應(yīng)用于電池儲能系統(tǒng)中的AC-DC矩陣變換器研究.pdf

1、儲能技術(shù)作為可再生能源和智能電網(wǎng)的技術(shù)支撐，將在電力系統(tǒng)中承擔(dān)越來越重要的角色。功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（PowerConversion System，PCS）—雙向變換器是儲能設(shè)備和電網(wǎng)之間的接口，為儲能系統(tǒng)的核心部件。它在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)負(fù)責(zé)與電網(wǎng)交換有功功率，向電網(wǎng)提供無功補(bǔ)償，還可以獨(dú)立運(yùn)行給本地負(fù)載供電。AC/DC矩陣變換器是一種新穎的功率變換器，不僅具有輸入電流正弦、輸入功率因數(shù)可調(diào)、可四象限運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，還能實(shí)現(xiàn)單級大范圍降壓變換。因此本文將

2、AC/DC矩陣變換器用作電池儲能系統(tǒng)的PCS，重點(diǎn)研究其調(diào)制策略、控制策略和穩(wěn)定性等問題。
　　空間矢量調(diào)制模式對輸入輸出波形質(zhì)量以及變換器效率有較大影響。針對解析法分析直流電流紋波特性不夠直觀且紋波表達(dá)式不易獲取的問題，本文提出一種圖形化分析方法，分析調(diào)制模式與直流電流紋波的關(guān)系，提出一種通過動態(tài)分配前后兩個(gè)零矢量的占空比以使任意功率因數(shù)下直流電流紋波最小的優(yōu)化調(diào)制模式。推導(dǎo)了輸入電壓紋波的統(tǒng)一表達(dá)式，分析指出優(yōu)化調(diào)制模式在小功

3、率因數(shù)角時(shí)輸入電壓紋波最小，大功率因數(shù)角時(shí)也能保證輸入電壓紋波次優(yōu)同時(shí)開關(guān)次數(shù)減少。分析了不同調(diào)制模式的窄脈沖產(chǎn)生幾率，指出優(yōu)化調(diào)制模式在除極低調(diào)制區(qū)外的寬調(diào)制范圍內(nèi)始終有最少的窄脈沖。考慮以上幾個(gè)方面，優(yōu)化調(diào)制模式的綜合性能最好。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所得結(jié)論的正確性以及優(yōu)化調(diào)制模式的有效性。
　　針對電池儲能PCS的并網(wǎng)運(yùn)行和獨(dú)立運(yùn)行兩種模式，本文分別提出了相應(yīng)的控制策略。首先分析了AC/DC矩陣變換器的功率因數(shù)角和無功功率的特

4、性。對于并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的網(wǎng)側(cè)功率控制，提出一種直流電流閉環(huán)加網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)角閉環(huán)的網(wǎng)側(cè)電流間接控制策略，其具有實(shí)現(xiàn)簡單，有功功率響應(yīng)迅速的優(yōu)點(diǎn)。然而該策略控制的是電池側(cè)有功功率，網(wǎng)側(cè)有功功率則為間接控制，且無功功率控制與有功功率存在動態(tài)耦合，針對這些不足，提出一種dq軸網(wǎng)側(cè)電流閉環(huán)加直流電流閉環(huán)的網(wǎng)側(cè)電流直接控制策略。對于獨(dú)立運(yùn)行模式，提出一種dq軸負(fù)載電壓閉環(huán)加直流電流閉環(huán)的負(fù)載電壓控制策略。通過大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了并網(wǎng)運(yùn)行和獨(dú)立運(yùn)行控制策略的

5、有效性。
　　本文將有限控制集模型預(yù)測控制策略應(yīng)用到基于AC/DC矩陣變換器的PCS的網(wǎng)側(cè)電流控制中。選取網(wǎng)側(cè)電流和直流電流為性能指標(biāo)。深入分析了基于穩(wěn)態(tài)功率守恒的直流電流指令計(jì)算方法，指出其未考慮交直流電流的動態(tài)耦合因而網(wǎng)側(cè)電流易發(fā)生超調(diào)以及依賴精確系統(tǒng)參數(shù)導(dǎo)致指令存在誤差的缺點(diǎn)，提出一種改進(jìn)的基于動態(tài)功率關(guān)系并通過網(wǎng)側(cè)電流反饋校正誤差的指令計(jì)算方法。采用龍貝格觀測器獲取輸入電壓的信息，減少了電壓傳感器個(gè)數(shù)、降低了成本、提高了可

6、靠性。提出一種基于輸入電流扇區(qū)判斷的開關(guān)狀態(tài)組合預(yù)選方法，減少了算法計(jì)算時(shí)間、開關(guān)損耗和輸出側(cè)的dv/dt。以上方法的有效性均得到了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。最后還分析了預(yù)測模型的不同近似離散化方法的精度，討論了模型參數(shù)失配對預(yù)測控制性能的影響。
　　基于AC/DC矩陣變換器的PCS的穩(wěn)定性是系統(tǒng)運(yùn)行的基本保證。論文推導(dǎo)了矩陣變換器帶恒功率負(fù)載時(shí)的輸入阻抗，分析了其影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的機(jī)理。分別分析了以輸入電壓和以電網(wǎng)電壓為調(diào)制參考電壓矢量時(shí)AC/

7、DC矩陣變換器開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，指出以輸入電壓為調(diào)制參考時(shí)系統(tǒng)近似恒功率運(yùn)行因而穩(wěn)定性較差。針對以輸入電壓為調(diào)制參考的方式，建立了PCS的完整小信號模型，定量分析了輸入電壓幅值濾波、鎖相環(huán)和直流電流閉環(huán)的參數(shù)以及功率因數(shù)角對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。分析指出：增加輸入電壓幅值濾波時(shí)間常數(shù)和減小直流電流環(huán)截止頻率均可以提高充電工況下的穩(wěn)定性，減小鎖相環(huán)帶寬可以提高放電工況下的穩(wěn)定性，此外，功率因數(shù)角越小充電和放電工況下的穩(wěn)定性越好。仿真結(jié)果證明了