电池储能系统并网变换器的研究与设计

摘要

随着化石能源危机和环境问题的加剧，近年来，国家大力发展风电、太阳能等绿色新能源发电系统。以风电为主的大规模间歇式电能接入电网，其功率波动大，将为电力系统安全稳定运行带来严重的问题。在风电场配置大规模电池储能系统将有效的抑制功率波动，是提高风电等间歇式电能接入电网稳定性的有效方法。因此，对风电场电池储能系统的研究成为热点。本文就电池储能系统中最关键部分：电池储能系统并网变换器进行研究分析。
　　在分析了风电场中电池储能系统并网变换器的功能需求的基础上，首先，建立起基于三相电压型 PWM整流器的主电路拓扑结构，确立了系统整体设计方案。分别在三相静止坐标系和两相同步旋转坐标系下建立了并网变换器的数学模型。并针对并网关键技术：三相锁相环，提出了一种三相软件锁相环的控制器参数设计方法。分析了电压空间矢量（SVPWM）调制技术及其在并网变换器中的实现方法。
　　其次，在控制器设计中采用电流前馈解耦控制策略对变换器有功无功进行独立控制，并针对变换器直流电压恒压整流、直流电流恒流整流的不同工作模式设计了基于PI调节器的双环控制系统，满足电池组充电需求。同时针对变换器逆变并网模式设计基于电网电压矢量定向的直接电流闭环的PQ控制系统，满足电网对有功无功独立调度的需求。并在MATLAB下进行建模仿真，仿真结果验证了控制电池储能系统并网变换器控制器设计的可行性。
　　然后，针对风电场的特殊应用场合，设计出一台容量为1kVA的实验样机，主要包括主功率电路设计、硬件电路设计以及基于DSP的系统软件设计。在样机设计中着重研究了带阻尼的LCL并网滤波器。分析了LCL滤波器各参数对滤波器性能的影响。同时详细介绍了LCL滤波器的参数设计方法和步骤。
　　最后，对实验样机进行调试分析，实验结果验证了本文关于电池储能系统并网变换器控制方法和样机设计的合理性，具有实际工程应用意义。

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第1章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2并网变换器的发展和研究状况

1.3本文的主要研究和设计工作

第2章 并网变换器关键技术的理论研究

2.1电池储能系统并网变换器的功能需求

2.2并网变换器的数学模型

2.3三相软件锁相环设计

2.4电压空间矢量调制（SVPWM）技术

2.5本章小结

第3章 电池储能系统并网变换器控制器设计

3.1 电流内环控制器设计

3.2 PQ控制器设计

3.3 直流外环控制器设计

3.4控制器数字化实现

3.5 建模仿真分析

3.6 本章小结

第4章 电池储能系统并网变换器硬件设计

4.1 主功率电路关键电气参数设计

4.2 控制电路硬件设计

4.3 本章小结

第5章 电池储能系统并网变换器软件系统设计

5.1 主程序设计

5.2 中断服务程序

5.3 核心功能子程序

5.4 本章小结

第6章 样机试验与结果分析

6.1 电池储能系统样机实验平台构建

6.2 逆变并网实验

6.3 电池充电实验

6.4 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 全文总结

7.2 系统展望

致谢

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文