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，光伏發(fā)電系統(tǒng)是非常重要的組成部分，一般用于發(fā)電提供充足的輸出電壓。其中光伏發(fā)電器在直流微電網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)中是可以直接連入直流母線從而進(jìn)行供電的，因?yàn)榭梢圆恍枰?jīng)過變換器這樣既可以使微電網(wǎng)搭建變得簡單還可以節(jié)約成本。但是微電網(wǎng)會受到光伏發(fā)電本身的不穩(wěn)定性局限性的影響，所以在交直流混合微電網(wǎng)中需要通過DC/DC變換器才能連入直流母線，這樣就可以通過DC/DC變換器進(jìn)行控制，保證輸出功率的穩(wěn)定。(2)光伏發(fā)電控制因?yàn)樵诠夥l(fā)電交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)中主要的供電輸出來自光伏發(fā)電系統(tǒng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量輸出產(chǎn)生的波動會對整個微電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。最好的辦法就保證光伏發(fā)電系統(tǒng)可以在任何光照條件下都能達(dá)到此時的最大輸出功率，盡可能的保證發(fā)電的穩(wěn)定性和電量充足。為了減少因?yàn)楣夥l(fā)電輸出功率的波動影響，需要對光伏發(fā)電進(jìn)行能量控制，從而保證微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定。因?yàn)楣夥l(fā)電在不同的光照強(qiáng)度和光照溫度下會出現(xiàn)波動，通過圖2-3可知，在不同光照強(qiáng)度下當(dāng)輸出電壓達(dá)到一定數(shù)值時，其輸出功率將會達(dá)到此時最大值，那就是最大功率點(diǎn)，且最大功率點(diǎn)有且只有一個，而這最大功率點(diǎn)只會隨著不同的光照溫度進(jìn)行改變。如果讓光伏發(fā)電器始終保持在最大功率點(diǎn)處，將會最大程度的利用太陽能，減少能源浪費(fèi)。圖2-3在不同光照條件下電壓與功率的輸出特性那么該如何讓光伏發(fā)電輸出電壓一直保持在最大功率點(diǎn)上，下面介紹幾種最大功率點(diǎn)的檢測方法。(1)恒定電壓法。根據(jù)圖2-3，在不一樣的光照條件下最大功率點(diǎn)的輸出電壓其實(shí)都相差不多，只要將輸出電壓控制在這一周圍，光伏發(fā)電的輸出功率就會極大程度接近最大功率點(diǎn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)表明其這一特殊輸出電壓大約為0.78倍的開路電壓，所以將輸出電壓控制在這范圍內(nèi)，就可以基本保持在最大功率點(diǎn)。但是這種方法精準(zhǔn)度較低。(2)電導(dǎo)增量法。為了在不同光照條件下能更加準(zhǔn)確的判斷最大功率點(diǎn)的所在位置，對光伏發(fā)電的電壓求導(dǎo)，獲得功率變化量。當(dāng)其大于0時說明功率變化為正，輸出電壓增大功率增大，當(dāng)小于0時則功率變化為負(fù)，輸出電壓增大功率減少，當(dāng)?shù)扔?時為最大功率點(diǎn)。電導(dǎo)增量法的優(yōu)點(diǎn)就是準(zhǔn)確度高，可以正確找到最大功率點(diǎn)。通過對比分析本文選用電導(dǎo)增量法來尋找最大功率點(diǎn)。1.3.2蓄電池系統(tǒng)因?yàn)槲㈦娋W(wǎng)系統(tǒng)受可再生能源的發(fā)電系統(tǒng)影響，極易造成供電不穩(wěn)定，此時蓄電池系統(tǒng)可以及時進(jìn)行供電，所以蓄電池系統(tǒng)在微電網(wǎng)中尤為重要。蓄電池是一種非常重要的儲能裝置，可以再主要分布式電源功能不足時對微電網(wǎng)進(jìn)行供電。其中通過制造材料的不同，蓄電池可以分為很多種類，其中鉛酸電池和鋰電池應(yīng)用及其廣泛，因?yàn)檫@種蓄電池制作成本低，且技術(shù)成熟。在交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)中有許多發(fā)電電源，大多都是利用可再生能源進(jìn)行供電，所以在一些特定情況下像是陰天，無風(fēng)這種情況，供電系統(tǒng)很有可能無法供電或者供電不足，此時依靠蓄電池系統(tǒng)對用戶負(fù)載進(jìn)行供電。當(dāng)然在其他供電系統(tǒng)發(fā)電充足的情況下可以進(jìn)行充電儲存多余沒利用上的能量。1.4單向DC/DC變換器在交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)中光伏發(fā)電產(chǎn)生的輸出電壓是需要經(jīng)過DC/DC變換器進(jìn)行調(diào)節(jié)，不可以直接接入直流母線。因?yàn)镈C/DC變換器還可以通過內(nèi)部電容電感對光伏發(fā)電輸出電壓進(jìn)行改變，就可以通過DC/DC變換器可以進(jìn)行最大功率點(diǎn)追蹤控制。DC/DC變換器主要有三種，升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器、降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器以及升降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器.因?yàn)楸疚牟捎霉夥l(fā)電為電源，傳輸電量只需要單向DC/DC變換器[30]。本文介紹升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器和降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器(1)降壓型變換器當(dāng)開關(guān)管絕緣柵雙極型晶體管IGBT正處在連通狀態(tài)這種情況時，此時二極管可以被認(rèn)為為是短路忽略。光伏發(fā)電電源U,向直流母線R傳輸電壓的同時對電容電感充電。當(dāng)絕緣柵雙極型晶體管IGBT處于斷開狀態(tài)這種情況的時候，二極管為連通，電感對直流母線輸出功率，電容維持負(fù)載兩端的電壓。設(shè)絕緣柵雙極型晶體管IGBT時連通情況下的時間為,關(guān)斷時間為，,D為占空比，為開關(guān)周期。求出輸出電壓的平均值為:(2-1)D∈(0,1)，所以可得>UR，降壓型變換器的重要作用就是是對直流側(cè)電壓進(jìn)行降壓電路仿真如圖2-4所示。圖2-4Buck電路仿真通過脈寬調(diào)制(PWM)來控制絕緣柵雙極型晶體管IGBT開關(guān)，原理如圖2-5所示。圖2-5脈寬調(diào)制波形如圖生成的鋸齒波分析計(jì)算，因?yàn)樵O(shè)定的占空比D為0.6，所以當(dāng)鋸齒波的輸出信號超過0.6時，輸出信號就為0，當(dāng)鋸齒波的輸出信號值沒有達(dá)到0.6時，輸出信號就為1，通過輸出信號大小來實(shí)現(xiàn)PWM控制。設(shè)定輸入電壓=12V，輸入和輸出電壓如圖2-6所示。圖2-6輸入輸出電壓(2)升壓型變換器升壓型變換器的電路圖如圖2-7所示。圖2-7Boost變換器當(dāng)絕緣柵雙極型晶體管IGBT是連通狀態(tài)這種情況的時候，二極管判斷為斷開形式，此時的升壓變換器已經(jīng)被分成了兩個部分，此時直流母線對蓄電池輸出電壓開始充電，同時也為電容C為負(fù)載供。當(dāng)絕緣柵雙極型晶體管IGBT斷開情況下，此時的二極管相當(dāng)于短路狀態(tài)，蓄電池對直流母線輸出電壓，同時為電容C充電，在絕緣柵雙極型晶體管IGBT在此變成連通模式這種情況時的向直流母線輸出功率如(2-2)。(2-2)升壓變換器輸出和輸入電壓之間的關(guān)系如式(2-2)所示。占空比D∈(0,1)，所以可得到其輸出電壓大于輸入電壓，升壓變換器起到直流升壓的作用。通過圖2-8升壓仿真。圖2-8Boost電路仿真當(dāng)D為0.6時，此時升壓變換器輸出電壓如圖2-9所示。根據(jù)公式(2-2)可得當(dāng)D為0.6，在輸入電壓=8V時，輸出電壓=20V。通過仿真結(jié)果表明升壓變換器輸出電壓約為20V。圖2-9輸出輸入電壓1.5DC/DC雙向變換器DC/DC雙向變換器是由兩個絕緣柵雙極型晶體管IGBT組成的。在交流微電網(wǎng)和交直流混合微電網(wǎng)中用途廣泛。由于它可以做到讓系統(tǒng)中的能量的進(jìn)行雙向流動，因此主要用于儲能設(shè)備的接口，蓄電池通過DC/DC雙向變換器連接直流母線。圖2-10DC/DC雙向變換器DC/DC雙向變換器的電路圖如圖2-10所示。因?yàn)樾铍姵嘏cDC/DC雙向變換器連在一起所以為蓄電池電輸出源，同時變換器另一端與直流母線相連所以直流母線。通過、兩個這輸出電容，可以盡量維持蓄電池輸出電壓不變;.為兩個絕緣柵雙極型晶體管，電感為L。DC/DC雙向變換器也有多種運(yùn)行模式。(1)升壓模式當(dāng)DC/DC雙向變換器處在升壓模式這種情況時，此時的蓄電池正在向直流母線方向進(jìn)行供電。此時處于斷開狀態(tài)這種情況，受到PWM控制開關(guān)。當(dāng)處于連通狀態(tài)時，電路運(yùn)行于圖2-11下的狀態(tài)。圖2-11VD2此時處于連通狀態(tài)這個時候處為短路可以不考慮。此時蓄電池放電輸出電壓使電感L電壓增大導(dǎo)致增大，蓄電池同時給電感充電。當(dāng)處于斷開狀態(tài)時，電路運(yùn)行于圖2-12下的狀態(tài)。圖2-12斷開當(dāng)處于斷開狀態(tài)時此時處于正向連通狀態(tài)，這時蓄電池和電感L同時供電，輸出電壓升高，同時為進(jìn)行充電。(2)降壓模式當(dāng)DC/DC雙向變換器處于降壓模式蓄電池停止供電由直流母線向蓄電池供電進(jìn)行充電。此時的處在斷開的狀態(tài)，PWM控制使其處在連通狀態(tài)。當(dāng)導(dǎo)通時電路運(yùn)行于圖2-13的狀態(tài)。圖2-13導(dǎo)通當(dāng)處于連通狀態(tài)時此時正是反方向斷開狀態(tài)。直流母線電源開始向電感L和蓄電池輸送電壓，此時蓄電池和電感都是充電的狀態(tài)，這時電流逐漸增大。當(dāng)斷開時電路運(yùn)行于如圖2-14狀態(tài)。圖2-14斷開當(dāng)處在斷開狀態(tài)時，這個時候是連通狀態(tài)，同時電感L對蓄電池傳輸電壓進(jìn)行充電，電感電壓為。1.6AC/DC雙向變換器AC/DC雙向變換器電路如圖2-15所示。包括六個絕緣柵雙極型晶體管IGBT(V1?V6)，通過三個濾波電感將交流母線連接。、、為交流側(cè)的相電壓，、、為交流側(cè)的電流，為直流側(cè)的電壓，為直流側(cè)的電流。為交流側(cè)電阻。為交流側(cè)電抗。圖2-15AC/DC雙向變換器分析AC/DC變換器的數(shù)學(xué)模型開關(guān)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型如式(2-3)所示:開關(guān)函數(shù)數(shù)學(xué)模型（2-3）三項(xiàng)回路電壓方程式(2