压缩空气超级电容混合储能系统中辅助储电系统特性研究

摘要

风力、光伏以及其他可再生能源具有分散、不固定、不稳定等问题，通过引入混合储能系统，可以将不同特性的能量转换后存储，不仅可以提高发电利用率，还可以与发电系统结合并网，提高供电品质。研究者们将压缩空气与超级电容两种储能方式组合起来，充分利用两者的优点，实现可再生能源的高效利用。
　　本文就压缩空气超级电容混合储能系统展开了研究，并重点研究了其辅助储电系统。文中研究了超级电容的基本特性，对其充放电效率进行了分析，提出了考虑冗余度的不对称拓扑设计方法和考虑超级电容充放电深度的对称拓扑设计方法。研究了混合储能系统中辅助储电系统结构与工作原理，通过分析超级电容储能与压缩空气储能两种能量存储方式的特性，对其进行特性匹配。研究了辅助储电系统另一重要组成部分，三电平双向DC/DC变换器，分析了其工作特性与控制策略，并进行了实验研究。
　　在混合储能系统中，辅助储电系统的控制是关键，文中对比了自动频率功率调节控制方法与固定频率功率调节控制方法，并采用自动频率功率调节控制方法，实现了超级电容的充放电控制与混合储能系统的能量流动控制。
　　混合储能系统涉及机电转换，文中引入宏观能流表示法，介绍了图形化建模方法的基本思想和规则，设计出混合储能系统的EMR模型，通过反演控制方法，设计出混合储能系统的控制部分。通过Matlab-Simulink仿真平台，进行了储能工况、释能工况、含光伏发电工况、负载扰动工况的仿真，验证了上述理论。
　　最后在仿真的基础上，设计了15kW实验平台，并进行实验。验证了控制策略的正确性和混合储能系统参数设计的正确性。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 压缩空气储能

1．2．2 超级电容储能

1．2．3 压缩空气超级电容混合储能系统

1．3 辅助储电系统在混合储能系统中的作用

1．4 论文研究的主要内容

2 超级电容特性与拓扑设计

2．1 超级电容原理与特点

2．1．1 超级电容储能原理

2．1．2 超级电容的特点

2．1．3 超级电容的等效电路模型

2．2 超级电容充放电特性与效率分析

2．2．1 超级电容充放电特性

2．2．2 超级电容充放电效率

2．3 超级电容组拓扑设计

2．3．1 考虑冗余度的不对称拓扑设计

2．3．2 考虑最大效率的对称拓扑设计

2．4 本章小结

3 变流器特性与能量控制策略

3．1 超级电容特性与应用环境特性匹配

3．1．1 压缩空气储能系统特性

3．1．2 超级电容特性与压缩空气储能特性匹配

3．2 三电平双向变流器超级电容储能系统

3．2．1 三电平双向DC／DC变流器特性

3．2．2 三电平变流器的控制策略

3．2．3 三电平变流器超级电容储能系统仿真

3．3 辅助储电系统能量控制策略

3．3．1 辅助储电系统自适应功率调节控制

3．3．2 辅助储电系统固定频率功率调节控制

3．3．3 辅助储电系统能量分配管理策略

3．4 本章小结

4 基于EMR的辅助储电系统仿真与实验设计

4．1 系统建模方法概述

4．1．1 传统建模方法

4．1．2 基于图形表示的建模方法

4．1．3 宏观能流表示法的基本组件

4．1．4 最大化控制框图

4．2 混合储能系统的模型与控制策略仿真

4．2．1 混合储能系统模型

4．2．2 反演控制回路设计

4．2．3 仿真验证

4．3 压缩空气超级电容混合储能系统实验平台搭建

4．3．1 压缩空气储能系统硬件设计

4．3．2 超级电容辅助储电系统主电路设计

4．3．3 超级电容储能系统控制系统设计

4．3．4 超级电容储能系统实验

4．4 本章小结

5 结论及展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

作者简历

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