直流微电网中储能单元输出阻抗特性及其稳定性研究

直流微电网中储能单元输出阻抗特性及其稳定性研究 直流微电网中储能单元输出阻抗特性及其 稳定性研究 支娜1,2，张辉1,2 5 (1. 西安理工大学电气工程系，西安 710048; 2. 西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，西安，710049) 摘要:直流微电网系统中，再生能源固有的“间歇性”和不稳定性会降低系统性能，对供电 质量带来较大的影响，为了平抑功率波动，直流微电网系统中通常需要增加储能装置，用以 提升用户供电可靠性。本文将储能接口双向 DC/DC 变换器的输出阻抗作为研究对象，对连 10 续导电模式(Continuous Conduction Mode，CCM)下双向 DC/DC 变换器进行小信号建模，对 储能单元电压下垂控制方式下的变换器闭环输出阻抗进行了推导， 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了下垂系数对闭环输 出阻抗的影响。最后依据阻抗比判据，分析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 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 出规律性结论，仿真验证了上述理论分析的正确性。 关键词:直流微电网;储能;输出阻抗;下垂控制;稳定性分析 15 中图分类号:TM917 Output Impedance Characteristics and System Stability Analysis of Battery unit in DC Microgrid Zhi Na1,2, Zhang Hui1,2 20 (1. Electrical department Xi'an University of Technology, Xi'an 710048; 2. Open Fund of State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment( Xi'an Jiao Tong University) Xi'an 710049) Abstract: In DC microgrid systems, renewable energy inherent "intermittent" and instability will reduce system performance, and influence the quality of power supply system, in order to stabilize 25 power fluctuations, energy storage system is needed to improve customer service reliability. This paper studied the output impedance of bidirectional DC/DC converter as the interface converter of storage unit in DC microgrid system, small signal model in continuous conduction mode (CCM) has built and deduced closed-loop output impedance under the voltage droop control method, analysised droop coefficient on the impact of the closed-loop output impedance. Finally, 30 according to the impedance ratio criterion, the stability of the system that influence by impedance of load is analyzed, Simulation results is given to demonstrate the correctness of analysis. Key words: DC micro-grid;storage unit;Output impedance;Droop control;Stability Analysis 0 引言 35 随着能源危机及环境污染问题的日益严重，再生能源在电力系统中的渗透率逐渐提高， 为了实现对多种再生能源的高效控制，国内外很多学者提出了微电网的概念[1-2]。传统的供 电系统都采用交流供电的模式，因此目前对微电网的研究大多集中在交流微电网上。但大多 数的家用电器都采用直流电源供电，而且很多再生能源也直接发出直流电，加之直流系统不 存在相位同步、谐波和无功功率损耗等方面的问题，因此近年来直流微电网的研究逐渐引起 40 基金项目:教育部高等学校博士学科点专项科研基金(20106118110008);国家自然科学基金(51277150/ 51307140);电力设备电气绝缘国家重点实验室开放基金支助项目(EIPE12209);西安市科技计划项目 (CX1256);陕西省工业攻关项目(2013K07-05);陕西省教育厅自然科学项目(2013JK0994);西安市 碑林区科技计划项目(GX1210)。 作者简介:支娜(1976-)，女，讲师，主要研究方向:微电网及其协调控制. zhina@xaut.edu.cn -1- 了国内外广大学者的重视[3]。 直流微电网系统中，再生能源固有的“间歇性”和不稳定性会降低系统性能，对供电质 量带来较大的影响。直流微电网系统中需要通过增加储能装置来平抑功率波动，提升用户供 [4]。直流微电网中包含了各种各样的分布式电 电可靠性，储能单元通常分布式接入公共母线45 源，为了实现负荷功率的合理分配，需要根据各分布式单元的输出能力，确定其所需要提供 的功率。在各种功率分配方式中，下垂控制由于无需高频通信即可实现变换器之间功率的分 配，满足了分布式接入的需要，因此得到了广泛的关注和使用[5]。 在实际直流微电网系统中，总是多个分布式单元单独设计，通过直流母线并联在微电网 系统中，其并联稳定性分析是直流微电网研究中的一个重要问题[6]。对于采用下垂控制储能 50 单元来说，由于其电流在本地单独控制，与其它分布式单元无关，因此该控制方式下，储能 单元对直流微电网稳定性的影响主要是由自身的输出阻抗、滤波参数及负载之间有可能产生 并联谐振引起的[7]。 本文建立了工作在 CCM 模式下的双向 DC/DC 变换器输出阻抗的小信号模型，在该小 信号模型的基础上增加电压下垂控制环及电流控制环实现储能单元的自主功率分配，通过调 55 节 PI 参数达到系统稳定运行的目的。最后通过自动控制理论的知识推导了闭环控制下双向 DC/DC 变换器的输出阻抗，得出了下垂系数对变换器输出阻抗的影响规律，并利用阻抗比 判据[8-9]对直流微电网中储能接口变换器的稳定性进行了分析。 1 原理与设计 图 1 为本文所研究的直流微电网结构图，其微源包括光伏发电单元、蓄电池储能单元及 60 风力发电单元。其中光伏发电单元及风力发电单元为再生能源，优先发电，储能单元作为能 量补给单元，主要用于维持直流微电网的功率平衡及母线电压的稳定。在微电网孤岛运行模 式下，调节微源与负载之间的功率平衡。各个微源之间通过母线电压调度策略，采用下垂控 制实现直流微电网的协调控制[10]。 DC/AC 双向DC/AC 孤 AC 岛 WT 保 Grid 护 器 DC microgrid PV Boost 储能 Load 双向DC/DC Buck 65 直流微电网结构图 图 1 Fig.1 Configuration of the DC microgrid 1.1 双向 DC/DC 变换器输出阻抗模型 双向 DC/DC 变换器小信号模型 1.1.1 储能单元通过双向 DC/DC 变换器连接到微电网上如图 2，在忽略开关损耗，考虑电感 70 -2- 串联等效电阻的情况下，根据开关导通和关断时的等效电路，变换器的小信号模型如图 3。 其中:其中 Vˆb 、 iˆLb 、Vˆdc 、 dˆ , 、 iˆdc 分别对应 Vb 、 iLb 、Vdc 、 d , 、 idc 的扰动量，电感电路 iˆLb 和输出电压 Vˆdc 为系统状态变量， Vˆb 和 iˆdc 分别为储能单元输出电压和母线电流扰动量。 , , d ' Vdc + LB iLb RLb LB _ s1 + , d ' iLb 电池储能 , , , C , , UDC s2 _ C V b +_ idc d ' V dc Vdc d ' iLb + - 电池储能单元 图 2 图 3 DC/DC 变换器小信号模型 75 Fig.2 Battery storage unit Fig. 3 Small signal model of the DC/DC converter 根据图 3 的小信号模型可以推导出在 CCM 模式下 DC/DC 变换器的开环输出阻抗为: Ls ， RLb (1) Zoo , 2 LBCs ， CRLb s ， d '2 输出电流到电感电流的传递函数为: d ' 80 (2) Gii , , LBCs 2 ， CRLb s ， d '2 电感电流到占空比的传递函数为: d ' I Lb ， CVdc s (3) Gid , , 2 '2 LBCs ， CRLb s ， d 输出电压到占空比的传递函数为: (LB s ， RLb )I Lb ,Vdcd ' (4) Gvd , LBCs2 ， CRLb s ， d '2 DC/DC 变换器的电压下垂控制 85 1.1.2 直流微电网中，为了实现分布式单元的功率分配，经常采用无需高频通信的下垂控制， , 其控制框图如图 4 所示。其中 V, ref 为变换器放电阈值的扰动量，i dc 为变换器输出电流的扰动 , 量，Vb 为蓄电池输出电压的扰动量，k 为所需要设计的下垂系数，与系统的额定功率 Pu、电 压等级的最小值 Vdcmin 及各阈值之间的变化量V 有关。 , Vb Yin , , i dc Gii iLb Gid Gvv , Z oo Vdc Gvd , , d , iLref GPIi GPIu Vref k 90 双向 DC/DC 变换器下垂控制框图 图 4 Fig 4 Droop control diagram of the Boost converter -3- 根据图 4 可以推导出基于下垂控制的双向 DC/DC 变换器的闭环输出阻抗为: Zoo (1 ， GPIiGid ) , GiiGPIiGvd , kGPIuGPIiGvd Z Bc , (5) 1 ， GPIiGid ， GPIuGPIiGvd 95 其中:Zoo 为双向 DC/DC 变换器开环输出阻抗，Gid 为输出电压到控制占空比的传递函数， Gvd 为输出电压到控制占空比的传递函数，GPIi 为电流环 PI 控制器传递函数，GPIu 为电压外 环 PI 控制器传递函数，k 为下垂控制系数。 1.2 双向 DC/DC 变换器输出阻抗特性 双向 DC/DC 变换器输出阻抗特性 1.2.1 100 10kW，直流母线电压为 400V，计 本文建立的图 2 所示的储能单元接口变换器额定功率为 算出小信号模型占空比为 0.76，蓄电池输入电压为 96V，电感为 3mH(其内阻为 0.1 , )，滤 波电容为 700uF。在该参数下，对电池储能单元的开环输出阻抗和闭环输出阻抗进行仿真， 如图 5 所示。 从图中可以看出在低频范围内 DC/DC 变换器的开环输出阻抗随着频率的增加幅值增加， 相角逐渐减小，并且呈感性;中频范围内，幅值先增加，当谐振频率到达谐振峰值后，幅值 105 开始减小，且相角不断减小，系统由感性转为容性;高频范围内，变换器输出阻抗幅值继续 下降，相角接近-90?呈容性。从图 5 中可以看出，增加闭环控制后，低频范围内相角由 180? 减小为接近于 0?，中频段的谐振峰值减小，高频段闭环输出阻抗与开环输出阻抗曲线基本重 合。闭环控制并没有消除阻抗在谐振频率处的幅值尖峰，但是谐振峰值有所降低，提高了系 统的稳定性。 110 Phase (deg) Magnitude (dB) 在图 1 所示的直流微电网中，储能接口采用下垂控制来均分功率。因此下垂系数对储能 单元输出阻抗具有一定的影响，为了分析下垂系数对储能单元输出阻抗的影响，本文对下垂 系数分别为 0.2、0.4、0.76 时，DC/DC 变换器输出阻抗特性进行了仿真，输出曲线如图 6 所示，其中 0.4 是根据 10kW 储能单元计算所得的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 值。从图 6 可以看出，低频范围内， 下垂系数为 0.2 时，系统的输出阻抗最大，随着下垂系数增加，输出阻抗的幅值减小，输出 115 阻抗相位角随着下垂系数的增加而减小。中频范围内，谐振峰值基本不受下垂系数的影响， 曲线基本重合，放大后可以出，下垂系数越小，谐振峰值略高。谐振幅值后面的曲线基本重 合，可以得出下垂系数对高频基本无影响。由此可见，在分析储能系统闭环输出阻抗时，功 率越小，下垂系数越大，系统谐振峰值越高，系统越不稳定。 Bode Diagram Bode Diagram 40 40 20 开环输出阻抗 20 0 0.2 0.4 0 -20 闭环输出阻抗 -40 -20 Phase (deg) 0.6 Magnitude (dB) -60 -40 180 180 0.2 0.4 90 90 0.6 0 0 -90 -90 -1 0 1 2 3 4 5 6 -1 0 1 2 3 4 5 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 Frequency (rad/sec) Frequency (rad/sec) 120 双向 DC/DC 变换器输出阻抗 图 6 不同下垂系数的闭环输出阻抗 图 5 Fig.5. Output impedance of the Bidiretional converter Fig.6. Output closed-loop impedance of different droop coefficient -4- 1.3 储能单元接口变换器稳定性分析 125 带负载的蓄电池储能单元接口电路如图 7 所示，蓄电池模块通过双向 DC/DC 变换器与 直流母线相连，为了简化分析，将负载接口阻抗用一个 RLC 串联阻抗模拟。Zso 为变换器的 输出阻抗，ZLi 为负载的输入阻抗。利用阻抗比判据对图 7 的蓄电池储能单元其进行稳定性 分析。 储能 + 1 S R L C DC 400V S2 C - Zso ZLi 130 图 7 蓄电池储能单元接口电路 Fig 7 Topology of the Battery unit with load 根据图 7，可以看出，源侧输出阻抗即储能变换器的闭环控制输出阻抗，Zso=ZBc，负载 侧输入阻抗计算公式为: 135 1 (6) Z Li , R ， sL ， sC 图8为负载参数为R=1 , ，C=50uF，L=3mH时，变换器输出阻抗与负载输入阻抗的波特图， 可以看出变换侧输出阻抗在谐振峰值处与负载输入阻抗曲线相交，此时系统将产生谐振。该 结论同样满足阻抗比判据，图9给出变换器输出阻抗与负载输入阻抗比Zso/ZLi的Nyquist曲线， 140 该曲线进入禁止区，说明系统才是将产生震荡。由此可以看出储能系统单独运行时是稳定的， 并不能保证并联到直流母线上后，系统是稳定的，主要原因是负载侧输入阻抗与变换器输出 阻抗有可能产生谐振。 Bode Diagram Nyquist Diagram 100 1.5 2 dB 0 dB -2 dB 负载输入阻抗 50 禁止区 -4 dB 1 4 dB 0 -6 dB 6 dB 0.5 -10 dB 10 dB -50 变换器输出阻抗 Magnitude (dB) -20 dB 20 dB -100 0 180 Imaginary Axis -0.5 90 -1 0 Phase (deg) -90 -1.5 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 10 10 10 10 10 10 10 10 10 Real Axis Frequency (rad/sec) 图 8 图 9 C=50μF 时 Zso 与 ZLi Bode 图 C=50μF 时 Zs/ZL 的 Nyquist 图 Fig.8 Fig.9 145 C=50μF 时 Bode diagram of the Zso and ZLi C=50μF Nyquist diagram of the Zso/ZLi 将 C 由 50uF 改变到 100uF，以改变负载侧输入阻抗值，再对系统进行仿真，仿真结果 如图 10 和图 11 所示。从图 10 中可以看出 DC/DC 变换器的输出阻抗和负载的输入阻抗在整 个频率范围内抗均没有交点，系统没有产生谐振，因此该系统是稳定的。由图 11 的阻抗比 150 判据可以看出，Zso/ZLi 的 Nyquist 曲线在禁止区外，因此系统是稳定的。 -5- Bode Diagram 150 Nyquist Diagram 0.4 100 -10 dB 6 dB 4 dB 2 dB 0 dB -2 dB -4 dB -6 dB 10 dB 0.3 50 禁止区 0 0.2 20 dB -20 dB -50 Magnitude (dB) 0.1 Phase (deg) -100 0 180 负载输入阻抗 -0.1 90 -0.2 变换器输出阻抗 0 -0.3 -90 -0.4 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 -1 10 10 10 10 10 10 10 10 10 Real Axis Frequency (rad/sec) 图 10 C=100μF 时 Zso 与 ZLi 的 Bode 图 图 11 C=100μF Zso/ZLi 的 Nyquist 图 Fig.10 C=100μ F Bode diagram of the Zso and ZLi Fig.11 C=100μF Nyquist diagram of the Zso/ZLi 2 结论 本文建立了适用于直流微电网的储能接口变换器小信号模型，得到储能单元在下垂控制 155 下的闭环输出阻抗，可以看出下垂控制在低频范围内增加了变换器输出阻抗的幅值和减小了 相角，同时降低了系统的谐振峰值，使得系统的稳定性增加;在高频范围内，开环和闭环输 出阻抗曲线基本重合，因此对系统的稳定性基本没有影响。最后根据阻抗比禁区判据可以看 Imaginary Axis 出，负载侧输入阻抗对储能单元的稳定性有着重要的影响，在实际中，负载的侧输入阻抗还 包括滤波器及线路阻抗等，均可影响负载侧输入阻抗的大小，因此对储能单元输出阻抗的分 160 析对直流微电网系统级设计具有重要的意义。 [参考文献] (References) [1] 杭丽君，李宾，黄龙，等(一种可再生能源并网逆变器的多谐振 PR 电流控制技术[J](中国电机工程 51-58( 学报，2012，32(12) : [2] 胡雪峰，王璐，龚春英，等(可再生能源并网发电馈网电流中的谐波分析及其抑制策略[J](中国电机 165 工程学报，2010，30(S):167-170( [3] She X ， Huang A Q ， Lukic S， et al ( On integration of solid-state transformer with zonal DC microgrid[J](IEEE Trans. on Smart Grid，2012，3(2) :975-985( [4] Kakigano H，Nishino A，Miura Y，et al (Distribution voltage control for DC microgrid by converters of energy storages considering the stored energy[C]// IEEE Energy Conversion Congress and Exposition(Atlanta ，USA : 170 IEEE，2010:2851-2856( [5] Anand S ，Fernandes B G，Guerrero J M (Distributed control to ensure proportional load sharing and improve voltage regulation in low voltage DC microgrids[J](IEEE Trans. on Power Electronics，2013，28(4): 1900-1913( [6] 佟强，张东来，徐殿国.分布式电源系统中变换器的输出阻抗与稳定性分析.中国电机工程学报.2011.4.25. 175 第 31 卷. 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