用于风电系统储能能量控制的三重双向直流变换器设计

论文摘要

风电系统输出功率具有波动性和间歇性,易引起系统电压和频率波动,导致电能质量下降。将快速储能元件超级电容和传统储能元件蓄电池组合用于风力发电系统的潮流优化与控制,可显著提高系统的稳定性,改善电能质量。本文针对风电系统的输出特性和潮流优化控制单元的预期目标,分析说明了风力发电系统的能量流动特点,提出了基于双向DC-DC变换电路的混合储能能量机动控制的总体思想和基本策略。在此基础上,重点以储能系统能量控制的关键环节—双向DC-DC变换器为研究对象。为满足系统的功率需求、缓解蓄电池组的并联压力,在比较各类双向DC-DC变换电路结构和特性的基础上,确定了三重双向DC-DC变换器拓扑结构。分析了三重双向DC-DC变换器的工作原理,推导了各种工作模式下不同开关模态的电压、电流关系,利用状态空间平均法建立了变换器的小信号数学模型。基于数学模型,设计了基于电压外环、电流内环的双闭环控制环节,以实现两种储能元件间的能量控制与分配。以TMS320LF2407型DSP处理器为核心设计了数字控制电路,并采用C语言编写相应的控制软件,实现了电量的采样、基于双闭环的控制策略、脉宽调制信号输出以及过压、过流保护等关键功能。采用MATLAB软件对系统进行了仿真,并制作了一台小功率实验样机,仿真与实验结果表明本文设计的三重双向变换器可有效实现风电潮流优化控制系统中两种储能元件间的能量分配,同时具有良好的电压调节能力。本文工作可为利用储能技术改善风电系统输出性能提供一定程度的理论指导和技术支持,具有较强的应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 储能系统用双向DC-DC变换器概述
• 1.2.1 储能环节双向DC-DC变换器设计要求
• 1.2.2 双向DC-DC变换器发展状况
• 1.3 课题研究内容及任务
• 第二章 风电储能系统能量流动分析
• 2.1 包含储能的风电系统整体结构
• 2.2 风电系统潮流优化控制的基本思想
• 2.3 基于三重双向DC-DC变换电路的储能环节能量机动控制
• 第三章 快速储能双向DC-DC变换器主电路分析与设计
• 3.1 三重双向DC-DC变换器基本原理
• 3.1.1 Buck工作模式
• 3.1.2 Boost工作模式
• 3.1.3 统一工作模式
• 3.2 电路主参数的确定
• 3.2.1 电路储能电感设计
• 3.2.2 电路电容设计
• 3.2.3 IGBT、二极管的选择
• 第四章 三重双向DC-DC变换器控制设计
• 4.1 控制策略
• 4.1.1 均流控制方法
• 4.1.2 电流分配方案
• 4.2 Buck电路模式
• 4.2.1 Buck模式控制模型
• 4.2.2 Buck模式控制建模分析
• 4.2.3 Buck模式闭环设计
• 4.3 Boost电路模式
• 4.3.1 Boost模式控制模型
• 4.3.2 Boost模式控制建模分析
• 4.3.3 Boost模式闭环设计
• 4.4 统一电路模式
• 第五章 DSP硬件电路及软件设计
• 5.1 硬件电路设计
• 5.1.1 电源模块设计
• 5.1.2 时钟、锁相模块设计
• 5.1.3 复位模块设计
• 5.1.4 仿真接口电路设计
• 5.2 系统功能电路设计
• 5.2.1 检测采样电路
• 5.2.2 A/D转换电路
• 5.2.3 电压匹配电路
• 5.2.4 逻辑保护电路
• 5.2.5 驱动电路
• 5.2.6 电流限幅保护电路
• 5.3 软件系统设计
• 5.3.1 主程序设计
• 5.3.2 中断程序设计
• 5.3.3 PI控制策略及程序设计
• 第六章 系统仿真及实验结果
• 6.1 仿真模型
• 6.2 仿真波形
• 6.3 三重双向DC-DC变换器实验结果
• 6.3.1 IGBT驱动波形
• 6.3.2 储能单元放电波形
• 6.3.3 储能单元充电波形
• 6.3.4 储能单元充放电波形
• 第七章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文