新能源发电锂电池储能系统建模与仿真研究

作     者：冯雪 

作者单位：中国石油大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：朱明达;常志

授予年度：2022年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：锂电池储能系统 建模仿真 改进的节点分析法 ADC模型 

摘      要：电网中,新能源和电池储能系统的结合能够改善电能质量,提高电力的可靠性和稳定性。在新能源快速发展的背景下,锂电池储能系统作为极其重要的部分,具有重大的研究意义,对其进行仿真也是研究的必要环节。相对于离线仿真,实时仿真可以同步物理时钟,将成为仿真领域的主流。因锂电池储能系统包含大量开关器件,且开关频率越来越高,对电磁暂态仿真的步长提出了更高的要求。本文以改进的节点分析法作为电磁暂态仿真基本方法,该方法便于分析电路,易于形成电路方程组,且在每个仿真步长内无需对电压和电流进行迭代,可大大缩短求解时间。采用改进的节点分析法得到的电路方程带有微分项,为了建立电路的暂态仿真模型,需要使用数值积分方法对电力电子元件差分离散化。对于无源元件,从稳定性和仿真精度两方面考虑,直接采用后向欧拉法对其离散;对于开关元件,先使用具有恒导纳特性的ADC(Associated Discrete Circuit)模型将其等效,再采用后向欧拉法对其离散。但ADC模型在减少计算量的同时也带来了开关损耗,针对这一问题,通过分析电导和损耗之间的关系,对开关的等效电导进行了优化。在理论分析的基础上,借助MATLAB/Simulink中的S-function模块,用C语言编写了锂电池储能系统的离散数学模型。且在仿真计算前,在MATLAB中求解出系统矩阵的逆矩阵,以进一步减少暂态仿真的计算量。基于此,并结合FPGA的高度并行和流水线特性,最终在Vivado HLS平台上实现了系统仿真,满足了仿真步长2μs以下的要求。并与MATLAB/Simulink中利用SPS(Sim Power System)工具箱搭建的模型进行了对比,验证了建模方法的有效性和所建模型的正确性。