储能变流器的基本原理和应用

目

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S01储能变流器的充放电控制实验设计02Matlab仿真03CCS的基础设置04基于实训平台及PEK540模块的实验目

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S储能变流器的充放电控制实验设计0102.关键技术LioaiobiocLoadVoltageVoabcVsbisbVsciscVsaisaVdc2

CinVdc1

Cin1）实验意义：行业背景

2）搭建并调试Simulink仿真模型，重点关注双闭环控制的作用，还有限幅环节的作用。3）根据实验平台，搭建能生成C语言的Simulink模型，并导入DSP28335进行调试，根据波形调节PI参数，得到预期波形。4）通过质疑环节，完成实验报告。Buck变换器降压电路仿真与实验Boost变换器升压电路仿真与实验DC/AC变换器逆变电路仿真与实验DC/AC变换器整流电路仿真与实验级联型DC/DC+DC/AC逆变电路仿真与实验级联型DC/DC+DC/AC整流电路仿真与实验级联型储能变流器充、放电仿真与实验实验背景第75届联合国大会中央财经委员会第九次会议双碳目标新型电力系统2030

年实现碳达峰2060

年实现碳中和以新能源为主体主要特征大部分电网。为讨论光伏、风电等越来越多的可再生能源、电动汽车、储能系统和负荷通过电力电子器件接入众多电网相关研究，已经成热点。储能变流器不仅具有功率的双向传递功能，还具有协助系统功率平衡的能力，是日常实验中较为常用的部分；而如何在现实中便捷，精准的复现仿真就是面临的一个问题。DC/DC控制典型交直流混合微电网系统充放电切换控制DC/AC控制S2

S4

S6S14VbS13CdcLbR1CC

CL1L1R1L1

R1交流母线DC-AC

变换器S1

S3

S5交流阻性负载DC-DC

变换器蓄电池组光伏微源LioaiobiocLoadVoltageVoabcVsaVsbVscisaisbiscVdc2

CinVdc1

CinPVPb可控开关采用Pb端口进行Buck/Boost变换，得到脉冲电压；采用电容滤波，输出稳定电压；考虑电压的波动，通过测量变压器初级侧线圈电流ioa、iob、ioc并与额定电流进行比较。DC/DC变换器V1V21C2C1QQ21D2DLa.Buck/BoostV1V21C2CQ1Q21D2DLb.升降压型Buck-BoostV12V1CC21QQ2D1D2LV12V1CC21QQ21DD21LL2fCDCDCc.Cuk

d.Sepic-ZetaDC/DC（

Direct

Current）变换器可以将一种直流电转换成另外一种或多种直流电，但其只能将能量从一个方向传到另一个方向，而双向DC/DC变换器可以实现能量的双向传输。非隔离型双向DC/DC变换器不含变压器，Buck-Boost电路其结构较简单、体积小、重量轻、工作效率高。I1IC1C2V12VR1R2C1C2Q1Q2

I2D12D

Ia.模态一ILIL

I1I2IC1C2IV1V2R1R2C1C2Q1Q2D12DL

Lb.模态二LI1IIC1C2V12VR1R2C1C2Q1Q2

I2D12D

Ic.模态三ILI1I2IC1C2IV1V2R1R2C1C2Q1Q2D12DL

Ld.模态四双向Buck/Boost变换器拓扑结构双向

Buck/Boost变换器控制策略LI1

IC1IC2IV1V21RR2C1C2Q1Q2

I2D12DL直流电压控制器占空比调节充电脉冲放电脉冲<0>0-+-

+-Imaxd+

-+直流电流控制器直流电流控制器

占空比调节UrefUdcUref

UdcIrefIbIb4种互补工作模式，如图所示，图中所标电流方向为电路中电流的实际方向DC/DC变换器根据DC-DC变换器在不同工作模式下，建立状态空间模型：

d

B

1

d

BB1

Buck

2Buck

BuckA

1

1

d

Buck

A

2d

Buck

A

Buck求🎧双向Buck/Boost变换器平衡状态下的空间状态模型为：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

构建动态情况下的小信

的号模型，和系统传递函数：Boost模式下，输🎧电压和电流与控制变量的小信号传递函数为：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，输🎧电压和电流与控制变量的小信号传递函数为：1sC1RV

VGid

(s)

s2C

RL

sL

R21RVGvd

(s)

s

C

RL

sL

RDC/DC变换器DC/DC变换器升压模式与降压模式的占空比正好是对称的，以升压模式计算电感值。根据实际应用中的经验，一般取额定输入电流的20%-40%.作为电感电流纹波的一半，本次设计取额定电流的30%用来计算变换器所需最小电感。当蓄电池的两端电压为200V时,由上式可计算🎧储能电感Lmax得到最大电感值为2.86mH，为了安全考虑，适当提升电感值增加裕量，所以采用电感值为3mH.低压端输入最大额定电流为：sminin

maxVI

PL

15A储能电感Lmax为：L

I

f

DVsmax

I

0.3

Iinmax

4.5A电感两端电压为：ddi

I

LDTU

Lt

L

LDC/DC变换器P0

ω0u

P

-

-

ω+abc

+

kp

2π功率

Usin(ωt)

Urefiabc

计算

kq

-

UQ+

-

+Q0

U0CABfOfmaxfnminfPmin

PmaxCABVQVmaxVnminVQnPn

P

O

Qmin

QmaxP-f

特性曲线Q-V

特性曲线常规P-f

和Q-V

的下垂控制的控制框图：下垂的概念P/f

下垂控制Q/V下垂控制频率电压有功功率无功功率概念：下垂控制就是选择与传统发电机相似的频率一次下垂特性曲线作为微源的控制方式。优势：无需机组间的通信协调，实现了微源即插即用和对等控制的目标，具有简单可靠的特点。DC/AC变换器DC/AC变换器obcdIicia

abiq

qiidd-q变换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

三相电压和三相电流此类电量参数均为时变交流量，如果采用时变交流量进行系统模型处理，极易出错，因此要在时变交流量的基础上进行坐标变换工作：1）首先通过C32变换矩阵将abc三相静止坐标系下的各类电量转化为两相静止2）再通过C2s2r变换矩阵将静止坐标系下的电气量转化到旋转dq坐标系下。3）将C32变换矩阵与C2s2r变换矩阵联立，可以得到能将电气量直接由三相静止abc坐标系转化到两相dq旋转坐标系下3s2r的变换矩阵，即C

矩阵：逆变器输🎧电压频率和幅值的下垂特性为其中ω0，U0分别为逆变器输🎧的额定角频率，额定电压。kp，kq为逆变器下垂系数。P，Q

分别为逆变器实际输🎧的有功功率和无功功率。P0，Q0分别为逆变器额定有功和无功功率：由于孤岛模式下没有大电网的支撑，AC-DC要控制交流侧的电压和频率，采用下垂控制，实现电压和频率的支撑。DC/AC变换器DC/AC变换器下垂控制原理参考电压生成模块PWM控制信号生成模块02.关键技术P环节作用：对当前时刻的偏差进行比例放大，每次系统输出，都会使得控制系统更加接近期望值，偏差不断变小，所以斜率不断变小，但是误差永远不会被消除。I环节积分环节：对过去所有时间的偏差进行积分。在控制系统刚启动时，由于I环节的偏差累积效应，不会起作用，需要一段时间才能消除静差。D环节微分环节：通过偏差的偏差，对控制系统的输出走向进行预判，起超前调节的作用。尽管不同类型的控制器，其结构、原理各不相同，但是基本控制规律只有三个：比例P控制、积分I控制和微分D控制。由上述步骤，搭建MATLAB仿真模型，通过仿真了解双向储能变流器的工作特性，掌握下垂控制系数、PI参数对于系统特性的影响。以仿真模型为基础，验证算法的可行性，也方便之后对实训平台进行参数调试。目

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SMatlab仿真02逆变电路Matlab仿真示意图逆变电路DCDC有功、无功功率计算有功、无功功率计算双向DC/DC控制回路双向DC-DC控制回路逆变电路DC-AC下垂控制-p/fDC-AC下垂控制-q/v逆变电路理想电压计算模块理想电压计算模块双闭环控制模块逆变电路直流侧电压波形交流测电压、电流波形整流电路Matlab整流电路电池双向DC/DC控制模块直流恒功率负载控制模块详细结构详细结构整流电路DC-AC下垂控制-p/fDC-AC下垂控制-q/vDC-AC下垂控制交流母线电压坐标变换交流母线电流坐标变换输🎧功率计算详细结构详细结构整流电路DC-AC双闭环控制DC-AC电压给定值合成详细结构详细结构整流电路输🎧电流输🎧电压整流电路直流母线电压波形传统Matlab仿真模型，无法生成用于控制硬件系统的C语言程序，需要重新搭建有AD接口和PWM输🎧的能生产C语言的Matlab仿真模型。目

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SCCS的基础设置03Matlab版本在2018以上版本要求Matlab软件操作流程进入ccs界面安装等于或低于

Matlab版本的编译器再次返回Matlab安装第三方插件进入Matlab打开C2000的界面首先准备好软件MATLAB所支持的DSP硬件包，在MALAB下选择附加功能->获取硬件支持包找到

Embedded

Coder

Support

Package

for

TexasInstrumentsC2000Processors，打开界面，选择安装，等待安装完成。安装完成后将自动进入设置界面，先退🎧不着急设置。打开CCS7进行其他编译器版本安装，选择

Install

New

Software...选择Code

Generation

Tools

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

Updates下的ti-cgt-c2000_18.12.1.LTS编译器进行安装。CCS7软件安装时已有自身的ti-cgt-c2000_18.12.1.LTS的编译器了。但是为了更好的匹配MATLAB设置，所以在此安装个低版本的编译器安装完成后，自动重启CCS，可以在工程properties下查看编译器是否安装成功回到MATLAB，选择管理附加功能选择支持器件自动列🎧需要的第三方软件，如果版本不是以下会有Status升级提示；点击Upgrade,可以直接打开软件官网，进行下载升级，完成后点击Next。自动识别controlSUITE路径*选择Validate，自动识别CCS路径选择Validate，自动识别C2000Ware路径选择编译器，默认路径为

C:\ProgramData\MATLAB\SupportPackages\R2018a\3P.instrset\tic2000codegentools.instrset\ti-cgt-c2000_16.9.2.LTS也可以选择CCS软件路径下自己安装的完成所有配置完成上述配置，MATLAB软件就具有了把模型转化为c语言的软件基础，可兼容TI公司2000系列DSP。GDS-2204E示波器功能PSW-1607.2直流输🎧源PEL-3031E电子负载APS-300交流输🎧源PL-500相负载G多PTS-5000操作规程实验原则先开总开关，再开控制板供电开关。先开启红色烧录程序后再开启橙色全载半载空载负载调试不平衡负载阻性负载感性负载LioaiobiocLoadVoltageVoabcVsbisbVsciscVsaisaVdc2

CinVdc1

Cin原理目

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S基于实训平台及PEK540模块的实验04操作流程与硬件平台对应重新搭建能生成C语言的MATLAB模型将已验证成功的仿真控制回路引入至新模型中，再将系统的反馈值修改，为从实际模块（

PEK-540

）中的采样值；根据不同平台与模块的芯片管脚，将PWM信号输出到对应的位置，从而完成软件对平台和实际模块（

PEK-540

）的控制。新建Siumlink工程，以DSP28335开发板为控制目标，新建Simulink文件，在软件库（simulink

library

browser）Embedded

Coder

Support

Package

for

TexasInstruments

C2000Processors中选择C2833X系列元件，放置ePWM预控制管脚硬件原理图第二步，根据选用的不同模块型号，选择要采样的管脚。如下图1；和PWM波控制的信号管口，如下图二。不同模块的采样系数各不相同采样配置采样参数交流测电流，管脚为：ADCINA2~0交流测电压，管脚为：ADCINB6~4直流测电压，管脚为：ADCINB3

直流测电流，管脚为：ADCINB1直流母线侧电压，管脚为：ADCINB2将已有的仿真转换成可直接用于操控硬件的格式将已有的仿真转换成可直接用于操控硬件的格式部分较为常用的锁相环和3/2变换，可以尝试用function模块编码处理。原有的PLL模块，遇到电流或者电压变化，可能会陷入不可解的死循环，导致系统报错，故采用function模块，依据基本原则进行编程处理，可优化运算速度和系统的稳定运行。双向DC-DC闭环控制模块再将DC/AC

主控制回路，转换为新的控制回路。采样系数反馈输入，控制信号输出为硬件管脚的回路。将上述电路整合有simulink

仿真电可对硬件进行反馈，代替原路，就控制整体生成程序原理图第一步，打开MATLAB和CCS，选择MATLAB界面中的