应用于电池储能系统中的AC/DC矩阵变换器研究

摘要

储能技术作为可再生能源和智能电网的技术支撑，将在电力系统中承担越来越重要的角色。功率转换系统（PowerConversion System，PCS）—双向变换器是储能设备和电网之间的接口，为储能系统的核心部件。它在并网运行时负责与电网交换有功功率，向电网提供无功补偿，还可以独立运行给本地负载供电。AC/DC矩阵变换器是一种新颖的功率变换器，不仅具有输入电流正弦、输入功率因数可调、可四象限运行等优点，还能实现单级大范围降压变换。因此本文将AC/DC矩阵变换器用作电池储能系统的PCS，重点研究其调制策略、控制策略和稳定性等问题。
　　空间矢量调制模式对输入输出波形质量以及变换器效率有较大影响。针对解析法分析直流电流纹波特性不够直观且纹波表达式不易获取的问题，本文提出一种图形化分析方法，分析调制模式与直流电流纹波的关系，提出一种通过动态分配前后两个零矢量的占空比以使任意功率因数下直流电流纹波最小的优化调制模式。推导了输入电压纹波的统一表达式，分析指出优化调制模式在小功率因数角时输入电压纹波最小，大功率因数角时也能保证输入电压纹波次优同时开关次数减少。分析了不同调制模式的窄脉冲产生几率，指出优化调制模式在除极低调制区外的宽调制范围内始终有最少的窄脉冲。考虑以上几个方面，优化调制模式的综合性能最好。仿真和实验结果验证了所得结论的正确性以及优化调制模式的有效性。
　　针对电池储能PCS的并网运行和独立运行两种模式，本文分别提出了相应的控制策略。首先分析了AC/DC矩阵变换器的功率因数角和无功功率的特性。对于并网运行时的网侧功率控制，提出一种直流电流闭环加网侧功率因数角闭环的网侧电流间接控制策略，其具有实现简单，有功功率响应迅速的优点。然而该策略控制的是电池侧有功功率，网侧有功功率则为间接控制，且无功功率控制与有功功率存在动态耦合，针对这些不足，提出一种dq轴网侧电流闭环加直流电流闭环的网侧电流直接控制策略。对于独立运行模式，提出一种dq轴负载电压闭环加直流电流闭环的负载电压控制策略。通过大量的实验验证了并网运行和独立运行控制策略的有效性。
　　本文将有限控制集模型预测控制策略应用到基于AC/DC矩阵变换器的PCS的网侧电流控制中。选取网侧电流和直流电流为性能指标。深入分析了基于稳态功率守恒的直流电流指令计算方法，指出其未考虑交直流电流的动态耦合因而网侧电流易发生超调以及依赖精确系统参数导致指令存在误差的缺点，提出一种改进的基于动态功率关系并通过网侧电流反馈校正误差的指令计算方法。采用龙贝格观测器获取输入电压的信息，减少了电压传感器个数、降低了成本、提高了可靠性。提出一种基于输入电流扇区判断的开关状态组合预选方法，减少了算法计算时间、开关损耗和输出侧的dv/dt。以上方法的有效性均得到了实验的验证。最后还分析了预测模型的不同近似离散化方法的精度，讨论了模型参数失配对预测控制性能的影响。
　　基于AC/DC矩阵变换器的PCS的稳定性是系统运行的基本保证。论文推导了矩阵变换器带恒功率负载时的输入阻抗，分析了其影响系统稳定性的机理。分别分析了以输入电压和以电网电压为调制参考电压矢量时AC/DC矩阵变换器开环系统的稳定性，指出以输入电压为调制参考时系统近似恒功率运行因而稳定性较差。针对以输入电压为调制参考的方式，建立了PCS的完整小信号模型，定量分析了输入电压幅值滤波、锁相环和直流电流闭环的参数以及功率因数角对系统稳定性的影响。分析指出：增加输入电压幅值滤波时间常数和减小直流电流环截止频率均可以提高充电工况下的稳定性，减小锁相环带宽可以提高放电工况下的稳定性，此外，功率因数角越小充电和放电工况下的稳定性越好。仿真结果证明了建模和分析的正确性。

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1 绪论

1.1 可再生能源与储能技术发展

1.2 电池储能功率转换系统拓扑结构

1.3 AC/DC矩阵变换器发展与研究现状

1.4 本文选题背景和主要研究内容

2 AC/DC矩阵变换器空间矢量调制模式研究

2.1 空间矢量调制策略

2.2 减小输出直流电流纹波的优化调制模式

2.3 不同调制模式的输入电压纹波分析

2.4 不同调制模式的窄脉冲几率分析

2.5 仿真与实验验证

2.6 本章小结

3 AC/DC矩阵变换器PCS并网和独立运行控制

3.1 AC/DC矩阵变换器dq同步旋转坐标系数学模型

3.2 功率因数角及无功功率调节特性

3.3 并网运行网侧电流间接控制策略

3.4 并网运行网侧电流直接控制策略

3.5 独立运行负载电压控制策略

3.6 本章小结

4 AC/DC矩阵变换器有限控制集模型预测控制

4.1 有限控制集模型预测控制原理

4.2 AC/DC矩阵变换器系统离散预测模型

4.3 目标函数选取和指令计算方法

4.4 变换器输入电压估计方法

4.5 开关状态组合预选方法

4.6 模型预测控制性能分析

4.7 本章小结

5 基于AC/DC矩阵变换器的PCS的稳定性分析

5.1 恒功率运行影响系统稳定性的机理

5.2 AC/DC矩阵变换器开环控制小信号稳定性分析

5.3 AC/DC矩阵变换器闭环控制小信号稳定性分析

5.4 仿真验证

5.5 本章小结

6 全文总结

6.1 本文研究内容和成果

6.2 未来工作展望

致谢

参考文献

附录I 攻读博士学位期间发表的学术论文

附录II 攻读博士学位期间申请的发明专利