500kW储能变流器控制技术研究.docx

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1、 北 方 工业 大 学学 位 论文 原 创性 声 明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其 他个人或集体 已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 学位论文使用授权书 学位论文作者完全了解北方工业大学有关保留和使用学位论文的规定， 即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北方工业大学。学 校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位 论文被査阅和借阅： 学校可以公布

2、学位论文的全部或部分内容，可以允许采 用影印、缩印或其它复制手 段保存、汇编学位论文 (保密的学位论文在解密 后适用于本授权书 )。 口保密论文注释：经本人申请，学校批准，本学位论文定为保密论 文， 密级： ， 期 限 ： 年 ， 自 年 月 日起至 年 月 日止，解密后适用本授权书。 13保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 500kW 储 能 变流 器 控制 技 术研究 摘要 为解决能源危机和传统能源污染严重的问题，以风能、太阳能等分布式电源 的开发 和应用受到越来越的关注。随着我国经济的快速发展，国家大力发展分布 式电源，组建 运行方式灵活的微电网。由分布式电源组建的微

3、电网可以充分利用 可再生能源进行发电， 是目前解决能源紧缺问题的有效途径。但随着可再生能源 发电量及其电网接入率的不断 增加，这种间歇性能源的波动性和不确定性给电网 的稳定运行带来了巨大的挑战。 储能系统作为微电网的重要组成部分，主要起到平抑功率波动、削峰填谷、 稳定电 压和提高微电网电能质量的作用，它对于微电网的稳定运行至关重要。大 功率储能变流 器 (Power Conversion System， PCS)作为储能装置和微电网的接口， 实现了能量的双向 流动。本文对微电网应用背景下的储能变流器进行研究，重点 研究储能变流器的控制策 略以及 PCS 在微电网中能量自动协调控制的方法。 储能

4、电池是整个储能系统的重要组成部分。本文首先对储能电池的种类和及 其各自 特点进行列举，然后介绍了电池的充放电理论基础和运行特性，介绍了目 前储能电池常 用的充电方法。最后，根据储能变流器的应用工况和控制目标，进 而确定了本系统采用 的充放电控制策略。 准确的数学模型是进行控制策略推导的基础。本文首先对 PWM 变换器的工 作原理 进行分析，根据电路定律建立电压电流方程，基于开关函数推导出开关函 数模型，再引 入平均算子得出开关周期平均模型，最后利用小信号扰动的 方法， 得到直流稳态工作点 附近的交流小信号模型，为 PWM 变换器的控制策略推导奠 定数学基础。 在数学模型的基础上，根据控制目标得

5、出最后的控制策略。控制策略主要分 为四部 分：第一部分是直流侧储能电池的控制，使储能电池以恒定电压或电流充 电；第二部分 是 并 网状 态 下交流 侧 的 PQ 控 制 ， 使 PCS 能 够 跟随 功 率指令 ， 提 供 恒 定 功率 ； 第三部 分 是 储 能变 流 器在离 网 独立 供 电时 的 V/f 控 制 策略 ， 为 负 载 提 供 稳 定的 交 流电 压 ； 第 四 部 分 研 究 了 系 统各 种 控制 模 式 的 整体 控 制流 程 。 最 后 通 过 Matlab/Simulink 仿 真 对 控 制策 略 进行验证。 在 Matlab/Simulink 仿真的模型基础上

6、，基于 APPSIM 软件的半实物实时仿 真平 台进一步对本文提出的控制策略进行了验证。最后，对半实物实时仿真结果 进行了分析，从而验证了控制策略的有效性和正确性。 关键词：储能变流器，数学模型，充放电控制，功率平衡，半实物仿真 Research on Control Technology of 500kW Power Conversion System Abstract In order to solve the energy crisis and the serious problem of the traditional energy sources, an increasing att

7、ention has beenpaidonthedevelopment andapplication of the distributed power supply of wind energy and solar energy. With the rapid development of Chinas economy, the distributed powerisdeeplyandwidelydeveloped， whichismostlyusedtoconstructsaflexiblemicro-grid.Itisan effect way to solve the problem o

8、f energy crisis bymaking full use of the renewable energy to generate electricity. Butwith the increase of renewable energy powergeneration andpowergridaccess rate, the volatility and uncertainty of the intermittent energy resources have brought great challenges to the stable operation of powergrid.

9、 Asanimportantpartof themicrogrid, Energystorage system is essential for stable operation of themicrogrid in restraining powerfluctuations, cutting peakandfilling valley of the power, stabilizing voltage andimprovingthepowerqualityofmicrogrid. Highpowerconversionsystem(PCS) is usedas the interface o

10、f the energy storage device andmicro grid to realize the bidirectional flow of energy. In this paper, the energy storage converter in the micro grid application is studied, and the control of energy storage battery and themethodofenergy scheduling aremainlystudied. The storage battery is an importan

11、t part of the whole storage system. Firstly, the cell types and their respective characteristics are enumerated, and then this paper analyzes the battery charge and discharge theory basis and operation characteristics of the battery. At last, the paper introduces the current energy storage battery c

12、harging methods commonly used, and then to determine the charge anddischarge control strategy that the system uses. Anaccurate mathematical model is the basis for the derivation of the control strategy. Firstly, theworkingprincipleofPWMconverteranalysis,switchfunction,derivedfromtheswitchingfimction

13、 model based on is introduced, and then the average operator obtains the cycle switch average model, finally taking advantage of in the small signal perturbation method, DCoperatingpoint near the ACsmallsignalmodel, which lays themathematical foundation fordeduction of PWMconvertercontrolstrategy. O

14、n the basis of the mathematical model, the final control strategy is obtained according to the control objectives. Control strategy is divided into three parts: the first part is the DCenergy storage battery control; the second part is control of grid connected AC side. The third part is the under d

15、ifferent load condition according to the setting of grid distribution instruction. Through the automatic power distribution control method, the balance of power in the whole micro grid can be realized, and the power quality of the grid connected current can be guaranteed. Finally, the control strate

16、gy is verified by the Matlab/Simulink simulation and the semi physical simulation platform basedon APPSIM. Based on the model of Matlab/Simulink simulation, the hardware in the loop simulation platform based on APPSIM software is used to verity the control strategy proposed in this paper. Finally, t

17、he simulation results are analyzed， which verifies the effectiveness and correctness of the control Strategy- Keywords: Energy storage converter， mathematical model, charge and discharge control, power balance, hardware in the loop simulation rv 目 录 m . I Abstract.Ill 第一章绪论 . 1 1.1 课题研究背景和意义 . 1 1.2

18、 储能变流器研究现状 . 2 1.3 本文研究的主要内容 . 4 第二章储能电池充放电特性及充放电控制策略 . 6 2.1 储能技术的发展现状 . 6 2.2 电池的基本特性分析 . 7 2.2.1 储能电池基本模型 . 7 2.2.2 储能电池充放电特性 . 9 2.3 储能电池的充放电方法 . 9 2.3.1 储能电池充电控制原则 . 10 2.3.2 储能电池常用充电方法 . 10 2.4 本文采取的充放电方法 . 12 2.5 本章小结 . 13 第三章储能变流器数学模型 . 14 3.1 储能变流器的工作原理 . 14 3.2 储能变流器的数学模型 . 16 3.2.1 开关函数模型

19、 . 16 3.2.2 开关周期平均模型 . 18 3.2.3 交流小信号模型 . 22 3.3 本章小结 . 25 第四章储能变流器的控制策略研究 . 26 4.1 直流侧储能电池充放电控制策略 . 26 4.1.1 直流侧控制外环设计 . 26 4.1.2 电流内环设计 . 27 4.1.3 电流环 PI 参数设计 . 29 4.1.4 直流侧储能电池控制整体方案 . 31 4.2 交流侧并网控制策略 . 32 4.3 离网 V/f 控制策略 . 33 4.4 系统整体控制方案 . 34 4.5 本章小结 . 35 第五章储能变流器控制策略的仿真验证 . 36 5.1 储能变流器控制策略的

20、 Matlab 仿真 . 36 5.1.1 整体仿真系统搭建和参数设置 . 36 5.1.2 锁相环仿真 . 38 5.1.3 直流侧控制仿真 . 39 5.1.4 交流侧控制仿真 . 42 5.1.5 离网 V/f 控制仿真 . 44 5.1.6 系统整体的控制仿真验证 . 44 5.2 储能变流器控制策略半实物仿真 . 48 5.3 本章小结 . 54 第六章结论与展望 . 55 6.1 . 55 6.2 廳 . 56 参考文献 . 57 在学研究成果 . 61 麵 . 62 北方工业大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1.1 课题研究背景和意义 随着世界经济的发展和人口的增长，能源的需求

21、量日益增加，而煤炭、石油、 天然气 等传统能源具有不可再生性，而且污染程度较高。世界各国对能源的需求 量越来越大，能 源紧缺形势较为严峻；同时全球气候的剧烈变化和生态环境的不 断恶化，特别是温室气体 的排放，使世界可持续发展受到严重威胁，能源的利用 和环境污染之间的矛盾日趋凸显。 为了解决以上矛盾，需要寻求新的洁净能源。 全球传统能源的存储量日益减少促进了风能、太阳能等可再生能源的长足发 展，由于 这类可再生能源具有清洁性、无污染、廉价等特点，因此受到了越来越 多的关注和研究。 我国在过去很长一段时间内，一直是集中发电、远距离传输的 大型电网，但随着用电量需 求的不断增加，长距离输电容量也不断

22、增大，线路损 耗增多，电能质量下降，传统的集中 式电网已经不能满足要求。为了提高能源的 利用效率，世界各国大力发展分布式发电技术 1。 分布式发电技术主要是指利用 各种分散能源进行发电的技术，它可以实现对分散的太阳能、 风能、水能等可再 生能源的有效利用。据统计，到 2010 年底，全球的风电装机容量已经达 到了 2 亿 kW，有 100 多个国家开始发展风电，装机容量超过 100 万 kW 的国家有 20 个， 并且在 2010 年，全球风电新增装机达到 39.4GW 的新的高度，而我国在 2010 年底，风电 新增装机容量达到了 18.9GW，累计容量达 44.73GW，跃居世界第一 位。

23、 2015 年上半年， 全国风电新增并网容量 916 万 kW，到 6 月底，全国风电累 计并网容量 10553 万 kW，累计 并网容量同比增长 27.6%。同样，全球光伏行业 发展也非常迅猛。 2010 年，太阳能光伏新 增装机容量达 15.8GW。我 国 20 1 0 年 新增光伏发电装机容量 500MW，累 积 容 量 达 到 90 0 MW，位居世界前十。预计 2020 年水电、风电、太阳能发电装机将分别达到 3.5 亿、 2.4 亿、 1.5 亿千瓦 2。 但分布式发电在发展中存在着诸多问题和挑战。例如，风能、太阳能本身存 在随机性、 间歇性等特点，很难提供持续的稳定的功率，能量输

24、出的不稳定大大 削弱了分布式电源的 作用 3。 为了解决分布式电源的问题，美国电气可靠性技术解决方案协会 (Consortium for Electric Reliability Technology Solutions, CERTS) 首 先 提 出 了 微 电 网 的 概 念：它是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以连接外部电网 运行，也 可以脱离电网独立运行，一般由分布式电源、储能装置、功率变换装置、 负荷、监控系统和保护装置等部分组成。微电网可以提供不间断电源、支撑电压 稳定等用 户的特定需求。 微网中的分布式发电电源主要由间歇式电源构成，所产生的电能具有显著的 随机性和

25、 不确定性，并且微电网中各类负荷的变化也存在一定的随机性。因此， 整个微电网系统的 功率一直处于动态变化的过程中，将给配电网电压、电能质量、 系统保护和调度运行等带 来一系列的影响 78。 储能系统作为微网中的重要组成部分，可以在用电低谷时存储电能，在用电 高峰时释 放电能，起到了削峰填谷的作用，同时又可以平抑由负载投切引起的微 电网中的功率波动。 而储能变流器作为储能装置和微电网的接口，主要起到能量 传递和能量变换的作用。因此， 储能变流器是微网中不可或缺的关键部分，它可 以进一步改善微网的运行特性，对微电网 的安全稳定运行具有重要的意义。 1.2 储能变流器研究现状 储能变流器是储能电池和

26、微电网之间连接的接口，实现能量在电池和微电网 之间的双 向流动。目前市场上常用的储能变流器结构主要分为单级型 91()、双级 型 11和级联型 12。 单级型储能变流器如图 1-1 所示。 单级型储能变流器只通过一个 DC/AC 变换器完成电能在储能电池和电网之 间的传 输，其中 DC/AC 变换器常用的是传统的两电平变换器。为了改善输出电 压波形，三电平 变换器开始越来越多的代替传统两电平变换器应用在较多的场合。 单级型储能变流器显著 的优点在于：电路结构简单，开关管数量较少，因此损耗 较小，传输效率较高，而且控制 方法简单、成熟。但在交流侧电压固定的情况下， 直流侧电压范围较小，储能电池的

27、配置 缺乏灵活性。如果应用在大功率场合，变 压器会造成较大的能量损耗。 双极型储能变流器是在原来 DC/AC 变换器的基础上增加了一个 DC/DC 环节， 如图 1-2 所示。 2 图 1-2 双极型储能变流器 北方工业大学硕士研究生学位论文 双级结构的储能变流器先将储能电池电压经过 DC/DC 变换器升压，然后作 为 DC/AC 变换器的直流侧电压，最后逆变并入电网。相反，电网产生的交流电 压经 DC/AC 变换器整流成直流电压，再经过 DC/DC 变换器降压，最后将电网中 多余的电能以较低的电压存入储能装置中，这样可保证储能电池在较宽范围内运 行。双级结构的最大优点就在于解决了单级结构釆用

28、恒流控制时，储能电池电压 不可控的问题。 文献 9采用了一种双级并联型结构，如图 1-3 所示。该结构含有多组储能电 池，每组储能电池都通过独立的 DC/DC 变换器与连接到中间直流母线上，然后 通过同一个 DC/AC 变换器逆变后并网。这种结构的优点就是可接入多组储能电 池，各电池组之间通过独立的 DC/DC 变换器进行控制，可实现独立的充放电控 制，而且避免了电池组之间的环流问题。除此之外，这种结构的另外一个重要的 优点就是电池组电压范围较宽，可实现储能电池容量的灵活配置。 图 1-3 双极并联型储能变流器 无论是单级型或是双级型储能变流器，往往都需要增设变压器进行隔离和升 降压， 然后接

29、入电网。变压器的接入，不但增加了系统成本，而且增大了装置的 整体体积。为了 得到高质量的输出电压波形，传统的两电平变换器往往需要提髙 功率开关管的开关频率。 随着电力电子技术的发展，出现了级联 H 桥型变换器。 3 北 方 工业 大 学硕 士 研究 生 学位 论 文 多 电 平级 联 H 桥 变 换器 由 于其 优 越的 输 出特 性 和谐波 特 性而 受 到越 来 越多 的 研 究 。 最初 ， 这 种 结构主 要 被应用 在 静态无 功 补偿 器 (STATCOM)和 电 动汽车 中 i3i4is。 随 着电池 技 术的 发 展，多电 平 级 联 H 桥型 变 换器开始 与 电池和电 容

30、等 储能 装 置相结合 ， 应用在储 能 领 域 中， 用 于平 抑 电网 中 的功 率 波动 ， 提 高 电网 运 行 可 靠性 16。 如 图 1-4 所 示 ，级 联 H 桥 型 储 能 变 流 器采 用 模 块 化 结 构， 可 通 过 多 模 块 单 元 串 联的 方 式 来 实 现 高压 输 出 ， 从 而 省 去 了 升 压 变 压器 ， 节 约 了 成 本 。 此 外 ， 多 模 块 的级 联 结 构 能 够 使系 统 在 较 低开 关 频 率 条 件 下 取 得 较 髙的 等 效 开 关 频 率 ， 从 而 减 小了 开 关 损 耗 ， 输出 电 压 电 平数 高 ， 电 压

31、 谐 波 含 量 低 。 图 1 - 4 级 联 H 桥型储能变流器 但这种级联型储能变流器结构较为复杂，功率开关器件较多，损耗也较大， 可靠性 低，较多的开关管也使得整体的控制策略较为复杂。因此，这种结构存在 的问题较多， 仍须进一步的研究。新型级联型储能变流器也正向有更小功率损耗、 更好输出特性、更 髙运行可靠性和更方便灵活的模块化结构方向发展。 1.3 本文研究的主要内容 本文以微电网为背景，以应用在微电网中的储能变流器为研究对象，首先建 4 北 方 工业 大 学硕 士 研究 生 学位 论 文 立了储能变流器的数学模型，由数学模型入手推导出直流侧储能电池充放电控制 策略和交 流侧恒功率控

32、制策略，通过 Matlab/Simulink 软件进行了控制策略的仿 真验证。接着在 APPSIM 实时仿真平台上进行了硬件在环的半实物实时仿真验证。 具体的章节内容如下： 第一章主要介绍了本文的研究背景，对新能源发电技术和微电网技术进行了 概述，并 对其发展状况进行了介绍。然后由新能源发电技术和微电网存在的问题 引出本文的研究内 容一储能变流器，阐述了储能变流器的作用。最后对储能变 流器目前的结构进行了归纳和 总结。 第二章介绍了储能电池的基本特性和常用的充放电控制策略。储能电池是储 能系统的 重要组成部分，它的稳定运行直接影响到整个系统的运行特性和运行可 靠性。而且，由于 储能电池的造价较

33、高，所以储能电池的控制策略显的尤为重要。 第三章确定 PCS 拓扑结构，建立单级型 PCS 的数学模型。数学模型是控制 算法推导 的基础，本章首先对储能变流器的工作原理进行分析，通过开关函数的 定义，建立储能变 流器的开关函数模型，然后通过开关周期平均算子的引入，推 导出储能变流器的开关周期 平均模型。由于开关周期平均模型仍为非线性方程， 为了使其能够通过经典控制理论的方 法进行分析，需要引入小信号扰动，对开关 周期平均模型进行线性化处理，最终获得交流 小信号模型。 第四章主要进行储能变流器控制策略的推导。在第三章建立的数学模型的基 础上，同 时根据本文提出的控制目标，确定最终的控制算法。主要包括直流侧储 能电池的充放电控 制、交流侧恒功率控制以及离网模式下的 V/f 控制。 第五章为储能变流器控制策略的 Matlab/Simulink 仿真和半实物仿真。根据 以上推出 的控制算法，搭建 Matlab/Si