面向混合储能的有源阻抗网络功率变换系统基础问题研究

The main problem in the hybrid energy system is how to achieve integrated improvement in efficiency, reliability, dynamic performance, cost advantage and other aspects. This project treats energy storage devices as a part of power electronic topologies in overall design and builds the power conversion system based on active impedance networks for hybrid energy storage. By integration research method, the study of topology evolution, system protection, control strategy and other aspects will be enhanced. The main contain are as follows: 1.The topology formation rules of active impedance networks are the premises of the project. The basic units and evolution of the topology will be concluded by comparing to the passive systems. The fundamental analysis methods of active impedance network systems will be proposed, based on analysis of commutation circuit and power transformation modes. 2. The transient behaviours in hybrid energy storage system with single-stage configuration is the key part of the project. The system will be viewed as a combination of switching network, impedance network and energy storage network. The generation rules of transient behaviours such as transient commutation, anomalous pulse will be further studied and then the system protection mechanism will be proposed. 3. Aiming for coordinated operation of the ac side and energy storage link, a coordinated control strategy will be proposed based on the combination of the shoot-through vector in pulse sequence. Researches above aims to build a hybrid power conversion network, which would be the theoretical support for the extension of the high performance hybrid energy storage application.

如何实现效率、可靠性、动态性能及成本优势等方面的综合提升是混合储能系统面临的主要问题。本项目将储能介质作为电力电子拓扑的组成部件纳入整体设计，构建面向混合储能的有源阻抗网络功率变换系统。通过集成化研究方法，使拓扑演化、系统保护、控制策略等方面的研究得到深入。具体内容为：1. 以有源阻抗网络拓扑形成规律为研究前提。对比无源系统，归纳拓扑基本单元与生成规律；聚焦换流回路及功率转换方式等方面的差异，提出有源阻抗网络系统基础分析方法。2.以单级结构混合储能系统内部暂态行为作为关键内容，揭示开关网络、阻抗网络、储能网络组合后瞬态换流、异常脉冲等暂态行为的变换规律，保障系统安全、可靠运行。3. 以交流侧与储能环节的协调运行作为研究核心，对脉冲序列中直通矢量的生成方法进行新的概括，提出系统协调控制策略。通过研究旨在从单一功率转换设备跃升为混合功率阻抗网络变换系统，为高性能混合储能系统的推广提供理论支撑。

如何实现效率、可靠性、动态性能及成本优势等方面的综合提升是混合储能系统面临的主要问题。本项目目标是研究储能介质与阻抗网络变换器的融合匹配规律，将阻抗网络变换器从分立式功率处理单元跃升为多端口混合功率网络变换系统。在很好的完成①拓扑形成规律与运行机理②系统暂态行为特征③系统协调控制策略等三个既定研究内容的基础上，围绕全局系统优化以及大容量变换器内寄生的阻抗网络特性进行了延伸与实际应用研究。所有制定的指标已全部达成，部分指标超额完成。研究成果实现了基于阻抗网络变换器的复合能源系统在转换效率、可靠性以及动态性能等方面的综合提升。. 在计划研究内容中，首先通过引入多种储能介质构造了基于传统阻抗网络变换器的超级电容-电池混合储能集成系统。并且由特殊到一般，归纳形成混合储能阻抗网络的基础分析方法。其次，针对集成系统的瞬态电流行为特征，提出了直通电流组合测量与保护方法，构建了针对储能元件的瞬态电流估计方案。形成的直流母线二次功率脉动有源抑制策略，降低电容与电感值分别达到77%与25%，有效提高了可靠性及功率密度。最后，提出了高性能控制方法与分频协调控制策略。揭示了阻抗网络变换器与交流网之间的阻抗匹配规律，阐述了造成谐振现象的直接原因。提出的电流环路的设计准则从多方面综合改善了系统的动态与稳态性能。以上相关研究成果表明课题组很好地完成了既定研究目标。. 同时开展了围绕阻抗网络综合特性的拓展研究。一方面，建立阻源网络变换器损耗模型，提出以最优效率为目标的储能系统控制策略，实现整体损耗降低40%以上。另一方面，提出大容量系统多端口阻抗网络谐振机理分析及谐波抑制方法。相应研究成果已应用于国内知名电力装备制造企业的产品中，有效解决了由分布参数引发的阻抗网络谐振问题。. 综上所述，本项目将储能介质作为电力电子拓扑的组成部件纳入整体设计，通过集成化研究方法，使运行机理、系统保护、控制策略等方面的研究得到深入，构建出了兼具动态响应、成本、可靠性等方面优势的新型混合储能系统，实验验证与实际应用均表明了所提理论及技术方案的可行性与实用价值。