电池储能三相功率调节系统中逆变器的控制技术研究

摘要

随着电网中储能技术的迅速发展，以电力电子装置为接口的储能系统，可接受电网调度系统的电能的合理分配，能够对电力系统中的供电与用电功率波动起到“削峰填谷”的作用，当电网掉电时，储能系统可为重要的本地负载提供稳定可靠的电能供应；另一方面，储能装置由于具有对功率和能量的时间迁移能力，是改善风力、光伏等新能源发电系统动态响应特性的有效手段。功率调节系统(Power Conditioning System, PCS）是储能变流器系统中的核心装置，本文针对逆变器在各种运行模式时的控制技术进行研究。
　　当储能PCS工作于并网模式时，为了减小储能系统的体积，提高系统对并网电流的高频谐波分量的衰减能力，常采用LCL型滤波器实现并网运行操作，但是系统存在谐振问题。本文首先对比研究了无源阻尼和有源阻尼的谐振峰抑制策略；并针对LCL型储能功率调节系统的并网单环控制，分析了网侧电感电流控制和逆变器侧电感电流控制的优缺点与运行特性；为解决单环控制带宽较低，并网电流波形较差的问题，本文采用了滤波电容电流内环并网电流外环的双环控制方案，电容电流反馈有源阻尼有效阻尼LCL滤波器的谐振峰，在模拟控制下，它等效为在滤波电容上并联一个阻尼电阻，并在频域中详细设计了双环的控制器参数。
　　储能PCS在电网掉电时，需要工作于独立离网运行模式继续给本地关键负荷供电。本文采用了电压源型逆变器独立离网运行情况下常用的电容电压和电感电流双环控制方法，采用阻尼等效分析法对双环控制的阻尼原理做了详细的推导和分析；在设计控制器参数时，首先对三相储能功率调节系统进行详细的数学建模建立，给出了双环控制参数的设计思路：通过控制框图变换将内环等效为一个阻尼环节，系统在空载和负载条件下均有较好的稳态特性和动态响应速度，仿真和实验结果验证了三相储能系统的稳定性、动态特性及较好的输出波形质量。
　　为实现大规模电池储能技术的应用，常采用电池储能功率调节系统的模块化并联运行。并联逆变器工作于并网模式时，由于各模块均工作在电流源模式，故不存在均流问题；而独立运行模式时，系统要面临逆变器并联所必须的环流抑制问题。当采用独立直流母线共交流母线的并联方案时，电池侧的荷电状态存在差异，传统常用的UPS模块并联控制方案不再适用，本文设计了一种基于储能变流器容量和荷电状态的并联储能系统并联功率分配策略，根据不同储能并联子系统的荷电状态分配不同功率指令，以充分利用并联系统总容量。

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1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 电池储能技术的应用现状与发展

1.3 电池储能系统的组成及扩容方式

1.4 储能功率调节系统的关键技术研究

1.5 本文主要研究内容

2 储能PCS的并网运行控制技术

2.1 引言

2.2 储能并网PCS的模型

2.3 并网运行控制策略

2.4 本章小结

3 储能PCS的离网运行控制技术

3.1 引言

3.2 储能PCS离网运行控制分析

3.3 仿真与实验结果

3.4 本章小结

4 多储能功率调节系统并联控制

4.1 引言

4.2 并联运行控制策略基本原理

4.3 并联PCS的架构和通信简介

4.4 基于荷电状态和模块容量功率分配策略

4.5 实验结果

4.6 本章小结

5 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 课题展望

致谢

参考文献

攻读学位期间参与项目及发表论文