混合孤立微电网的功率控制：一种基于三电平变换器的实验方法

《Energies》：Power Control for Hybrid Isolated Micro-Grids: A Three-Level Converter-Based Experimental Approach

　　

本文提出了一种用于孤立混合微电网系统的先进功率控制与能量管理策略。在1/22缩比实验室平台上，该架构借助电池储能系统（BESS），结合了风力发电机（WT）模拟器、光伏（PV）阵列以及由受控直流电源模拟的变速柴油发电机（VSDG）。研究人员采用三电平变换器构建了鲁棒功率控制方法，以减轻可再生能源固有的间歇性和孤立负载的随机性。这些变换器用于改善电能质量、降低谐波畸变，并实时控制源之间的动态交互。主要目标是在优化可再生能源渗透率的同时，最小化VSDG的贡献和估计燃料消耗，其中燃料消耗的减少通过功率调度分析而非直接测量来评估。通过在1/22缩比平台上使用dSPACE（CP1104）控制器进行的综合仿真和实时实验原型验证了所提出的控制策略。仿真和实验结果均支持该策略在保持系统稳定性和在各种负载分布下最大化能量调度方面的可行性和有效性。

近年来，孤立微电网因其能在偏远地区实现可靠供电而备受关注，但可再生能源发电固有的波动性给系统频率和电压的稳定性带来了巨大挑战。以往的研究大多集中于仿真层面的控制与优化，而包含实际物理硬件和实时控制算法的实验平台验证仍存在明显不足。为填补这一空白，研究人员设计了基于三电电平变换器的混合孤立微电网系统并开展了实证研究，相关成果发表在《Energies》期刊。该系统将光伏（PV）阵列、风力发电机（WT）、锂离子电池储能系统（BESS）以及变速柴油发电机（VSDG）相结合。通过引入三电平变换器架构，系统有效降低了开关管的电压应力与输出电压谐波畸变，提升了整体电能质量。研究验证了该架构能最大化可再生能源渗透率并显著减少柴油发电机运行时间与燃料消耗，对降低偏远地区微电网运行成本和环境影响具有重要意义。

在关键技术方法上，研究团队在1:22缩比实验室平台搭建了硬件实验台，系统涵盖了3 kW光伏板、60 V/100 Ah电池组、基于永磁发电机（PMG）的风力机模拟器及模拟柴油发电机的受控直流电源。所有控制算法通过dSPACE DS1104实时平台部署。研究采用了增量电导法实现光伏阵列的最大功率点跟踪（MPPT）；基于最佳叶尖速比方法设计了风力机的双向级联比例-积分（PI）控制；提出了基于低通滤波提取 Battery power reference 与 的频域能量管理方法，并结合荷电状态约束逻辑构建了电池储能自适应监督层。变换器控制采用空间矢量脉宽调制技术以优化直流母线电压利用率并实现中点电压平衡。

在增量电导法实现光伏阵列最大功率点跟踪的研究中，通过比较增量电导与瞬时电导确定工作点，实验结果表明该算法在各种辐照度下平均跟踪误差收敛至零，成功实现了最大功率的稳定提取。

在风力机模拟器最大功率提取及变速控制的研究中，通过外部速度环与内部电流环的级联PI控制结构维持最佳叶尖速比，得出系统能在风速波动条件下有效提取最大功率并保持机械解耦运行的结论。

在基于状态空间脉宽调制的孤立负载电压控制研究中，通过在50 Hz同步坐标系下的 dq 轴解耦控制得出了三电平中点钳位逆变器能够有效抑制负载电流总谐波畸变并维持高质量交流输出的结论。

在直流母线电容电压平衡及电池储能管理的研究中，通过结合主功率参考与基于电容电压差分修正的平衡控制方法，得出双向直流/直流变流器能在充放电模式间平滑切换并严格保持分裂电容电压均衡的结论。

在结合荷电状态边界限制的电池能量调度研究中，引入动态校正偏移量机制，证实了系统能在三个运行区间（低SoC充电、正常微循环、高SoC强制放电）内有效补偿高频功率波动，并严格防止电池过充与深度放电。

在柴油发电机功率控制的研究中，通过提取低频净功率参考作为前馈指令，得出VSDG能稳定提供低频基线功率支撑并维持直流母线整体电压恒定在130 V的结论。

综合实验验证及结论表明，经缩比平台验证的混合微电网架构能在多变负载和随机源输出下维持系统稳定，双向变换器在升压模式下峰值效率达92%。这些结果不仅证实了该智能能量调度策略能有效降低柴油机依赖并优化可再生能源利用，也为未来开展全功率规模扩展及基于模型预测控制等高级算法研究奠定了实证基础。