本發(fā)明屬于微電網(wǎng)，確切地說是涉及一種含大容量混合儲能系統(tǒng)的微電網(wǎng)大信號穩(wěn)定分析方法。

背景技術：

1、微電網(wǎng)由儲能系統(tǒng)、分布式微源以及一些交、直流負載組成，其中，絕大部分負載、分布式微源以及儲能系統(tǒng)都是通過變換器連接直流母線。閉環(huán)控制的直流負載由于瞬時功率可控，可視為動態(tài)負載，在擾動發(fā)生時為系統(tǒng)引入正反饋，放大擾動信號，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。孤島運行的微電網(wǎng)系統(tǒng)由于自身容量有限，在微源功率波動、負載突變、模式切換等大擾動條件下，極易發(fā)生不穩(wěn)定，因此需要保障系統(tǒng)的大信號穩(wěn)定性。為了補償分布式微源間歇性、季節(jié)性的特點，由蓄電池和超級電容組成的大容量混合儲能系統(tǒng)在微電網(wǎng)系統(tǒng)應用極為廣泛，尤其是微電網(wǎng)孤島模式運行時，大容量混合儲能對系統(tǒng)的供電性能影響極大，能夠增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2、然而目前，尚無法定量描述儲能系統(tǒng)如何增強穩(wěn)定性以及動態(tài)負載如何削弱穩(wěn)定性，因此需要對含有大容量混合儲能系統(tǒng)的微電網(wǎng)進行大信號穩(wěn)定性分析，推導得到定量判據(jù)，分析儲能系統(tǒng)、恒功率負載對穩(wěn)定性的作用，保證微電網(wǎng)系統(tǒng)大擾動條件下穩(wěn)定運行。

3、現(xiàn)有文獻關于微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法，包含小信號穩(wěn)定性分析方法和大信號穩(wěn)定性分析方法兩大類。其中小信號方法出現(xiàn)較早，利用線性化工具將非線性系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作點附近線性化，再進行穩(wěn)定性分析，比較簡單，但是在負載功率階躍、工作模式切換、系統(tǒng)故障等大擾動情況下，由于系統(tǒng)已偏離原穩(wěn)態(tài)工作點，小信號穩(wěn)定性分析方法只能保證系統(tǒng)在原穩(wěn)態(tài)工作點附近的穩(wěn)定性，無法適用大擾動情況。

4、而常用的大信號穩(wěn)定性分析方法有李雅普諾夫方法、takagi-sugeno模糊模型研究以及混合勢函數(shù)分析法(b-m)等。其中，李雅普諾夫分析法是一種基于李雅普諾夫函數(shù)的大信號穩(wěn)定性分析方法，能夠建立系統(tǒng)的穩(wěn)定域，但由于實際系統(tǒng)常常比較復雜，會面臨無法得到lyapunov函數(shù)的問題。takagi-sugeno模糊模型方法可以估計系統(tǒng)特定的穩(wěn)定域，但無法得到定量的穩(wěn)定性判據(jù)，對穩(wěn)定性分析不夠直觀。由brayton-moser提出的混合勢函數(shù)方法比較容易建立李雅普諾夫類型的能量函數(shù)，應用穩(wěn)定性定理，得到大信號穩(wěn)定性判據(jù)，因而應用較為廣泛，但該方法無法得到系統(tǒng)的穩(wěn)定域，無法直觀體現(xiàn)各個參數(shù)對于穩(wěn)定性的作用。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的是提供一種含大容量混合儲能系統(tǒng)的微電網(wǎng)大信號穩(wěn)定分析方法，揭示了微電網(wǎng)中與穩(wěn)定性相關的參數(shù)，為系統(tǒng)參數(shù)設計提供理論依據(jù)。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：

3、一種含大容量混合儲能系統(tǒng)的微電網(wǎng)大信號穩(wěn)定分析方法，微電網(wǎng)包括直流母線、大容量蓄電池組、超級電容、分布式微源、阻性負載和恒功率負載，蓄電池和超級電容均通過多個儲能雙向dc-dc變換器與直流母線相連，穩(wěn)定性分析方法包括以下步驟：

4、s1：結合微電網(wǎng)中各元件的控制策略建立各元件的等效電路；

5、s2：建立微電網(wǎng)的等效電路模型并簡化；

6、s3：基于簡化后的等效電路模型，應用混合勢函數(shù)建立微電網(wǎng)的非線性大信號模型；

7、s4：在不考慮儲能雙向dc-dc變換器控制參數(shù)情況下，對微電網(wǎng)進行穩(wěn)定性分析；

8、s5：在考慮儲能雙向dc-dc變換器控制參數(shù)情況下，對微電網(wǎng)進行穩(wěn)定性分析。

9、進一步的，步驟s1中，蓄電池組多個并聯(lián)雙向dc-dc變換器采用下垂控制均分功率，單個雙向dc-dc變換器采用雙閉環(huán)控制，維持直流母線電壓恒定，等效為電壓源；超級電容采用參考功率差額的雙閉環(huán)控制，等效為受控功率源；分布式微源的變換器采用mppt控制，采用恒流模式輸出，等效為功率源；恒功率負載等效為負的功率源。

10、進一步的，步驟s2中，微電網(wǎng)的等效電路模型包括多個蓄電池及其級聯(lián)雙向dc-dc變換器等效的電壓源、超級電容等效的受控功率源、直流母線、多個阻性負載、分布式微源等效的功率源、恒功率負載等效的負功率源；簡化后的微電網(wǎng)的等效電路模型包括一個蓄電池及dc-dc變換器等效的電壓源、超級電容等效的受控功率源、直流母線、阻性負載、分布式微源等效的功率源和恒功率負載等效的功率源合并后的功率源，其中k為電池等效內(nèi)阻，vb為蓄電池端電壓，ib為蓄電池輸出電流，l為雙向dc/dc變換器的電感，pcpl為分布式微源和恒功率負載等效的功率源，r為阻性負載，cdc為母線支撐電容，vdc為直流母線的電壓。

11、進一步的，步驟s3中，應用混合勢函數(shù)理論建立微電網(wǎng)的非線性大信號模型，包括：

12、s3.1：基于簡化后的等效電路模型，蓄電池電壓vb電流勢函數(shù)為

13、

14、s3.2：超級電容的電壓勢函數(shù)為

15、

16、s3.3：母線電容cdc上的能量可以表示為

17、

18、s3.4：將蓄電池電壓vb電流勢函數(shù)、超級電容的電壓勢函數(shù)、母線電容上能量表達式相加得到模型的混合勢函數(shù)大信號模型：

19、

20、s3.5：結合混合勢函數(shù)的統(tǒng)一表達式：p(i,v)＝-a(i)+b(v)+(i,γv-α)，其中a(i)代表電流勢函數(shù)；b(v)代表電壓勢函數(shù)；(i,γv-α)與電路結構有關，可得：

21、電流勢函數(shù)為

22、電壓勢函數(shù)為

23、s3.6：結合混合勢函數(shù)的標準形式：其中，iρ、vσ為混合勢函數(shù)中的電流變量和電壓變量，將模型的混合勢函數(shù)整理為微電網(wǎng)的混合勢函數(shù)標準形式：

24、進一步的，步驟s4包括：

25、s4.1：建立微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓、電流微分方程，求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)平衡工作點；

26、s4.2：在不考慮儲能變換器控制參數(shù)情況下，應用混合勢函數(shù)第三穩(wěn)定性定理，得到微電網(wǎng)大信號穩(wěn)定性判據(jù)；

27、s4.3：建立微電網(wǎng)的李雅普諾夫函數(shù)，得到系統(tǒng)參數(shù)的變化范圍；

28、s4.4：判斷微電網(wǎng)是否存在漸進穩(wěn)定域，若存在漸進穩(wěn)定域，根據(jù)拉薩爾不變原理求微電網(wǎng)的漸進穩(wěn)定域。

29、s4.5：判斷系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)平衡工作點是否在漸進穩(wěn)定域內(nèi)。

30、進一步的，步驟s4.2中，包括：

31、s4.21：對電流勢函數(shù)a(i)、電壓勢函數(shù)b(v)分別進行二次偏導，

32、a(ii)＝k

33、

34、其中，a(ii)為電流勢函數(shù)對電流變量的二階偏導，b(vv)為電壓勢函數(shù)對電壓變量的二階偏導；

35、s4.22：求解矩陣l-1/2aii(i)l-1/2的最小特征值μ1和矩陣c-1/2bvv(v)c-1/2的最小特征值μ2，其中l(wèi)代表電路中所有電感元件的單位矩陣，c代表電路中所有電容元件的單位矩陣，因系統(tǒng)中包含一個電感l(wèi)和一個電容cdc，計算得到

36、

37、

38、s4.23：根據(jù)混合勢函數(shù)第三穩(wěn)定性定理，μ1+μ2＞0，得到在不考慮儲能變換器控制參數(shù)情況下，微電網(wǎng)的穩(wěn)定性判據(jù)為：

39、進一步的，根據(jù)微電網(wǎng)的混合勢函數(shù)標準形式、μ1、μ2的值、李雅普諾夫函數(shù)的統(tǒng)一表達式：

40、得到微電網(wǎng)的李雅普諾夫函數(shù)為：根據(jù)李雅普諾夫函數(shù)可以得到電壓的變化范圍和電流的變化范圍；判斷微電網(wǎng)是否存在漸進穩(wěn)定域的方法為：在電壓的變化范圍內(nèi)和電流的變化范圍內(nèi)，存在李雅普諾夫函數(shù)對時間的一階導數(shù)小于零且李雅普諾夫函數(shù)大于零的區(qū)域，則微電網(wǎng)存在漸進穩(wěn)定域；根據(jù)拉薩爾不變原理求微電網(wǎng)的漸進穩(wěn)定域；判斷系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)平衡工作點是否在漸進穩(wěn)定域內(nèi)。

41、進一步的，步驟s5包括：

42、s5.1：建立微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓、電流微分方程，求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)平衡工作點；

43、s5.2：在考慮儲能變換器控制參數(shù)情況下，應用混合勢函數(shù)第三穩(wěn)定性定理，得到微電網(wǎng)大信號穩(wěn)定性判據(jù)；

44、s5.3：建立微電網(wǎng)的李雅普諾夫函數(shù)，得到系統(tǒng)參數(shù)的變化范圍；

45、s5.4：判斷微電網(wǎng)是否存在漸進穩(wěn)定域，若存在漸進穩(wěn)定域，根據(jù)拉薩爾不變原理求微電網(wǎng)的漸進穩(wěn)定域。

46、s5.5：判斷系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)平衡工作點是否在漸進穩(wěn)定域內(nèi)。

47、進一步的，步驟s5.2中，包括：

48、s5.21：考慮儲能變換器控制參數(shù)時，對電流勢函數(shù)a(i)、電壓勢函數(shù)b(v)分別進行二次偏導，a(ii)為電流勢函數(shù)對電流變量的二階偏導，b(vv)為電壓勢函數(shù)對電壓變量的二階偏導，

49、

50、

51、其中，k為虛擬下垂電阻，vdc為直流母線電容端電壓，pcpl恒功率負載和微源的功率差額，vb為蓄電池端電壓，isc為超級電容輸出電流；

52、由蓄電池的雙閉環(huán)控制策略可知

53、vb＝vdcref+kvp1(ibref-i)+kvi1(ibref-i)dt

54、

55、其中，kvp1為蓄電池的電壓外環(huán)控制參數(shù)，kvi1為蓄電池的電流內(nèi)環(huán)控制參數(shù)，vdcref直流母線電容端電壓的參考值，vb為蓄電池端電壓，ibref為電池電流的參考值，i為蓄電池電流實際值；

56、根據(jù)超級電容雙向dc-dc變換器的控制策略和功率守恒原理

57、il1＝iscref＝kvp2(pscref-iscvdc)+kvi2∫(pscref-iscvdc)dt

58、iscvdc＝isclvsc

59、其中，isc為超級電容高壓側(cè)電流，iscl為超級電容低壓側(cè)電流，pscref為超級電容的功率參考值，iscref為超級電容的電流參考值，vsc為超級電容端電壓，將isc對vdc求偏導，可得

60、

61、s5.22：求解矩陣l-1/2aii(i)l-1/2的最小特征值μ1和矩陣c-1/2bvv(v)c-1/2的最小特征值μ2，

62、

63、

64、其中，cdc為母線電容，k為儲能系統(tǒng)的下垂系數(shù)，kvp1為蓄電池的電壓外環(huán)控制參數(shù)，kvp2為超級電容的功率外環(huán)控制參數(shù)，vsc為超級電容端電壓，vdc為直流母線電容端電壓，pcpl為微源和恒功率負載的差額功率；

65、s5.23：根據(jù)混合勢函數(shù)第三穩(wěn)定性定理，μ1+μ2＞0，得到在不考慮儲能變換器控制參數(shù)情況下，微電網(wǎng)的穩(wěn)定性判據(jù)為：

66、進一步的，根據(jù)微電網(wǎng)的混合勢函數(shù)標準形式、μ1、μ2的值、李雅普諾夫函數(shù)的統(tǒng)一表達式：

67、得到微電網(wǎng)的李雅普諾夫函數(shù)為：

68、根據(jù)李雅普諾夫函數(shù)可以得到電壓的變化范圍和電流的變化范圍；判斷微電網(wǎng)是否存在漸進穩(wěn)定域的方法為：在電壓的變化范圍內(nèi)和電流的變化范圍內(nèi)，存在李雅普諾夫函數(shù)對時間的一階導數(shù)小于零且李雅普諾夫函數(shù)大于零的區(qū)域，則微電網(wǎng)存在漸進穩(wěn)定域；根據(jù)拉薩爾不變原理求微電網(wǎng)的漸進穩(wěn)定域，判斷系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)平衡工作點是否在漸進穩(wěn)定域內(nèi)。

69、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明提供的含大容量混合儲能系統(tǒng)的微電網(wǎng)大信號穩(wěn)定分析方法，首先，結合微電網(wǎng)中各元件的控制策略建立各元件的等效電路；建立微電網(wǎng)的等效電路模型并簡化。根據(jù)簡化后的微電網(wǎng)等效電路模型，應用混合勢函數(shù)建立微電網(wǎng)的非線性大信號模型；對非線性大信號模型運用混合勢函數(shù)第三穩(wěn)定性定理，得到微電網(wǎng)大信號穩(wěn)定性判據(jù)，揭示了系統(tǒng)控制參數(shù)、濾波參數(shù)、消耗功率和提供功率之間的關系。

70、且應用混合勢函數(shù)建立微電網(wǎng)的非線性大信號模型后，便于建立李雅普諾夫函數(shù)，根據(jù)拉薩爾不變原理求微電網(wǎng)的漸進穩(wěn)定域，為系統(tǒng)參數(shù)設計提供了重要的理論依據(jù)。