基于蓄电池与超级电容器的直流微网混合储能研究

摘要

近年来，太阳能等分布式发电(Distributed Generation，DG)技术受到越来越多的关注，由DG等组成的直流微电网成为当前的研究热点。DG输出功率及负荷消耗功率的随机性，使孤立直流微电网存在天然的弱惯性。混合储能作为一种可调度资源应用于直流微电网系统，能够充分发挥超级电容功率密度大与蓄电池能量密度高的特点，配以相应的控制策略，可有效延长系统的寿命周期。
　　本文依托北京市科技计划项目“光伏并网用统一功率控制装备及直流微网技术研究与示范应用(D131104002013003)”和中央高校研究生创新资助项目“基于混合储能及SiC器件的双向多端口变流器研究(E15JB00140)”，对基于蓄电池和超级电容器的混合储能系统(Hybrid Energy Storage System，HESS)进行了理论研究、仿真分析和物理实验验证，主要工作包括以下几个方面:
　　首先，介绍了直流微电网系统的结构，该系统由DG、超级电容器模组、蓄电池模组、多端口DC/DC变换器(Multi-port DC/DC Converters，MPC)及负荷等组成。文中，对其总体结构及工作原理作了详细分析，并研究了各部分的控制方法。
　　其次，针对单个DC/DC端口的启动投入，会对整个混合储能系统产生较大暂态扰动的问题，提出了该混合储能系统的软启动控制策略。文中，通过电路等效和公式推导，对松弛端口软启动电阻的优化选择和功率端口软启动初始占空比的设定进行了详细分析。
　　然后，针对脉动负荷功率突变对直流母线电压及蓄电池组正常运行造成剧烈冲击的问题，提出了一种基于移动平均滤波算法的自适应能量控制策略(AdaptiveEnergy Control Strategy，AECS)。通过移动平均滤波算法将脉动负荷功率进行滤波，由蓄电池组承担平缓的功率变化，而由超级电容器补偿瞬时的功率突变，从而优化蓄电池充放电过程，延长其使用寿命;引入超级电容端电压的变增益自适应控制，将其端电压稳定在参考值附近;并对蓄电池组端口采用能量流均衡控制，使各蓄电池组荷电状态(State of Charge，SOC)趋于一致。
　　最后，开发了额定功率3.8kW，可接入3组蓄电池组、1组超级电容器组的混合储能系统实验样机和直流微电网实验平台，并对实验系统硬件参数及软件编程进行了设计，通过实验对上述软启动控制策略及自适应能量控制策略进行了验证。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 课题研究背景与意义

1．2 直流微电网技术概述

1．2．1 直流微电网概念及其特点

1．2．2 直流微电网发展及研究现状

1．3 储能技术概述

1．3．1 储能技术分类

1．3．2 混合储能技术发展及研究现状

1．4 本文主要研究内容及章节安排

2 带混合储能的直流微网系统结构及基本控制策略

2．1 直流微电网系统总体结构及原理分析

2．2 光伏发电系统结构及工作原理

2．2．1 建立光伏电池模型

2．2．2 光伏发电系统结构及控制

2．3 混合储能系统结构及工作原理

2．3．1 混合储能系统总体结构及原理分析

2．3．2 蓄电池模型及其PCS拓扑结构与控制

2．3．3 超级电容器模型及其PCS拓扑结构与控制

2．4 本章小结

3 混合储能系统的软启动控制策略

3．1 混合储能系统仿真模型及工作模式切换控制

3．1．1 混合储能系统仿真模型

3．1．2 混合储能系统工作模式切换控制

3．2 松弛端口软启动控制策略研究

3．2．1 松弛端口软启动理论分析及启动电阻的选择

3．2．2 松弛端口软启动控制策略

3．3 功率端口软启动控制策略研究

3．4 仿真验证

3．4．1 工作模式切换控制策略仿真分析

3．4．2 松弛端口软启动控制策略仿真分析

3．4．3 功率端口软启动控制策略仿真分析

3．5 本章小结

4 混合储能系统的自适应能量控制策略

4．1 系统控制结构及工作原理

4．2 自适应能量控制策略研究

4．2．1 移动平均滤波算法

4．2．2 超级电容器端电压自适应控制

4．2．3 蓄电池组能量流均衡控制

4．3 仿真验证

4．3．1 混合储能系统移动平均滤波算法仿真分析

4．3．2 超级电容器端电压自适应控制仿真分析

4．3．3 蓄电池组能量流均衡控制仿真分析

4．4 本章小结

5 混合储能系统硬件和软件设计

5．1 系统硬件电路设计

5．1．1 主电路参数设计

5．1．2 控制电路设计

5．1．3 驱动电路设计

5．1．4 采样电路设计

5．2 系统软件设计

5．2．1 系统初始化程序设计

5．2．2 系统主循环程序设计

5．2．3 系统定时采样中断程序设计

5．2．4 系统故障中断程序设计

5．2．5 系统按键中断程序设计

5．3 本章小结

6 实验分析

6．1 混合储能系统实验平台

6．2 混合储能系统软启动控制策略实验

6．3 混合储能系统自适应能量控制策略实验

6．4 本章小结

7 结论

7．1 总结

7．2 工作展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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