儲(chǔ)能變流器的基本原理和應(yīng)用

目

錄C

O

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S01儲(chǔ)能變流器的充放電控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)02Matlab仿真03CCS的基礎(chǔ)設(shè)置04基于實(shí)訓(xùn)平臺(tái)及PEK540模塊的實(shí)驗(yàn)?zāi)?/p>

錄C

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S儲(chǔ)能變流器的充放電控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)0102.關(guān)鍵技術(shù)LioaiobiocLoadVoltageVoabcVsbisbVsciscVsaisaVdc2

CinVdc1

Cin1）實(shí)驗(yàn)意義：行業(yè)背景

2）搭建并調(diào)試Simulink仿真模型，重點(diǎn)關(guān)注雙閉環(huán)控制的作用，還有限幅環(huán)節(jié)的作用。3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，搭建能生成C語(yǔ)言的Simulink模型，并導(dǎo)入DSP28335進(jìn)行調(diào)試，根據(jù)波形調(diào)節(jié)PI參數(shù)，得到預(yù)期波形。4）通過(guò)質(zhì)疑環(huán)節(jié)，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。Buck變換器降壓電路仿真與實(shí)驗(yàn)Boost變換器升壓電路仿真與實(shí)驗(yàn)DC/AC變換器逆變電路仿真與實(shí)驗(yàn)DC/AC變換器整流電路仿真與實(shí)驗(yàn)級(jí)聯(lián)型DC/DC+DC/AC逆變電路仿真與實(shí)驗(yàn)級(jí)聯(lián)型DC/DC+DC/AC整流電路仿真與實(shí)驗(yàn)級(jí)聯(lián)型儲(chǔ)能變流器充、放電仿真與實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)背景第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第九次會(huì)議雙碳目標(biāo)新型電力系統(tǒng)2030

年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰2060

年實(shí)現(xiàn)碳中和以新能源為主體主要特征大部分電網(wǎng)。為討論光伏、風(fēng)電等越來(lái)越多的可再生能源、電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能系統(tǒng)和負(fù)荷通過(guò)電力電子器件接入眾多電網(wǎng)相關(guān)研究，已經(jīng)成熱點(diǎn)。儲(chǔ)能變流器不僅具有功率的雙向傳遞功能，還具有協(xié)助系統(tǒng)功率平衡的能力，是日常實(shí)驗(yàn)中較為常用的部分；而如何在現(xiàn)實(shí)中便捷，精準(zhǔn)的復(fù)現(xiàn)仿真就是面臨的一個(gè)問(wèn)題。DC/DC控制典型交直流混合微電網(wǎng)系統(tǒng)充放電切換控制DC/AC控制S2

S4

S6S14VbS13CdcLbR1CC

CL1L1R1L1

R1交流母線DC-AC

變換器S1

S3

S5交流阻性負(fù)載DC-DC

變換器蓄電池組光伏微源LioaiobiocLoadVoltageVoabcVsaVsbVscisaisbiscVdc2

CinVdc1

CinPVPb可控開(kāi)關(guān)采用Pb端口進(jìn)行Buck/Boost變換，得到脈沖電壓；采用電容濾波，輸出穩(wěn)定電壓；考慮電壓的波動(dòng)，通過(guò)測(cè)量變壓器初級(jí)側(cè)線圈電流ioa、iob、ioc并與額定電流進(jìn)行比較。DC/DC變換器V1V21C2C1QQ21D2DLa.Buck/BoostV1V21C2CQ1Q21D2DLb.升降壓型Buck-BoostV12V1CC21QQ2D1D2LV12V1CC21QQ21DD21LL2fCDCDCc.Cuk

d.Sepic-ZetaDC/DC（

Direct

Current）變換器可以將一種直流電轉(zhuǎn)換成另外一種或多種直流電，但其只能將能量從一個(gè)方向傳到另一個(gè)方向，而雙向DC/DC變換器可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸。非隔離型雙向DC/DC變換器不含變壓器，Buck-Boost電路其結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、工作效率高。I1IC1C2V12VR1R2C1C2Q1Q2

I2D12D

Ia.模態(tài)一ILIL

I1I2IC1C2IV1V2R1R2C1C2Q1Q2D12DL

Lb.模態(tài)二LI1IIC1C2V12VR1R2C1C2Q1Q2

I2D12D

Ic.模態(tài)三ILI1I2IC1C2IV1V2R1R2C1C2Q1Q2D12DL

Ld.模態(tài)四雙向Buck/Boost變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雙向

Buck/Boost變換器控制策略LI1

IC1IC2IV1V21RR2C1C2Q1Q2

I2D12DL直流電壓控制器占空比調(diào)節(jié)充電脈沖放電脈沖<0>0-+-

+-Imaxd+

-+直流電流控制器直流電流控制器

占空比調(diào)節(jié)UrefUdcUref

UdcIrefIbIb4種互補(bǔ)工作模式，如圖所示，圖中所標(biāo)電流方向?yàn)殡娐分须娏鞯膶?shí)際方向DC/DC變換器根據(jù)DC-DC變換器在不同工作模式下，建立狀態(tài)空間模型：

d

B

1

d

BB1

Buck

2Buck

BuckA

1

1

d

Buck

A

2d

Buck

A

Buck求??雙向Buck/Boost變換器平衡狀態(tài)下的空間狀態(tài)模型為：1

11

11c22

22

1

1C

R

CL

L

1 1

1

C

R

C

R

0

C

Vc1

1

V

1

d

c1

1

V

0

V

0

V

=c2

C

R

V

2

2

2

I

L

0

0

1

d

0

□

0□

□

IL

構(gòu)建動(dòng)態(tài)情況下的小信

的號(hào)模型，和系統(tǒng)傳遞函數(shù)：Boost模式下，輸??電壓和電流與控制變量的小信號(hào)傳遞函數(shù)為：idG

(s)

sC2

RV

2Vs2C

RL(1

D)

sL(1

D)

R(1

D)322

sLV

RV

(1

D)2Gvd

(s)

s2C

RL

sL

R(1

D)2

(1

D)2

Buck模式下，輸??電壓和電流與控制變量的小信號(hào)傳遞函數(shù)為：1sC1RV

VGid

(s)

s2C

RL

sL

R21RVGvd

(s)

s

C

RL

sL

RDC/DC變換器DC/DC變換器升壓模式與降壓模式的占空比正好是對(duì)稱的，以升壓模式計(jì)算電感值。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)，一般取額定輸入電流的20%-40%.作為電感電流紋波的一半，本次設(shè)計(jì)取額定電流的30%用來(lái)計(jì)算變換器所需最小電感。當(dāng)蓄電池的兩端電壓為200V時(shí),由上式可計(jì)算??儲(chǔ)能電感Lmax得到最大電感值為2.86mH，為了安全考慮，適當(dāng)提升電感值增加裕量，所以采用電感值為3mH.低壓端輸入最大額定電流為：sminin

maxVI

PL

15A儲(chǔ)能電感Lmax為：L

I

f

DVsmax

I

0.3

Iinmax

4.5A電感兩端電壓為：ddi

I

LDTU

Lt

L

LDC/DC變換器P0

ω0u

P

-

-

ω+abc

+

kp

2π功率

Usin(ωt)

Urefiabc

計(jì)算

kq

-

UQ+

-

+Q0

U0CABfOfmaxfnminfPmin

PmaxCABVQVmaxVnminVQnPn

P

O

Qmin

QmaxP-f

特性曲線Q-V

特性曲線常規(guī)P-f

和Q-V

的下垂控制的控制框圖：下垂的概念P/f

下垂控制Q/V下垂控制頻率電壓有功功率無(wú)功功率概念：下垂控制就是選擇與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)相似的頻率一次下垂特性曲線作為微源的控制方式。優(yōu)勢(shì)：無(wú)需機(jī)組間的通信協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了微源即插即用和對(duì)等控制的目標(biāo)，具有簡(jiǎn)單可靠的特點(diǎn)。DC/AC變換器DC/AC變換器obcdIicia

abiq

qiidd-q變換oCabc

/

dq

2

cosθ=

3

sinθcos(θ

120o

) cos(θ

+

120o)

sin(θ

120o

)

sin(θ

+

120

)

1

1

1

v

2

v

2

a

v

3

0

v

c

2

v

3

3

b

22

vd

cos

sin

v

v

sin

cos

v

q

三相電壓和三相電流此類電量參數(shù)均為時(shí)變交流量，如果采用時(shí)變交流量進(jìn)行系統(tǒng)模型處理，極易出錯(cuò)，因此要在時(shí)變交流量的基礎(chǔ)上進(jìn)行坐標(biāo)變換工作：1）首先通過(guò)C32變換矩陣將abc三相靜止坐標(biāo)系下的各類電量轉(zhuǎn)化為兩相靜止2）再通過(guò)C2s2r變換矩陣將靜止坐標(biāo)系下的電氣量轉(zhuǎn)化到旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下。3）將C32變換矩陣與C2s2r變換矩陣聯(lián)立，可以得到能將電氣量直接由三相靜止abc坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化到兩相dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下3s2r的變換矩陣，即C

矩陣：逆變器輸??電壓頻率和幅值的下垂特性為其中ω0，U0分別為逆變器輸??的額定角頻率，額定電壓。kp，kq為逆變器下垂系數(shù)。P，Q

分別為逆變器實(shí)際輸??的有功功率和無(wú)功功率。P0，Q0分別為逆變器額定有功和無(wú)功功率：由于孤島模式下沒(méi)有大電網(wǎng)的支撐，AC-DC要控制交流側(cè)的電壓和頻率，采用下垂控制，實(shí)現(xiàn)電壓和頻率的支撐。DC/AC變換器DC/AC變換器下垂控制原理參考電壓生成模塊PWM控制信號(hào)生成模塊02.關(guān)鍵技術(shù)P環(huán)節(jié)作用：對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的偏差進(jìn)行比例放大，每次系統(tǒng)輸出，都會(huì)使得控制系統(tǒng)更加接近期望值，偏差不斷變小，所以斜率不斷變小，但是誤差永遠(yuǎn)不會(huì)被消除。I環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)：對(duì)過(guò)去所有時(shí)間的偏差進(jìn)行積分。在控制系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)，由于I環(huán)節(jié)的偏差累積效應(yīng)，不會(huì)起作用，需要一段時(shí)間才能消除靜差。D環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)：通過(guò)偏差的偏差，對(duì)控制系統(tǒng)的輸出走向進(jìn)行預(yù)判，起超前調(diào)節(jié)的作用。盡管不同類型的控制器，其結(jié)構(gòu)、原理各不相同，但是基本控制規(guī)律只有三個(gè)：比例P控制、積分I控制和微分D控制。由上述步驟，搭建MATLAB仿真模型，通過(guò)仿真了解雙向儲(chǔ)能變流器的工作特性，掌握下垂控制系數(shù)、PI參數(shù)對(duì)于系統(tǒng)特性的影響。以仿真模型為基礎(chǔ)，驗(yàn)證算法的可行性，也方便之后對(duì)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)進(jìn)行參數(shù)調(diào)試。目

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SMatlab仿真02逆變電路Matlab仿真示意圖逆變電路DCDC有功、無(wú)功功率計(jì)算有功、無(wú)功功率計(jì)算雙向DC/DC控制回路雙向DC-DC控制回路逆變電路DC-AC下垂控制-p/fDC-AC下垂控制-q/v逆變電路理想電壓計(jì)算模塊理想電壓計(jì)算模塊雙閉環(huán)控制模塊逆變電路直流側(cè)電壓波形交流測(cè)電壓、電流波形整流電路Matlab整流電路電池雙向DC/DC控制模塊直流恒功率負(fù)載控制模塊詳細(xì)結(jié)構(gòu)詳細(xì)結(jié)構(gòu)整流電路DC-AC下垂控制-p/fDC-AC下垂控制-q/vDC-AC下垂控制交流母線電壓坐標(biāo)變換交流母線電流坐標(biāo)變換輸??功率計(jì)算詳細(xì)結(jié)構(gòu)詳細(xì)結(jié)構(gòu)整流電路DC-AC雙閉環(huán)控制DC-AC電壓給定值合成詳細(xì)結(jié)構(gòu)詳細(xì)結(jié)構(gòu)整流電路輸??電流輸??電壓整流電路直流母線電壓波形傳統(tǒng)Matlab仿真模型，無(wú)法生成用于控制硬件系統(tǒng)的C語(yǔ)言程序，需要重新搭建有AD接口和PWM輸??的能生產(chǎn)C語(yǔ)言的Matlab仿真模型。目

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SCCS的基礎(chǔ)設(shè)置03Matlab版本在2018以上版本要求Matlab軟件操作流程進(jìn)入ccs界面安裝等于或低于

Matlab版本的編譯器再次返回Matlab安裝第三方插件進(jìn)入Matlab打開(kāi)C2000的界面首先準(zhǔn)備好軟件MATLAB所支持的DSP硬件包，在MALAB下選擇附加功能->獲取硬件支持包找到

Embedded

Coder

Support

Package

for

TexasInstrumentsC2000Processors，打開(kāi)界面，選擇安裝，等待安裝完成。安裝完成后將自動(dòng)進(jìn)入設(shè)置界面，先退??不著急設(shè)置。打開(kāi)CCS7進(jìn)行其他編譯器版本安裝，選擇

Install

New

Software...選擇Code

Generation

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Updates-http://software-/dsps/dsps_public_sw/sdo_ccstudio/codegen/Updates/p2win32選擇Compiler

Updates下的ti-cgt-c2000_18.12.1.LTS編譯器進(jìn)行安裝。CCS7軟件安裝時(shí)已有自身的ti-cgt-c2000_18.12.1.LTS的編譯器了。但是為了更好的匹配MATLAB設(shè)置，所以在此安裝個(gè)低版本的編譯器安裝完成后，自動(dòng)重啟CCS，可以在工程properties下查看編譯器是否安裝成功回到MATLAB，選擇管理附加功能選擇支持器件自動(dòng)列??需要的第三方軟件，如果版本不是以下會(huì)有Status升級(jí)提示；點(diǎn)擊Upgrade,可以直接打開(kāi)軟件官網(wǎng)，進(jìn)行下載升級(jí)，完成后點(diǎn)擊Next。自動(dòng)識(shí)別controlSUITE路徑*選擇Validate，自動(dòng)識(shí)別CCS路徑選擇Validate，自動(dòng)識(shí)別C2000Ware路徑選擇編譯器，默認(rèn)路徑為

C:\ProgramData\MATLAB\SupportPackages\R2018a\3P.instrset\tic2000codegentools.instrset\ti-cgt-c2000_16.9.2.LTS也可以選擇CCS軟件路徑下自己安裝的完成所有配置完成上述配置，MATLAB軟件就具有了把模型轉(zhuǎn)化為c語(yǔ)言的軟件基礎(chǔ)，可兼容TI公司2000系列DSP。GDS-2204E示波器功能PSW-1607.2直流輸??源PEL-3031E電子負(fù)載APS-300交流輸??源PL-500相負(fù)載G多PTS-5000操作規(guī)程實(shí)驗(yàn)原則先開(kāi)總開(kāi)關(guān)，再開(kāi)控制板供電開(kāi)關(guān)。先開(kāi)啟紅色燒錄程序后再開(kāi)啟橙色全載半載空載負(fù)載調(diào)試不平衡負(fù)載阻性負(fù)載感性負(fù)載LioaiobiocLoadVoltageVoabcVsbisbVsciscVsaisaVdc2

CinVdc1

Cin原理目

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S基于實(shí)訓(xùn)平臺(tái)及PEK540模塊的實(shí)驗(yàn)04操作流程與硬件平臺(tái)對(duì)應(yīng)重新搭建能生成C語(yǔ)言的MATLAB模型將已驗(yàn)證成功的仿真控制回路引入至新模型中，再將系統(tǒng)的反饋值修改，為從實(shí)際模塊（

PEK-540

）中的采樣值；根據(jù)不同平臺(tái)與模塊的芯片管腳，將PWM信號(hào)輸出到對(duì)應(yīng)的位置，從而完成軟件對(duì)平臺(tái)和實(shí)際模塊（

PEK-540

）的控制。新建Siumlink工程，以DSP28335開(kāi)發(fā)板為控制目標(biāo)，新建Simulink文件，在軟件庫(kù)（simulink

library

browser）Embedded

Coder

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Package

for

TexasInstruments

C2000Processors中選擇C2833X系列元件，放置ePWM預(yù)控制管腳硬件原理圖第二步，根據(jù)選用的不同模塊型號(hào)，選擇要采樣的管腳。如下圖1；和PWM波控制的信號(hào)管口，如下圖二。不同模塊的采樣系數(shù)各不相同采樣配置采樣參數(shù)交流測(cè)電流，管腳為：ADCINA2~0交流測(cè)電壓，管腳為：ADCINB6~4直流測(cè)電壓，管腳為：ADCINB3

直流測(cè)電流，管腳為：ADCINB1直流母線側(cè)電壓，管腳為：ADCINB2將已有的仿真轉(zhuǎn)換成可直接用于操控硬件的格式將已有的仿真轉(zhuǎn)換成可直接用于操控硬件的格式部分較為常用的鎖相環(huán)和3/2變換，可以嘗試用function模塊編碼處理。原有的PLL模塊，遇到電流或者電壓變化，可能會(huì)陷入不可解的死循環(huán)，導(dǎo)致系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)，故采用function模塊，依據(jù)基本原則進(jìn)行編程處理，可優(yōu)化運(yùn)算速度和系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。雙向DC-DC閉環(huán)控制模塊再將DC/AC

主控制回路，轉(zhuǎn)換為新的控制回路。采樣系數(shù)反饋輸入，控制信號(hào)輸出為硬件管腳的回路。將上述電路整合有simulink

仿真電可對(duì)硬件進(jìn)行反饋，代替原路，就控制整體生成程序原理圖第一步，打開(kāi)MATLAB和CCS，選擇MATLAB界面中的