配电网末端电能路由器拓扑及控制策略研究

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由传统电网、新能源设备和储能装置等组成的能源互联网作为一种新型能源网络架构,可以平衡这三者之间存在的矛盾,如新能源难以消纳和潮流无法实现双向有序流动等问题,因此,能源互联网将成为现代电力系统建设的核心架构。特别是,电能路由器具有功率流主动调控的优点,可实现传统电网、新能源设备和储能装置三者之间的能量路由功能,必将成为未来能源互联网中关键核心装置。针对现有电能路由器研究均集中在主干网电能路由器而缺乏对配电网电能路由器研究的现状,本文以我国城市工业园区绿色化改革和农村地区配电网改造为背景,深入研究了配电网末端电能路由器的工作机理、拓扑结构、参数设计方法、控制策略和软硬件系统。本文主要研究内容分别如下:(1)详细介绍了能源互联网定义和基本架构,总结了目前我国城市工业园区和农村地区配电网特点,阐述了电能路由器定义及基本特点,分析了当前国内外电能路由器拓扑结构和控制策略研究现状,阐明了本课题研究的重大理论与现实意义。(2)提出了新型电能路由器架构,并从是否接入电动汽车两个角度根据系统内部功率平衡关系分析了新型电能路由器工作机理;提出了电能路由器主电路各模块具体拓扑结构,并研究了其工作原理;讨论了主电路各功率元器件参数设计方法,并进行参数计算和器件选型。(3)根据各模块功能和不同工况提出了各子模块控制策略和系统整体协调控制策略并进行稳定性分析和仿真验证。具体为,光伏模块采用MPPT与电压电流双环相结合的控制策略;储能模块充放电过程均采用恒功率单环控制策略;充电桩模块根据电动汽车充电状态采用恒功率或恒压单环控制策略;双向变流器模块采用电压电流双环控制策略,实现了系统与电网之间进行有功交互的同时利用该模块剩余容量对本地交流侧负载进行无功补偿的功能;系统整体采用以光伏模块发出功率与充电桩模块吸收功率之差作为储能和双向变流器模块运行模式判定根据的协调控制策略。(4)根据电能路由器拓扑结构和控制策略设计了装置主电路和以TMS320F2812为核心的装置控制系统硬件电路及软件程序。其中控制系统硬件电路具体包括DSP及其外围电路、辅助电源模块、外扩存储模块以及检测和驱动模块;控制系统软件程序具体包括主程序和由AD采样、PWM程序组成的中断子程序。在理论分析和仿真验证的基础上搭建了一台10k VA/380V的样机进行模拟实验验证,实验结果证明本文所提参数设计方法及系统控制策略均合理可行,系统能够稳定运行。
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