摘要
随着化石能源的衰竭以及全球能源需求的增加，发展可再生能源迫在眉睫。可再生能源具有不确定性和间歇性，直接接入电网会影响电网的可靠运行。针对上述问题，采用直流微网集成分布式能源和用电负载，可提供高效且可靠的供电方案。然而，随着分布式电源、储能与负荷的大量接入，连接在直流母线上的多个变换器相互作用和影响，容易造成直流母线电压振荡失稳，威胁系统的安全运行。因此，研究直流微网系统的稳定性及其评估方法对保障系统安全稳定运行具有重要意义。 本论文开展了直流微网系统小信号建模及稳定性研究，主要内容包括两个部分：第一部分研究了直流微网系统中开关变换器子系统的小信号建模，并提出统一的模型单元，简化整个直流微网系统的模型，为直流微网系统的稳定性研究提供理论基础；在第一部分研究内容的基础上，第二部分研究了多母线直流微网系统和双极性直流微网系统的稳定性。 第一部分：直流微网系统中开关变换器子系统的小信号建模及稳定性 以纹波控制的Buck变换器为例，揭示了现有平均建模方法的局限性。通过分别引入电感电流和输出电压通用保持环节，对平均法进行了改进，提出了纹波控制（包括电流型控制、V2控制、V2C控制）Buck变换器的改进小信号模型；采用SIMPLIS仿真验证了上述改进小信号模型的准确性。详细分析了电容等效串联电阻和占空比变化时不同纹波控制的频域特性，揭示了几种纹波控制的关联性，采用Routh-Hurwitz判据分析了变换器的稳定性。通过实验验证改进小信号模型的有效性和理论分析的准确性。研究结果表明：纹波控制（电流型控制、V2控制、V2C控制）Buck变换器的改进小信号模型具有简单、准确的优点，不仅能很好地揭示次谐波振荡，而且可以有效地预测变换器的稳定区域，从而为实际应用提供指导设计；将输出电压引入内环控制中将提高电流型控制的瞬态响应速度，而将电感电流引入内环控制中可扩展V2控制的稳定范围。 与Buck变换器的输出电压纹波不同，Boost变换器的输出电压纹波为断续形式，因此谷值V2控制Buck变换器的建模方法无法适用于谷值V2控制Boost变换器。根据输出电压面积平均的概念，建立了谷值V2控制Boost变换器的平均小信号模型。构建连续的虚拟输出电压，通过采样数据法得到了连续输出电压的保持环节，再引入电感电流的采样保持环节，得到了谷值V2控制Boost变换器的改进小信号模型。采用频域分析详细地研究了输出电容等效串联电阻(EquivalentSeriesresistance,ESR)、占空比、斜坡补偿斜率、补偿器参数对谷值V2控制Boost变换器瞬态性能和稳定性的影响，为谷值V2控制Boost变换器的设计提供指导依据。研究结果表明：所建立的谷值V2控制Boost变换器改进小信号模型可以准确到二分之一开关频率，且模型简单，为输出电压纹波断续的开关变换器建模提供了思路；当ESR或占空比较小时，谷值V2控制Boost变换器具有更好的负载瞬态性能，较差的稳定性；当ESR或占空比较大时，谷值V2控制Boost变换器具有更好的稳态性能，较差的瞬态性能。 直流微网系统稳定性研究的基础在于对直流微网系统中的各个子系统进行建模，但对于同一开关变换器、不同控制技术，或者不同开关变换器、同一控制技术的子系统，其小信号模型并不相同，这使得整个系统的小信号模型繁杂且无规律可循。本论文在全面对已有的开关变换器和控制器建模进行归纳、总结的基础上，揭示了各种控制技术的区别与联系，进一步统一了开关变换器及其控制器的小信号模型单元。提出了基本开关变换器的功率级模型单元，给出了八个完整的传递函数。引入两个系数Fc和FL，使用模型单元来表示控制器，揭示了各种控制技术的统一性。在功率级和控制器的模型单元基础上，引入电感电流和输出电压的采样保持环节，得到了采用不同控制技术的基本开关变换器的统一模型单元。所提出的统一模型单元不仅能从子系统层面去设计变换器，也能从系统的层面，为直流微网系统稳定性分析提供理论支撑。采用频域分析和实验验证了统一模型单元的准确性以及用于由开关变换器组成的系统稳定性分析的有效性。研究结果表明：所提出的统一模型单元统一了采用不同控制技术的基本开关换器的小信号模型，具有简单准确的特点；采用统一模型单元进行系统稳定性分析，可揭示由开关变换器组成的系统中的次谐波振荡，解决了传统稳定性研究中被忽略的次谐波振荡问题。 第二部分：多母线直流微网系统和双极性直流微网系统的稳定性 根据多母线直流微网系统的工作情况，采用通用电压源、通用电流源以及二端口模型描述微网系统中的变换器子系统，得到了多母线直流微网系统的基本形式。根据戴维南和诺顿定理，简化多母线直流微网系统，推导了不同母线端口的阻抗和导纳。分析了奈奎斯特图和伯德图之间的等效转化，采用广义伯德图判据评估多母线直流微网系统的稳定性，研究了多母线直流微网系统稳定性的判断流程。将中间母线电压变换器及其连接的单母线直流微网系统视为一个整体，提出拓展单元，探究了多母线直流微网系统的稳定性评估方法的拓展性。研究结果表明：所提出的多母线直流微网系统稳定性评估方法对子系统没有限制，即不会限制含有右半平面零极点的子系统；该方法可分别判断微网系统中每个直流母线端口的稳定性，且简单准确，适用于即插即用的应用场合。通过引入拓展单元，所提出的方法可扩展到更复杂的直流微网系统群稳定性研究；删减拓展单元，则可研究单母线直流微网系统的稳定性。 从三个母线端口关联性的角度详细讨论了双极性直流微网系统的简化形式，采用基于阻抗和的稳定性判据，提出了双极性直流微网系统不同母线端口稳定性的判断条件。所提出的稳定性评估方法可以分别评估双极性直流微网系统中每个母线端口的稳定性，且判断方法直观简单，易于拓展。采用了3个实例，分别为：1)正电压PG和负电压GN母线端口接入对称或非对称负载；2)GN母线端口引入光伏单元和储能单元；3)正负电压PN母线端口引入光伏单元和储能单元，通过仿真和实验验证了稳定性评估方法的有效性和准确性。探究了不同母线端口稳定性的相互影响，分析和揭示了非对称负载接入对称母线可能引起的不稳定现象。研究结果表明：PG和GN母线端口电压的振荡对PN母线端口几乎没有影响，但是PN母线端口的稳定性将同时影响PG和GN母线端口，而且PG和GN母线端口之间的稳定性相互影响。当双极性直流微网系统中连接的负载电阻相对较小时系统会出现不稳定的现象；当对称母线端口中接入不平衡负载时，则两个母线端口均会发生振荡；当引入光伏单元和储能单元，可改善双极性直流微网系统中的不稳定现象。
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