光伏微电网中电储能系统及其控制策略研究

摘要

新能源发电的间歇性以及不稳定性引起微网系统内功率波动较大，能量利用率低等问题；经济的持续发展使得用电负荷不断增加，用电峰谷差大的现象愈发明显；同时电力系统中大量电力电子装置的存在，低压配电网中大量单相负荷、三相不平衡非线性负荷的接入，严重威胁到微电网的电能质量。储能系统作为微电网的关键组成单元，对促进微电网的安全稳定经济运行具有不可替代的作用。 针对目前低压光伏微网系统带实际负载的运行情况，提出了在不平衡负载条件下基于电池储能技术的补偿控制方案。根据系统的设计方案，以连接交流微网与电池系统之间的功率变换器为研究对象，选择出适合本系统的双极式三相四桥臂储能变流器的电路结构，在对其工作原理与数学模型分析的基础上，设计了相应的控制算法。利用储能技术，充分发挥变流器的作用，在实现基本功率调节作用的同时，有效的治理了不平衡负载引起的电能质量问题。在此基础上，结合峰谷电价政策制定相应的充放电运行策略，以提高整个系统的能源利用率与经济效益。 首先根据我校光伏电站的运行情况，分别在交直流侧制定储能运行方案；通过对比分析，最终选择在交流负载侧配置储能系统的技术方案，该方案能够解决光伏微电网中实际不平衡负载产生的电能质量问题以及光伏出力特性引起的能量存储问题。针对该光储微电网系统方案，分析各组成单元的工作原理以及运行特性，同时基于光伏微电网的无逆潮流并网运行模式，结合分时电价政策制定储能系统的日充放电运行策略，并配置储能单元的容量及功率。 其次，针对本课题需要实现的控制目标提出储能系统控制方案，以双极式三相四桥臂储能功率变换系统为研究对象，针对四桥臂变流器系统涉及的指令电流检测与合成、软件锁相环、电流内环跟踪等关键技术进行详细的分析与设计。重点针对指令电流检测与合成部分，在常规ip-iq电流检测技术的基础上加以改进，通过分离零序分量并在功率环的作用下引入有功电流补偿值，合成控制系统需求的指令电流；并对不同工作原理的电流内环控制策略做出分析，根据同时跟踪基波与各次谐波电流的控制要求，在同步旋转坐标系下设计PI和重复控制并联的复合电流控制器。同时，基于双向DC/DC电路的工作原理设计了储能电池的两段式充放电控制算法；在分别实现前后级变换器控制目标的基础上，通过引入功率前馈并结合中间直流侧电压控制，实现两级变换器之间的协同控制。 最后对光伏微电网中的储能系统设计了整体的硬件实现方案，并针对储能功率变换系统的后级DC/DC电路部分搭建了硬件实验平台并设计了相应的软件程序。硬件设计中对系统电路的关键器件参数进行了计算选取，并对控制系统的各部分具体电路进行了详细的分析设计，针对充放电控制策略的实现问题，基于DSP设计控制算法的具体软件流程。通过在Matlab/Simulink中搭建储能功率变换系统的仿真模型，对其中的关键算法模块进行仿真分析，验证系统方案的可行性与控制策略的有效性；并在搭建的实验平台上，通过实验验证电池的充放电控制过程。 通过仿真分析验证了四桥臂储能功率变换器能够实现对光伏微网系统中有功电能充放电控制的同时，有效的补偿三相负载带来的谐波与不平衡电流分量，改善电网侧的电能质量；同时储能系统的加入减少了峰谷电量差，提高了系统运行的经济稳定性。本文对光伏微网中储能系统的研究能够在实现基本的调节微网内功率平衡的同时，有效的治理带不平衡负载微网的电能质量问题，对微网配置储能的可靠性与经济性研究具有理论指导意义与参考价值。

目录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文研究的主要内容

2 光伏微电网系统结构

2.1 用于光伏微网的储能系统方案设计

2.2 光伏发电系统及特性分析

2.3 负载特性

2.4 储能系统组成及分析

2.5 基于无逆潮流并网的储能系统充放电运行分析

2.6 储能单元容量配置

2.7 本章小结

3 储能功率变换系统理论分析与控制技术研究

3.1 储能功率变换系统（PCS）的主电路分析

3.2 四桥臂变流器建模与控制技术研究

3.3 DC/DC变换器控制算法

3.4 储能协调控制策略

3.5 本章小结

4 系统软硬件设计

4.1 系统硬件设计方案

4.2 主电路设计

4.3 驱动电路设计

4.4 控制及检测电路设计

4.5 保护电路设计

4.6 软件实现

4.7 本章小结

5 仿真与实验分析

5.1 仿真模型搭建与分析

5.2 充放电实验分析

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文工作总结

6.2 未来工作展望

致谢

参考文献

附录A：光伏发电系统部分历史数据

附录B：教学楼B负载用电部分历史数据

附录C：三相四桥臂变流电路原理图

攻读硕士学位期间发表的学术论文

攻读学位期间参与的项目

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