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摘 要

在提高能源利用率和改善环境的背景下，分布式发电及其使用可再生能源的相关技术引起了全球的关注。但新能源技术不能直接提供稳定、连续的电能。为了解决这个难题，新能源领域大规模的应用了储能技术。储能装置能有效地提高电能质量并使不稳定电力平滑输出。因蓄电池和超级电容器分别具有高能量密度和高功率密度的优点，将它们组合成混合储能系统（HESS）可以满足微电网的多种要求。本文采用蓄电池与超级电容混合储能的方案。本文首先选择了合适的混合储能系统的结构，然后提出了直接使用低通滤波器来进行功率初分配的简单方案。为了达到延长蓄电池的使用寿命并充分利用超级电容的大容量的目的，提出了基于超级电容荷电状态（SOC）的功率再分配的优化方案，随后搭建超级电容、蓄电池和主变换电路双向Buck/Boost电路的模型，并按设计要求选择合适的参数进行仿真验证。最后再对整个混合储能系统进行仿真分析。

关键词：可再生能源，混合储能系统，功率管理策略

Abstract

In the background of improving energy efficiency and protecting the environment, distributed generation and related technologies using renewable energy have attracted worldwide attention. However, new energy technologies cannot directly provide stable and continuous electrical energy. In order to solve this problem, energy storage technologies have been applied on a large scale in the new energy field. The energy storage device can effectively improve the power quality and enable smooth output of unstable power. As batteries and supercapacitors have the advantages of high energy density and high power density, respectively, combining them into a hybrid energy storage system (HESS) can meet the various requirements of the microgrid. As using a battery and supercapacitor hybrid energy storage plan,the structure of a suitable hybrid energy storage system was selected firstly, and then proposes a simple solution that uses low-pass filters directly to perform initial power allocation. To achieve the goal of prolonging the service life of the battery and making full use of the large capacity of the super capacitor, an optimization scheme for power redistribution based on the state of charge (SOC) of the super capacitor is proposed. A bi-directional Buck/Boost circuit for supercapacitors and batteries were built as a main conversion circuit. Model and select the appropriate parameters according to design requirements for simulation verification. Finally, simulate and analyze the entire hybrid energy storage system

KEY WORDS: renewable energy, hybrid energy storage system,energy management

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.2储能技术发展现状 1

1.3混合储能技术的应用现状 3

1.4课题主要研究内容 4

第二章 混合储能系统的结构及其控制策略 5

2.1混合储能系统拓扑结构分析 5

2.1.1无源式混合储能系统 5

2.1.2有源式混合储能系统 6

2.1.3交直流混合微网 7

2.2混合储能系统的分级功率控制策略 8

2.2.1混合储能系统的功率初次分配 9

2.2.2基于超级电容荷电状态（SOC）的功率再分配控制方法 9

2.2.3储能装置的过充过放协调控制策略 11

2.2.4最大功率限制策略 13

第三章 混合储能系统的主电路双向DC/DC变换器的研究 15

3.1双向DC/DC变换器工作原理 15

3.2双向Buck/Boost变换器建模分析（boost模式） 16

3.2.1状态空间平均法建模分析 17

3.2.2小信号建模分析 18

3.3 双向Buck/Boost变换器的参数设计与分析 20

3.3.1 变换器的参数计算 20

3.3.2 闭环控制器设计 20

3.3.3主电路稳定性分析 24

第四章 蓄电池和超级电容的建模及仿真 26

4.1铅酸蓄电池 26

4.1.1铅酸蓄电池基本工作原理 26

4.1.2铅酸蓄电池的三阶动态数学模型 26

4.2超级电容器 28

4.2.1超级电容的基本原理 28

4.2.2超级电容的数学模型 29

4.3蓄电池和超级电容的充放电仿真分析 30

第五章 混合储能系统功率管理策略的仿真分析 32

5.1仿真参数设置 32

5.2 仿真模块图 32

5.3仿真结果及分析 34

第六章 结论 37

6.1论文总结 37

6.2主要不足 37

致谢 38

参考文献 39

第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

可再生能源的大规模开发和利用是应对全球化石能源危机及由此引起的环境污染问题的重要举措。由于风能和太阳能等可再生能源存在不确定性和反峰特征，可再生能源的大规模集成为电力系统的可靠性运行和安全性带来了巨大的挑战^[1]。此外，自然界当中的风能和太能的大幅削减使得可再生能源的利用率长期处于较低水平。因此，如何保证安全、高效、经济性的大规模使用可再生能源已经成为了当今微电网建设的关键问题。

微电网由分布式发电、负载、储能及其他单元组成，微电网可以实现系统的内部控制和管理。直流微电网作为微电网的一种特殊形式具有更好的电能质量和更简单的结构，而且比交流微电网更容易实现电网中每个元件的协调控制。因风力涡轮机和光伏等分布式发电机的输出电能呈现随机性和间隙性，储能装置已成为提高电能质量、保持系统稳定运行和不间断电源的关键部分。随着储能技术的发展，未来配电网的主要形态变为基于储能元件、以直接用户为单位的低压直流微电网。

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