随着能源需求和环境问题日益严峻,加快新能源建设及供给成为了各国经济建设发展的重要目标之一。中国作为世界上最大的发展中国家,其能源的生产和消费都居世界前三。能源供应的持续增长,为我国经济发展提供了重要支撑。随着对环境要求的逐步提高,主要以火力发电为主的电力系统面临巨大考验,急需大力发展以光伏、风能等为主的新能源供电系统。
自欧美首先提出应发展能源供给多样化、环境污染小、可满足用户的个性电力需求的微电网以来,分布式发电及微电网的研究成为了国内外学者关心的核心课题之一。
本文在分析了交流微电网和直流微电网的优缺点的基础上搭建了交直流混合微电网模型,针对交直流混合微电网内部的连接枢纽——双向AC/DC功率变换器,提出一种合适的控制方式,保障微电网在任何运行状态下均能保证微电网的稳定运行,提高了微电网的运行可靠性。
本文的主要工作集中在以下几个方面：
(1)针对独立的交流微电网和直流微电网拓扑结构中存在的不足,本文采用了一个含光伏、风电、储能装置等分布式电源,微型燃气轮机等小型的传统电源,电动汽车充电站及负荷的交直流混合微电网的拓扑结构模型。交直流混合微电网兼具交流微电网和直流微电网两种拓扑结构的优势(分布式电源即插即用、微电网自身可调节功率平衡、控制系统中不需要使用通信系统等)；改进了单种供电形式微电网的不足,如：本地负荷受限条件(由于分布式发电容量有限,限制了微电网系统内部允许接入负荷的最大功率),提高了新能源利用率；采用多源供电,提高了系统的瞬态响应及可靠性等。
(2)针对本文搭建的交直流混合微电网模型,详细分析了其运行机制,并在微电网能量管理的基础上设计了双向AC/DC功率变换器的运行控制目标。混合微电网并网运行时,通过PCC(Point of Common Coupling)点与大电网相连,在必要时进行能量交换,保证系统的稳定运行；孤岛运行时,交直流混合微电网既可以运行于单独的交流微电网和直流微电网,分别保证自身稳定运行,必要时也可通过双向AC/DC功率变换器交互能量,保证交直流混合微电网内部的重要负荷正常运行。
(3)针对交直流混合微电网中维持功率平衡,保证微电网稳定运行的双向AC/DC功率变换器,提出了一种新的控制策略。该控制方案综合考虑了直流微电网和交流微电网的功率平衡状态及运行模式,通过检测交流微电网频率和直流微电网母线电压瞬时值,并通过调节PWM(Pulse Width Modulation)波形控制AC/DC功率变换器的开关信号,确定双向AC/DC功率变换器的工作模式(整流、逆变、停止),以维持交直流混合微电网的稳定运行。
(4)为验证本文所提出的控制方案正确可行,本文还在Matlab/Simulink平台搭建了相应的交直流混合微电网系统模型。并通过dSPACE1104、dSPACE1006验证了本文所提出的部分控制策略,并与Matlab仿真结果进行比较分析。其中包括：交直流混合微电网并网运行实验、交直流混合微电网孤岛运行试验。
(5)针对电力电子装置频繁开关动作会给电网带来大量的谐波,严重影响微电网的电能质量及运行稳定性,本文还设计了双向AC/DC功率变换器的输出滤波装置,抑制电力电子开关动作引起的大量谐波,提高系统的电能质量,保证微电网系统稳定运行。
研究表明,双向AC/DC功率变换器采用本文所设计的改进下垂控制系统后,可以实现只使用一套控制系统实现不同工作模式下的控制目标,避免了由于微电网系统运行模式切换而导致的双向AC/DC功率变换器运行控制系统切换。双向AC/DC功率变换器的正确工作可以有效提高交直流混合微电网系统的电能质量,不仅可以保证交流微电网和直流微电网的运行稳定性,还可以缩小直流母线电压和交流频率的变化范围。同时,本文控制系统中增加的空闲模式,避免了电力电子器件的不必要开关动作,抑制了系统的谐波含量,延长了双向AC/DC功率变换器的使用寿命,降低了交直流混合微电网的运行维护成本。
