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Power Management for DC Microgrid Enabled by Solid-State Transformer
摘要
本论文提出了一种新颖的基于固态变压器直流微电网分布式能量管理策略。文中提到的系统包括分布式可再生能源资源(DRER)和分布式储能装置（DESD)。文中提到的分布式控制算法仅依靠本地信息，并能保证系统中每个模块在基于它们特性上得到充分利用，该算法被应用到固态变压器和直流微电网中。为此，特在MATLAB/Simulink中建立了一个仿真平台，其中光伏、燃料电池和蓄电池分别作为典型的分布式可再生能源资源和分布式储能装置。最后，几个典型案例的仿真结果验证了所提出的分布式能量管理。
关键词：蓄电池 直流微电网 分布式控制 燃料电池 能量管理 光伏 固态变压器
第1章 绪论
微电网逐渐成为最热的研究课题之一,因为它可能解决我们现今面临的能源短缺问题。之前的课题研究主要集中在交流微电网的应用[1]—[5]。最近，随着越来越多的直流可再生能源的应用，直流负载和直流储能进入人们的日常生活，直流微电网得到了广泛关注。相较于交流微电网，直流微电网有它特有的优点：1）更容易和不同的馈电源建立混合系统并入微电网，随着需求的增加可以逐步扩大系统规模；2）因为无需多级电源转换和滤波器要求的降低而更高效；3）更容易对分布式可再生能源进行集成，特别是一些直流电源如光伏，燃料电池，蓄电池，超级电容等等。4）更好的为未来的家庭直流负载供电，如电动车，节能灯和放映机[6]-[8]。然而，直流微电网也面临一些挑战：1）如何提供持久可靠的能量给负载或公共设施；2）如何智能的控制系统中的每个模块；3）如何将分布式储能装置和分布式可再生能源在基于他们不同的特性上的利用率得到最大化；4）如何将直流微电网集成到传统的交流配电网中。
图1.1 SST enabled DC microgrid
原有的研究[9]，[10]采用集中控制方法，这要求有高速通信。但是，由于所有系统操作都是基于通信联系的，会导致系统可靠性降低。因此，研究人员提出DC母线信令（DBS）的基本思想来消除通信的需求[11]-[12]。基于直流母线信令，系统可以利用直流母线电压信号来实现分布式控制操作，而不是利用通信。这种方法提高了系统的可靠性。但是荷电状态（SOC）作为蓄电池工作的重要因素并没有被加入能量管理中。在论文[13]中提出了针对光伏和蓄电池系统的分布式方法。尽管该系统是通过传统的整流器和变压器连接到AC电网，但对于一个大的额定功率系统，该系统的效率和变压器尺寸可能是一个难题。
为了解决前面讨论的挑战，本文中提出了基于SST的一个典型的直流微电网系统。该固态变压器是用来将分布式交流电网连接到低压交流和直流微电网中，而不是利用一个60Hz的传统变压器和整流器。该SST具有功率因数校正、瞬时电压调节、电压骤降耐受性、谐波隔离的功能。并且，相较于传统的变压器，这类固态变压器体积更小，重量更轻且能保证系统的效率。更多关于SST模型的细节和控制详见第二和第四节。之后还描述了相对应的基于SST直流微电网的新型能量管理策略。所提出的能源管理策略的主要部分总结如下：
- 基于SST直流微电网系统的设想；
- 提出了一种针对SST和直流微电网的新颖的能量管理策略；
- 蓄电池的多种工作模式的定义是基于荷电状态的信息和荷电状态涉及到系统的电源管理策略;
- 动态的SST和分布式储能装置在自身容量的基础上能量共享来减少交流电网的负担
论文剩余部分包含以下内容：在第二节中，由基于单相直流微电网系统，利用三级固态变压器说明了其主要特征，并分析了不同的模块的拓扑。第三节中提出了系统能源管理。第四节中介绍了针对每个模块的相应控制算法。第五节中讲述了典型方案研究来证明提到的能量管理并在第六节中给出了结论。
第2节 描述基于固态变压器直流微电网
由基于固态变压器微电网构架的设想如图1.1，这里仅考虑直流微电网系统的能量管理。由基于SST交流终端交流微电网，交流微电网用一个典型的RL负载表示。因为系统的孤岛模式与传统的微电网相同，为了更好的证明本策略，论文仅侧重基于固态变压器的模式。
光伏，燃料电池和蓄电池作为典型的分布式可再生能源、分布式储能装置分别构造一个直流微电网，直流母线连接到SST直流输出终端。固态变压器用来连接低压交直流系统和配电网系统。每个模块的能量流动也包括其中。光伏和燃料电池都会向系统供电，当蓄电池荷电状态在工作范围内时蓄电池被认为是平衡系统供需的能量缓冲；固态变压器可以双向操作。当微电网提供的能量多余负载所需要的，多余的能量会回馈到应用，反之亦然。更多关于能量流动详见第三节。
图2.1. A feasible SST topology unit
A.固态变压器拓扑结构
固态变压器是柔性交流输电设备的最新成员之一[15]-[18]。固态变压器的关键理念之一是应用电力电子控制技术和电力设备技术的状态，以提高变压器的工作频率，从而降低其体积。
图2.2Topology of DAB converter
图2.1展示了一个简单的单相三级固态变压器单元。当由串并联组成的更高功率和额定电压的固态变压器连接到这个单元则该设备的限制是忽略的。
这个拓扑结构包括三个部分：AC/DC，DC/DC以及DC/AC。AC/DC部分将60Hz高电压交流电整流为一个高直流电压。中间的DC/DC模块在采用双主动桥（DAB）拓扑通过高频将高直流电压转换成常规的低直流电压。低直流电压可以用于连接直流微电网母线。最后分相DC/AC变流器生成交流输出电压，可被用于连接交流电网。因此，在SST可以被视为一个三端口能量路由器而不是简单的变压器。
B.光伏，燃料电池和蓄电池的转换器
光伏，燃料电池和蓄电池模型通过电力电子接口共享一个相同的直流母线。如图2.2可见采用了DAB拓扑。DAB有简单的移相调制（PSM)控制，因此容易实现双向功率流动。此外，DAB在一个较大的工作范围内实现了零电压转换，保证了利用率。
第3节 能量管理系统
微电网的系统信息是很复杂和随机的，例如：光伏的输出功率会随着光照的改变而改变；负载通常也不是恒值；分布式可再生能源和分布式储能装置有不同的动态响应等等。因此，为了给用户提供可靠且高质量的电能，能量管理系统策略必须考虑这些因素。与交流微电网相比，直流微电网系统中没有频率，分布式控制中唯一可以利用的信息是母线电压[21]-[22]。母线电压呈现了系统的功率信息，当系统提供功率较高时母线电压上升；当系统功率供应不足时母线电压下降。在SST和蓄电池中都采用了下垂控制（下垂控制算法会在第四节中提到）。因此，直流母线电压，它在一定范围内变化时，由固态变压器DC/DC模块和蓄电池模块共同调节。另外，为了避免直流微电网的工作电压太高或太低，当母线电压的值超出360V-400V时系统将会进入恒定母线电压控制模式。
由于下垂控制方式，蓄电池的功率仅由系统工作条件确定。例如，当由分布式可再生能源产生的功率小于负载需求，蓄电池就要向负载提供功率。在某些情况下，交流电网在一定时间内要带重负荷例如在夏天。此时电网电压和频率就会下降。最糟糕的情况是电网会崩溃。另一方面，蓄电池不能向负载提供它的最大电能，因为它的输出电能是根据下垂曲线定义的。为了减少交流电网的负担和将蓄电池容量最大化，提出了自适应下垂控制工作曲线如图3.1所示。380 V作为SST和蓄电池充放电模式之间的界限值。固态变压器的充电模式表示其从直流微电网吸收额外的能量；放电模式表示其向直流微电网传输额外的能量。SST下垂斜率要选择比蓄电池小的，因为蓄电池的额定功率比SST的小。传统的下垂控制能使蓄电池达到充放电模式之间自动的无缝转换。然而，正如前文提到的，蓄电池的等级不能得到成分利用，因为蓄电池的功率取决于系统的工作条件。为了解决这个问题，当直流母线电压达到预定的临界值时，蓄电池将切换到恒定电流控制回路。例如，当母线电压在充电模式时达到390V，意味着分布式可再生电源的输出功率比负载高，蓄电池将进入恒定电流充电模式（蓄电池轨迹从A点跳跃到B点如图3.1中），而SST仍处於下垂控制。恒定电流值是蓄电池的最大充电电流。以下两个结果可能发生：第一种是分布式可再生电源的输出功率少于负载功率和蓄电池恒定充电功率的和，则馈送入SST的功率将减少，并且直流母线电压将开始下降，直到系统功率达到一个新的平衡。对于蓄电池曲线，它将从B点垂直向下。第二种是如果分布式可再生能源产生的功率仍然高于蓄电充电功率和负载功率的和，那么母线电压将持续增大，并且蓄电池曲线将从B点垂直向上。一旦母线电压值超过400V（C点），固态变压器将切换到恒定电压控制模式来保持母线电压在400V，并将额外的功率回馈到固态变压器。为了避免蓄电池在两个工作模式之间振荡，蓄电池只能当DC母线电压下降到380伏（D点），才从电流控制环路切换到下垂控制。
图3.1Proposed droop curves for battery and SST.
在放电模式中，当母线电压达到370V时，这意味着交流系统和蓄电池需要向负载提供更多的功率。为了使蓄电池容量的最大化，并减少交流电网的负担，蓄电池需要进入恒定电流放电模式来向负载提供最大功率（蓄电池的轨迹从E点跳跃到F点）。恒定放电值是蓄电池的最大放电电流。如果蓄电池和分布式可再生能源产生的功率大于负载需求，母线电压将会恢复而蓄电池曲线将从F点垂直向上；否则，蓄电池的曲线将从F点垂直向下。当直流母线电压达到360V（G点），固态变压器将会工作于恒定电压控制模式，并保持母线电压在360V，而不足的功率由固态变压器提供。为了避免蓄电池在两个工作模式之间振荡，蓄电池只能当DC母线电压上升到380伏（D点），才从电流控制环路切换到下垂控制。
另外，蓄电池的工作状态由它的荷电状态决定，因此蓄电池的控制算法必须包含荷电状态。此外，由于电池的双向功率流性质，定义了三种基本的蓄电池工作模式：模式Ⅰ——蓄电池待机（荷电状态超限），模式Ⅱ——蓄电池充电，模式Ⅲ——蓄电池放电。蓄电池需要在三种模式之间无缝切换工作。图3.2中的箭头表示模式的转换方向。例如，当蓄电池在充电模式下而荷电状态超出了它的上限，那么蓄电池无论它处于什么控制模式都将进入待机模式并停止吸收功率（在图3.2中从模式Ⅱ到模式Ⅰ的浅绿色曲线）。为使蓄电池返回工作状态，当系统需要更多的功率时只能是向负载提供功率来降低它的荷电状态（从模式Ⅰ到模式Ⅲ）。在这种情况下，为了避免蓄电池在放电和待机模式之间震荡，蓄电池需要输出功率到系统并保持恒定电流放电控制仅当母线电压低于370V。图3.2中紫色的曲线描述的是蓄电池模式转换方向当它的荷电状态低于下限。同样的，当蓄电池荷电状态低于最低限度时，蓄电池进入待机模式。仅当母线电压高于390V，电池需要从系统接收功率并保持恒定电流充电控制。
图3.2 Battery operation mode
DRERs的控制目标是利用其输出功率优化。为了达到这个目的，光伏电池通常工作于最大功率点跟踪（MPPT)模式。燃料电池由于它的低动态响应则是工作于恒定功率模式。第四节中解释了每个模式控制算法。
第4章 控制算法设计
基于提出的能量管理策略，这一节讨论了系统中每个模块相对应的控制算法。在这里应当指出，该分布式控制仅需要本地信息，从每一个模块采集。
- 固态变压器控制
固态变压器提供的直流母线电压为360V—400V，以及为交流系统提供120/240V交流电压。图4.1呈现了它的控制框图，其中的符号在附录的表一中有解释。
交直流整流器采用单相d-q解耦控制将高交流电压（7.2kV）整流为高直流电压（11.4kV）。高电压直流母线由双回路控制器控制。D轴的外环电压调节器，内环是电流控制回路。q轴为无功功率控制环，其参考值被设置为零作为单位功率因数的运行（图4.1（a))[25]。双主动桥阶段采用移相控制，将高直流电压转换成低直流电压，它的控制回路如图4.1（b）所示。这相移决定了高电压的直流侧和低直流电压侧功率传输方向。先前，低直流电压被调节为恒定值。为了实现分布式控制，对固态变压器提出了下垂控制方法，这个方法是母线电压在360V-400V的范围内，低直流电压参考值由固态变压器下垂量得出（1）。
(1)
是固态变压器低直流电压测的参考值，是其在没有负载时的输出电压并设为380V，是下垂斜率而是低直流电压测的输出电流。为了保证固态变压器低直流电压在所需的范围内，在输出下垂曲线中加入饱和限制，其中上下限分别为400V和360V。另外，低通滤波器用来过滤直流母线电压中的二次谐波分量。
图4.1 Control diagram for SST: (a). Rectifier stage; (b). DAB stage; (c) Inverter stage.
逆变器级采用双回路控制器，其中外交流电压回路和内部电感电流回路级联。如图4.1（c）所示[27]，[28]。
B. 蓄电池控制
为了实现如图3.1所示的蓄电池工作曲线以及如图3.2所示的转换模式，蓄电池控制算法必须自动地在下垂控制和基于母线电压和固态变压器的电流控制回路之间转换。控制算法如图4.2所示，蓄电池控制算法流程图如图4.3所示，图中的符号解释在附录表二中。
蓄电池下垂控制等式如下（2）所示。
（2）
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