蓄电池与超级电容混合储能的稳压控制器设计

摘要

在微电网、分布式发电和新能源汽车等应用领域中，储能系统往往担负着维持系统稳定、削峰填谷等重要作用。随着用户对电能质量的要求越来越高，传统能量型储能器件因存在功率密度低、寿命短等缺陷，已难以达到电能的高品质要求。因此，超级电容等功率型器件得到了迅速的发展，其在性能上与传统能量型储能器件形成互补，故往往将其与能量型储能器件联合进行储能。然而能量型和功率型储能器件的性能不一致，故使混合储能系统的控制变得复杂，若控制不好则有可能使两种类型的储能器件达不到互补的目的，甚至会导致系统振荡。针对这一问题，本文对混合储能稳压控制算法进行研究，同时设计一套超级电容和蓄电池混合储能的稳压控制器，用于实现对混合储能系统的协调控制。
　　首先，本文对混合储能控制器的各电路拓扑与工种原理进行分析，并采用了以双向Buck/Boost作为前级DC/DC电路拓扑以及全桥电路作为后级DC/AC电路，设计相应电路的控制方案，最后采用小信号分析的方法，对混合储能控制器各模块进行分析建模。
　　其次，对电路拓扑的传递函数和控制算法的传递函数共同进行了稳定性分析，以此为电压外环电流内环的双闭环PI参数选取提供依据。同时，针对双闭环控制策略不能完全消除直流母线扰动和不能对混合储能器件进行功率分配的缺点，本文在双闭环控制的基础上提出了一种低通功率控制的方法，在达到增强了直流母线抗干扰能力的前提下，实现了蓄电池承担低频功率，超级电容承担高频功率的目的，延长了蓄电池寿命。
　　最后，对混合储能控制器进行硬件和软件设计，其中硬件部分包括滤波电路、隔离采样电路、信号调理电路和保护电路，根据该设计思路制作一套混合储能稳压控制器样机。同时考虑到安全性问题，最终接入24V38Ah的蓄电池组和48V6.6F超级电容器组，并在该控制器样机上验证本文所提的稳压控制算法，采用DSP来实现该算法的编程。实验结果表明，在双闭环控制基础上，采用低通功率控制补偿控制的方法，达到了稳定直流母线电压和平滑蓄电池功率波动的目的，验证了该控制器控制方法的有效性。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 混合储能技术国内外研究现状

1．2．1 混合储靛技术应用概况

1．2．2 蓄电池与超级电容混合储能的拓扑研究现状

1．2．3 蓄电池与超级电容混合储能的稳压控制算法研究现状

1．3 主要研究的内容

2．1 引言

2．2 混合储能系统结构与工作模式

2．2．1 混合储能系统结构

2．2．2 混合储能系统工作模式

2．3 储能元件SOC估计与控制分析

2．3．1 蓄电池模型

2．3．2 超级电容模型

2．3．3 储能元件的控制方案

2．4 储能双向DC/DC变换器设计

2．4．2 双向DC/DC的控制方案

2．4．3 双向DC/DC小信号模型分析

2．5 基于储能的DC/AC变换器设计

2．5．1 单相逆变的拓扑选型

2．5．2 单相逆变的控制方案

2．5．3 单相逆变的小信号模型分析

2．6 本章小结

3．1 引言

3．2．1 双向DC/DC电流内环设计与稳定性分析

3．2．2 双向DC/DC电压外环设计与稳定性分析

3．3 单相DC/AC双闭环稳压控制算法

3．3．2 单相DC/AC电流内环设计与稳定性分析

3．4 基于低通功率的稳压控制算法

3．4．1 基于滤波的单相功率计算

3．4．2 基于低通功率的混合储能稳压控制策略分析

3．5 仿真实验分析

3．6 本章小结

4．1 引言

4．2 硬件电路设计

4．2．1 DC/DC滤波电路设计

4．2．2 DC/AC滤波电路设计

4．2．3 隔离采样电路设计

4．2．4 信号调理电路设计

4．2．5 保护电路设计

4．3 软件设计

4．3．1 算法流程

4．3．2 基于DSP的算法实现

4．4 本章小结

5．1 引言

5．2 混合储能控制器样机制作

5．3 系统测试与分析

5．3．1 不同储能的对比实验测试

5．3．2 不同控制策略对比实验

5．3．3 不同低通系数的对比实验

5．3．4 冲击性负载下的不同控制策略对比实验

5．4 本章小结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间科研成果