储能系统主动均衡与并网变换器拓扑研究

作     者：徐梦然 

作者单位：广东工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈思哲

授予年度：2021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：储能系统 均衡电路 直流升压电路 多电平逆变器 

摘      要：储能系统在平抑新能源功率波动和提高电力系统稳定性等方面具有举足轻重的作用,在近年来得到了学界和工业界的广泛关注和研究。储能系统接入电网需要均衡电路消除由储能单体的不一致性所带来的电压差异,以避免储能单体的过充和过放,保证其有效容量的最大化利用和安全性;需要直流-直流变换器和直流-交流变换器来满足升压和并网需求。然而,现有拓扑存在器件数量较多、均衡速度较慢、单体电流纹波较大和升压能力较弱等缺点。针对上述问题,本文以降低单体不一致性对储能系统性能的影响为目标,围绕主动均衡、直流升压和交流并网电路拓扑展开研究,提出了一系列的新型电路拓扑。论文的主要研究内容如下:(1)提出了一种基于混合开关电容和开关电感的均衡电路,该电路利用开关电感单元和并联开关电容单元分别实现组内和组间的自动均衡,仅需一对互补信号即可完成对开关管的控制,无需复杂的电压电流检测电路和控制算法。与现有拓扑相比该拓扑所用器件数量更少,从而降低了成本和体积。(2)提出了一种两开关层叠型均衡电路,该电路仅使用两个由相同信号控制的开关管即可实现任意数量储能单体的自动均衡,无需复杂的电压电流检测电路和控制算法。与现有拓扑相比,该拓扑的均衡速度更快,单体电流纹波更小。(3)提出了一种两开关直流升压电路,该电路通过多个电容的充放电实现了输出侧电压的泵升和输入侧电流的连续,与现有拓扑相比,该拓扑以较少的器件数量实现了更高的电压增益。(4)提出了一种基于开关电容的可扩展型多电平逆变电路,该电路通过控制开关管的有序通断改变输入直流源、电容和负载的连接方式,实现了多个电平的交流电输出。与现有拓扑相比,该拓扑减少了器件数量尤其是高压开关数量,且具有升压能力较强和电容电压自动平衡等优点。本文详细分析了上述电路的拓扑结构、工作原理、参数设计和相关电路特性,并搭建了实验样机,验证了所提出电路拓扑的有效性和可行性。