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微型联合供电系统电能路由控制策略研究

微型联合供电系统电能路由控制策略研究

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作者：阮振鹏石家庄铁道大学

学位级别：硕士

近年,随着特种作战部队配发的指挥、通信、侦察等单兵便携装备级数增加,例如:通信电台、夜视仪、微波测距仪、侦查雷达、便携式北斗通信设备等,野战条件下特战部队单兵电力保障压力指数增长。为降低携行重量、提高单兵供电的持续性和可... 详细信息

近年,随着特种作战部队配发的指挥、通信、侦察等单兵便携装备级数增加,例如:通信电台、夜视仪、微波测距仪、侦查雷达、便携式北斗通信设备等,野战条件下特战部队单兵电力保障压力指数增长。为降低携行重量、提高单兵供电的持续性和可靠性,满足遂行灵活、机动特战军事任务需求,基于电能路由的单兵微型联合供电技术成为国内外研究的重要内容。在模型建立与分析、虚拟直流电机控制策略、模型预测控制策略、混合储能系统功率分解、联合系统分层控制、硬件电路设计与试验等多个方面,本文深入开展了理论分析和样机设计,取得的研究成果概括为:研究和建立了微型联合供电系统非线性数学模型。在阐述微型联合系统总体构成的基础上,详细分析了光伏发电系统、混合储能系统、DAB双有源全桥变换器、单相逆变器、双向buck-boost的工作原理及特性,并建立了各部分的非线性数学模型,为后续开展控制算法分析和动态特性分析,奠定了模型基础。提出一种基于虚拟外特性与模型预测相结合的联合供电系统稳定控制方法。为适应光伏发电系统具有的随机性和波动性,增加微型联合供电系统电能变换系统惯量,提高电流内环子系统抗干扰能力,在借鉴传统虚拟直流电机控制算法基础上,通过引入反正切函数,实现了转动惯量与阻尼系数的动态调整,增强了系统功率外环控制的动态稳定性,并结合电流内环模型预测控制,实现多端口功率的快速响应控制,针对储能设备的工作特性引入虚拟电感与虚拟电容控制,使混合储能系统能更加快速平抑系统内功率波动,增强系统稳定性。分析并给出了联合供电系统多模态控制方法。对联合供电系统运行模态、功率约束以及能量管理进行了分析,形成了基于优先级模型的能量管理策略,构建了中央控制器模型以及联合供电系统整体模型,并对多种工况条件进行了仿真验证。详细阐述了电能路由器硬件系统设计方法,构建了微型联合供电系统样机系统,并进行了实验验证。论文阐述了主电路(双向Buck-Boost、DAB、单相全桥)物理参数设计方法,介绍了多CPU电路、采样电路、驱动电路等构成,给出了系统软件设计主要流程图。测试实验对不同工况时系统运行情况进行实验分析,验证系统软硬件正确性。

关键词：微型联合供电系统虚拟电机直流微网模型预测算法分层控制 DAB 单相全桥逆变

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微型联合供电系统稳定性分析与优化控制策略研究

微型联合供电系统稳定性分析与优化控制策略研究

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作者：李梦佳石家庄铁道大学

学位级别：硕士

微型联合供电系统(Micro Combined Power Supply System,MCPSS)是一种由便携式光伏板、混合储能单元、电能变换单元构成的单兵野战便携光储综合发电装置,用于克服传统供电方式存在的能源来源渠道窄、供电持续性弱、质能密度低等不足,可... 详细信息

微型联合供电系统(Micro Combined Power Supply System,MCPSS)是一种由便携式光伏板、混合储能单元、电能变换单元构成的单兵野战便携光储综合发电装置,用于克服传统供电方式存在的能源来源渠道窄、供电持续性弱、质能密度低等不足,可广泛应用于单兵或班组遂行野外侦察、训练或作战等行动中。为深入分析光伏、储能等微源特性、系统运行模式和稳定控制策略对MCPSS稳定运行边界影响,论文从系统模型建立、混合势函数稳定边界判定、MPPT控制算法优化、虚拟电机控制和系统联合仿真验证等方面,开展了深入理论分析和仿真验证。论文研究工作概括如下:首先,详细分析和阐述了系统各组成单元工作特性,建立了MCPSS非线性数学模型。结合MCPSS整体拓扑结构和典型应用场景,分析了典型模式下各供电单元的工作状态,建立了光伏发电子系统、混合储能系统、电能变换单元的数学模型,通过仿真实验方式,深入分析了各子系统的工作特性,为后续开展MCPSS稳定性分析与优化控制策略研究奠定模型基础。然后,基于混合势函数理论开展了MCPSS大信号稳定性分析,给出了不同运行模式下稳定运行边界表达。通过建立光-储-市电联合供电模式、混合储能供电模式、充电维护模式的数学模型,基于混合势函数相关理论,推导并计算了负载功率稳定运行边界数值大小,并通过仿真方式对不同工作模态下直流母线带载能力进行了验证,证明了所给出的稳定运行边界数学表达的正确性。其次,提出了粒子群MPPT算法与附加微分虚拟直流电机稳定控制策略,并仿真验证了该方法的有效性。针对光伏发电子系统,提出了局部阴影条件下的非线性变异环形粒子群MPPT算法(Mutation improved ring particle swarm optimization,MIRPSO),有效解决了最大功率点跟踪波动剧烈、收敛效果不佳等问题,提升了太阳能发电效率,减少了功率损耗;针对混合储能系统,提出了附加微分虚拟直流电机环节的下垂控制方法,负载发生大扰动情况下可合理分配不平衡功率,加快了动态响应速度,减小了直流母线电压波动幅度与稳态误差,提高了系统稳定性。最后,基于论文给出的稳定控制策略,开展了MCPSS整体联合稳定运行控制仿真,并对三种典型工作模态下系统整体运行动态特性进行了仿真,进一步证明了论文所提控制方法对于拓展系统负载功率边界的有效性。

关键词：微型联合供电系统大信号稳定性分析混合势函数负载功率边界局部阴影 MIRPSO 下垂控制虚拟直流电机控制

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