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独立型燃料电池直流微电网能量管理及其应用研究

韩莹  
【摘要】:随着直流分布式电源和储能技术的发展以及现代直流用电设备的日益普及,直流微电网因其高效灵活、可控性强等优点受到了广泛的关注和研究,成为未来智能电网的重要组成部分。其中,独立型直流微电网在智能楼宇、新能源车辆、数据中心、通信基站等领域发挥着重要的作用。作为一种清洁高效的可再生能源,燃料电池接入直流微电网对提高系统供电可靠性和电能质量具有重要的意义。然而,多异质可再生能源接入直流微电网对能量管理技术提出更高的要求,也制约了直流微电网在特殊领域的应用发展。本文以燃料电池直流微电网作为主要研究对象,着重解决燃料电池直流微电网能量管理、微电网群协调控制等关键问题,并在此基础上深入研究了有轨电车车载燃料电池直流微电网能量管理技术。主要研究工作和取得的成果体现在以下几个方面:(1)设计燃料电池直流微电网系统结构,建立燃料电池直流微电网实验系统。本文详细介绍了由光伏阵列、氢能发电系统(燃料电池、电解器和储氢罐)、蓄电池组和直流负载(家庭负载、电动车等)等构成直流微电网的系统结构。深入研究光伏电池、蓄电池、燃料电池、电解器以及储氢罐等设备的详细模型和工作特性,构建光/氢/储直流微电网实时仿真系统。搭建光伏发电系统、燃料电池发电系统、电解器系统、蓄电池储能系统等的硬件系统,利用RT-LAB实时仿真机建立了直流微电网能量管理系统,分别构建光/燃/储直流微电网和光/氢/储直流微电网硬件实验平台。(2)针对于光/燃/储直流微电网的系统结构和控制目标,提出一种由设备控制层和系统管理层构成的分层能量管理方法,实现直流微电网系统稳定运行和功率合理分配。在设备控制层中,不同子系统根据其工作特性采用不同优化控制方法;在系统管理层,根据控制目标的不同分别采用PI、状态机以及等效氢耗最小策略三种能量管理策略实现功率的协调分配,驱动设备控制层实现直流微电网的能量管理。利用光/燃/储直流微电网硬件实验平台验证上述分层能量管理方法的控制性能,结果表明:分层能量管理方法可实现直流光/燃/储直流微电网的稳定运行,而系统管理层中不同的功率分配策略在SoC控制能力、系统工作效率以及等效氢耗量等方面展现了不同的控制性能。(3)针对于光/氢/储直流微电网的系统结构和控制目标,提出一种基于模式驱动下垂的分散式能量管理方法。该方法通过模式划分和下垂控制两个环节实现直流微电网的分布式能量管理。在模式划分环节,直流微电网根据直流母线电压、蓄电池SoC等本地信息被划分为8个工作模式;在下垂控制环节,系统工作模式驱动直流微电网各子系统调节下垂特性实现系统稳定运行和功率分配。利用光/氢/储直流微电网硬件实验平台验证上述分散式能量管理方法的控制性能,该能量管理方法无需光伏发电系统输出功率以及直流负载功率等信息,仅根据少量的本地信息即可实现系统在不同工况下的能量管理。(4)以直流微电网群为研究对象,提出一种具有虚拟惯性的微电网群分布式协同控制方法。为了解决直流微电网群中大量电力电子设备造成的系统惯性较低以及可再生能源和直流负载引起的功率波动等问题,在直流微电网本地能量管理系统中引入虚拟电容下垂控制环节,通过在暂态过程中实时调节下垂控制系数改善直流母线抗干扰性能。为了实现直流微电网群功率协调控制,在微电网群多智能体系统框架下,采用分布式协同控制方法对本地能量管理系统进行二次调节,电压二次控制环节实现微电网互联瞬时母线电压的平滑控制;功率控制环节实现子网间功率流有效控制,实现各SoC在有限时间内收敛一致。由三个直流微电网组成的直流微电网群实时仿真系统验证上述协同控制方法在母线电压平滑控制、SoC一致性控制、负荷突变响应、即插即用性能等方面的控制效果。(5)以有轨电车车载燃料电池直流微电网为研究对象,本文提出一种基于自适应下垂控制的多源协调能量管理方法,实现车载直流微电网功率协调控制。该方法根据负载功率和储能装置SoC等信息定义了三种系统运行模式,进而实时计算燃料电池发电系统的输出功率,锂电池系统和超级电容系统采用自适应下垂控制方法控制其自动充放电,实现直流微电网的稳定运行和储能装置SoC的一致性控制。建立了由两套燃料电池发电系统、两套锂电池系统、两套超级电容系统以及相应的电力电子装置组成的车载直流微电网系统RT-LAB实时仿真系统。经过实际的运行工况实时仿真测试,验证所提出的能量管理控制方法可实现车载直流微电网中的多电源高效稳定运行以及SoC的均衡控制。


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