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1、分布式直流供电系统控制策略的研究 分布式直流供电系统控制策略研究申请扬州大学工学硕士学位论文培养单位:扬州大学专业名称:动力工程研究方向:新能源技术及其应用研究生: 吴义可指导老师:蒋伟莫岳平./四:,.,目录摘要。?而?。.第一章绪论?。.分布式直流供电系统的概述.分布式直流供电系统研究现状和发展趋势.分布式直流供电系统控制策略的比较.分布式直流供电系统结构一.典型分布式电源结构比较?.论文的研究内容及意义第二章分布式能源与储能装置?.光伏阵列电路模型?.光伏阵列输出伏安特性.蓄电池的种类?。.铅蓄电池的荷电状态及其模型.铅蓄电池的荷电状态?.铅蓄电池的模型?。.分布式能源电力变换器?.第三
2、章基于无线数据链的功率管理?.分布式发电系统的运行?.分布式发电系统发电装置.分布式发电系统储能装置.分布式发电系统运行?.分布式电源间的协调控制?.传统系统.系统控制策略概述?.基于无线数据链的功率管理的系统结构.系统结构与数据路径?.功率调节的基本算法的实现.无线数据链的实现?.技术简介.程序设计.第四章数字控制系统设计.系统硬件介绍.系统结构组件.光伏阵列/蓄电池. .采样电路?.驱动电路设计.辅助电源设计?.控制模块设计.通信套件?. /变换器的模型推导.主电路选择?.器件选型.数据链相关函数?的设计?。.系统软件设计?. 模块程序?.模块程序第五章实验结果及展望。 .实验结果分析?.
3、工作总结及展望?.工作总结?.工作展望.参考文献?。致谢?.摘要随着社会各环节对供电质量与容量的要求越来越高,传统集中式供电方式的不足之处也逐渐显现出来,具体表现为:.电力供应不足;.负载调节能力欠缺;.抗干扰与故障的能力不足。直流供电系统已经在一些用电场合存在了较长时间,例如飞行器、舰船等;随着可再生能源的持续开发,直流分布式供电的方式也逐渐被重视起来。分布式直流供电系统不仅克服了传统集中式供电存在的难以实现余度供电和不间断供电等缺点,且系统模块化程度较高容易实现扩展,从而具有较高的可靠性。分布式直流供电系统中一般存在数个分立电源;在多个可再生能源的接入的情况下,由于输入与负载均具有不确定性
4、,各个能源模块之间需要进行一定形式的协调以保证发电质量。所以对分布式供电系统控制策略的研究是分布式供电技术的首要解决问题。本文在.的理论框架下提出一种点对点协调控制技术,实现直流配电网中光伏电池模块和蓄电池模块之间的协调发电;在发电信息互通的情况下,通过数据链相关函数将两个本地控制回路联系起来,以准实时的模式进行进行协调控制,进行系统功率调节。本论文的主要研究如下:.对目前分布式直流供电系统中控制策略进行分析与比较;.研究了系统中各输入源的特性及其数学模型;.分析分布式供电系统的运行模式,以及基于无线数据链的光伏/蓄电池系统功率调节的基本算法;.完成系统软硬件设计,实现双相功率电路、辅助电路、
5、基于芯片的无线数据传输模块软硬件设计;.无线数据链的系统实现,数字信号控制器的数字控制回路实现,功率调节算法的实现:并且在合理条件下,以实验验证本研究中分布式直流发电系统的控制策略。关键词分布式直流供电系统;.:功率调节;降压变换器;数字控制摘要一 . :.;. ;. . . ., :. . .?. . .百 .:; ;吴义可分布式直流供电系统控制策略的研究第一章绪论.分布式直流供电系统的概述随着当今社会对能源质量要求的提高,传统的集中式供电系统表现出其局限性,集中式供电系统来说存在其后备电源设计方案复杂、某点的故障容易导致整个系统电源的瘫痪等缺点。新一代半导体技术的发展,电子系统处理速度的加
6、快,使中小功率模块集成成为可能,从而推动供电系统从传统的集中式供电向新型的分布式供电系统转变。分布式直流供电具有可靠性高、易实现模块化、维护方便、灵活性强等众多优点,适合可再生能源的集成,随着能源紧缺、环境污染等问题的出现,以可再生能源为基础的分布式供电系统得到迅猛发展。分布式直流供电系统克服了传统集中式供电存在的难以实现余度供电和不间断供电等缺点,且系统模块化程度高容易实现扩展且具有较高的可靠性,现以广泛应用于国际空间站、舰船、汽车、计算机等领域【】【】【。分布式直流供电系统主要特点有【】【】:可靠性高:主要表现在分布式直流供电系统中更多的应用并联技术,这样进一步使系统的容错能力加强,系统中
7、各个子模块的独立,使得其中某一个模块的失效不会影响整个系统的正常工作;模块化:对于分布式直流供电系统中大都由几个小功率变换器模块组成,所以更容易实现模块化和标准化;维护方便:分布式直流供电系统中各个模块间的相互独立,可以在线对各个有故障变换器进行维修,不会影响系统的运行;灵活性强:可以根据用户对电能的要求,利用电力电子电路将直流电转换成用户所需的电能。.分布式直流供电系统研究现状和发展趋势分布式发电系统中一般包括分布式电源,储能装置以及电力变换器等,所以分布式发电是建立在电力电子技术的基础之上,正是由于电力电子技术的飞速发展,使分布式发电成为了可能。目前世界各国都面临着能源危机与环境污染等问题
8、,为了解决经济社会的发展与现今出现的能源紧张、环境污染之间的矛盾,各国都相应出台了能扬州大学硕士学位论文一源战略方针,来寻找新能源来代替传统能源,这样使分布式发电,特别是以可再生能源为基础的分布式供电得到了较快的发展。分布式供电系统稳定可靠的运行是供电系统最核心的问题,分布式供电系统中一般采用多电源结构,这样可以保证系统中某个电源失效的情况下,整个系统还可以正常运行。对于传统的电力系统来讲,采用系统对整个供电系统进行统一管理,系统中设有一个控制中心,统一对系统中各个模块进行信息采集处理,然后做出决策。显然对于这种管理方式严重影响了系统的实时性,而且系统不够开放,不能达到智能化要求。随着计算机网
9、络技术的发展以及点对点通信技术的应用,使得系统中各个分立电源可以实现点对点通信,模块间直接通信,不需要通过控制中心,这样就提高了系统的响应速度和处理速度,使分布式供电系统的系能得到进一步提高【】【。.分布式直流供电系统控制策略的比较.分布式直流供电系统结构图.中给出了典型的分布式直流供电系统结构图,其通常由多个与直流母线相连的功率变换装置组成,包括.、.和.变换器。直流母线前端的变换器通常叫做源变换器,它的作用是将系统的输入电压变换为直流电压;直流母线后端的变换器通常称为负载变换器,其作用是将直流母线电压根据不同负载的需要变换成直流或交流电压。从系统结构上看,对分布式供电系统的控制分为对源端的
10、控制和负载端的控制。分布式直流供电系统的电源模块通常采用多分立结构,即供电系统中有两个及以上的独立电源,图.中包括发电机和蓄电池两个分立电源模块。系统负载需要不问断供电,若其中一个电源模块不能正常工作,后备电源自动承担负载供电的任务,保证对负载稳定供电。:图 典型分布式直流供电系统结构图吴义可分布式直流供电系统控制策略的研究一.典型分布式电源结构比较分布式电源最初应用于通信领域,不过首先使用分布式电源的却是航空电子领域,由于分布式电源的的各个模块之间需要协调,数字化控制分布式电源的多模块间协调工作也是一个需要认真考虑的问题。随着通信技术、新能源技术的高速发展,在目前汽车领域,汽车控制系统中采用
11、分布式电源的设计思想,对于合理利用不可再生能源、提高系统的可靠性具有十分重要的意义。以下介绍几种不同分布式电源的集成与控制方法。超级电容/燃料电池作为分立电源由表.可知超级电容和燃料电池各有优缺点,且其优缺点正好互补,因此可以考虑将超级电容和燃料电池按照图.直接并联。使用这种直接并联的方法对两个分立电源进行协调控制,可以使系统同时具备超级电容和燃料电池的优点。但采用这种直接并联的形式对燃料电池和超级电容进行控制也存在自身的缺点,以燃料电池电动汽车为例,由于制造工艺的原因,燃料电池系统的输出电压一般比较低,通常在一;燃料电池的外特性如图.所示,当其输出电流变化较大时,输出电压也波动的比较大;所以
12、当遇到不同路况如启动、加速、上下坡、面对障碍物紧急制动时,汽车驱动系统要处理较大的动态功率,这与燃料电池的输出特性偏软是相互矛盾的。另外,设计较高的动力总线电压等级可以提高驱动系统的销量和减小驱动系统的体积及重量,而且电池的充放电特性及其使用安全性也要求电池的端电压在较小的范围内变化。因此燃料电池难以直接和电容并联使用。为了解决这一问题在燃料电池的输出端接一个/变换器,对电池的输出进行控制。其模型如图.所示【:超级电容 燃料电池功率密度高 功率密度低充电速度快 充电速度慢优点 能量装换率高 缺点 能量转换率低循环使用寿命长 循环使用寿命短低温特性好 低温特性差能量密度低 能量密度高缺点 优点电
13、压不平稳 电压平稳表超级电容与燃料电池优缺点扬州大学硕士学位论文一行肾一”.串联/变换器.直接并联图.超级电容并联蓄电池分布式电源图燃料电池的外特性多电源电动汽车系统?】通过上面的介绍了解到超级电容与燃料电池直接并联存在燃料电池输出特性偏软的问题,针对此在系统中加入了/环节进行调控。目前燃料电池电动汽车普遍采用蓄电池组、超级电容与燃料电池作为几个分立电源,这种方式利用了燃料电池高能量密度和蓄电池组的高功率密度等优点,使车辆在不同路况下燃料电池、超级电容和蓄电池组构成的混合动力系统在不同的模式下工作。图?所示为典型的能量混合型的燃料电池动力系统示意图。分布式供电负载端的控制策略以上两种集成方法都
14、是针对分布式供电系统源端进行。分析可知,对分布式供电系统的控制分为源端控制和负载端控制,源端控制就是对系统中的几个分立电源进行协调控制,负载端控制是对现有供电系统负载进行管理,合理应用系统提供的电能。以混合动力汽车为例,混合动力汽车电源图.管理针对车内负载空调、制热、娱乐、照明、刹车等进行管理,在汽车可以安全行驶的条件下,实现燃料电池利用效率的最大化。例如在混合动力不充裕的情况下可选择关闭空调、制热设备或娱乐设施,同时要保证刹车、炅义可 分布式直流供电系统控制策略的研究照明等必要设备正常运行。图燃料电池电动汽车动力系统口厂?人?、石:嘲乡糖一卜嘲帕一卜瞄,/一?、,、. /杳分叭一图汽车电源管
15、理系统.论文的研究内容及意义本文旨在对分布式直流供电系统如何实现各个分立电源间协调控制进行研究。系统采用串行通信,通信速度相对较慢,所以其以准实时模式对系统进行协调控制:使用光伏电池和蓄电池作为两个分立电源,其中光伏电池作为主电源模块,铅酸电池作为辅助电源模块。控制光伏电池和蓄电池协调工作,确保功率平衡或匹配,为负载提供更加稳定可靠的电能。系统基于多电源供电的思路,采用光伏电池和蓄电池作为两个分立电源,其结构如图扬州大学硕士学位论文一.所示。由于光伏电池发电量受光照强度、温度等环境因素的变化而变化,输出功率不稳定,但负载要求不间断的供电,这时在该供电系统中加入了蓄电池模块作为后备电源,当光伏电
16、池发电不足时,蓄电池补充能量,使光伏电池和蓄电池协调工作,确保功率平衡或匹配,稳定可靠的为负载供电。直流母线无信传图本文供电系统结构系统在.的理论框架下提出一种点对点协调控制技术,实现各个协调发电,确保功率平衡或匹配。为了验证控制策略,本研究中选取了光伏电池变换器和蓄电池变换器作为模块,对该分布式供电系统展开对源端的控制策略的研究。所谓 是多个组成的集合,其多个成员之间相互协调,相互服务,共同完成一个任务。它的目标是将大而复杂的系统建设成小的、彼此互相通信和协调的,易于管理的系统。且各成员之间的活动是自治独立的,其自身的目标和行为不受其它成员的限制。鉴于?系统内各之间需要协调控制、交流,利用点
17、对点通信方式,可以实现网络中两节点之间的直接连接,即实现两个分立电源之间的直接连接,不仅可以获取对方的准实时状态,而且交流双方的通讯完全是点对点进行,不依赖服务器的性能和网络带宽。这样两电源模块在信息互通的情况下,通过数据链相关函数将两个本地控制回路联系起来,使系统更加智能化,提高了系统的实时性和效率。实现直流配电网中光伏电池模块和蓄电池模块之间的协调发电。为了稳定系统直流母线上电压,在母线上并联一个直流电压源,控制系统目的在不同运行工况下会有两种情况:吴义可分布式直流供电系统控制策略的研究一.输出功率的平衡,即其输出功率之和为一定值,当光伏电池输出功率减小时,蓄电池能自动调节其输出功率增大,
18、以致总功率不变;.功率匹配模式,即蓄电池功率的输出随光伏电池的输出功率增加而增加。对此将分为以下几个部分进行介绍:对分布式直流供电系统的发展现状及前景进行了综述,研究了目前几种常用的控制策略,并进行了比较。研究了系统中各装置的数学模型,阐述本文选用能源的特点。分析分布式供电系统的运行及如何通过数据链相关函数动态的将两个本地控制回路联系起来。对于无线数据链的实现,本文采用基于的无线传输设备,实现分立电源间的无线信息交换。/变换模块的设计,利用处理芯片,实现对/变换器的控制,有效调节两电源模块的输出功率,为负载稳定供电。/变换器有多种的拓扑结构,以双相电路作为系统主电路,实现对系统的整体控制。本论
19、文的研究意义主要体现在:丰富了对分布式直流供电系统的控制策略的理论基础;在的理论框架下提出一种点对点协调控制技术,实现光伏电池和蓄电池之间协调控制,确保其输出功率平衡,提高了系统效率;采用光伏电池/蓄电池作为两个分立电源组成的混合能源系统,设计思路可以移植到其它直流供电系统中。扬州大学硕士学位论文第二章分布式能源与储能装置.光伏阵列电路模型光伏电池是利用半导体的光伏效应制成的,当光线照射到光伏电池表面时,一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子,使电子发生了越迁,成为自由电子在.结两侧集聚形成了电位差,当外部接通电路时,在该电压的作用下,将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率,这就是
20、太阳能发电的实质。其简化电路模型如下刚】:图太阳能电池简化电路模型其电路模型由电流源、二极管、电阻并联后再串联电阻风组成。而理想电流源是太阳能电池的短路电流,即光照强度越强越大,光照强度越弱越小。.光伏阵列输出伏安特性由上节光伏电池的简化电路模型,可得知其伏安特性方程如式.,其简化模型如式.,可以看出,光伏电池的输出是一个随光照条件及温度等因素变化的复杂变量。在标准测试条件下,即光照 /,时其输出特性如图所示光伏电池的输出开路电压和输出短路电流的值由生产厂家给出。沼?,刊唧呜笋老在理想,状况下,.式简化为:,一厶唧等一一太阳能电池输出电流其中一短路电流一.反向饱和电流一二极管因子一绝对温度 一
21、电子电量,.七一玻尔兹曼常数,./吴义可分布式直流供电系统控制策略的研究一对于由多块光伏电池串联和井联组成的光伏珲夕,獭出电流硐如公式:.向小俳器其中:/一为光伏电池的串联、并联个数。.一】志.:丝砌譬协,墨:竺挲:二式子中:?是当前光照强度一参考温度?段度电流温度系数 一.是当前环境温度?理想因子,介于和之间 ?太阳能电池短路电流啊、分别是太阳能电池的最大功率点的电压和电流根据上面的结论,对太阳能电池的仿真模型进行仿真得到.、.曲线,如图.、所示:太阳能电池?曲线太阳能电池.变化曲线图结温不同情况下、.特性曲线图.是在日照强度为/时,光伏电池表面温度为。、。、。和。时的光伏电池输出特性曲线图
22、。扬州人学硕士学位论文由图.可知,光伏电池开路电压随电池结温的升高而下降范围较大,光伏电池的结温对其短路电流影响不大,随着结温的上升输出短路电流略有增加。由图.可知,相同光照情况下,光伏电池的输出功率随结温的上升呈下降趋势,最大输出功率也随电池温度的上升而下降,并且下降幅度很大。. /、. /图.是光伏电池表面温度为时,日照强度/和. /时的光伏电池输出特性曲线图。由图.可知,随光照强度的增大,光伏电池的短路电流增大,两者之间近似为比例关系;光伏电池的开路电压增大,但是变化不大;光伏电池的最大输出功率也增大;在温度一定的情况下,最大功率点电压近似的在一条直线附近,大约是开路电压的%。太阳能电池
23、?特性随日照强度变化曲线太阳能电池.曲线图.光照强度不同情况下、特性曲线由图.和.可知,光伏电池的输出特性与温度、日照强度有密切的关系。在温度、日照强度变化情况下,光伏电池的输出功率会有较大的变化。光伏电池是一种非线性电源,存在着一个最大功率点。在最大功率点的的左侧,光伏电池的特性近似为电流源,右侧近似为电压源。.蓄电池的种类蓄电池的种类有很多,以下将对一些比较常用的蓄电池进行分析比较【】【。铅酸蓄电池铅酸蓄电池已有多年的历史,广泛用作内燃机汽车的起动动力源。它也是成熟的电动汽车蓄电池,它可靠性好、原材料易得、价格便宜;功率密度也基本上能满足电动汽车的动力性要求。但它有两大缺点;一是能量密度低
24、,所占的质量和体积太大,且一次充电行驶里程较短;另一个是使用寿命短,使用成本过高。镍氢蓄电池吴义可分布式直流供电系统控制策略的研究镍氢蓄电池属于碱性电池,镍氢蓄电池循环使用寿命较长,但价格较高。它的初期购置成本虽高,但由于其在能量和使用寿命方面的优势,因此其长期的实际使用成本并不高。锂离子电池锂离子二次电池作为新型高电压、高能量密度的可充电电池,其独特的物理和电化学性能,具有广泛的民用和国防应用的前景。其突出的特点是:重量轻、储能大、无污染、无记忆效应、使用寿命长。锂电池的能量密度是镍氢电池的.倍,是镍镉电池的倍,并且目前人类只开发利用了其理论电量的%,开发前景光明。同时它是一种真正的绿色环保
25、电池,不会对环境造成污染,是目前最佳的能应用到电动车上的电池。镍镉电池镍镉电池的应用广泛程度仅次于铅酸蓄电池,其能量密度可达/,功率密度超过/。可快速充电,循环使用寿命较长,是铅酸蓄电池的两倍多,可达到多次,但价格为铅酸蓄电池的倍。它的初期购置成本虽高,但由于其在能量和使用寿命方面的优势,因此其长期的实际使用成本并不高。缺点是有“记忆效应”,容易因为充放电不良而导致电池可用容量减小。须在使用十次左右后,作一次完全充放电,如果已经有了“记忆效应”,应连续作?次完全充放电,以释放记忆。另外镉有毒,使用中应注意做好回收工作,以免镉造成环境污染。镍锌蓄电池新型密封镍锌电池具有高质量能、高质量功率和大电
26、流放电的优势。这种优势使得镍锌电池能够满足电动车辆在一次充电行程、爬坡和加速等方面对能量的需求。其优点:是其能量密度达到/以上,体积能量已超过镍镉电池,小于镍氢电池。大电流放电,电池的电压将在宽广的范围是平衡的,且具很长的使用寿命,循环寿命次,充电时间.,快速充电。特别值得一提的是自放电抗电荷量衰减性十分好,在室温下一个月,自放电量不到%额定电荷量。在高温,以/放电,电池电荷量衰减%额定电荷量,而在.,/放电%。镍锌电池与铅酸电池外廓上具有很好的兼容性,凡现在应用铅酸电池的车辆,均可换用镍锌电池。.铅蓄电池的荷电状态及其模型铅酸蓄电池已有多年的历史,广泛用作内燃机汽车的起动动力源。它也是成熟的
27、电动汽车蓄电池,基于其具有价廉、性能稳定可靠、制造技术成熟、回收率高、安全性和资源利用性好等特点本文使用了铅蓄电池作为储能模块。以下将针对铅蓄电池的一些特性扬州人学硕士学位论文进行介绍。.铅蓄电池的荷电状态在光伏发电系统中,蓄电池的充电电源来自光伏电池电池,其保证率远远低于有交流电的场合,气候的变化和用户的过量用电都很容易造成蓄电池的过放电。铅酸蓄电池在使用过程中如果经常深度放电低于%,则使用寿命将会大大缩短。反之,如果蓄电池在使用过程中一直处于浅放电始终大于%状态,则蓄电池使用寿命将会大大延长。实验表明阀控式密封式铅酸蓄电池在放电深度为%时,循环寿命大于次;当放电深度为%时,则循环寿命将降到
28、次左右,而当放电深度为%时,循环寿命将只有大约次。所以,如果能够快速在线检测蓄电池的剩余容量或荷电状态,则便于蓄电池的用户或检修工程师随时了解蓄电池的状态,以便采取措施,防止蓄电池过放电,则可以大大延长蓄电池使用寿命。文献捌给出固定式铅酸蓄电池剩余容量的数学模型如下:一形.%蓄电池放电模型:.,蓄电池充电模型:二兰二兰兰一。一。.三乡刍。.。协四、/胁加 注意:充电模型中最后一项只有当.时才有。吣坐一跏以加式中:.蓄电池荷电状态一实测电一标称容量一环境温度?静止电压一充电电流或放电电流一蓄电池内阻珥.】.一】由于蓄电池的循环寿命与蓄电池的放电深度有着密切的关系,所以光伏电源配有充放电控制器,防
29、止蓄电池的过充电和过放电。常规方法是采用脉宽调制、多路控制,吴义可分布式直流供电系统控制策略的研究恒压控制等各种办法,既能保证蓄电池不被过充电,又能够做到在接近充满电压时电流渐小,使整个充电过程符合蓄电池的性能要求。.铅蓄电池的模型铅酸蓄电池建模方面的研究工作,始于世纪年代后期。国外在该领域内进行了大量研究并取得了一些成果。目前,铅酸蓄电池建模工作主要集中在以下几个方面:基本原理模型、等效电路模型、“黑箱模型、自适应结构模型等。由于基本原理模型需要考虑具体的物理化学过程,所以该类模型通常都很复杂包含多个微分方程、代数方程以及大量参数,因此在电气工程领域内常采用等效电路模型。下面对几种常用的等效
30、电路模型进行讨论。初等模型图蓄电池初等模型最常见的电池模型如图.所示。该模型由一个理想电压源和一个等效内阻组成,是电池的端电压,为流过电池的电流。根据全电路欧姆定律可得:,:三正旦 .该模型只适用于假设可以从电池中得到无限能量,或者电池荷电状态并不重要的情况。电池模型该模型是另一种常用的模型,由一个理想电压源,内阻,电容和过压电阻组成,如图.所示。代表平行极板之间的电容,代表极板与电解液之间的非线性接触电阻。取电容两端的电压为状态变量,根据电路定律可得协九,.鲁云卜吩昂该模型的主要缺点是模型中所有参数都设为常量,但实际这些量都是电池的状态函数。扬州大学硕十学位论文图 电池模型动态模型该模型 提
31、出。这个模型主要包括主反应支路和寄生支路部分,如图所示,图中网络、电压源为主反应支路,电流的流向为寄生支路。主反应支路考虑了电池内部的电极反应、能量散发和欧姆效应。寄生支路主要考虑充电过程中的析气反应。图动态模型结合以上分析可知,对于蓄电池初等模型,其适用于假设可以从电池中得到无限能量;而动态模型,其过程较为复杂繁琐,对于工程应用问题,过于复杂的理论研究是没有任何必要的;鉴于对于本文研究重点是如何实现光伏电池和蓄电池间协调控制,显然蓄电池初等模型可以满足应用要求,本文采用初等模型作为蓄电池的基本模型。.分布式能源电力变换器分布式直流供电系统是一种新型的供电系统,它可以直接为用户提供高质量的电能
32、,因此对分布式能源电力变换器的研究将成为分布式直流供电系统的关键问题。变换是分布式能源电力变换器的关键技术,由于其具有高效率、可以输出大电流、静态电流小吴义可分布式直流供电系统控制策略的研究的特点,其在分布式发电技术中得到了广泛的运用。/转换器分为三类:升压型/转换器、降压型/转换器以及升降压型/转换器。根据需求可采用三类控制:.保持开关周期不变,调节开关导通时间乙,称为脉冲宽度调制;.保持开关导通时间。不变,改变开关周期,称为频率调制或调频型;.和。都可调,使占空比改变,称为混合型。基于本文应用降压型变换器,以下将针对变换器进行分析。降压型拓扑结构电路原理图如图.所示,由图.中的栅射电压波形
33、可知,在时刻驱动导通,电源向负载供电,负载电压,负载电流乇按指数曲线上升。毕】图 原理图彻 一。幺.厂。陟 一气图 电流连续时的波形 图电流断续时的波形当忙时刻,控制关断,负载电流经二极管续流,负载电压近似为零,负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小,通常串接值较大的电感。至一个周期结束,再驱动导通,重复上一周期的过程。当电路工作于稳态时,负载电流在一个周期的初值和终值相等,如图.所示,负载电压的平均值为:. ?鲁一扬州大学硕士学位论文厶毕若负载重较小,则在关断后,到了乞时刻,如图所示,负载电流已经衰减到零,电压平均值会被抬高,一般不希望出现电流断续情况。在处于通态期间,设负载电流
34、为,可列如下方程:三妄埔%设此阶段电流初值为厶。,%,解上式得:协四四。竽在处于断态期间,设负载电流为之,可列如下方程:哮城%设此阶段的电流初值为,解上式得:郴,之且争导厶。乞。协?, 护皇净争:万所瓷护吲总万所礞吴义可分布式直流供电系统控制策略的研究协,驴吲争眵一朋瓷式中,形;朋%;%浯了印。由图可知,。和厶。分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。.上式表示了平波电抗器为无穷大,负载电流完全平直时的负载电流平均值,此时负载变。电源只在处于通态时提供能量,为巩.。从负载看,在整个周期中负载一直在消耗能量,消耗的能量为%。一个周期中,忽略电路中的损耗,则电源提乜.竿均值为,则有:量,口其值小于等
35、于负载电流,由上式得:乒法,可对电流断续的情况进行分析。电流断续时有,且时, 如,利用扬州大学硕士学位论文 . 电流断续时,乞,由此得出电流断续的条件为:兰竺 ? ? 一一对于电路的具体情况,可根据此式判断负载电流是否连续。在负载电流连续的工作情况下,负载电流一降到零,续流二极管即关断,负载两端电压等于%,输出电压平均值为:协。,虬坐学毕朋卜眈不仅和占空比口有关,也和反电动势%有关。此时负载电流平均值为:协,厶;泓胁口一字朋丢学.炅义可分布式直流供电系统控制策略的研究第三章基于无线数据链的功率管理.分布式发电系统的运行本文设计的分布式直流供电系统结构图如图.所示,该系统中有三个分立电源,分别为
36、光伏电池、铅酸蓄电池和直流电压源。其中直流电压源的作用主要是为了维持系统中直流母线电压稳定,使母线电压避免波动太大;光伏电池作为系统的主电源,主要负责给负载供电,但由于光伏电池受光照强度、温度等环境因素的影响,其输出功率不可能稳定,所以系统中添加了蓄电池作为备用电源为系统提供电能。图分布式发电系统结构框图从图中可以看出,该分布式直流供电系统中主要分为光伏电池/蓄电池/直流电压源模块、基于的数字控制单元、/变换器模块、无线数据传输模块等。设计中通过一个双相变换器跟踪光伏电池的最大功率,并且将其输出电压电流等信息传扬州大学硕学位论文送给蓄电池控制模块,在功率平衡模式下蓄电池模块收到光伏电池的实时信
37、息后,通过相应的运算,得知其应输出的功率,同样利用双相变换器控制蓄电池的输出电流,使光伏电池和蓄电池的输出功率达到平衡,从而为负载提供更加稳定的电能。在功率匹配模式下,蓄电池变换器输出与光伏电池变换器成比例的电流供给负载变换器。.分布式发电系统发电装置由第二章介绍可以知道光伏电池模型可以看作一个由电流源、非线性阻抗和负荷电阻组成的系统。它的简化模型如图.所示:图光伏电池简化模型假设该模型是在理想条件下,即:.电池内部串联电阻很小,忽略不计。.内部并联电阻很大,同样忽略。当外界因素如光照、温度等变化时,光伏电池的当前输出电流和电压以及开路电压和电流也会随之变化,在不同的温度和日照强度下有不同的短
38、路电流,并且与日照强度成正比,与温度构成一定的比例关系。光伏输出端并联有大电容,所以在研究系统小信号动态行为的时候作为恒定电压源处理。.分布式发电系统储能装置对于本文分布式发电系统,由于光伏电池发电情况不稳定,其发电量会随着光照强度温度等外界因素的变化而变化,所以在系统中添加了储能装置,来维持对负载输出功率的稳定或匹配。通过上面章节的介绍,对各种储能装置有了一定的认识,基于产品性能和成本上的考虑本文采用铅酸电池作为储能器件,在系统的协调控制下,配合光伏电池协调工作,达到功率调节的效果,为负载提供稳定的电能。从第二章蓄电池模型介绍可知,对于初等模型、动态模型、模型它们各有优缺点。对本系统来说,所
39、研究重点是如何实现光伏电池和蓄电池协调工作,而不是关于蓄吴义可分布式直流供电系统控制策略的研究型电池的研究,所以选用较为简单的初等模型,其模型如图.所示【】【。该模型可以等效为一个电压源和电阻组成,实验过程中可以通过对蓄电池端电压的检测来大致了解其剩余电荷量,从而控制蓄电池充放电,防止蓄电池过充电或过放电对蓄电池造成伤害。所以在系统建模中蓄电池作为恒定电压源处理。图蓄电池初等模型.分布式发电系统运行为了提高分布式电源之间的协调控制,就需要?理论的支持。?系统处理模式是近年来社会各领域研究的热点,它具有很好的自主性和启发性,其目的是将大的复杂系统划分成小的彼此相互通信及协调的、易于管理的系统。在
40、此模式下,以往需要整个系统集中完成的任务现在只需通过几个子系统来完成。不同子系统之间既相对独通过协同合作的方式进行工作【】【】【】。立又相互联系,相互之间只有信息的交流,对于本文光伏电池、蓄电池两个都有数据处理和通信功能,可将处理后的数据如运行参数、协调策略等与对应的相互通信,从而进行协调调度。同时,各还分别具有各自不同的功能;各作用分析如下:光伏光伏电池最大功率点跟踪:光伏电池输出随光照强度、温度等环境因素的变化而变化,所以要维持其工作在最大功率点,使光能利用率最大化。光伏电池保护功能:对光伏电池相应的参数进行监控,如电压电流信息,使其工作在允许范围内,保证光伏电池不受损害。蓄电池监控功能:
41、对蓄电池的监控主要是用于控制蓄电池不要过充电或者过放电,从而保护电池,延长蓄电池寿命。扬州大学硕士学位论文功率平衡与匹配:根据蓄电池和光伏模块的状态,相应的进行功率平衡或匹配调节,使输入源或负载的变化得以调节。.分布式电源间的协调控制分布式供电系统的调度目标是在保持功率平衡的前提下实现经济调度,为了达到这一调度目标,并提高分布式发电系统的效率及可行性。对于传统电力系统来说,通常采用系统进行控制,而本文根据分布式供电系统自身的特点,结合现代计算机网络技术,在.的理论框架下提出一种点对点协调控制技术,实现了两个之间的直接连接,两个之间彼此独立,通过数据链相关函数动态的将两个本地控制回路联系起来,以
42、准实时的模式进行进行协调控制,确保功率平衡或匹配,使系统的实时性得到了提高。.传统系统系统,即数据采集与监视控制系统。在电力系统中,系统应用最为广泛,技术发展也最为成熟。传统电力监控系统如图所示,主要由部分组成:控制中心,变电站远动终端和传输介质。与信号控制系统相连,主要功能是采集信号;如果变电站配备了开关的控制器,则还可通过它向开关发送动作信号。控制中心首先它需要接收为外来信号,然后识别信号,并将信号在给定的时间间隔要求内显示在控制中心的显示屏上,如果需要操作远方终端。只要用鼠标在屏幕上操作就行。系统在不断完善,不断发展,其技术进步一刻也没有停止过。但是随着电力系统系统需求的提高以及计算机技
43、术的发展, 系统也暴露出了自身的缺点,主要表现在以下几个方面:.系统不开放系统不开放,通信协议、设备接口不标准等,使得用户不能随意自己选购设备,作出比较,提高系统性能,这些都制约了系统技术的发展。.系统基础数据欠准确传感器仪表是系统的重要组成部分,国内大多数仪表厂家生产的产品基本可以满足行业需求,但较多的仪表质量不稳定,维护校验工作也跟不上,数据失准。吴义可分布式直流供电系统控制策略的研究图电力监控系统.系统功能不强,远未达到智能化缺乏行业技术人员参与软硬件开发研制,使系统不能融汇供水技术和运行经验,加上控制设备的稳定性和可靠性达不到要求,使得系统未能达到预期效果。.系统控制策略概述通过上一节
44、对于系统介绍,由结构图可以看出整个系统中的多个变电站都是通过一个控制中心相连接,控制中心收到信息后,统一进行处理,其他各个变电站等候控.制中心的决策;而且各个变电站之间不能直接通信,若变电站之间需要通信必须通过控制中心去交换信息,这势必会影响到系统的数据处理速度和响应速度,影响整个系统效率。、?为此本文在.的理论框架下提出一种点对点协调控制技术,以改善其数据处理速度慢和响应速度慢等问题。本文提出一种点对点协调控制技术,实现网络中两节点之间的直接连接,通过数据链相关函数动态的将两个本地控制回路联系起来。交流双方的通讯完全是点对点进行,不依赖服务器的性能和网络带宽,它为开发更多的点对点控制技术应用
45、提供了基础。它的硬件组成主要由两个模块和它两个模块,结构中每个模块都和各自的设备通过串口连接,构成一个通信节点,分别将两个节点定义为路由器和协调器。其中路由器节点和光伏电池板控制模块相连,采集光伏电池的信息,并将信息发送给协调器节点,同样作为协调器的节点和蓄电池控制模块相连,它将采集到的蓄电池的信息实时的发送到路由器。这样协调器和路由器之间可以直接进行通信,而不需要向传统的电力系统那样需要有专门的控制中心分别对其控制,这样数据处理速度和响应速度进一步提高,从而使整个系统效率得以提高。扬州大学硕士学位论文.基于无线数据链的功率管理的系统结构.系统结构与数据路径为了使分布式电源之间协调工作,实现功率的调节,就需要各模块之间可以相互协调、相