基于钒电池的储能供电系统控制策略设计

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电能对整个社会的发展起着重要作用,不论是生产还是生活,突然断电都会带来严重后果,影响正常社会秩序。尤其是生产生活中的重要设施,如医院、炼钢厂等,如果发生停电情况,将造成重大的政治影响和经济损失。本文研究了一种新的储能供电系统。系统在储能方面采用钒电池储能为主,铅酸电池储能为辅的结构;变换器方面采用双向变换器,实现一机两用;控制方面通过改进能量控制算法,优化了能量调度,提高了系统使用寿命和供电可靠性,并且有利于系统模块化和容量扩充。论文首先介绍了新型全钒液氧化还原电池储能技术,并对电池进行研究分析,建立了等效损耗仿真模型,动态的模拟了电池充放电过程中主要参数变化。在对电池特性研究的基础上设计了电池充放电所需的双向接口变换器。在分析对比几中常用拓扑后选择了结构简单、功率器件电气应力较小的双向半桥Buck/Boost作为变换器拓扑。其次,论文基于钒电池储能供电模块,提出了整个储能供电系统结构。其中铅酸电池及其接口变换器组成辅助储能供电模块,配合钒电池储能供电模块工作。而双向DC-AC变换器在电网有电时和电网一起组成供电模块给储能单元充电;在电网断电时,和交流负载一起组成负载模块,由储能模块进行供电。针对系统中电网,钒电池,铅酸电池,负载之间的多种能量供需状态,系统需要对各模块进行能量管理控制。考虑到系统共直流母线结构,论文参考并改进了直流母线电压信号控制算法并应用改进后的算法对系统工作模态进行了划分,并分析了模态之间的相互转换。论文在改进后的能量管理控制策略下针对各接口变换器进行了控制框图设计。其中DC-DC变换器采用了电压外环叠加电流内环共用的控制结构,实现了工作模态无缝切换,但带来了PI控制器退饱和问题,论文通过引入抗积分数字PI解决了PI退饱和问题。DC-AC变换器因并离网工作模态差异大,论文分别进行了独立设计。对应控制框图,在变换器数学建模基础上,论文结合系统具体参数在离散域设计了控制器参数。最后建立了Matlab/simulink仿真模型,对前面的理论分析结果和控制策略设计进行了仿真验证,证明了理论分析的正确性和控制策略的有效性。
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