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研究生: 石閔存
Min-Cun Shih
論文名稱: 具雙向能量控制之儲能系統研製
Development of Energy Storage System with Bidirectional Energy Control
指導教授: 吳瑞南
Ruay-Nan Wu
口試委員: 張宏展
Hong-Chan Chang
郭政謙
Cheng-Chien Kuo
謝宗煌
Tsung-Huang Hsieh
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電資學院 - 電機工程系
Department of Electrical Engineering
論文出版年: 2015
畢業學年度: 103
語文別: 中文
論文頁數: 91
中文關鍵詞: 單相市電併網儲能系統雙向直流-直流轉換器雙向直流/交流換流器數位信號處理器
外文關鍵詞: Bidirectional power converter/inverter, Energy Storage System, Single-phase grid connection, Digital Signal Processor
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  • 本文主旨為研製以數位訊號處理器為基礎的雙向能量控制儲能系統,因家庭用電會有尖峰時段與離峰時段或者電價高低的不同,故本文的儲能系統應用於智慧家庭內用來協助家庭電能管理系統進行電力調配。系統架構包括雙向全橋式換流器、直流鏈電容、雙向直流轉換器及蓄電池。本文的特色為可依據家庭電能管理系統對儲能系統所做的能量排程結果,經由雙向的功率轉換器來即時性調整蓄電池的充/放電量,達到即時性的家庭電能管理進而提高削峰填谷的效果減少用戶端的購電成本。
    本文的電路控制策略:雙向全橋式換流器使用預測式電流控制法控制市電端電流進行總能量控制,操作模式分為市電併聯模式與功率因數修正模式。市電併聯模式:將直流鏈電容的能量透過換流器換流產生與市電相同振幅與頻率的交流電。功率因數修正模式:將市電的能量透過換流器整流後饋送至直流鏈電容端。而雙向直流轉換器介於蓄電池與直流鏈電容間,操作模式分為昇/降壓模式,透過比例積分穩壓機制負責直流鏈電容穩壓。
    本文以高性能的數位信號處理器(德州儀器生產的TMS320F28335)做為整體系統的控制核心,整體系統的能量管理及控制策略皆由軟體完成達到數位化控制,減少硬體電路降低成本。本文已完成350W且雙向輸出能量控制之儲能系統,實驗結果驗證本文理論分析及控制策略的正確性與可行性。


    The objective of this thesis was to develop an “Energy Storage System with Bidirectional Energy Control” based on conventional Digital Signal Processor. For household electricity, there will be some difference due to peak/light load or higher/lower electric rate, so the Energy Storage System in this thesis was applied in smart home to support Home Energy Management System to adjust and allocate power. The Energy Storage System includes bidirectional full bridge inverter, DC bus capacitor, bidirectional DC converter and battery. The feature of this system is to use the bidirectional power converter to adjust the charging/discharging time of the battery according to the energy plan scheduled by the Home Energy Management System to achieve instant home energy management and then enhance peak-shaving effect in order to reduce power usage and cost.
    The control strategy of the circuit is to use the bidirectional full bridge inverter with Predictive Current Control method to dispatch the current from the AC-grid. The operating mode can be divided into Grid-Connected mode and Power Factor Correction mode. While Grid-Connected mode enables the inverter to invert the power of the DC bus capacitor through the inverter to generate sinusoidal wave identical to the AC-grid, Power Factor Correction mode enables the inverter to rectify the power of the AC-grid through the inverter and feed it to the DC bus capacitor. On the other hand, the bidirectional DC converter is placed between the battery and the DC bus capacitor, and the operation mode can be set into Buck/Boost converter mode to regulate the voltage of the capacitor by using PI voltage regulation technique.
    The central core of the Energy Storage System is a high-efficiency Digital Signal Processor (TMS320F28335 produced by Texas Instruments.) The energy management and control strategies were accomplished by software in order to reduce the cost of hardware circuitry. Furthermore, this thesis has designed a 350W “Energy Storage System with Bidirectional Energy Control” and proved the feasibility of the thesis.

    中文摘要 Abstract 致謝 目錄 圖目錄 表目錄 第一章 緒論 1.1 研究背景與動機 1.2 文獻探討 1.3 本文大綱 1.4 系統架構 第二章 雙向全橋式換流器 2.1 雙向換流器架構介紹 2.1.1 全橋式 2.1.2 半橋式 2.2 正弦脈波調變寬度介紹 2.2.1 單極性電壓切換 2.2.2 雙極性電壓切換 2.3 濾波電感與電容設計 2.4 功率因數修正模式 2.4.1 功率因數修正模式-電源正半週分析 2.4.2 功率因數修正模式-電源負半週分析 2.5 市電併聯模式 2.5.1 市電併聯模式-電源正半週分析 2.5.2 市電併聯模式-電源負半週分析 2.6 預測式電流控制法 2.6.1 預測式電流控制法推導-功率因數修正模式 2.6.2 預測式電流控制法推導-市電併聯模式 2.7 參考電流值的建立 第三章 雙向直流/直流轉換器 3.1 雙向直流/直流轉換器架構介紹 3.1.1 非激磁隔離型 3.1.2 激磁隔離型 3.2 濾波電感與電容設計 3.2.1 昇壓(Boost)模式分析 3.2.2 降壓(Buck)模式分析 3.3 比例積分控制器介紹 3.3.1 比例積分微分控制器介紹 3.3.2 類比式比例積分控制器設計 3.3.3 數位式比例積分控制器設計 3.4 數位式比例積分控制器-直流鏈電容穩壓機制 3.4.1 昇壓(Boost)模式 3.4.2 降壓(Buck)模式 第四章 硬體與軟體架構 4.1 硬體電路架構 4.1.1 氧化鋰鐵磷電池 4.1.2 主電路系統規格 4.1.3 閘極驅動電路 4.1.4 RCD緩振電路(軟切換) 4.1.5 單相隔離變壓器 4.1.6 直流鏈電容電壓與蓄電池電壓回授電路 4.1.7 交流電流與直流電流回授電路 4.1.8 市電併聯控制電路 4.1.9 直流鏈電容電壓預充電路 4.1.10 零點交越與交流電壓回授電路 4.2 軟體架構 4.2.1 數位訊號處理器介紹 4.2.2 數位訊號處理器-訊號回授示意圖 4.2.3 系統軟體規劃 4.2.4 UART傳輸 第五章 實驗結果與討論 5.1 儲能系統於釋能模式(換流器操作在市電併聯模式與轉換器操作在昇壓模式) 5.2 儲能系統於儲能模式(換流器操作在功率因數修正模式與轉換器操作在降壓模式) 5.3 能量回授控制法驗證-功率-時間變化圖與能量累積圖 第六章 結論與未來展望 6.1 結論 6.2 未來展望 參考文獻 附錄

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