分布型混合储能变换及控制技术

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1、分布型混合储能变换及控制技术第1章绪论1.1研究背景及意义1.1.1可再生能源发电的前景及面临的问题尽管以风能、太阳能为代表的可再生能源具有诸多优点，然而目前大部分可再生能源存在不可预测性和间歇性，且任何单一能源均有其自身局限性，如风能和太阳能在时间尺度上的能量随机波动性，其产生的电能如果大规模直接输入电网将对电网的稳定性和可靠性造成严重影响，极大制约了可再生能源的并网利用和进一步发展。同时在我国集中式供电的背景下，由于我国经济发展和化石能源、水力能源等自然资源分布的严重不平衡，造成了负荷中心远离资源中

2、心的局面，大大增加了对电力传输线路以及资源运输线路的压力，2008年初因为雪灾所引发的输电线路故障和电煤库存紧张充分说明了这一问题的严峻性。另外随着我国城市化进程的不断加剧，将进一步增加城市输配电设施的容难度。除此之外，关键数据通讯中心、国防供电系统、偏远地区供电等特殊应用场合也迫切需要可靠性高、灵活性强的供电方案。1.1.2直流型多可再生能源分布式发电系统风能和太阳能在时空上的能量波动具有一定互补性，通过引入储能环节，实现风-光-储分布式发电方式，可以确保对电网实现持续、稳定、大容量地供应能量，提高电

3、网的可靠性和稳定性。同时，降低系统成本，提高可再生能源的使用经济性，是未来可再生能源开发和利用的一个重要趋势。因而，课题组在2009年提出了如图1.1所示的分-光-储多可再生能源分布式发电方案。该方案采用直流母线架构，直流母线电压为800V。风力发电通过三相AC/DC整流电路对风能进行最大功率跟踪和电机转速控制，并把能量传送到直流母线上。光伏发电通过Boost变流器进行最大功率跟踪，并将光伏能量转移到直流母线上。同时釆用多模块分布式工作来实现光伏变换的灵活配置。可再生能源的发电除了通过三相逆变器输送到电

4、网，同时还分别通过buck变流器和逆变器给本地直流或交流负载供电。系统采用锂电池和超级电容储能来补偿光伏发电和风力发电的波动，银电池和超级电容分别通过模块化双向DC-DC变流器接入直流母线。本文主要研究其中储能双向DC-DC拓扑及其控制以及混合储能的控制。1.1.3分布式混合储能的作用及优势由于风能和太阳能等大部分可再生能源存在不可预测性和间歇性，为了提高可再生能源发电的稳定性、可靠性，储能必不可少。图1.2给出了某白天光伏电站发电功率的波动曲线，其功率波动从频域角度可以简单划分为低频波动以及高频波动。

5、低频功率波动通常指数十分钟到数小时的平均功率波动，经过平均后其功率波动幅值大为减小，但由于持续时间长，所需补偿能量大。高频功率波动通常指毫秒到分钟级别的功率波动，其功率波动幅值大，但持续时间短，所需补偿能量小。常见的储能元件可分功率型储能元件和能量型储能元件。前者功率密度大、响应速度快、循环寿命长，单位功率价格低，但能量密度小，单位能量价格高，不适合长时间储能，常见的有超级电容、飞轮储能等；后者能量密度大，单位能量价格低，但循环寿命小，响应速度慢，如蓄电池，不适合补偿短时脉冲功率波动。因而两种类型的储能

6、元件的混合适用可以提高储能系统的性能，降低储能系统的成本[2]。第2章储能双向DC-DC变流器静态特性及参数设计本章结合图1.1所示直流型多可再生能源分布式发电系统对储能双向DC-DC变流器的性能要求，提出了一个适合该应用的双向DC-DC拓扑，并对该电路的工作原理，静态工作特性以及参数设计进行了详细的分析，并给出了实验样机的静态实验结果。2.1储能双向DC-DC变流器的性能要求及拓扑方案2.1.1储能双向DC-DC变流器的性能要求储能双向DC-DC变流器将储能元件接入高压直流母线，并控制储能元件跟直流母

7、线间的功率流，是整个储能系统的核心部件。图1.1所示直流型多可再生能源分布式发电系统对双向DC-DC变流器的性能要求如下：宽输入范围变换，超级电容的储能跟其电压的平方成正比，因此超级电容的电压变化范围越宽，其储能利用率越高。通常其最低工作电压设为额定电压的一半，能利用其75%的储能。为了实现超级电容的宽电压范围工作，最大程度的利用其储能，储能双向DC-DC变流器必须具有宽输入范围的特性。高输出电压、高升降压比隔离变换，图1.1所示的直流型多可再生能源分布式发电系统采用800V的直流母线，为了安全起见，储

8、能元件釆用48V的锂电池和60V的超级电容，双向DC-DC变流器一端接800V直流母线，一端接低压储能元件。因此储能双向DC-DC变流器必须能够实现高输出电压和高升降压比隔离变换。第3章储能双向DC-DC变流器动态.......343.1小信号模型.......343.1.1状态空间法建模.......343.1.2小信号模型简化.......393.2高压侧电容均压机制.......423.3软启动过程.......443.4控制策略及环