含并联光伏逆变器的家用储能系统研究与设计

摘要

全球能源危机的不断加深和环境的日益恶化使得能源领域的变革迫在眉睫。“十三五”期间，国家提出了建立“全球能源互联网”的战略部署，仅在新能源领域就提出了包括大力发展分布式储能技术在内的多项重要举措。储能系统作为连接发电系统和负荷之间的电能储备环节，可以有效解决电能供需矛盾，有力提高电网供电可靠性和安全性。在诸多环境恶劣、输电困难、光照充足地区，家用储能系统的不断推广也为我国新能源光伏产业的发展带来了新的契机。因此，开展含多级并联光伏逆变器家用储能系统的课题讨论具有很好的前瞻性。
　　本文重点对集逆变、储能为一体的小功率家用储能系统进行了研究与设计。介绍了家用储能系统各部分的工作原理、器件选型和参数设计。针对传统的双闭环控制策略在磷酸铁锂电池组充放电方面存在的不足，本文提出了一种鲁棒反演滑模控制策略；在逆变器并联运行策略上，提出了一种虚拟磁链直接功率控制策略。相关仿真和实验均证明了所提控制策略的可行性。
　　论文主要完成了以下工作：
　　1.介绍了储能系统在光伏发电领域的作用及发展家用储能系统的现实意义；阐述了多级逆变器并联技术的未来发展方向和控制策略。
　　2.给出了小功率家用储能系统的总体设计方案；介绍了系统各组成部分工作原理并进行器件选型和参数设计；分析比较几种不同拓扑结构的逆变器后采用了两级非隔离型拓扑结构；给出了家用储能系统人机交互界面；分析比较了储能系统三种不同工作模式。
　　3.选用磷酸铁锂电池作为实验对象，建立了磷酸铁锂电池组恒流/恒压充放电装置模型，针对传统双闭环控制策略在动态性能、抑制谐波和平抑电压大幅度扰动等方面的不足，提出一种鲁棒反演滑模控制策略。分析了鲁棒反演滑模控制系统原理并设计了反演滑模控制器。仿真与实验表明：鲁棒反演滑模控制策略比双闭环控制策略在电池组充放电效率方面更具有优势。
　　4.在并联逆变器控制策略上，针对下垂控制策略存在的有功、无功功率的检测计算复杂、动态响应、稳定性较差和抑制逆变电流总谐波效果不理想的缺点，提出了一种基于虚拟磁链的直接功率控制，建立基于虚拟磁链定向的并网逆变器的矢量图和系统仿真模型，仿真与实验最终证明：定频的虚拟磁链的直接功率控制相比下垂控制策略在动态响应稳定性控制和抑制逆变电流总谐波等方面具有明显的优势。
　　5.设计小功率家用储能系统并联逆变器的数字化实现过程。硬件方面：选用三星公司S3C2440A芯片，内部控制部分采用ARM920T微处理器，为了能将系统输入的较小功率信号放大成能驱动IGBT开通关断的功率较大的信号，设计了驱动电路。完成电压、电流检测电路和过流保护电路的设计。设计了采用PC40材质磁芯、EC35骨架、DPA425芯片的反激式开关电源；软件方面：基于ADS集成开发环境，设计了A/D采样模块、PWM生成模块、锁相环和MPPT模块的软件程序。
　　6.最后对3kW家用储能系统进行了仿真和实验。利用实验室理想环境下搭建的3kW储能系统实验平台与峰谷源储能技术研究院现有的3kW室外储能项目完成相关实验，以验证系统整体设计方案的可行性；设计了光伏阵列的MPPT实验平台，寻找模拟自然环境下3kW储能系统配备的1500WP太阳能电池板的MPP位置；利用了NBT电池测试系统对3kW家用储能系统配备的51.2V、100Ah的磷酸铁锂电池组的充放电情况进行测试并分析。实验结果与理论分析基本吻合，基本达到预期目标。

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第一章 绪 论

1.1 光伏发电的现状和意义

1.2 储能系统在光伏发电领域的作用

1.3 多级逆变器并联技术发展方向

1.4 论文主要研究内容

第二章 小功率家用储能系统总体方案设计

2.1 小功率家用储能系统总体设计方案

2.2 太阳能电池板

2.3 太阳能控制器

2.4 储能电池系统

2.5 光伏并网逆变器

2.6 3kW家用储能系统的技术参数设置

2.7 3kW储能系统人机交互界面

2.8 3kW家用储能系统工作模式

2.9 本章小结

第三章 储能电池组充放电控制策略

3.1 磷酸铁锂电池组恒流/恒压充放电装置

3.2 电压外环电流内环的控制策略

3.3 鲁棒反演滑模控制策略

3.4 鲁棒反演滑模控制策略下鲁棒性能实验

3.5 实验仿真与结果分析

3.6 本章小结

第四章 多级并联逆变器工作原理及其控制策略

4.1 逆变器并联控制技术

4.2 单相光伏并网逆变器

4.3 光伏逆变器并联控制策略

4.4 实验仿真与结果分析

4.5 本章小结

第五章 光伏逆变器数字化系统实现

5.1 光伏逆变器硬件电路

5.2 光伏逆变器软件设计

5.3 本章小结

第六章 3kW家用储能系统实验与仿真

6.1 模拟实验平台搭建

6.2 3kW储能系统实验

6.3 最大功率点跟踪实验

6.4 储能电池充放电实验

6.5 本章小结

工作总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文