基于链式储能的功率变换系统关键技术研究

【摘要】：随着风力、太阳能等清洁能源发电技术的快速发展,储能电站作为电能存储场所参与电力系统的能量调节,已成为电力系统的重要环节之一,对电力系统的安全运行发挥着越来越重要的作用。以发电侧为例,风力、太阳能发电分别受风情、光照等环境因素制约较大,为保证发电量有效消纳、降低弃风和弃光,为电源配套相应的储能设施显得尤为必要。在电网负荷较低时,通过储能电池存储暂时无法消纳的电能;在电网负荷较大时,再将存储的电能输送给电网。储能电站的储能电池具有模块化的特点,更适用于采用链式储能技术,而链式储能系统的核心部件是其功率变换单元。因此,研究基于链式储能的功率变换系统关键技术、提出优化的系统设计方案,具有重要的现实意义。本论文将针对储能电站链式储能系统,研究其结构拓扑与并网控制技术,并通过仿真和实验验证理论分析的正确性。1.给出了链式储能系统的结构,分析了其基本AC/DC变换单元,针对目前最为常见的全桥AC/DC变换单元,分析其存在的问题,并提出一种基于无死区AC/DC变换单元的新型链式储能拓扑,研究其工作原理,分析了详细的工作模态,并通过谐波分析证明了所提出的无死区AC/DC变换单元能够有效减小并网时的电流谐波,其对谐波的改善效果能够提高1.8%。2.针对基于无死区基本功率变换单元的链式储能变换器,研究其对应的电流环动稳态性能优化策略,首先基于拓扑特点探讨了对应的半周期控制策略,从而避免滤波电感出现环流,同时针对半周期控制导致的过零畸变问题,通过基于纹波电流负反馈的主动式控制策略,抑制电流过零点处出现的畸变,提高输出波形质量,通过建立同步旋转坐标系下的复矢量系统模型,设计电流环误差调节器,解决了基于传统静止坐标系模型所设计的控制参数无法达到预期目标的问题,对谐波的改善效果能够提高5.2%。3.基于优化的电流控制策略,研究变换器电流源并网和电压源并网时的电流环频率跟踪技术,通过频率跟踪技术获得参与坐标变换的相位基准与参与电流环误差调节的电流基准。针对电流源性并网,提出了一种无功闭环频率跟踪技术,实现电网频率的自动跟踪,并生成有功和无功电流基准,针对电压源型并网,采用虚拟同步电机控制技术,将链式储能系统等效为同步发电机,通过电网信号采样与计算实现锁频,并生成电流基准,电流源和电压源型并网锁频技术都能够在电网动态变化时实现精确频率跟踪,并满足不同类型的并网要求。在理论分析的基础上,搭建了基于MATLAB/Simulink的仿真模型及实验室条件范围内的小功率原理样机,验证理论分析结果。仿真和实验结果表明,基于链式储能的功率变换系统能够实现高性能可靠并网。