高电压增益型超级电容储能系统研究

作     者：侯宗祥 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郑琼林

授予年度：2019年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：超级电容 交错并联 谐振 双向DC-DC 移相控制 SOC均衡 高增益 模块化 

摘      要：随着传统化石能源的快速消耗和电力需求的不断增长,可再生能源得到了人们的重视。传统电力系统涵盖了大量的交直流负载以及电力变换装置,而大量可再生能源的接入对其稳定性提出了更高的要求。为提高电力系统稳定性,满足供电形式的多样化和能量多向流动的要求,能量路由器得到了广泛关注。作为一种融合了信息与电力电子变换技术,实现分布式能量高效利用和传输的电力装备,能量路由器能够与配电网协调配合,实现电力网络能量流的主动管理。而储能系统作为能量路由器中的关键环节之一,不仅能够实现电力网络的能量供应与回收,并可平抑因可再生能源接入带来的功率波动,进而提高电力网络运行的稳定性。超级电容储能具有功率密度高,充放电速度快,循环寿命长,可靠性高的特点。为此,本文基于能量路由器中的超级电容储能系统作为研究对象,对超级电容储能及其系统中高电压增益型双向变换器的设计和控制方法进行研究。本文首先对超级电容的特性、等效电路模型以及充电方式进行了分析,并对比研究了超级电容储能系统中的双向DC-DC变换器拓扑。由于能量路由器中包含多种电压等级,为实现储能的灵活接入,本文研究了“三相交错并联+四电平谐振的级联型高电压增益双向DC-DC变换器拓扑。该拓扑能够实现超级电容储能的高电压变比,满足不同电压等级下的要求。为对拓扑功能进行验证,本文对所研究的级联型变换器进行了理论和实验分析。对前级三相交错并联变换器,阐述了其工作原理,并建立了状态空间模型;针对超级电容的充放电控制设计了恒流-恒压充电策略和恒压放电策略。对后级四电平谐振变换器,设计了移相闭环控制策略,解决了开环控制下的支撑电容电压不均衡问题。在完成级联变换器参数设计基础上,搭建了相应的硬件实验平台,实验结果证明了控制策略的正确性。为进一步提升超级电容储能系统的输出电压水平,可以对多个前级三相交错并联变换器的输入侧(高压侧)串联,得到输入串联输出(储能侧)独立(input-series output-independent,ISOI)拓扑。但由于储能模块电路寄生参数、超级电容初始电压或一致性等原因,会导致各储能模块中的超级电容出现荷电状态(state of charge,SOC)分布不均衡的问题。为此本文对ISOI拓扑的SOC均衡控制进行了研究,并设计了一种SOC快速均衡控制策略,仿真结果证明了控制策略的正确性。