微电网的多端口混合储能拓扑优化与多目标控制策略研究

储能技术是微电网可靠运行的重要支撑。本项目重点研究多端口混合储能的拓扑优化与多目标控制中的关键科学与技术问题。在研究储能动态特性和变换器电磁耦合机制的基础上，提出多端口混合储能的优化拓扑；针对混合储能应用，研究提出大功率多绕组的高频变压器拓扑结构；研究多端口混合储能的动态数学模型，提出基于"移相软开关+占空比"的底层控制策略；研究多端口混合储能对微电网功率平衡、电能质量、模式无缝切换的动态支撑机理，探索储能拓扑抑制多逆变器环流的作用规律；基于微电网的能量平衡、电能质量与运行可靠性等指标，以混合储能和多微源为控制变量建立微电网的多目标综合优化模型，提出改进的粒子群优化算法。在已有微电网物理实验平台的基础上，本项目结合理论分析与仿真建模，开展探索和创新研究，建立多端口混合储能的优化拓扑与微电网的多目标控制策略，为发展智能微电网提供先进理论和创新技术。本项目研究具有重要的理论意义和应用价值。

储能技术是微电网可靠运行的重要支撑，本项目旨在发展混合储能的应用拓扑与容量配置的多目标优化策略。研究内容包括以下三个方面：混合储能的多端口优化拓扑及其控制策略，储能技术对微电网关键支撑技术以及微电网中混合储能容量配置的多目标优化实现方法。首先，以多绕组高频变压器为基础，构建了混合储能的多端口统一接入拓扑，揭示了端口间的功率传输规律及影响机制；基于超级电容和蓄电池相融合的三端口全桥混合储能等效电路，推导出三端口混合储能的平均电流小信号分析模型，并藉此获得三端口混合储能定功率传输策略；针对超级电容端口电压随储能容量波动较大的特点，研究得到一种异步占空比移相PWM算法，实现多端口变换器在功率传输过程中端口电压的匹配，可有效改善传输效率。其次，针对微电网电压频率稳定和电能质量控制，将混合储能与电压源型换流器相结合，为微电网提供多种柔性支撑。剖析了微电网电压频率稳定控制对储能输出功率的要求，并提出一种基于储能功率解耦控制的微电网电压频率稳定控制方法；针对微电网中电能质量与主动功率调节的要求，开展了三相四开关储能型APF应用技术的研究，推导出一种基于电源电流跟踪的微电网谐波和无功直接补偿策略，因无需检测谐波，可有效降低四开关APF的实现难度。进一步研究了电压跌落引起的微电网不平衡对四开关APF的影响机制，推导出基于线电压矢量合成的四开关APF电流参考值生成策略，以适应微电网中的特殊不对称情况。针对四开关储能型APF工作模式的自适应切换，借助坐标变换推导出不同模式下的指令电流算式，并给出切换控制的边界条件。最后，构建了以投资成本最低、功率平衡最优、可再生能源发电功率波动最小为目标的混合储能容量配置多目标优化数学模型，从滤波系数、功率限幅、储能充放电管理等角度阐明了影响混合储能优化效果的关键因素；提出一种基于目标函数适应度离差均值排序的子目标函数权重确定方法，用以重组目标函数，可有效降低粒子群优化求解算法的实施难度；为评估多目标最优解的有效性，定义了可再生能源波动系数和供求平衡匹配系数，可实现优化效果的定量评估。基于构建的微电网实验平台，开展了混合储能柔性控制实验研究，验证了前述理论分析结果与控制方法的有效性。研究成果丰富了微电网储能应用系统研究的理论和方法，为微电网混合储能装置的拓扑设计和工程应用提供理论基础和技术依据。