用于光伏微电网的蓄电池和超级电容混合储能系统研究

摘要

微电网技术的发展对改善能源危机具有重要的作用和意义，储能系统作为微电网的关键组成部分，对电力调峰、改善电能质量、提高微电网运行稳定性作用重大。为了满足微电网稳定性和高效性的要求，本文主要对用于光伏微电网的由蓄电池和超级电容组成的混合储能系统做了一些研究。　　首先分析了蓄电池和超级电容的数学模型及充放电特性，讨论了两种储能元件三种并联方式的优缺点，最后确定了本文应用至光伏微电网中的蓄电池和超级电容混合储能系统的拓扑结构。　　其次，根据构建的混合储能系统拓扑结构，重点分析了用于蓄电池和超级电容的双向DC/DC变换器的工作原理。蓄电池因不需频繁切换充放电工作状态工作于独立PWM模式，而超级电容因双向状态切换频繁工作于互补PWM模式。使用状态空间平均法推导了两个双向DC/DC变换器在不同工作模式下的小信号模型;对混合储能单元中重要参数进行了设计。　　然后，针对蓄电池和超级电容器不同充放电方式分别设计了其充放电控制器。蓄电池采用充电控制器和放电控制器分开设计的方法实现了恒流-恒压充电、变功率放电，超级电容则采用一个控制器实现了变功率充放电。利用Matlab/Simulink搭建仿真模型，完成蓄电池和超级电容充放电仿真，验证了所设计的充放电控制器具有良好的稳态和动态性能。　　最后，将混合储能系统应用至光伏微电网中，结合储能元件的双闭环控制，同时利用电流分频控制间接实现功率分频，并考虑储能元件荷电状态(SOC)对系统的影响，提出了一种综合储能元件SOC和分频控制的能量管理控制策略。在Matlab/Simulink软件中搭建了仿真模型，利用一种简便的光伏发电模拟电路模拟其输出功率的波动特性，针对光伏发电输出功率突变、负载突变、光伏发电输出功率和负载均突变三种情况进行了仿真。仿真结果表明，设计的混合储能单元能够充分发挥两种储能元件的优势，平抑系统功率波动，稳定直流母线电压，提高光伏微电网性能。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 微电网研究现状

1．2．2 微电网储能研究现状

1．2．3 储能双向DC／DC变换器研究现状

1．3 本文主要研究内容

第二章 混合储能系统建模与设计

2．1 引言

2．2 铅酸蓄电池数学模型及充放电特性

2．2．1 铅酸蓄电池数学模型

2．2．2 铅酸蓄电池充放电特性

2．3 超级电容数学模型及充放电特性

2．3．1 超级电容数学模型

2．3．2 超级电容充放电特性

2．4 储能元件并联方式

2．5 混合储能系统结构设计

2．6 本章小结

第三章 混合储能系统双向DC／DC原理及建模分析

3．1 引言

3．2 混合储能系统双向DC／DC变换器原理分析

3．2．1 混合储能系统双向DC／DC变换器拓扑结构

3．2．2 双向半桥Buck／Boost变换器工作原理

3．3 混合储能系统双向DC／DC变换器数学模型

3．3．1 变换器A降压模式小信号模型

3．3．2 变换器A升压模式小信号模型

3．3．3 变换器B小信号模型

3．4 储能系统参数设计

3．5 本章小结

第四章 储能系统控制策略与仿真分析

4．1 引言

4．2 蓄电池和超级电容充放电控制策略

4．2．1 蓄电池充放电控制策略

4．2．2 超级电容充放电控制策略

4．3 储能模块充放电仿真分析

4．3．1 蓄电池模块充放电仿真

4．3．2 超级电容模块充放电仿真

4．4 本章小结

第五章 含混合储能系统的光伏微电网设计与仿真

5．1 引言

5．2 含混合储能统的光伏微电网设计

5．2．1 含混合储能系统的光伏微电网结构

5．2．2 含混合储能系统的光伏微电网能量管理策略

5．3 含混合储能系统的光伏微电网仿真分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间科研成果