极端条件下直流微型电网的研究与开发

摘要

微型电网系统是由负荷和多个分布式电源组成的集合系统，对于偏远无人值守地区具有独特的优势。目前研究的微型电网系统多为交流性网络，相对于传统的交流微型电网系统，直流微型电网拥有独特的直流输电线路，不会产生大型故障。直流微型电网系统在微电源的协调控制方面、能量管理方面、经济性方面，拥有许多交流微电网不具有的显著优点。
　　 南极DomeA地区被认为是地球上最佳的天文观测台址，在南极DomeA地区建立科考支撑平台对于天文观测至关重要，而电源系统的保障对于科考支撑平台的稳定运行起着决定性作用，而天文观测的主要设备均为直流型负载，因此研究应用于南极DomeA地区的直流微型电网系统是很有意义的。
　　 目前，应用于南极DomeA地区的科考支撑平台主要有澳大利亚研制的PLATO平台，PLATO观测站的发电功率为1.8kW，在此基础上，本论文将重点研究应用于极端条件下最大输出功率达10kW的高可靠性直流微电网系统。
　　 论文首先给出了柴油机发电系统、光伏发电系统、蓄电池储能系统的工作原理与特性，针对极端条件下的特殊要求，对直流微型电网系统的电源部分的选取进行了理论研究与仿真。
　　 其次，论文从电力电子变换器系统输入输出阻抗匹配的角度出发，给出了保证系统稳定性的阻抗设计方法;根据极端条件下对于电源系统的可靠性要求，设计了应用于极端条件下的电力电子变换器系统的可靠性。
　　 同时，针对科考支撑平台负荷对于功率等级要求较高的特性，设计了三环式均流并联算法的Buck并联型变换器，搭建了并联型变换器的仿真模型，重点阐述了均流调节器中各参数的设计方法，仿真结果验证了该算法的可行性。
　　 最后，根据之前给出的应用于极端条件下直流微型电网高可靠性和大功率的设计方法，给出了一套应用于极端条件下的发电方案，搭建了一套由柴油发电机组、光伏阵列、蓄电池组、变流器等关键部件组成的直流微型发电系统，并讨论了发电系统中的各种分布式电源及其主电路的电压控制方法，仿真结果验证了系统运行策略与各分布式电源控制的可行性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 本文研究背景与意义

1．1．1 南极Dome A地区科考支撑平台简介

1．1．2 直流微型电网技术综述

1．2 本文研究意义与目的

1．3 本文研究内容

1．4 本章小结

第二章 极端条件下直流微型电网中的电源设计

2．1 柴油发动机系统

2．1．1 柴油发动机原理简介

2．1．2 柴油机数学模型

2．1．3 点火机构

2．1．4 执行机构的数学模型

2．1．5 应用于极端条件下的柴油发动机机的选取

2．2 永磁同步发电机整流系统

2．2．1 永磁同步发电机整流系统数学模型

2．2．2 应用于极端条件下的永磁同步发电机整流系统的仿真

2．3 光伏发电系统

2．3．1 光伏电池板的工作原理分析

2．3．2 光伏电池的等效电路

2．3．3 极端条件下的光伏系统的仿真分析

2．4 蓄电池

2．4．1 铅酸蓄电池的动态等效模型

2．4．2 在一定条件下简化的数学模型

2．4．3 蓄电池的选取与设计

2．5 本章小结

第三章 极端条件下直流微型电网中的电力电子变换器设计

3．1 电压控制型Buck变换器的输出阻抗分析

3．2 电压控制型Buck变换器的输入阻抗分析

3．3 极端条件下Buck变换器的可靠性设计

3．3．1 Buck变换器元器件可靠性分析

3．3．2 Buck变换器元器件可靠性设计

3．4 本章小结

第四章 极端条件下直流微型电网中的DC／DC并联技术研究

4．1 DC／DC变换器的并联技术简介

4．2 三环式主动均流控制策略的研究

4．2．1 三环式主动均流控制方法的特点

4．2．2 三环式主动均流控制的设计

4．3 仿真分析

4．3．1 轻载时的仿真

4．3．2 中等负载时的仿真

4．3．3 重载时的仿真

4．3．4 仿真结果总结

4．5 本章小结

第五章 极端条件下直流微型电网系统设计

5．1 极端条件下的直流微型电网系统所面临的挑战

5．2 极端条件下的直流微型电网系统设计

5．3 极端条件下的直流微型电网的控制策略

5．3．1 光伏发电系统的控制策略

5．3．2 柴油机发电系统的控制策略

5．3．3 蓄电池系统的控制策略

5．3．4 系统运行的控制策略

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文的总结

6．2 论文的展望

参考文献

致谢