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T型三电平储能功率变流器装置研制

吴杰伟  
【摘要】:构建清洁低碳、安全高效的新一代能源系统是我国能源转型与革命的核心战略目标,为此,国家大力发展各种新能源发电。风电和光伏等新能源具有随机性和波动性,而储能系统可抑制功率波动,提高可再生能源消纳率,同时可为关键负荷提供高质量供电。储能功率变流器(Power Conversion System,PCS)是储能介质与电网或负荷的接口,承担着功率变换的任务,既要实现并网下的充放电控制,也要实现离网下的孤岛运行。为提升PCS的使用效率和改善电网电能质量,研究多目标控制的PCS具有良好的经济价值。因此,PCS的控制策略研究与装置研制对于储能系统的大规模应用具有重要意义。本文以T型三电平PCS为研究对象,主要研究内容如下:(1)阐述了PCS的应用背景;对比了常用的PCS拓扑,选用T型三电平拓扑作为PCS的主电路结构;分析了T型三电平PCS的控制策略研究现状;对国内外PCS相关标准进行了总结。(2)数学模型是建立控制策略的基础。本文分析了T型三电平PCS的工作原理,根据KCL、KVL建立了PCS在三相静止坐标系的数学模型,采用等幅值坐标变换转化到dq同步旋转坐标系下,分别得到了适用于并网和离网的数学模型。(3)调制策略和中点电位平衡是由T型三电平PCS拓扑结构所带来的特殊问题。本文采用基于空间矢量分解的T型三电平空间矢量调制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)方法,将三电平参考电压空间矢量分解为一个小矢量与一个等效两电平空间矢量之和,采用两电平SVPWM算法计算矢量作用顺序和时间,然后映射到三电平开关状态,得到三电平SVPWM;分析了大、中、小、零矢量对中点电位的影响,基于电荷量守恒原理,通过调整一个开关周期内的正、负小矢量作用时间实现中点电位平衡。通过仿真对三电平调制与中点电位控制进行了验证。(4)PCS的控制策略是实现其高效运行的关键技术。本文分析了PCS并网下的充放电控制策略、功率控制控制策略,并提出了基于矢量比例积分(Vector Proportional Integral,VPI)控制器的PCS电能质量辅助治理控制策略;在加入电能质量辅助治理时,为防止出现PCS过流停机,提出一种基于电流幅值的容量分配策略;给出了离网下恒压/恒频控制策略以及输出电压不平衡和畸变抑制策略;根据动稳态特性分析设计了虚拟同步机控制策略参数。通过仿真对上述控制策略进行了验证。(5)实物验证是检验控制策略理论有效性的重要途经。本文设计了T型三电平储能变流器硬件参数,详细描述了样机的结构与设计方案,搭建了原理样机,并对上述控制策略进行了实验验证。


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