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《中国科学院研究生院(电工研究所)》 2006年
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超级电容器直流储能系统分析与控制技术的研究

张慧妍  
【摘要】:电能是最便利、最清洁、利用最为广泛的能源,但是电网中存在的电能质量问题却严重危害着电力设备的使用。现代化生产设备对电能质量的要求越来越高,解决暂态电能质量问题急需一种快速、高效的储能技术。超级电容器作为一种新型电力储能技术,由于其动态响应速度快,储、释能效率高,产品规格化无需定制,便于扩容等特点,被认为是一种非常有前途的解决电能质量问题的储能技术。 本文针对超级电容器直流储能单元改善电能质量这一应用背景,建立了储能单元的数学模型,分析、设计了具有较好动、静态性能的控制方案,构建了一套超级电容器直流储能系统实验平台,对所提出的控制方法进行实验验证。本论文主要内容如下: 1、分析了超级电容器在不同应用场合的数学模型,并对超级电容器的储、释能特性进行了研究,给出了储能容量一定时超级电容器单体串并联组合方案的确定原则,证明了超级电容器的串并联形式并不影响单体超级电容器在释能应用中的功率输出效率与能量输出效率。 2、建立了超级电容器储能储能单元及其充放电控制单元的大信号模型和线性化小信号模型,通过对稳定性进行分析,指出了为使储能单元稳定运行需对占空比和超级电容器端电压进行限定。针对动态电压恢复器应用中需要超级电容器直流储能单元具有调节正、负双向功率流并提供稳定直流母线电压这一应用需求,提出了设计双向功率流统一控制器,控制储能单元正、负双向功率流的稳定运行及平滑切换。仿真和实验结果均验证了此方案的可行性。 3、由于PWM型DC-DC变换器是一个强非线性时变网络,超级电容器储能阵列的电压变换范围又比较宽,本文结合将非线性协同控制原理引入到超级电容器直流储能单元的控制调节中,此方法突破了传统工作点附近线性化建模的局限性,易于理解、设计简便。分析并给出非线性协同控制原理的物理内涵,参数设计优化原则及调试步骤,通过仿真和实验,验证此方案的可行性,系统表现出较强的鲁棒性。 本文立足于超级电容器直流储能单元的应用,建立了储能系统的数学模型,通过理论分析寻求适当的控制方法调节系统运行,并进行了数字仿真和实验研究,对于超级电容器直流储能系统的实际应用具有一定的理论意义和实用价值。
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