隨著傳統(tǒng)化石能源的快速消耗和電力需求的不斷增長,可再生能源得到了人們的重視。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)涵蓋了大量的交直流負載以及電力變換裝置,而大量可再生能源的接入對其穩(wěn)定性提出了更高的要求。為提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性,滿足供電形式的多樣化和能量多向流動的要求,能量路由器得到了廣泛關(guān)注。作為一種融合了信息與電力電子變換技術(shù),實現(xiàn)分布式能量高效利用和傳輸?shù)碾娏ρb備,能量路由器能夠與配電網(wǎng)協(xié)調(diào)配合,實現(xiàn)電力網(wǎng)絡能量流的主動管理。而儲能系統(tǒng)作為能量路由器中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,不僅能夠?qū)崿F(xiàn)電力網(wǎng)絡的能量供應與回收,并可平抑因可再生能源接入帶來的功率波動,進而提高電力網(wǎng)絡運行的穩(wěn)定性。超級電容儲能具有功率密度高,充放電速度快,循環(huán)壽命長,可靠性高的特點。為此,本文基于能量路由器中的超級電容儲能系統(tǒng)作為研究對象,對超級電容儲能及其系統(tǒng)中高電壓增益型雙向變換器的設(shè)計和控制方法進行研究。本文首先對超級電容的特性、等效電路模型以及充電方式進行了分析,并對比研究了超級電容儲能系統(tǒng)中的雙向DC-DC變換器拓撲。由于能量路由器中包含多種電壓等級,為實現(xiàn)儲能的靈活接入,本文研究了“三相交錯并聯(lián)+四電平諧振”的級聯(lián)型高電壓增益雙向DC-DC變換器拓撲。該拓撲能夠?qū)崿F(xiàn)超級電容儲能的高電壓變比,滿足不同電壓等級下的要求。為對拓撲功能進行驗證,本文對所研究的級聯(lián)型變換器進行了理論和實驗分析。對前級三相交錯并聯(lián)變換器,闡述了其工作原理,并建立了狀態(tài)空間模型;針對超級電容的充放電控制設(shè)計了恒流-恒壓充電策略和恒壓放電策略。對后級四電平諧振變換器,設(shè)計了移相閉環(huán)控制策略,解決了開環(huán)控制下的支撐電容電壓不均衡問題。在完成級聯(lián)變換器參數(shù)設(shè)計基礎(chǔ)上,搭建了相應的硬件實驗平臺,實驗結(jié)果證明了控制策略的正確性。為進一步提升超級電容儲能系統(tǒng)的輸出電壓水平,可以對多個前級三相交錯并聯(lián)變換器的輸入側(cè)(高壓側(cè))串聯(lián),得到輸入串聯(lián)輸出(儲能側(cè))獨立(input-series output-independent,ISOI)拓撲。但由于儲能模塊電路寄生參數(shù)、超級電容初始電壓或一致性等原因,會導致各儲能模塊中的超級電容出現(xiàn)荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)分布不均衡的問題。為此本文對ISOI拓撲的SOC均衡控制進行了研究,并設(shè)計了一種SOC快速均衡控制策略,仿真結(jié)果證明了控制策略的正確性。
【學位單位】：北京交通大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TM53
【部分圖文】：

圖１－１超級電容工作原理逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｔｈｅ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ邋ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒ邋ｏｐｅｒａｔｉｏｎ逡逑如圖１－１所示為超級電容工作原理其在電極與電解液接觸面形成了極性逡逑相反的兩個電荷層。當外部接通電源時，正極板和負極板之間形成電場，在電場逡逑２逡逑

超級電容與普通電容內(nèi)部組成類似，但特性方面差別很大，若直接等效為電逡逑容器，會導致理論結(jié)果和實際出現(xiàn)較大偏差，因此有必要考慮超級電容的等效模逡逑型。如圖１－２為超級電容的幾種等效模型ｔｍ。圖１－２⑷為簡化的超級電容ＲＣ串逡逑聯(lián)模型，主要考慮了超級電容等效電容Ｃ和串聯(lián)電阻ｒｓｃ＿ａｌ，能夠反映超級電容的逡逑基本特性，其中Ｃ反映其儲存能量的能力，ｒｓｃ＿ａｌ能夠反映其在充放電過程的能量逡逑損耗，阻值很��；圖ｌ－２（ｂ）為經(jīng)典ＲＣ模型，考慮了等效電容Ｃ、串聯(lián)電阻ｒｓｃ＿ｂｌ逡逑和漏電阻ｒｓｃ＿ｂ２，且ｒｓｃ＿ｂ２與超級電容靜置時的能量衰減有關(guān)，阻值很大。圖ｌ－２（ｃ）逡逑為經(jīng)典德拜極化模型，考慮了超級電容等效電容Ｃ、吸附電容Ｃｃｌ、分離電阻ｒｓｃ＿ｃｌ逡逑以及電荷轉(zhuǎn)移電阻ｒｓｃ＿ｃ２

這就要求作為接口電路的雙向變換器具有靈活的電壓調(diào)節(jié)能力和大電流承載能逡逑力。目前在超級電容儲能中應用最為廣泛的是由半橋變換器經(jīng)多相并聯(lián)得到的多逡逑相半橋結(jié)構(gòu)變換器。如圖１－７所示，半橋變換器經(jīng)過并聯(lián)可降低電流應力，采用交逡逑錯控制可以有效減小超級電容儲能側(cè)電流紋波，降低電感設(shè)計難度，減小電感體逡逑積和重量，在大功率場合有著明顯的優(yōu)勢［３６，３７］。逡逑ｓ＞ｊ邋＾邋７＼邋ｓｌｌ邋＾邋７＼邐＾邋２＼逡逑低壓側(cè)邐高壓側(cè)逡逑Ｔ邐—邐—＂邐￣＂逡逑－ｈＷＹＶＸ＿逡逑－邋邐邋＾２逡逑＋邋：邐Ｃ２邋＝邋＝逡逑邐逡逑Ｕ＇邋ｃ，邐ｓＪｌ｜＾２ｒ＊＊Ｓ２ｕ｜＾ｉ逡逑圖１－７多相交錯并聯(lián)半橋雙向ＤＣ－ＤＣ拓撲逡逑Ｆｉｇ．邋１－７邋Ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ邋ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ邋ｈａｌｆ－ｂｒｉｄｇｅ邋ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ邋ＤＣ－ＤＣ邋ｔｏｐｏｌｏｇｙ逡逑為適應高電壓應用場合，有必要進一步拓展該變換器的電壓增益，為此本文逡逑增加了如圖ｌ－８（ｂ）所示的四電平諧振變換器作為二次升壓環(huán)節(jié)，以提尚儲能變換器逡逑的輸出電壓范圍［３８］。該變換器由如圖卜８（ａ）所示的模塊化諧振單元和支撐電容組逡逑成，對模塊化諧振單元可以通過開關(guān)管的控制實現(xiàn)能量在兩個端口（Ｐ0ｒｔｌ／Ｐ0ｒｔ２）逡逑之間的傳遞，并由此得到圖ｌ－８（ｂ）的四電平諧振變換器拓撲，以實現(xiàn)三倍的電壓變逡逑換。本文選擇將三相交錯并聯(lián)變換器的高壓側(cè)與四電平諧振變換器低壓側(cè)級聯(lián)

【參考文獻】

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本文編號：2834408