用于光伏电站的组合级联式电池储能系统的控制研究

【摘要】：近年来,全球电力需求不断增长,传统石化资源日渐消减,新能源技术得到了快速发展和应用。然而,分布式能源并网给电力系统的稳定性和可控性带来了极大的挑战。储能系统为解决这一问题提供了新的技术和手段。基于电池储能的组合级联式功率转换系统(Hybrid Cascaded Power Conversion System, HC-PCS)是静止同步补偿器与电池能量管理系统相结合的综合补偿装置,具备有功和无功功率四象限调节能力,是解决分布式能源并网问题的理想方案。 本文依托北京市科技计划项目“光伏并网用统一功率控制装备及直流微网技术研究与示范应用(E13H00041)”,在分析HC-PCS拓扑结构及特点的基础上,结合光伏发电并网要求,提出HC-PCS内在电池自均衡控制以及对光伏电站有功与无功综合协调补偿的复合功率控制策略,主要内容如下： 首先,详细介绍电池储能系统模型,采用基于锂电池储能的组合级联式功率转换结构；分析其组合级联式变换器的基本工作原理、控制方式和功率传输特性,结合实际工程数据,选取电池储能系统的主电路的拓扑结构及主要参数。根据组合级联式电池储能系统的运行要求,设计PQ解耦控制策略实现其四象限运行特性,使其能够工作在BESS和STATCOM两种模式下。 其次,针对级联式结构中存在的电池组间荷电状态(State of Charge,SOC)不均衡问题,提出两种自均衡控制策略：(1)基于SOC重心偏移的两级均衡法；(2)基于特征谐波消除PWM (Selective Harmonic Elimination PWM, SHE-PWM)的差异化充放电方法。对比分析两种均衡控制策略的优缺点,并给出SOC自均衡控制启动或退出的条件和步骤。通过理论推导和PSCAD/EMTDC仿真验证,分别比较传统移相SPWM控制和两种电池SOC自均衡控制的谐波性能。 最后,提出HC-PCS对光伏电站有功与无功综合补偿的复合功率协调控制策略。此复合控制策略兼顾对电池组进行保护,提高电池组有效利用率,避免电池频繁充放电；结合光伏电站的输出有功功率平滑和低电压穿越能力(Low Voltage Ride Through, LVRT)需求来确定HC-PCS的输出参考值,使HC-PCS能够对光伏发电的输出进行有功与无功功率的协调补偿,充分利用其PQ四象限运行的特性；同时附加功率的变化率控制,利用其快速功率调节特性更好的补偿不规则的光伏波动。并对所提出的复合控制策略进行仿真验证。 【关键词】：组合级联式功率转换系统 电池储能 PQ四象限 SOC均衡 复合功率协调控制策略 低电压穿越
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912;TM615
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 1 绪论11-21
• 1.1 光伏发电应用的背景及意义11-13
• 1.2 光伏发电现状13-16
• 1.2.1 国外光伏发电概况13-15
• 1.2.2 国内光伏发电发展概况15-16
• 1.3 储能技术概述16-18
• 1.3.1 储能技术分类16-17
• 1.3.2 储能技术研究现状17-18
• 1.4 本文主要研究内容18-21
• 2 组合级联式储能系统建模和基本控制策略21-29
• 2.1 锂电池数学模型21-22
• 2.2 基于电池储能的组合级联式双向大功率转换系统22-23
• 2.3 并网控制策略23-26
• 2.4 仿真验证26-28
• 2.5 本章小结28-29
• 3 组合级联式系统电池SOC自均衡控制29-61
• 3.1 基于SOC重心偏移的两级均衡法29-44
• 3.1.1 以SOC为反馈的函数建模30-31
• 3.1.2 组合级联式系统相间SOC均衡策略31-36
• 3.1.3 组合级联式系统相内SOC均衡策略36-37
• 3.1.4 比例系数k_1k_2的选取37-38
• 3.1.5 仿真验证38-42
• 3.1.6 谐波分析42-44
• 3.2 基于SHE-PWM的差异化充放电法44-59
• 3.2.1 单一缺口的SHE-PWM原理45-47
• 3.2.2 差异化充放电中触发角的选取原则47-48
• 3.2.3 电池组SOC不均衡度阈值的确定48-52
• 3.2.4 切换条件52-54
• 3.2.5 仿真验证54-56
• 3.2.6 谐波分析56-59
• 3.3 对比两种SOC均衡控制策略59
• 3.4 本章小结59-61
• 4 用于光伏并网的复合功率协调控制61-77
• 4.1 分布式系统拓扑结构61-65
• 4.1.1 建立光伏电池模型61-63
• 4.1.2 光伏发电系统控制63-64
• 4.1.3 仿真验证64-65
• 4.2 复合功率协调控制策略65-72
• 4.2.1 复合功率控制策略的基本原理66-67
• 4.2.2 变化率控制67-68
• 4.2.3 有功功率补偿算法68-69
• 4.2.4 无功功率补偿算法69-71
• 4.2.5 复合功率的协调控制逻辑71-72
• 4.3 仿真分析72-76
• 4.3.1 平抑光伏电站输出有功功率波动算例72-74
• 4.3.2 补偿无功功率算例74-76
• 4.4 本章小结76-77
• 5 结论77-79
• 5.1 结论77-78
• 5.2 展望78-79
• 参考文献79-83
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果83-87
• 学位论文数据集87

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