r e s e a r c ho nt h ei s o l a t e dt r i p l eh a l fb r i d g eb i d i r e c t i o n a l d c d cc o n v e r t e rf o rh y b r i de n e r g ys t o r a g es y s t e m a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a p p l i c a t i o no fb a t t e r y & s u p e r c a p a c i t o rh y b r i de n e r g ys t o r a g e s y s t e mi nt h ee l e c t r i c a l v e h i c l ea n dd i s t r i b u t e dr e n e w a b l ee n e r g ys y s t e m ，h a s a t t r a c t e dw i d ea t t e n t i o n a tp r e s e n t ，f o rt h ep u r p o s eo fm a k i n gt h eh y b r i de n e r g y s t o r a g ea p p l i c a t i o n ，m a i np o w e rs u p p l ya n dl o a di n t e r c o n n e c t e d ，i nm o s tc a s e s ， m u l t i p l es i n g l e i n p u td c d cc o n v e r t e r sa r eu s e da st h ei n t e r f a c ec i r c u i t s h o w e v e r , t h ei n t e g r a t e dp o w e rc o n v e r t e rh a v i n gm u l t i p l ei n t e r f a c i n gp o r t s ( d e f i n e da s m u l t i p o r td c d cc o n v e r t e r , o rm u l t i i n p u td c d cc o n v e r t e r ) ，c o u l db eu s e dt o r e p l a c et h ei n d i v i d u a ls i n g l e i n p u td c d cc o n v e r t e r s ，a c h i e v i n gt h ee f f e c t i v e l i n k a m o n gt h ev a r i o u sr e n e w a b l ep o w e rg e n e r a t i n gu n i t s ，e n e r g ys t o r a g ee l e m e n t sa n d l o a db yo n l yo n ep o w e re l e c t r o n i cc o n v e r t e r i th a sb e c o m et h eh o tr e s e a r c ht o p i c i nr e c e n ty e a r s t od a t el i m i t e dr e s e a r c ha th o m ea n da b r o a dh a sb e e nc o n d u c t e do nm u l t i - p o r t d c d cc o n v e r t e r , b u ta l m o s ta l lt h ec i r c u i tt o p o l o g i e sp r o p o s e di nt h o s el i t e r a t u r e s h a v et h ef o l l o w i n gd i s a d v a n t a g e s ：u n i d i r e c t i o n a lp o w e rf l o w , n oe l e c t r i ci s o l a t i o n ， h a r ds w i t c h i n g ，n u m e r o u ss w i t c h i n gd e v i c e s ，l o we f f i c i e n c y , c o m p l i c a t e dc o n t r o l s t r u c t u r e ，e r e ，w h i c hl i m i tt h ea p p l i c a t i o n s a i m i n ga tt h ea p p l i c a t i o np r o b l e mo f m u l t i - p o r tc o n v e r t e ri nt h eh y b r i de n e r g ys t o r a g ee l e m e n t s ，t h i sp a p e rc h o o s e st h e t r i p l eh a l fb r i d g e ( t h b ) b i - d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e ra st h ei n t e r f a c i n gc i r c u i to f b a t t e r y & s u p e r c a p a c i t o rh y b r i de n e r g ys t o r a g es y s t e m ，b a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v e c o m p a r i s o nb e t w e e nt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h o s em u l t i 。p o r tc o n v e r t e r t o p o l o g i e s a c c o r d i n gt ot h ea p p l i c a t i o no ft h et r i p l eh a l fb r i d g e ( t h b ) b i d i r e c t i o n a l d c d cc o n v e r t e ri nt h ef u e le e l le l e c t r i c a lv e h i c l ee n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ， t h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e ，c o m m u t a t i o np r o c e s s ，s t e a d ys t a t e o u t p u tc h a r a c t e r i s t i c ，a n ds o f ts w i t c h i n gc o n d i t i o n so f t h i sc o n v e r t e rt o p o l o g yi nt h e b o o s ta n db u c ko p e r a t i n gm o d e ，h a v eb e e nm a d ei nt h ep a p e r , a n dt h es t e a d y o p e r a t i o nc o n d i t i o n sa n ds o f ts w i t c h i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h ec i r c u i ti nt h o s et w o o p e r a t i n gm o d e ，a r ev a l i d a t e db yt h es a b e r2 0 0 7s i m u l a t i o ns o f t w a r e t h i sp a p e ri sa l s od e v o t e dt or e s e a r c ht h em a t h e m a t i c a lm o d e l i n ga n dc o n t r 0 1 s y s t e md e s i g no ft r i p l eh a l fb r i d g ed c d cc o n v e r t e r s i m p l i f i e da n d o r d e rr e d u c e d s t a t es p a c ea v e r a g em o d e la n dl i n e a rs m a l ls i g n a lm o d e lo ft h ec o n v e r t e ra r eb u i l tb y i n t r o d u c i n gt h es w i t c h i n gf u n c t i o n b a s e do nt h i ss m a l ls i g n a lm o d e l ，d u a ld o s e l o o pc o n t r o ls t r u c t u r eo ft h ec o n v e r t e ri sc o n s t r u c t e d ，a n dc u r r e n ti n n e rl o o p & v o l t a g eo u t e rl o o pc o n t r o ls y s t e m sa le d e s i g n e da n do p t i m i z e dt h r o u g hb o d ed i a 冊鋤 d u et ot h em u t u a li n t e r f e r e n c eb e t w e e nt w o i n p u t so ft h ec u r r e n ti n n e rl o o ps y s t 鋤， d e c o u p l l n gn e t w o r ki sd e s i g n e di nt h i sp a p e rt oa c h i e v et h ei n d e p e n d e n tc o n 仃o lo f t w 0m p u ti n d u c t o rc u r r e n t s f a v o r a b l ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea n ds t e a d yp r e c i s i o n o fd e s l g n e dc o n v e r t e rc o n t r o ls y s t e ma l ev a l i d a t e db ys i m u l a t i o no f m a t l a b s i m u l i n k a tl a s t ，h a r d w a r ec i r c u i ta n d d i g i t a lc o n t r o ls y s t e mo ft r i p l eh a l fb r i d g ed c d c c o n v e i t e ra r ed e s i g n e di nt h i sp a p e r , a n d a l le x p e r i m e n t a lc o n v e r t e r p r o t o t y p eo f2 k w , w h i c ha d o p t st m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p a st h ec o n t r o lc o r e ，i sb u i l t b a s e do nd s p s o 腳撇p m g r a r n m i n g ，d i g i t a lp h a s es h i f tm o d u l a t i o ns c h e m ei s p r o p o s c d e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o ni sc a r r i e do u to nt h i sp r o t o t y p e , a n dt h e r e s u l t sh a v ep r o v e d t h a tt h eh a r d w a r ec i r c u i th a sf a v o r a b l es t e a d yw o r k i n g p e r f o r m a n c ei ne v e r ym o d e a n dp o w 甜s w i t c h e sc o u l dr e a l i z ez v s ，s h o w i n gt h a tt h ed s p b a s e dd i g i t a lp h a s e s h l r n 仃0 1m e t h o di s f u l l yf e a s i b l e t h ew o r k sa b o v em a k ew a yf o rd e e p l v r e s e a r c h i n gt h eb a t t e r y & s u p e r c a p a c i t o rh y b r i d e n e r g ys t o r a g es y s t 鋤a n di t s a p p l i c a t i o ni nt h ef u e lc e l le l e c t r i c a lv e h i c l ee n e r g ym a n a g e m e n t s y s t e 】 n k e yw o r d s ：m u l f i - p o r td c d cc o n v e r t e r ；p h a s e s h i f t ；h y b r i de n e r g ys t o r a g es y s t 衄； s m a l ls i g n a lm o d e l ；d i g i t a lc o n t r o l 插圖清單 圖1 1帶有混合儲能裝置的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4 圖1 2 混合儲能獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖5 圖1 3 風(fēng)力發(fā)電隨機電能進路管理系統(tǒng)( s e s a m ) 的結(jié)構(gòu)示意圖6 圖1 4 多級電源系統(tǒng)的常規(guī)結(jié)構(gòu)7 圖1 5 多級電源系統(tǒng)的多端口結(jié)構(gòu)。7 圖1 6 雙向d c d c 變換器結(jié)構(gòu)8 圖1 7 多端口d c d c 變換器各種連接的結(jié)構(gòu)圖解：( a ) d v i 型，( b ) m v i 型， ( c ) d c i 型，( d ) m c i 型，( e ) d v i + d c i + m c c i 型1 0 圖1 8b u c k b o o s t 雙向d c d c 變換器拓撲單元1 0 圖1 9 隔離型雙向d c d c 變換器的基本拓撲單元1 1 圖1 1 0 用來構(gòu)造多端口雙向d c d c 變換器的基本拓撲單元1 2 圖1 1 1 ( a ) 移相控制方式原理圖；) 電壓電流關(guān)系示意圖1 3 圖1 1 2p w m 加移相控制方式的等效簡化電路和電壓電流波形圖1 3 圖2 1三輸入d c ib u c k - b o o s td c d c 變換器1 7 圖2 2兩輸入d v ib u c k b u c k b o o s td c d c 變換器17 圖2 3 兩輸入d v ib u c k b u c kd c d c 變換器18 圖2 4 兩輸入d v ib u c k b o o s t b u c k b o o s td c d c 變換器18 圖2 5 兩輸入m c v i 反激式d c d c 變換器18 圖2 6 變換器開關(guān)管s 1 和s 2 在三種模式下的驅(qū)動信號波形( a ) 模式i ，( b ) 模式i i ，( c ) 模式i i i 18 圖2 7 兩輸入m c c i 電流型全橋d c d c 變換器1 9 圖2 8 使用移相p w m 控制的m o s f e t ss 1 $ 8 的驅(qū)動信號1 9 圖2 9 兩輸入m c c i 電壓型全橋d c d c 變換器2 0 圖2 1 0 通過移相加占空比控制在變壓器各個繞組上生成的方波電壓波形2 0 圖2 1 1混合式可再生能源發(fā)電系統(tǒng)2 1 圖2 1 2兩輸入d v i + d c i + m c c i 雙半橋d c d c 變換器2 2 圖2 1 3 兩輸入d c i + m c c i 型三半橋d c d c 變換器2 3 圖2 1 4 功率開關(guān)管s 1 一s 6 的驅(qū)動信號2 3 圖2 1 5 通過移相p w m 控制生成的不對稱方波電壓和電流波形2 4 圖2 1 6 三端口三相d c i + m c c i 型雙向d c d c 變換器2 4 圖2 1 7m c c i 三端口三半橋d c d c 變換器2 5 圖3 。l 燃料電池電動汽車能量管理系統(tǒng)框圖2 6 圖3 2 隔離型三半橋d c d c 變換器主電路拓撲2 8 圖3 3 ( a ) 輸入電源v i n l 或與負載之間進行能量交換時，變換器的等效 電路2 9 ( b ) 電源v i n l 與v i 玎2 之間進行能量交換時，變換器的等效電路2 9 圖3 4 ( a ) 三繞組變壓器等效電路3 0 ( b ) 三半橋( t h b ) d c d c 變換器的簡化電路模型( 其中變壓器分別用“y ” 形和“ 形模型表示) 3 0 圖3 5 三半橋( t h b ) d c d c 變換器以原邊為參考的等效電路3 1 圖3 6 以原邊為參考時，變壓器兩側(cè)的理想電壓和電流波形3 2 圖3 7 正向b o o s t 模式下的電壓電流工作波形以及開關(guān)時序3 3 圖3 8b o o s t 工作模式下的一個開關(guān)周期中各模態(tài)換流分析3 8 圖3 9 反向b u c k 模式下的電壓電流工作波形以及開關(guān)時序3 9 圖3 1 0 輸出功率p 。與移相角辦，、西，之間函數(shù)關(guān)系的三維曲線圖4 2 圖3 1 1輸出功率只與移相角辦，、么，以及變壓器漏感之間的關(guān)系曲面 z 1 3 圖3 1 2 高壓側(cè)開關(guān)管s 3 、s 4 的電流應(yīng)力與移相角磊，、么，之間函數(shù)關(guān)系三 維曲面圖“ 圖3 1 3 軟開關(guān)條件與控制變量破，、么，之間函數(shù)關(guān)系的三維曲面圖4 6 圖3 1 4 三半橋d c d c 變換器在b o o s t 模式的穩(wěn)態(tài)工作仿真波形4 7 圖3 1 5 三半橋d c d c 變換器在b u c k 模式的穩(wěn)態(tài)工作仿真波形4 8 圖3 1 6 變換器在b o o s t 和b u c k 兩種模式下的軟開關(guān)仿真波形4 9 圖4 1 開關(guān)函數(shù)s 9 ，s q 和s 。的工作波形5 1 圖4 2 三半橋d c d c 變換器六種模式下的簡化及等效電路5 3 圖4 3 三半橋d c d c 變換器小信號模型等效電路6 0 圖4 4 輸入方波電源巧1 2 、6 與輸出電源4 之間能量交換的三種模式 6 l 圖4 5 三半橋d c d c 變換器的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖( 其中g(shù) 是變換器6 5 控制輸出的傳遞函數(shù)矩陣，h 表示電流內(nèi)環(huán)解耦網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)矩陣) 6 5 圖4 6電流開環(huán)耦合控制系統(tǒng)6 6 圖4 7 電流內(nèi)環(huán)解耦控制系統(tǒng)示意圖6 7 圖4 8i d l 電流內(nèi)環(huán)未加補償時的開環(huán)波特圖6 8 圖4 9i d l 電流內(nèi)環(huán)加積分環(huán)節(jié)后的開環(huán)對數(shù)幅頻漸進特性曲線6 9 圖4 1 0 經(jīng)過p i d 調(diào)節(jié)器補償?shù)碾娏鲀?nèi)環(huán)等效回路增益函數(shù)波特圖7 0 圖4 1 1i d 2 電流內(nèi)環(huán)系統(tǒng)未補償和p i d 校正后的開環(huán)波特圖7 0 圖4 1 2電流內(nèi)環(huán)解耦控制系統(tǒng)m a t l a b s i m u l i n k 仿真框圖7 l 圖4 1 3 電感電流i d l 對給定階躍信號的響應(yīng)：( a ) 給定電流信號在7 0 s 由6 4 a 階躍上升到6 8 a ；( b ) 給定電流信號在7 1 s 由6 4 a 階躍下降到6 0 a 。7 1 圖4 1 4 電感電流i d 2 對給定階躍信號的響應(yīng)：( a ) 給定電流信號在7 0 s 由1 2 a 階躍上升到1 6 a ；( b ) 給定電流信號在7 1 s 由1 2 a 階躍下降到8 a 。7 1 圖4 1 5 ( a ) i d i 電流環(huán)系統(tǒng)在不同調(diào)節(jié)器控制參數(shù)作用下，對階躍給定信號的 響j 立7 2 ( b ) i d 2 電流環(huán)系統(tǒng)在不同調(diào)節(jié)器控制參數(shù)作用下，對階躍給定參考信號的響 應(yīng)7 2 圖4 1 6 未加解耦網(wǎng)絡(luò)的i d l 、i d 2 電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)7 3 圖4 1 7 ( a ) i d l 電流內(nèi)環(huán)系統(tǒng)在補償前后的開環(huán)波特圖；( b ) i d 2 電流內(nèi)環(huán)系統(tǒng) 在補償前后的開環(huán)波特圖7 3 圖4 1 8 ( a ) i d l 電流環(huán)系統(tǒng)的給定信號在1 0 0 s 時由6 4 a 階躍變化到6 8 a ，i d 2 給定信號保持不變時，系統(tǒng)輸出量的響應(yīng)情況。7 4 ( b ) i d 2 電流環(huán)系統(tǒng)的給定信號在1 0 0 s 時由1 2 a 階躍變化到1 6 a ，i a l 給定信 號保持不變時，系統(tǒng)輸出量的響應(yīng)情況。7 4 圖4 1 9 ( a ) 1 。d l 電流環(huán)系統(tǒng)的給定信號在1 0 0 s 時由6 4 a 階躍變化到6 8 a ，i d 2 給定信號保持不變時，系統(tǒng)輸出量的響應(yīng)情況。7 4 ( b ) i d 2 電流環(huán)系統(tǒng)的給定信號在l o o s 時由1 2 a 階躍變化到1 6 a ，i l i l 給定信 號保持不變時，系統(tǒng)輸出量的響應(yīng)情況。7 4 圖4 2 0 簡化后的電壓環(huán)等效結(jié)構(gòu)圖7 5 圖4 2 1電壓外環(huán)未補償和p i 校正后的開環(huán)波特圖7 6 圖4 2 2電流內(nèi)環(huán)+ 電壓外環(huán)系統(tǒng)m a t l a b s i m u l i n k 仿真框圖7 7 圖4 2 3 負載電阻由1 0 7 0 突變到8 5 0 時，輸出電壓瑪4 的響應(yīng)。7 7 ( b ) 負載電阻由1 0 7 0 突變到1 3 5 0 時，輸出電壓虼4 的響應(yīng)。7 7 圖4 2 4 ( a ) 輸入電源電壓l 、i m 2 分別在9 9 s 和1 0 0 s 由2 0 v 突升到2 3 v 時， 輸出電壓圪4 的響應(yīng)。，7 8 ( b ) 輸入電源電壓1 、分別在9 9 s 和1 0 0 s 由2 0 v 突降到1 7 v 時，輸出 電壓蠔4 的響應(yīng)。7 8 圖4 2 5 使用t h b 變換器的燃料電池電動汽車能量管理系統(tǒng)示意圖7 9 圖4 2 6電動汽車動力系統(tǒng)各種工作模式的仿真分析圖，其中p o 為負載功 率，i d l 、i d 2 為蓄電池和超級電容器的輸出電流，v 3 4 為高壓側(cè)輸出電壓 ；1 圖5 1鐵硅鋁磁導(dǎo)率隨直流偏磁的變化曲線8 3 圖5 2 三繞組變壓器繞組結(jié)構(gòu)8 4 圖5 3h c p l 一31 2 0 光耦隔離芯片驅(qū)動電路圖。8 7 圖5 4 三半橋d c d c 變換器系統(tǒng)控制電路總體框圖8 8 圖5 5 直流電壓采樣調(diào)理電路8 9 圖5 7 主程序流程框圖9 0 圖5 8 定時器下溢中斷服務(wù)程序流程框圖9 l 圖5 9 基于d s p 的直接移相脈沖生成方法示意圖9 2 圖5 1 0 移相p w m 調(diào)制程序流程圖9 3 圖5 1 1 三半橋d c d c 變換器在正向b o o s t 模式下，破，= 0 2 0 j r ，么，= 0 0 8 r r 時的穩(wěn)態(tài)工作實驗波形9 4 圖5 1 2 三半橋d c d c 變換器在正向b o o s t 模式下，磊。= 虹= 0 2 0 萬時的 穩(wěn)態(tài)工作實驗波形9 4 圖5 1 3 破，= o 2 0 z r ，琺，= o 0 8 n 時，蓄電池和超級電容器放電電流i d l 、i d 2 的波形9 5 圖5 1 4 三半橋d c d c 變換器在正向b o o s t 模式下，識，= 0 1 6 a ：，丸= 0 1 0 n ： 時的穩(wěn)態(tài)工作實驗波形9 5 圖5 1 5 三半橋d c d c 變換器在正向b o o s t 模式下，么，= 0 2 0 1 r ，么，= 0 2 4 ，r 時的穩(wěn)態(tài)工作實驗波形9 5 圖5 1 6 ( a ) 低壓側(cè)開關(guān)管s l 的漏源電壓波形和驅(qū)動信號波形9 6 ( b ) 高壓側(cè)開關(guān)管s 3 的漏源電壓波形和驅(qū)動信號波形9 6 表格清單 表1 1 儲能元件的特征比較2 表1 2 蓄電池與超級電容的性能比較3 表3 1 燃料電池電動汽車驅(qū)動牽引系統(tǒng)的工作模式表2 7 表3 2 三半橋d c d c 變換器各種模態(tài)下的變壓器漏感電流4 1 表3 3 三半橋d c d c 變換器仿真參數(shù)設(shè)置4 7 表4 1開關(guān)函數(shù)與模式的對應(yīng)關(guān)系表5 1 表4 2 三半橋d c d c 變換器小信號模型等效電路相關(guān)參數(shù)表達式6 0 表5 1低壓側(cè)m o s f e t 的主要參數(shù)表8 6 表5 2 高壓側(cè)m o s f e t 的主要參數(shù)表8 6 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所里交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果。據(jù) 我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的 研究成果，也不包含為獲得金g 墾王些太堂或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的 材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝 意。 學(xué)位論文作者簽名： 王戍i 免 簽字日期： oc 1 年斗月l 蘿日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解金星曼王些太堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，有權(quán)保留并 向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)盟 王些盔堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮 印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書) 學(xué)位論文作者簽名：五菇悅導(dǎo)師簽名： 簽字日期： d 件咔月l 籮日 學(xué)位論文作者畢業(yè)后去向： 工作單位： 通訊地址： 虧結(jié) 簽字日期：d c 年l 卜月牛日 電話： 郵編： 致謝 值此論文脫稿之際，衷心地感謝我的導(dǎo)師張興教授。在兩年多的碩士 研究生學(xué)習(xí)和課題研究過程中，自始至終得到了張老師無微不至的關(guān)懷和 悉心指導(dǎo)。導(dǎo)師嚴謹求實的科研態(tài)度、謙虛樸實的人品、廣博的理論知識、 忘我的工作精神和務(wù)實的工作作風(fēng)，使我敬佩不已、終生難忘。張老師認 真負責(zé)的培育，潛移默化的熏陶，不但使我的知識水平和科研能力有了很 大的提高，更重要的是使我接受了全新的思想觀念，掌握了通用的研究方 法，而且還明白了許多待人接物和為人處事的道理。在此，謹向張老師表 示由衷的感謝和誠摯的敬意! 幾年來，在我的整個課題研究和實踐過程中，還得到了謝震、楊淑英 兩位老師的指導(dǎo)和幫助，在此表示深深的謝意。感謝合肥陽光電源有限公 司在本人實驗平臺建設(shè)過程中所給予的大力支持。同時還要一并感謝實驗 室的汪令祥博士、謝軍博士、劉淳博士、郝欣博士對我的關(guān)心和幫助。 在兩年多的碩士生活中，眾多同學(xué)和師兄師姐師弟師妹陪我度過了許 多難忘的時光，大家相互關(guān)心，共同進步，組成了一個朝氣蓬勃，積極奮 發(fā)，團結(jié)互助的優(yōu)秀科研團隊，特別是在我遇到生活和學(xué)習(xí)上的困難時， 各位同學(xué)對我的真誠幫助和鼓勵，使我深深地感受到集體的溫暖，他們是： 唐杰、劉芳、郭棟、苑春明、魏冬冬、田新全、王鴻山、張龍云、陳玲、 邵文昌、紀明偉、王江、曹偉、孫龍林、孫榮丙、汪永智，童誠，廖軍， 黎芹，蒲道杰，戚振彪，譚理華，李少林，朱波，江濤，曾凡超等，在研 究生學(xué)習(xí)時光即將畫上句號之際，在此向各位曾經(jīng)朝夕相處的同學(xué)表示誠 摯的謝意，祝大家在新的工作崗位上再創(chuàng)佳績，繼續(xù)譜寫人生的輝煌! 最后，我還要特別感謝我的父母以及其他所有的親朋好友。他們對我 深深的愛，以及堅定的支持和關(guān)心，是我不斷進步的源泉，在此我要向他 們表示由衷的敬意和真心的祝福! 作者：王成悅 2 0 0 9 年3 月2 0 日 第一章緒論 1 1 課題背景和意義 當(dāng)今世界，環(huán)境和能源問題成為世界各國關(guān)心的熱點問題。隨著環(huán)境污染 和能源危機的日益嚴重，世界各國采取了提高能源利用率、改善能源結(jié)構(gòu)、探 索新能源、發(fā)展可再生能源等措施，以實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展與和諧發(fā)展。我 國是能源消耗大國，隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源需求也在快速增長。能源 供應(yīng)不足的“瓶頸”問題出現(xiàn)，成為社會各界關(guān)注的焦點問題?？焖侔l(fā)展可再 生能源發(fā)電，是緩解電能緊張的有效方法。2 0 0 6 年開始實施的國家“十一五規(guī) 劃”，以及可再生能源法，把能源作為國家發(fā)展戰(zhàn)略的重點，將可再生能源 發(fā)電提高到戰(zhàn)略高度，并從國家立法的角度為其發(fā)展和應(yīng)用提供支持和保障。 1 1 1儲能技術(shù)在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中的作用 可再生能源是指除常規(guī)化石能源和大中型水力發(fā)電、核裂變發(fā)電之外的太 陽能、風(fēng)能、地?zé)崮芤约皻淠艿饶茉础＿@些能源資源豐富、可以再生、清潔干 凈，是最有前景的替代能源【1 】。根據(jù)專家預(yù)測，到本世紀中葉，新能源與可再 生能源將在整個社會能源構(gòu)成中占5 0 。近年來，隨著可再生能源發(fā)電系統(tǒng)， 例如燃料電池、光伏( p v ) 發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電，在中國和世界范圍內(nèi)的迅速發(fā)展， 由于各種發(fā)電設(shè)備在工作過程中存在一定的缺陷，帶來了一些難題和挑戰(zhàn)，如 燃料電池的響應(yīng)速度比較慢，輸出功率不能及時地跟蹤負荷的變化：而風(fēng)力發(fā) 電和光伏發(fā)電要受到風(fēng)速、風(fēng)向、日照強度、環(huán)境溫度等自然條件變化的影響 而不能持續(xù)地、穩(wěn)定地輸出電能，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性問題的增加。在系統(tǒng)中連接 和配置一定容量的儲能裝置，對可再生能源發(fā)電系統(tǒng)具有非常重要的作用。儲 能裝置能夠起到能量和功率的支撐作用，及時補充系統(tǒng)的短時峰值功率，并回 收剩余功率，保證供電的連續(xù)性和可靠性，提高電能的利用效率，并且使發(fā)電 設(shè)備在輸出功率或負荷功率波動較大時，仍然能夠保持較好的穩(wěn)定性【2 j 。 鑒于可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的特點和儲能的作用，對儲能裝置的性能特點具 有較為獨特的要求。概括起來，包括，能量密度大，能夠以較小的體積重量提 供較大的能量；功率密度大，能夠提供系統(tǒng)功率突變時所需的補償功率，具有 較快的響應(yīng)速度；儲能效率高；高低溫性能好，能夠適應(yīng)一些特殊環(huán)境；以及 環(huán)境友好等。 1 1 2 儲能技術(shù)發(fā)展簡介 目前可行的儲能技術(shù)包括蓄電池儲能、超級電容器儲能、飛輪儲能和超導(dǎo) 磁儲能系統(tǒng)( s m e s ) 。評價儲能系統(tǒng)特性的兩個重要性能指標(biāo)是功率密度和能 量密度。不同儲能元件的功率胄邑量范圍和其它特征的比較，參看表1 1 【3 j 。 表1 1 儲能元件的特征比較 儲能元件蓄電池超級電容器飛輪s m e s 效率7 0 9 0 9 0 9 0 9 5 功率范圍( w ) 5 k w 二1 0 m w5 1 0 0 k w1 k w - 1 0 m w 3 0 0 k w 二10 0 0 m w 能量范圍( j )0 1 6 0 0 m j1 k j 1 0 m j 1 1 5 m j1 5 0 0 m j 循環(huán)壽命( 小時) 2 ，0 0 0 1 0 0 ，0 0 0 1 0 ，0 0 0 1 0 ，0 0 0 充電時間數(shù)小時數(shù)秒數(shù)分鐘 數(shù)分鐘一數(shù)小時 成本( $ l ( w ) l o o 2 0 05 0 03 0 07 0 0 1 0 0 0 一、蓄電池儲能及其特點 可再充電的電化學(xué)蓄電池是電力儲能單元的最成熟的形式，現(xiàn)在仍被廣泛 使用。蓄電池通過串聯(lián)或并聯(lián)來實現(xiàn)較高的輸出電流或較大的電壓。它是一個 復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)，主要包括鉛酸( l e a d a c i d ) 電池、鎳鎘烈i c d ) 電池、鎳鋅( n i z n ) 電池、鎳氫( n i m h ) 電池、鈉硫( n a s ) 電池和鋰離子f “i o n ) 電池等。蓄電池的主 要優(yōu)點包括：能量特性好，能量密度高，循環(huán)效率高，使用壽命長，初始成本 低 4 1 。由于電池內(nèi)部存在電化學(xué)反應(yīng)過程，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量會造成電池容量衰 減，因此蓄電池不能長時間以高電流放電。此外，較快的深度充放電也會導(dǎo)致 蓄電池的過早失效。此外，環(huán)境污染也是制約蓄電池應(yīng)用的一個重要問題。蓄 電池儲能的典型用途之一是不間斷電源系統(tǒng)( u v s ) ，該系統(tǒng)可以在短時間的電源 故障期間，向負載供電。 二、超級電容器儲能 超級電容器，也被稱為是雙電層電容器( e d l c ) ，是通過在被電介質(zhì)隔離 的正負電極上積聚電荷來存儲電能。儲能電壓要受到電介質(zhì)耐壓強度的限制。 與蓄電池相似，超級電容器可以被堆疊起來，組成具有較高電壓或電流的模塊。 由于超級電容器的靜電特性，不需要電化學(xué)反應(yīng)過程，因此，與蓄電池相比較， 它具有快速充放電，充放電效率高，循環(huán)壽命長，易于維護，對環(huán)境友好等優(yōu) 點。但是，超級電容器的能量密度較低，它僅限于中小功率范圍內(nèi)的工業(yè)電力 應(yīng)用，例如電子類消費產(chǎn)品或電機驅(qū)動【5 】。 三、超高速飛輪儲能 飛輪儲能裝置利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪可以儲存大量的動能。所存儲的能量取 決于飛輪的轉(zhuǎn)動慣量以及轉(zhuǎn)速的平方。因此，可以通過增加飛輪慣量和轉(zhuǎn)速來 實現(xiàn)較高的儲能容量。飛輪儲能系統(tǒng)的主要優(yōu)點是儲能容量大、功率密度高。 壽命長、無污染、適合短時間大電流充放電等f 6 】。缺點在于其功率和控制系統(tǒng) 復(fù)雜，并且存在災(zāi)難性故障的潛在危險。目前，飛輪儲能主要用于電力系統(tǒng)中， 包括改善電能質(zhì)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性 7 】。但就目前的發(fā)展?fàn)顩r而言，飛輪儲 能技術(shù)還遠未達到替代其他成熟儲能技術(shù)的水平。 四、超導(dǎo)磁儲能 電感儲能技術(shù)始于2 0 世紀5 0 年代后期，主要分為常規(guī)電感儲能和超導(dǎo)電 2 感儲能兩種形式。6 0 年代實用超導(dǎo)體的出現(xiàn)，8 0 年代初工頻超導(dǎo)線的研制成功 和8 0 年代后期高臨界溫度超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，開辟了超導(dǎo)磁儲能( s m e s ) 的新時代。 s m e s 裝置不是以動能或化學(xué)能的形式存儲能量，而是把能量存儲在電磁場中， 該電磁場是由無阻抗超導(dǎo)線圈中通過的環(huán)流產(chǎn)生的。由于所存儲的電能取決于 電流的平方，剩余的電能可以被準(zhǔn)確測量出來。此外，s m e s 可以被用來存儲 大功率的電能，并且充放電的速率和效率較高。s m e s 的主要問題是它的制造 和維護成本很高。2 0 世紀9 0 年代以來，s m e s 的研究更熱衷于將其應(yīng)用于提高 電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及改善用戶的電能質(zhì)量【s j 。 1 1 3 混合儲能系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù) 在現(xiàn)階段，無論超高速飛輪、超導(dǎo)電感、各類燃料電池和電化學(xué)蓄電池， 還是超級電容器都不能完全兼顧安全性、高比功率、高比能量、長使用壽命、 技術(shù)成熟以及工作溫度范圍寬等多方面的要求。般說來，比能量高的儲能裝 置其比功率不會太高；同樣，一個儲能裝置的比功率比較高，其比能量就不一 定很高【9 】。在對現(xiàn)有能源進行技術(shù)創(chuàng)新，大力開發(fā)新型能源的同時，現(xiàn)階段通 過將不同的儲能單元結(jié)合起來混合使用，組成混合儲能系統(tǒng)，可以實現(xiàn)下列優(yōu) 勢1 0 】： 使不同儲能元件的優(yōu)點得以充分發(fā)揮，同時也加大了儲能元件自身優(yōu)勢 的增長空間； 可以實現(xiàn)對儲能系統(tǒng)在能量和功率等方面的多重要求； 按儲能元件各自的優(yōu)勢進行使用，可以顯著延長儲能元件的循環(huán)壽命。 蓄電池與超級電容器在技術(shù)性能上具有較強的互補性。蓄電池的能量密度 大，但功率密度小，充放電效率低，循環(huán)壽命短，大功率充放電和頻繁充放電 的適應(yīng)性不強。而超級電容器則相反，其功率密度大，充放電效率高，循環(huán)壽 命長，非常適應(yīng)于大功率充放電和循環(huán)充放電的場合，但能量密度與蓄電池相 比偏低。 表1 2 蓄電池與超級電容的性能比較 鉛酸蓄電池超級電容器 額定能量密度( w i r k g ) 1 0 1 0 0l 1 0 額定功率密度( w k g ) l ，0 0 0 厶如，殄。 互 n 上 1 l 一一，l 雙向d c d c 變換器 i 一1 l 、q + 圪 乞：( f 5 ) j ，。( t 9 ) 么。( t 9 ) 1 。：( t l1 ) o ( 3 2 ) f ，。( t 1 3 ) ：( t 1 3 )j l ：r 5 。( t 1 3 ) 0 l 。：( t 1 7 ) 么。( t 1 7 ) 對于b u c k 模式，由于電路結(jié)構(gòu)的對稱性及功率流向的反向關(guān)系，各模態(tài)以 及各開關(guān)管的零電壓開關(guān)( z v s ) 條件與b o o s t 模式相同，即式( 3 2 ) 。 3 3 變換器穩(wěn)態(tài)特性分析和設(shè)計指導(dǎo) 3 3 1 變換器輸出特性分析 對三半橋d c d c 變換器輸出穩(wěn)態(tài)特性的分析是以圖3 3 所示的以原邊為參 考的等效電路和圖3 4 所示的變壓器理想e g k e g 流波形為基礎(chǔ)的【6 3 】【6 4 1 。 從圖3 4 中可以看出，在一個開關(guān)周期內(nèi)，變換器有六種模態(tài)i - v i 。變壓器 電流。，和。，都是口( = c o t ) 的函數(shù)，其中0 9 = 2 n f ，廠為開關(guān)頻率。當(dāng)占空 比為d 時，一個周期內(nèi)正半周的方波長度為= 2 x d 。表3 2 中列舉了每一個工 作模態(tài)下，變玉a n 感電流。，和。，的表達式。 一個周期內(nèi)變壓器正負半周的伏秒值應(yīng)平衡，即變壓器電流i r l 3 初始條件應(yīng) 滿足以下邊界條件 倒2 高- i 3 ) ( 3 叫1 。，( 磊，) = 。( 矽+ 孬，) 、7 由表3 2 中的模式i i 、i i i 、v 表達式得：，( 破，) = 量：破，+ 。，( o ) ， 枷，) = 等( ，) 劃破，) ，枷砘) = 等”枷) 上述三式結(jié)合邊界條件式( 3 3 ) ，可得l r l s 的初始條件： ( o ) = 撼護一甏縞， ( 識s ) = 甏”甏( ，) ( 3 - 4 ) ( 礦) = 。，( 0 ) ( + 萌，) = 。，( 孬，) = 繞組變壓器漏感電流 變換器工作模式 。，( 秒)，( 0 ) 。，( 臼) 模式i 半日