超级电容与蓄电池混合储能系统的能量管理与控制研究

发布时间：2017-03-19 14:10

  本文关键词：超级电容与蓄电池混合储能系统的能量管理与控制研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：由于化石燃料的日益短缺以及其所造成的环境污染的日益严重,人们越来越重视对新能源的开发和利用。然而,不少可再生能源发电技术受环境限制,其发出的功率会对外呈现出随机性和波动性,使其接入中低压配电网时影响交流侧的功率平衡、供电可靠性以及电能质量。由高能量密度的蓄电池和高功率密度的超级电容构成的混合储能系统因其技术上和经济上的优势,被广泛认为是解决可再生能源发电功率波动的有效办法。本文所研究的重点即是由二者组成的混合储能系统的长时能量管理及其短时功率协调控制。本文首先介绍了两种储能元件各自的等效电路,随后设计确定蓄电池和超级电容储能系统的主体结构,即采用交流母线接入的方式将混合储能系统与可再生能源发电系统连接起来。其次,确定了混合储能系统的具体电路拓扑,并对其进行了建模与控制的研究。为了便于后续的能量管理,本文采用功率给定的方式控制储能元件的充放电,对于后级的三相PWM变流器采用直流母线电压外环和电流内环的双环控制来实现直流侧和交流侧能量的转移。随后,在Matlab/Simulink中搭建了混合储能系统的电路拓扑并进行了仿真分析,仿真结果验证了该控制方法的正确性,为后续的能量管理奠定了基础。为优化蓄电池的运行状态,本文在利用传统低通滤波法对波动功率进行分配的基础上,设计了根据超级电容荷电状态来调整低通滤波器时间常数进而对功率进行再分配的能量管理策略。此外,针对传统能量管理办法中蓄电池和超级电容的过充和过放问题进行了分析,提出了蓄电池和超级电容间的过充过放协调控制方法,该方法在避免了储能装置过充过放的同时提升了混合储能系统对可再生能源发电波动功率的补偿率。并通过在MATLAB中的仿真分析证明,该能量管理策略的确可以改善混合储能系统对可再生能源功率波动的平抑效果,同时大幅减少蓄电池累计充放电能量,进而证明了该方法对于蓄电池运行状态的改进和寿命延长方面的有效性。最后,本文搭建了混合储能系统充放电实验平台,采用DSP28335作为控制芯片对两种储能元件充放电进行控制,并且对混合储能系统进行了能量管理实验,实验结果初步证明了该能量管理策略的正确性。
【关键词】：混合储能系统 功率波动平抑 能量管理 过充过放协调控制
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM53;TM912
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 课题研究背景及理论意义10-11
• 1.2 储能技术研究发展现状11-13
• 1.3 混合储能技术研究现状13-16
• 1.3.1 国外研究现状14-15
• 1.3.2 国内研究现状15-16
• 1.4 本文研究内容16-18
• 第2章 储能元件电路模型及混合储能系统电路结构18-29
• 2.0 引言18
• 2.1 蓄电池电路模型及参数计算18-20
• 2.1.1 蓄电池等效电路模型18-19
• 2.1.2 蓄电池通用电路模型参数计算方法19-20
• 2.2 超级电容电路等效模型20-21
• 2.3 混合储能系统结构分析21-23
• 2.3.1 无源式混合储能系统21-22
• 2.3.2 有源式混合储能系统22-23
• 2.4 分布式发电混合储能并网系统接入方式23-24
• 2.5 混合储能系统电路拓扑及其工作原理24-28
• 2.5.1 双向DC/DC变换器工作原理25-26
• 2.5.2 三相电压型PWM变流器工作原理26-28
• 2.6 本章小结28-29
• 第3章 混合储能系统电路建模及其控制系统设计29-44
• 3.1 引言29
• 3.2 双向DC/DC变换器建模及控制器设计29-31
• 3.2.1 双向DC/DC变换器数学模型29-30
• 3.2.2 双向DC/DC变换器控制器设计30-31
• 3.3 三相电压型PWM变换器建模及其控制器设计31-37
• 3.3.1 三相电压型PWM变换器建模31-34
• 3.3.2 三相PWM变换器的控制34-37
• 3.4 混合储能系统主电路拓扑参数设计37-39
• 3.4.1 双向DC/DC侧电感电容选取38
• 3.4.2 三相PWM电压型变换器侧LC滤波器参数的计算38-39
• 3.5 混合储能系统的仿真分析39-43
• 3.5.1 混合储能系统主电路仿真模型及控制电路模型40-41
• 3.5.2 蓄电池和超级电容充放电仿真分析41-43
• 3.6 本章小结43-44
• 第4章 混合储能系统能量管理与其仿真分析44-59
• 4.1 引言44
• 4.2 基于超级电容荷电状态的能量管理策略44-46
• 4.2.1 混合储能系统功率初次分配44
• 4.2.2 基于超级电容SOC的功率再分配控制方法44-46
• 4.3 过充过放协调控制策略46-51
• 4.3.1 过充过放保护策略46-48
• 4.3.2 蓄电池与超级电容协调控制策略48-51
• 4.4 最大功率限值策略51-52
• 4.5 混合储能系统能量管理策略的仿真及分析52-58
• 4.5.1 混合储能系统能量管理策略仿真52-56
• 4.5.2 混合储能系统能量管理策略有效性分析56-58
• 4.6 本章小结58-59
• 第5章 混合储能系统充放电实验及结果分析59-69
• 5.1 引言59
• 5.2 硬件系统设计59-62
• 5.2.1 开关器件的选择60
• 5.2.2 辅助电路的设计60-62
• 5.3 软件系统设计62-65
• 5.3.0 系统流程62-63
• 5.3.1 ePWM波形产生模块63
• 5.3.2 PI控制子程序63-64
• 5.3.3 IIR离散滤波器设计64
• 5.3.4 能量管理策略的实现64-65
• 5.4 实验平台搭建及调试65-68
• 5.4.1 蓄电池与超级电容充放电实验66
• 5.4.2 混合储能系统能量管理实验66-68
• 5.4.3 实验结果分析68
• 5.5 本章小结68-69
• 结论69-70
• 参考文献70-75
• 致谢75

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