摘 要

本文主要研究船舶电网中的直流微电网，首先分析直流微电网的组成结构，建立各部分的运动数学模型，之后再对直流微电网的常态运行模式以及常用控制策略展开说明，同时还针对恒功率负荷特性下的直流微电网进行了研究，这些结果对于保证微电网遇到大扰动信号时仍能稳定运行具有重要的指导意义。

论文首先研究了直流微电网的线路模型，储能系统模型等；其次对孤岛、并网运行模式以及主从、对等、分层的控制策略进行了说明；还研究了恒功率下直流微电网的运行情况，并对负阻尼特性进行了说明；最后还分析了遇到大扰动信号时，保持直流微电网仍能稳定运行的方法，并采用matlab/simulink软件进行了仿真验证。

研究结果表明，采用基于电压扰动的负载均流控制策略，通过对变流器获取的信息进行分析，即可实现不同线路的电压补偿，保证直流微电网在大扰动情况下能稳定运行。

关键词：直流微电网；负阻尼特性；恒功率负载；负载均流控制策略

Abstract

This article mainly studies the DC microgrid in the ship's power grid, first analyzes the structure of the DC microgrid, establishes the motion mathematical model of each part, then explains the normal operation mode and common control strategies of the DC microgrid, and also focuses on constant power The DC microgrid under load characteristics has been studied. These results have important guiding significance for ensuring that the microgrid can still operate stably when it encounters large disturbance signals.

The thesis first studies the line model and energy storage system model of the DC microgrid; secondly, it describes the islanding, grid-connected operation mode and master-slave, peer-to-peer, and layered control strategies; it also studies the DC microgrid at constant power. The operation of the power grid is explained, and the negative damping characteristics are explained. Finally, the method of maintaining the stable operation of the DC microgrid when encountering large disturbance signals is analyzed, and the simulation verification is carried out using matlab / simulink software.

The results of the study show that the load sharing current control strategy based on voltage disturbance can be used to analyze the information obtained by the converter to realize the voltage compensation of different lines to ensure the stable operation of the DC microgrid under large disturbances.

Key Words：DC microgrid；Negative damping characteristics；Constant power load；Load sharing control strategy

目 录

摘 要 i

Abstract ii

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3 直流微电网特点 3

1.4本文研究内容 5

第2章 直流微电网建模 6

2.1引言 6

2.2线路模型 6

2.3负荷模型 7

2.4储能系统模型 8

2.5 AC/DC变流器模型 9

2.5.1 功率采集与滤波环节 10

2.5.2下垂控制特性 11

2.5.3 滤波与线路的整体分析 12

2.6 DC/DC变流器工作原理 12

2.7 本章小结 13

第3章 直流微电网的运行和控制模式 15

3.1 常态运行模式 15

3.1.1 孤岛运行 15

3.1.2 并网运行 16

3.2 主从控制模式 16

3.3 对等控制模式 17

3.4 分层控制模式 18

第4章 恒功率下直流微电网模型分析 21

4.1 小信号模型 21

4.2 平衡点分析 23

4.3 负阻尼特性 24

4.4 恒功率负载建模 24

第5章 大信号下直流微电网运行机理及仿真 26

5.1引言 26

5.2 大信号下直流微电网变流器均流运行机理 26

5.3直流微电网仿真均流控制器仿真实验及结果分析 30

5.4本章小节 31

第6章 总结与展望 32

6.1论文总结 32

6.2展望 32

参考文献 34

致 谢 36

第1章 绪论

1.1课题研究背景及意义

随着社会不断地发展进步，交通运输行业逐渐成为促进社会发展的重要一环，其中海上运输行业更是交通运输行业的核心，因此船舶动力也成为研究的热点之一，目前船舶能源的提供方式也在多种多样化，除了传统的柴油机发电装置、蓄电池等以外，还有利用风能、太阳能等新型能源。因为人们也越来越注重对环境的保护，所以开发利用新型能源也成为了未来能源的发展趋势^[1]。毫无疑问船舶电站是整个船舶综合电力系统的核心组成部分，同时它作为船舶的主要动力源主要承担的任务是船舶发电与配电工作。它内部地船舶电网是一种具有小源，大负荷的独特电力系统^[2]，各部分都是对互相有影响的，任何组成部分细小的变动都会影响系统中其他各组设备的运行。如果直流微电网系统遭遇负载突增或交流电网电压跌落等大扰动时，则可能会出现直流母线电压崩溃等的严重后果^[3]，这对微电网运行的安全性产生了严重影响。因此保证微电网受到较大功率波动时仍能稳定地进行输出，这不仅对于船舶电站的稳定性研究具有重要意义，同时也可以极大地提高船舶的经济效益。

1.2国内外研究现状

电力系统自始至终都是一个具有较高操作难度的复杂控制系统。从1970年代开始，它经历了许多发展阶段，例如线性优化控制，可变结构控制，鲁棒自适应控制，智能控制等^[4]。直流微电网能脱颖而出，受到越来越多的关注，主要是因为与交流微电网相比，直流微电网不存在无功环流现象，更不会受到频率，相位同步等问题的影响，并且结构简单，转换环节少，线路损耗低、系统稳定性好，输送的电能品质也更优，因此直流微电网未来的发展前景也更广阔^[5]。最近几年，直流微电网成为了学术界和工业界的研究热门，直流微电网的主要研究方面为新型拓扑结构的开发，运行策略和能量管理技术，提高通信能力等方面的研究。

在国外，美国很早就对直流微电网进行了研究，美国学者Mansour Tabari和Amirnaser Yazdani在2005年就提出了一种新的配置方法，它能容易的扩展为代表任意数量的dc-dc转换器的直流配电系统，这个模型可以捕获系统的稳态和动态特性，因此它可以用来识别稳态存在的条件，同时对系统进行稳定性分析^[6]。2007年,美国弗吉尼亚理工大学国家电力电子研究中心(CPES)研究员首次在会议上提出"sustainable building initiative(SBI)"计划,这主要针对地是给未来的住宅和建筑供电方面^[7]。且随着光伏供电计划和究的开展和深入,2010年又将未来基于sbi的光伏供电计划研究发展为一个sbn(sustainable building and nanogrids)。2011年,美国北卡罗来纳大学研究员提出了"The Future Renewabl Eelectric Energy Delivery and Management(FREEDM)"系统结构,并提出建立以直流光伏供电管理系统，为主要技术基础的未来自动灵活的可再生能源的传输和自动化的管理网络^[8]。2015年,IEEE在新加坡和美国亚特兰大召开了第一届光伏直流微电网的国际相关技术研究合作交流会议,介绍了与光伏直流微电网相关技术发展的知识以及最新的研究成果^[9]。同一年美国学者Tabari M,和Yazdani A提出了一种应用在电动汽车中的直流配电系统，这种开创性的矩阵系统不仅具有良好的稳定性，还具有简化计算等作用，具有很广阔的应用市场^[10]。