钒液流电池储能系统双向变流器研究

摘要

经济的不断发展带来了能源的大量消耗，能源危机和环境污染日益严重，新能源的开发和大规模的应用已成为全球能源应用的必然趋势。新能源发电具有能量密度低、不稳定性和随机性等缺点，储能技术的发展，能很好的解决上述问题使新能源发电大规模应用成为可能。钒液流电池是一种新型环保储能电池，具有使用寿命长和充电使用次数多等优点，使其在储能系统中具有广阔的市场前景。而储能双向变流器是储能电池和电网之间的能量转换装置，所以对钒液流储能双向变流器的研究具有重要意义。
　　首先，本文对5kW/20kWh的钒液流电池工作原理进行分析，详细阐述其内部结构，并对钒液流电池的电化学特性和物理特性做出相应的等效，在此基础上建立钒液流电池的等效电路模型。通过钒液流电池等效电路模型建立钒液流电池的数学模型，并简述了钒液流电池的充放电过程。基于钒液流电池的特性，分析了作为电气接口的双向 DC/DC变流器和双向 AC/DC变流器工作原理，并对双向DC/DC变流器使用状态空间平均法建立了等效小信号数学模型，对带LCL滤波器的双向 AC/DC变流器，建立了在 abc三相静止坐标系，??两相静止坐标系和dq两相旋转坐标系下的数学模型。
　　其次，基于钒液流电池的特性、双向 DC/DC变流器和双向 AC/DC变流器工作原理及其数学模型，提出了双向DC/DC变流器的四阶段充放电控制策略，带LCL滤波器的AC/DC变流器双闭环PI控制策略，并进行理论分析和控制器的设计，通过按典型Ⅰ型系统设计电流调节器可以有效的提高电流的跟随性能；通过按典型Ⅱ型系统设计电压调节器可以有效提高电压外环的抗干扰性。并依据相关的数学模型和控制器的设计搭建了 Matlab/simulink仿真模型，通过仿真实验的对比研究验证本文提出控制策略的正确性和有效性。同时，基于确定的方案对储能变流器的硬件系统进行了比较详细的设计，包括主电路参数计算、采样和信号调理电路、驱动电路、保护电路等。
　　最后，基于软硬件设计搭建了一台5kW的钒液流储能变流器实验样机，通过对实验样机的调试和实验，得到了相关的实验数据和实验波形，并对钒液流电池充放电时双向 DC/DC变流器和双向 AC/DC变流器的实验数据及波形进行了分析和对比。通关对比实验波形的结果可知，本文设计钒液流电池双向储能变流器能很好实现对电池充放电的基本功能。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 钒液流电池储能技术的国内外发展现状

1.3 储能系统中变流器的研究现状

1.4 论文主要研究内容

第2章 钒液流电池储能系统的工作原理及数学模型

2.1 钒液流电池储能系统的主电路拓扑

2.2 钒液流电池工作原理简介和数学模型

2.3 变流器中双向DC/DC电路的工作原理与数学模型

2.4 变流器中双向AC/DC电路的工作原理与数学模型

2.5 本章小结

第3章 钒液流电池储能系统控制策略的研究

3.1 双向DC/DC变流器四阶段充电控制策略

3.2 双向AC/DC变流器LCL滤波双闭环PI控制

3.3 网侧电压锁相PID控制

3.4 仿真验证

3.5本章小结

第4章 钒液流电池储能双向变流器硬件设计

4.1 储能双向变流器硬件电路的整体结构

4.2 主电路参数设计

4.3 外围辅助电路设计

4.4 本章小结

第5章 钒液流电池储能系统简介及实验结果分析

5.1 钒液流电池储能系统简介

5.2 钒液流电池储能系统实验结果分析

5.3 本章小结

第6章 总结和展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

附录

学位期间获得的成果