光伏—混合储能直流微电网的电能控制技术研究

【摘要】：在典型的光伏发电、直驱式风力发电系统等分布式发电系统中，以及超级电容、蓄电池等储能装置中，其输出电能形式为直流。通过构建直流微电网实现多发/供电源的协调工作可以避免直流-交流的变换，同时便于输出功率控制。论文以优化包含光伏发电系统、超级电容及蓄电池混合储能架构的直流微电网的效率，实现其协调运行为目标，在各子系统的控制策略以及直流微电网的结构、稳定性和能量管理策略等方面开展研究工作。 本文建立了光伏发电系统的数学模型，提出了一种新型具有快响应、高效率特性的变结构控制最大功率点跟踪（MPPT）策略。分析了采用全P-U曲线进行系统恒压运行稳定控制的问题，进而提出基于自调整半P-U曲线的系统稳定控制策略。进一步根据小信号模型设计了基于半P-U曲线稳定的电压、电流双闭环控制策略。研究了以优化蓄电池工作性能的超级电容-蓄电池混合储能系统，建立储能系统运行的电压电流双闭环控制策略和蓄电池储能系统恒功率放电运行的电流闭环控制策略；根据储能系统的充电特性设计二段式充电策略。 以简化的“源”“载”模型描述直流微电网系统结构，分析推导了直流微电网系统的功率匹配稳定性条件和控制稳定性条件，基于阻抗分析法建立了使直流微电网小信号稳定的输入输出阻抗规范条件。 提出了一种高效可靠的直流微电网的能量管理系统设计方法和详细设计流程。通过数字编码枚举直流微电网运行模式，根据稳态运行条件选择有效稳态运行模式，并根据运行状况不同，在各稳态运行模式间加入切换规则组成动态运行模式，得到能量管理系统的控制流程。 在MATLAB仿真环境下，建立了各子系统以及包括光伏系统和混合储能系统在内的直流微电网仿真模型，对各子系统的控制策略、理论分析结果和直流微电网的能量管理策略进行了详细的仿真验证。 设计了一套低压小功率实验样机平台，进行了详细的实验研究。相应的实验结果证明了本课题研究的光伏-超级电容混合直流微电网的电能控制技术的有效性与可行性。 【关键词】：直流微电网 光伏发电 混合储能 能量管理 结构稳定性 阻抗规范
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM73
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义9-10
• 1.2 国内外研究与应用现状10-14
• 1.2.1 太阳能光伏发电应用现状10-12
• 1.2.2 光伏发电系统最大功率点跟踪技术12-13
• 1.2.3 直流微电网的发展13-14
• 1.3 本文主要研究内容14-16
• 第2章 子系统结构与控制策略研究16-38
• 2.1 引言16
• 2.2 光伏电池模型与输出特性16-19
• 2.3 光伏发电系统控制策略研究19-28
• 2.3.1 光伏发电系统总体结构19
• 2.3.2 光伏发电系统变结构最大功率点跟踪控制运行策略19-24
• 2.3.3 光伏发电系统半 PU 曲线恒压控制运行策略24-28
• 2.4 超级电容蓄电池混合储能系统控制策略研究28-31
• 2.4.1 蓄电池与超级电容储能系统结构28-29
• 2.4.2 储能系统放电运行模式控制策略29-31
• 2.4.3 储能控制系统二阶段充电控制策略31
• 2.5 子系统仿真研究31-37
• 2.5.1 光伏发电系统 MPPT 运行模式仿真31-33
• 2.5.2 光伏发电系统 CVC 运行模式仿真33-35
• 2.5.3 储能系统 CVC 运行模式控制策略35
• 2.5.4 蓄电池超级电容储能系统联合运行仿真35-36
• 2.5.5 储能系统二阶段充电法仿真36-37
• 2.6 本章小结37-38
• 第3章 光伏混合储能直流微电网的稳定性38-51
• 3.1 引言38
• 3.2 直流微电网的“源”“载”模型38-39
• 3.3 影响直流微电网稳定性的因素39-42
• 3.4 光伏 混合储能直流微电网的稳定性42-50
• 3.4.1 直流微电网的稳定性要求42
• 3.4.2 直流微电网的小信号稳定性与阻抗规范42-47
• 3.4.3 光伏混合储能直流微电网的绝对稳定性与一般稳定性条件47-50
• 3.5 本章小结50-51
• 第4章 光伏混合储能直流微电网的能量管理策略研究51-62
• 4.1 引言51
• 4.2 光伏 混合储能直流微电网的能量管理策略研究51-59
• 4.2.1 光伏混合储能直流微电网稳态运行模式51-56
• 4.2.2 光伏混合储能直流微电网的动态运行56-58
• 4.2.3 光伏混合储能直流微电网的运行模式切换判断条件58-59
• 4.3 光伏 混合储能直流微电网的动态过程仿真研究59-61
• 4.4 本章小结61-62
• 第5章 光伏混合储能直流微电网的实验研究62-68
• 5.1 引言62
• 5.2 实验平台结构62-63
• 5.3 光伏-混合储能直流微电网的实验研究63-67
• 5.3.1 光伏发电系统变结构 MPPT 控制策略实验63-64
• 5.3.2 超级电容充电运行实验64-65
• 5.3.3 直流微电网动态运行实验65-67
• 5.4 本章小结67-68
• 结论68-69
• 参考文献69-76
• 附录176-77
• 附录277-80
• 攻读学位期间发表的学术论文80-82
• 致谢82

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