【摘 要】
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开发以风电、光伏为代表的新能源,是实现“碳达峰”、“碳中和”目标的必然选择。当前,陆上风电资源开发已趋于饱和,海上风电开发将成为主要发展趋势。在海上风电场的建设和运行过程中,需要储能系统作为后备电源,在断电情况下为重要负载供电,并保证电能质量。传统混合级联型多电平逆变器存在成本高、体积大的问题,其级联单元间的功率不均衡会引发电池模组间的荷电状态(SOC)差异,导致储能系统有效容量降低。本文以联合培
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开发以风电、光伏为代表的新能源,是实现“碳达峰”、“碳中和”目标的必然选择。当前,陆上风电资源开发已趋于饱和,海上风电开发将成为主要发展趋势。在海上风电场的建设和运行过程中,需要储能系统作为后备电源,在断电情况下为重要负载供电,并保证电能质量。传统混合级联型多电平逆变器存在成本高、体积大的问题,其级联单元间的功率不均衡会引发电池模组间的荷电状态(SOC)差异,导致储能系统有效容量降低。本文以联合培养单位明阳智慧能源集团股份公司开发的海上风电机组后备电源为研究对象,提出了一种新型逆变器来满足海上风电机组中重要负载的电能质量要求,同时针对级联单元间输出功率不均衡引发的储能系统内部SOC差异,设计了电池SOC估计与主动均衡策略。具体研究内容如下:(1)为满足海上风电机组后备电源对电能质量、成本和体积的要求,提出了一种新型的混合级联型十三电平逆变器拓扑结构,与现有十三电平逆变器相比使用了更少的开关器件。该逆变器通过调节开关管的通断实现十三电平输出,通过使所有开关管都工作在基频状态减少开关损耗。通过搭建实验样机验证了该逆变器的可行性。(2)为实现对储能系统中电池SOC的准确估计,在分析锂离子电池特性及等效电路模型的基础上,通过混合脉冲功率性能测试实验辨识电池参数,在此基础上设计了基于扩展卡尔曼滤波的锂离子电池SOC估计方法,为主动均衡控制提供准确的电池SOC信息。(3)针对混合级联型多电平逆变器级联单元间输出功率不均衡的特点,设计了适用于双层开关电感主动均衡电路的控制策略。在分析主动均衡电路工作原理及数学模型的基础上,设计了基于极差的模糊均衡策略、基于均值-差值的模糊均衡策略,用于实现对主动均衡电路的控制。研究结果表明,相比于极差法,基于极差的模糊均衡策略均衡速度提升了3.4%,均衡效率提升了0.8%;相比于均值-差值法,基于均值-差值的模糊均衡策略均衡速度提升了65%。本文研究工作为海上风电机组提供了一种后备电源设计方案,有助于减小后备电源的体积和成本,并克服储能系统内部SOC差异问题,具有一定应用前景。
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