基于混合储能的直流微电网电压控制研究

发布时间：2017-10-30 21:18

  本文关键词：基于混合储能的直流微电网电压控制研究

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【摘要】：近年来,随着能源需求和环境问题的日益凸显,以清洁能源为主的分布式发电得到了广泛重视,微电网也因此产生。微电网多以交流为主,直流微电网系统结构简单,能量转换少,供电质量高,相比交流微电网更有优势,随着配电系统的发展,越来越受到人们的重视。由于可再生能源输出功率的间歇性和随机性,储能系统已经成为直流微电网稳压的重要环节,具有重要的研究意义。锂电池能量密度大,在储能设备中得到广泛应用。为了维持微电网内部瞬时功率平衡,稳定直流母线电压,储能系统往往需要频繁地吸收或发出较大功率,频繁的大功率充放电会严重影响锂电池的使用寿命。超级电容器因具有功率密度高、循环寿命长等优点,研究锂电池-超级电容混合储能的控制方法,稳定直流母线电压,逐渐引起了国内外学者更多的关注。本文在分析直流微电网稳定运行对储能需求的基础上,提出一种适合于直流微电网的储能自动充放电稳压控制策略,并通过仿真证明了控制策略的可行性。为优化锂电池的工作过程,采用锂电池-超级电容级器级联的方式构成混合储能系统,提出一种基于电压下垂法的直流微电网混合储能控制策略。利用超级电容器电压不能突变的特点,实现对锂电池电流的平滑控制,利用对电压的分段控制,减少锂电池充放电次数,延长其使用寿命。通过实验验证了所提出的混合储能控制策略的有效性。具体内容如下：首先,介绍了直流微电网的现状、发展前景以及遇到的问题,强调了混合储能在直流微电网中的重要性,并对现有混合储能的架构和控制策略进行了分析；搭建了基于混合储能的直流微电网模型,并分析了其运行机制。为了研究母线功率波动的原因,对光伏发电和风力发电进行建模分析；为了更合理地使用超级电容器和锂电池,对它们的充放电机理分别进行了研究；此外,对直流微电网中重要的接口电路,Boost变换器、Buck变换器和DC/DC双向变换器进行了研究。其次,在分析直流母线电压稳定性的基础上,针对母线电压波动的特点,提出一种新的储能自动充放电稳压控制策略。该控制策略将直流母线电压进行分区域控制,当直流母线电压稳定在规定范围时,储能系统不动作,当母线电压不稳时,通过下垂控制稳定电压；系统以直流母线电压信息为判断依据,自动切换工作模式,无需上层控制；工作模式切换时采用滞环控制,防止电压瞬时震荡引起工作模式误切换。再次,为了满足直流微电网稳压的要求,同时优化锂电池的工作过程,本文设计了一种级联连接的混合储能结构,并提出基于电压下垂法和自动充放电的混合储能协调控制策略。该控制策略根据直流母线电压信息,利用超级电容快速补偿母线功率缺额的高频部分；通过锂电池对超级电容进行能量补充,间接补偿母线功率缺额的低频部分；利用超级电容电压不能突变的特点,实现对锂电池电流的平滑控制。控制系统以直流母线电压、超级电容电压及锂电池荷电状态为判断条件,自动切换工作模式。最后,在dSPACE实验平台上对混合储能控制策略进行了实验验证。实验结果表明,该控制策略可自动调节锂电池和超级电容出力,维持直流母线电压在额定值附近小范围波动,有效地减小了锂电池充放电次数,优化了锂电池工作过程。
【关键词】：直流微电网 DC/DC双向变换器 混合储能系统 下垂控制 直流母线电压 自动充放电
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM712
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 课题的背景及意义11-12
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势12-18
• 1.2.1 直流微电网发展趋势12-14
• 1.2.2 混合储能控制技术研究现状14-18
• 1.3 本文的主要工作18-19
• 第二章 直流微电网接入单元分析19-35
• 2.1 直流微电网结构19-20
• 2.2 分布式电源及其数学模型20-26
• 2.2.1 风力发电及其输出模型21-23
• 2.2.2 光伏发电数学模型及控制原理23-26
• 2.3 储能系统数学模型26-29
• 2.3.1 锂电池数学模型26-28
• 2.3.2 超级电容器储能基本原理及模型28-29
• 2.4 直流电压交换器29-33
• 2.4.1 Boost升压变换器30
• 2.4.2 Buck降压变换器30-31
• 2.4.3 DC/DC双向变换器31-33
• 2.5 本章小结33-35
• 第三章 直流微电网储能稳压控制技术研究35-47
• 3.1 直流微电网电压稳定性35-37
• 3.2 基于电压下垂法的储能稳压控制策略37-43
• 3.2.1 电压下垂稳压原理37-39
• 3.2.2 电压区域控制策略39-41
• 3.2.3 充放电工作模式切换41-43
• 3.3 储能系统自动充放电仿真43-46
• 3.3.1 仿真模型及参数选择43-44
• 3.3.2 仿真结果分析44-46
• 3.4 本章小结46-47
• 第四章 直流微电网混合储能控制策略47-61
• 4.1 混合储能系统结构及其基本原理47-50
• 4.1.1 混合储能系统结构47-48
• 4.1.2 混合储能系统主电路分析48-50
• 4.2 混合储能联合控制策略50-57
• 4.2.1 混合储能控制框图50-51
• 4.2.2 控制系统1的控制策略51-53
• 4.2.3 控制系统2的控制策略53-55
• 4.2.4 储能系统反向充放电55-57
• 4.3 系统工作模式分析57-59
• 4.4 本章小结59-61
• 第五章 基于DSPACE的混合储能系统实验验证61-71
• 5.1 实验平台介绍与元件参数选型61-63
• 5.1.1 实验电路61
• 5.1.2 实验元件与参数选型61-63
• 5.2 混合储能实验设计63-66
• 5.2.1 混合储能实验硬件结构63-64
• 5.2.2 混合储能控制系统设计64-65
• 5.2.3 实验条件与实验方案65-66
• 5.3 实验结果分析66-70
• 5.3.1 超级电容器自动充放电67-68
• 5.3.2 锂电池充电和放电68-69
• 5.3.3 超级电容器与锂电池进行能量交换69
• 5.3.4 储能系统小电流充电69-70
• 5.4 本章小结70-71
• 第六章 总结与展望71-73
• 6.1 总结71-72
• 6.2 展望72-73
• 参考文献73-79
• 致谢79-81
• 作者在攻读硕士学位期间的研究成果81

【参考文献】

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本文编号：1119368