学位论文-并网电池储能系统中双向变流器的研究.pdf
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1、硕士学位论文并网电池储能系统中双向变流器的研究BI-DIRECTIONAL CONVERTER FOR GRID BATTERY ENERGY STORAGE SYSTEM国内图书分类号:TM76 国际图书分类号:621.3学校代码:10213 密级:公开工学硕士学位论文并网电池储能系统中双向变流器的研究 Classified Index:TM76U.D.C:621.3Dissertation for the Master Degree in EngineeringBI-DIRECTIONAL CONVERTER FORGRID BATTERY ENERGY STORAGE SYSTEM:哈尔
2、滨工业大学工学硕士学位论文摘要电池储能系统因具有体积小、重量轻、使用周期长、投资相对较小、灵活 安装等优点,在新能源发电并网和电动汽车车载电源中得到广泛应用。随着电 池储能系统容量规模的不断扩大,可拓展模块化、高功率密度和高充放电效率 的双向变流器结构及其控制策略成为研究热点。本文提出了由双向AC-DC变流器、双向DC-DC变流器两部分组成的集 充电和放电控制于一体的双向变流结构及其分布式控制策略。双向AC-DC变 流器选用三相桥式AC-DC拓扑结构,该结构直流侧输出电压高,变流器利用 率高;双向DC-DC拓扑结构选用的是DAB(Dual-Active-Bridge)双有源全桥高 频隔离拓扑结
3、构,DAB电路结构对称,控制简单,功率密度和充放电效率 高,适合大中型功率应用场合。前级双向三相AC-DC变流器采用基于d-q坐标变换的空间矢量调制(SVPWM)算法控制,实现单位功率因数下整流和逆变,后级电路DAB采用本 文提出的在传统相移控制方式基础上改进的基于小信号模型的相移控制,通过 仿真结果验证该方法能够改善电池侧电压纹波问题,提高系统响应速度。最后通过Matlab/Smulink仿真以及实验结果验证,本文提出的双向变流器 结构及其采用的分布式控制策略是正确和有效的,而且该双向变流器具有低谐 波污染、高功率密度和高充放电效率等优点,减少了电池侧电压纹波,提高了 电池寿命。关键词:电池
4、储能系统;三相AC-DC;DAB;小信号模型;双向变流器-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractBattery energy storage system has some advantages.For example,small size,light weight,long life cycle,relatively small investment,flexible installation,etc.In the new energy power generation grid network and electric vehicles are widely used.With
5、 the battery energy storage system capacity expands,scalable modular,high power density and high charge-discharge efficiency of the bi-directional converter structure and control strategy become a trend.This paper presents the main work that is bi-directional three-phase AC-DC converters and bidirec
6、tional DC-DC converter.They are two-part set of charging and discharging control in one variable flow structure and its distributed control strategy.Bi-directional AC-DC converter topology chooses the three-phase bridge AC-DC converter,three-phase AC-DC converter has higher DC output voltage and uti
7、lization rate,bi-directional DC-DC topology chooses DAB(Dual-Active-Bridge)with high frequency isolated transformer.DAB circuit has symmetry structure,simple control,high charge-discharge efficiency and power desity,which is suitable for large and medium power application.The first stage double-phas
8、e AC-DC converter is based on d-q coordinate transformation space vector modulation SVPWM control to achieve unity power factor rectifier and inverter,post-stage circuit DAB is used the improvement of small-signal-based phase shift control model based on the traditional phase-shift control method to
9、 improve the ripple of the voltage of the battery side and the syetem response speed.Matlab/Smulink simulation and experiment results demonstrate that the proposed bi-directional converter structure and its distributed control strategy correctness and validity,and the bi-directional converter have t
10、hese advantages:low harmonic pollution,high power density and high charge-discharge efficiency and reducing the battery side voltage ripple,improving the batterys life.Keywords:battery energy storage system,three-phase AC-DC,DAB(Dual-Active-Bridge),small signal model,bi-directional converter哈尔滨工业大学工
11、学硕士学位论文目录摘要.IAbstract.II第1章绪论.11.1 课题研究的背景和意义.11.2 储能技术的国内外发展现状.21.3 电池储能系统中变流器的研究现状.41.3.1 双向AC-DC变流器的研究现状.41.3.2 双向DC-DC变流器的研究现状.51.3.3 双向变流器的研究现状.61.4 本文的主要研究内容.6第2章 双向三相桥式AC-DC变流器的研究.82.1 引言.82.2 三相桥式AC-DC工作原理分析.82.2.1 三相桥式AC-DC数学模型建立.82.2.2 基于d-q坐标的电流解耦控制研究.132.3 SVPWM 控制算法的研究.152.3.1 改进型SVPWM控
12、制算法.152.3.2 改进型SVPWM控制算法仿真模型建立.152.4 仿真结果分析.202.5 本章小结.21第3章 双向隔离型DAB变流器的研究.223.1 弓I 言.223.2 双向隔离型DC-DC拓扑结构研究.223.2.1 隔离型DAB拓扑结构组成.223.2.2 DAB拓扑结构选择.233.3 DAB电路工作原理分析.263.4 DAB电路控制方法研究.283.4.1 传统相移控制分析.283.4.2 双重相移控制分析.303.4.3 基于小信号模型的改进相移控制研究.323.5 仿真结果分析.36-in-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文351 DAB电路充电时波形图.363.5.
13、2 DAB电路放电时波形图.383.6 本章小结.39第4章 双向变流器的控制策略研究及仿真分析.404.1 弓|言.404.2 双向变流器的整体结构设计.404.3 主电路参数设计.414.3.1 三相AC-DC电路中参数设计.414.3.2 DAB电路中参数设计.424.4 控制策略研究及结果分析.434.4.1 分布式控制策略研究.434.4.2 仿真结果分析.444.5 本章小结.48第5章 双向变流器的硬件设计及实验结果.495.1 引言.495.2 硬件电路的整体结构.495.3 三相桥式AC-DC环节硬件电路设计.495.4 后级DAB环节硬件电路设计.505.4.1 高频隔离变
14、压器.515.4.2 TGBT 的选择.515.4.3 DAB电路参数选择.525.4.4 驱动电路.525.4.5 控制电路.535.5 实验结果.545.5.1 电池充电时实验波形图.555.5.2 电池放电时实验波形图.565.6 本章小结.57结论.58参考文献.59哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限.63致谢.64-IV-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1 课题研究的背景和意义在当今全球绿色能源、节能减排的战略中,国家电网公司和南方电网都 在大力发展风力发电、核能发电以及太阳能家庭式发电等新能源发电技术。以风力和太阳能为主的分布式发电在并网运行时因为其波动性、间歇
15、性以及 不可预测性会给电网安全运行带来一定隐患。而储能技术可以很大程度上解 决新能源发电并网时存在的一些问题,使低密度、随机性的可再生新能源得 到广泛的利用,因此储能技术也成为目前大力发展的对象。目前针对新能源 分布式发电的中小型功率储能技术中,电池储能技术是应用最广泛的,因为 电池储能装置不仅安装方便,容量可灵活调节;还可以将夜间的谷电存起 来,或是将平时多余的电能储存起来,到供电紧张甚至中断时作为紧急电源 使用;而且也是电网运行削峰填谷的调度高手,更是风能太阳能并网的关键 技术。目前电动汽车的大力发展对蓄电池储能技术的要求也越来越高。所以 不管是新能源的发展、还是智能电网的发展都离不开储能
16、技术口冏。并网电池储能系统不仅可以应用在电力系统安全运行中的削峰填谷、新 能源接入、电能质量改善和应急电源等方面,而且在电动汽车车载电源系统 中也得到了广泛应用。并网电池储能系统主要实现能量的储存、释放以及快 速功率交换,一般由两部分组成:第一是由不同容量电池模块组成的储能部 分BESS(Battery Energy Storage System),主要负责能量的存储和释放;第二 是由电力电子器件组成的能量转换系统(或称充放电变流器),它是并网电池 储能系统中功率传输的双向通道,确保电池充放电的安全和效率,二者缺一 不可。目前电池储能系统对充放电变流器的要求越来越高,不仅要求其具有 传统的充放
17、电功能,而且还要满足电池电压的宽范围、瞬时大功率输出及多 组不同容量电池模块的充放电运行要求。能量转换系统主要实现以下功能:(1)充放电的控制;(2)AC-DC双向变流、DC-DC双向变流;(3)功率大小的调 节和方向控制;(4)运行时参数检测和监控;(5)安全保护等1I。目前双向变流器中Buck-Boost斩波电路应用比较广泛,但是在该结构中 为了实现电池侧与网侧的电压匹配和安全隔离,需要在网侧加入工频隔离变 压器,但是该变压器的体积、重量以及噪声都比较大,功率损耗也很高,使 得电池储能系统实现高充放电效率和高功率密度比较困难。所以,为了提高双向变流器的功率密度和充放电效率,以及实现储能系-
18、1-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文统的大容量化和模块化,研究电力电子器件组成的能量转换系统(或称充放电 双向变流器)的新的拓扑结构构成及其控制策略是很有意义的。1.2 储能技术的国内外发展现状目前的储能技术主要有物理形式储能和化学形式储能两种,其中化学形 式储能又分为电池储能和氢储能;物理形式储能分为机械储能和电磁场储 能。具体分类如图1-1所示。动能:飞轮储能 机械能Lj抽水储能 物理形式 压缩空气储能电能储存 电磁场能电场能:超级电容器1磁场能:超导磁储能化学形式电池储能 氢储能图1-1电能存储技术分类在以上的储能技术中,一般情况下,电能质量治理和电网调频选用超导 磁储能和飞轮储能,电网调
19、峰选用压缩空气蓄能和抽水储能,电动汽车储能 选用超级电容器储能和电池储能,中小规模储能和新能源发电并网选用电池 储能网。目前世界各国都在支持储能技术的研究和应用。日本NEDO(New Energy and Industrial Technology Development Organization)在 09 年对各种电池储能 技术尤其是针对锂离子电池,钠硫电池和新型电池等技术进行了详细的发展 规划;美国能源部在2010年也发布了关于各种新型和先进电池发展与应用的 报告,未来20年将重点关注锂离子电池、功率型储能电池以及先进压缩空气 储能技术等研究。电池储能技术是目前大力发展的新型储能技术,电池
20、储能系统中的电池 不再仅仅采用传统的铅酸蓄电池,像钠硫电池、锂离子电池和银氢电池等也 在电池储能系统中广泛使用,其中锂离子电池是近年来主要研究的新型高能 量二次电池,锂离子电池单体输出电压高,工作温度范围宽,储存能量高,自放电率低,在各种设备中获得广泛应用。其中以磷酸铁锂为正极材料的锂 离子电池有较好的高功率充放电性能和安全性,在新能源发电储能和电动汽 车车载电源中得到广泛应用。目前基于蓄电池储能的并网储能系统有以下三种主要形式川:-2-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图1-3直流母线耦合系统AC Bus图1-4交流母线耦合系统图1-2所示的顺序储能系统中,电池储能模块串联在电路中间,结构比 较
21、简单,但是所有的新能源发电都要先把电能储存在电池中,然后通过电池 反馈给电网,增加了电池的充放电频率,降低了系统的效率,而且电池的容 量调节也不够灵活。图1-3所示的直流母线耦合系统,在这种结构中,分布式发电与电池储 能模块是独立工作的,增强了系统的鲁棒性。但是直流耦合需要共用DC-AC 模块给电网馈电,限制了储能系统的规模。图1-4所示的交流母线耦合系统,分布式发电与电池储能是独立,且不 共用任何模块,系统容量调节比较灵活,容易实现模块化,可靠性也比较 高,适合不同容量的电池模块并联运行。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文目前大部分的分布式发电储能采用的是直流母线耦合系统或交流母线耦 合系统。其
22、中交流耦合系统比直流的优势要更多一些,因为该系统不仅容易 实现模块化,而且还可以增加更多的发电模块和电池模块并联。由于每一个 发电模块和储能模块都是独立与电网联系的,所以交流母线耦合系统的可靠 性和灵活性更好。1.3 电池储能系统中变流器的研究现状由上节的交流母线耦合系统可看出,并网电池储能系统主要包括以下儿 个关键的组成部分:电池模块、PCS(Power Conversion System)能量转换系统 以及系统集成部分。其中PCS能量转换系统是本文的主要研究对象,由于电 池模块的电压等级与网侧交流电压等级经常不匹配,因此需要PCS连接电网 与电池侧进行电压匹配、电压隔离以及充放电功率大小和
23、方向控制。根据目前储能技术的发展要求,电池储能变流器不仅要实现功率双向流 动、单位功率因数、低谐波污染,而且还要实现多组储能电池模块的同时充 放电。传统的电池储能变流器一般由分开的充电部分和放电部分组成,就单 个储能电路来说,电路控制比较简单,但对于整个系统而言,系统的模块数 量和控制难度大大增加,系统的功率密度变得比较低口引。所以随着电池储能 系统规模容量的不断增大,模块化的双向变流器结构成为发展趋势。为了实 现变流器的高功率密度和高充放电效率,并且还可以实现电力系统运行的削 峰填谷,本文提出由双向AC-DC变流器、双向DC-DC变流器DAB(Dual-Active-Bridge)两部分组成
24、的集充电和放电控制于一体的双向变流结构及其控 制策略。1.3.1 双向AC-DC变流器的研究现状目前应用比较广泛的双向AC-DC变流器主要分为单相全桥和三相桥式 两种。为了并网方便,一般选用三相桥式AC-DC变流器,所以本节主要讲 述三相双向AC-DC变流器的研究状况。三相桥式AC-DC变流器具有功率可以实现双向流动、单位功率因数、低谐波并网等优点,因此得到广泛研究和应用。随着各国学者对三相桥式 AC-DC变流器的不断研究,其控制技术和数学模型己经越来越成熟,软开关 PWM调制技术也得到了应用,传输功率也达到MW级以上。目前针对三相AC-DC变流器的研究主要有以下两种(1)三相桥式AC-DC控
25、制策略的研究目前的控制方法有基于d-q变换的空间矢量调制SVPWM控制、滞环控-4-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文制、滑模电流控制和模糊神经控制等技术。这些控制方法目的都是确保网侧 电流畸变在一定范围内,保证功率因数尽可能接近1,逆变时电流低谐波入 网,整流时输出电压稳定。(2)三相桥式AC-DC变流器模型的研究在基于d-q坐标变换的三相AC-DC变流器模型之后,国内外学者对三相 AC-DC变流器的数学模型进行了更加深入的研究,时域模型、新颖的降阶小 信号模型和基于隔离变压器的低频数学模型等不断被提出25。1.3.2 双向DC-DC变流器的研究现状双向DC-DC变流器(Bi-direction
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