储能设备在微电网中的应用(毕业设计论文).docx

本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：储能设备在微电网中的应用储能设备在微电网中的应用摘 要现今，各种储能设备能够在技术性能上满足诸多应用需求，其在微电网中的应用已变得极为重要。本设计主要对各种储能设备的性能，储能设备应用于微电网的方法，储能设备在微电网中所起的作用与功能进行了研究。首先，本文简单阐述了微电网的原理和结构，总结了微电网运行中对各部分组成的技术要求和其控制方法，主要介绍了储能技术的应用原理以及其在微电网中应用的重要意义。然后，对各种储能设备的基本结构、一般原理进行了介绍，描述了各种储能系统的特性，对各种储能设备的在各种环境中应用的优势和局限性进行了分析比较。其次，分析了储能系统的共同点，建立了储能系统的一般数学模型，研究了其作为微电源和储能设备如何在微电网中应用，设计了相应的控制系统，论述了储能系统如何进行容量的选择。再其次，对超导磁储能设备在微电网中的应用进行了仿真分析，建立了微网中超导磁储能设备的模型及控制系统，对超导磁储能设备改善负荷端电压这个重要应用进行了仿真分析，得出了超导磁储能设备可以很好地在微网中发挥作用的结论。最后，设计总结了本次研究的结果，得出了储能设备在微电网的应用中能起到重要作用的结论。关键词：微电网；储能技术；飞轮储能；铅蓄电池；smes毕业设计说明书（毕业论文）energy storage devices in the application of the microgridabstractnowadays, various energy storage devices are able to meet various application requirements on the technical performance, their applications in the microgrid has become extremely important. this design is mainly study the performance of the kinds of energy storage equipment, the way of storage equipment applied in micro grid, the role and function of energy storage equipment in micro grid. first of all, this article simply expounds the principle and structure of the micro grid, summarizes the micro grid in the operation of the technical requirements of the various parts and its control method, it mainly introduces the application of energy storage technology principle and the significance of its application in the micro grid.then, for a variety of basic structure, general principle of energy storage devices are introduced, describing the characteristics of the various energy storage systems, for a variety of energy storage device of the advantages and limitations of application in various environments is analyzed and compared.secondly, analyzed the energy storage systems have in common and to establish the mathematical model of the studied it as a micro power and energy storage equipment how to application in the micro grid, the corresponding control system were designed, the capacity of energy storage system is expounded in the paper how to choice.third, the application of superconducting magnetic energy storage equipment in micro grid has carried on the simulation analysis, established the chinese super micro network model of the magnetic energy storage device and control system, the superconducting magnetic energy storage equipment to improve the load voltage of the important application on the simulation analysis, obtained the superconducting magnetic energy storage device may well play a role in micro.the last, the design summarize the results of this study, come to the conclusion that the energy storage device is obtained in application of micro grid can play an important role.key words: microgrid; energy storage technology; flywheel energy storage; lead-acid battery; smes毕业设计说明书（毕业论文）目 录摘 要iabstractii目 录iii第一章 绪论11.1 研究背景11.2 微电网技术概述11.2.1 微电网的概念11.2.2 微网的基本结构11.2.3 微网的运行与控制31.3 储能设备在微网中的重要作用41.3.1 储能技术的一般原理41.3.2 分布式储能的优点41.3.3 储能设备在微网中的重要作用4第二章 微电网中各种储能设备的特性72.1 储能设备的分类72.2 飞轮储能82.2.1 飞轮储能设备的结构82.2.2 飞轮储能的原理92.2.3 飞轮储能的特性102.3 铅酸电池储能122.3.1 铅酸蓄电池的结构122.3.2 铅酸蓄电池的原理132.3.3 铅酸蓄电池的三阶动态电气模型142.3.4 铅酸蓄电池的三阶动态数学模型142.4 超导磁储能192.4.1 超导磁储能设备的结构192.4.2 超导磁储能设备的原理192.4.3 超导磁储能的响应速度202.4.4 超导磁储能的容量202.4.5 超导磁储能的选择212.5 其它储能技术212.5.1 其它机械储能方式212.5.2 其它化学储能方式212.5.3 其它电磁储能方式22第三章 储能技术在微网中的应用原理233.1 储能系统的模型建立233.1.1 储能系统的共同点233.1.2 储能系统的简化模型243.2 储能系统在微电网中的应用途径与可行性研究253.2.1 储能系统应用于微电源253.2.2 储能系统应用于储能设备263.3 储能系统的控制方法263.3.1 储能系统的工作模式263.3.2 储能系统的控制策略273.4 微网中储能设备容量的选择303.4.1 选择储能容量时的要求303.4.2 储能设备容量的选择方法303.4.3 微网中储能设备容量选择方法313.5 储能设备间的配合32第四章 储能设备在微电网中应用的仿真分析334.1 微网中 smes 模型的建立334.1.1 smes 类型的选择334.1.2 smes 模型的建立334.1.3 smes 改善负荷端电压的控制系统334.2 仿真系统的建立344.2.1 仿真系统结构示意图344.2.2 仿真系统模型的建立354.2.3 仿真参数的选择364.3 仿真结果与分析37全文总结42参考文献43致谢45 第一章 绪论1.1 研究背景人类社会进入21世纪，由于有限的化石能源的逐步消耗殆尽和环境污染的日益严重，人们呼吁建立可再生的清洁能源来取代现有的能源结构，于是以太阳能光伏发电技术和风力发电技术为主的新能源技术被建立起来并且迅猛发展。风能、太阳能等新能源发电是具有波动性和随机性的，所以人们在分布式电源的基础上提出了微电网的概念。其中，储能设备无疑是微电网中最重要的组成部分之一。随着电力电子技术与材料技术不断地发展，储能设备的效率、能量密度、响应速度和容量等不断提高。在智能电网的建设中，应用储能设备可以使新能源发电的电力稳定而可靠地并入电网，因而为了使新能源发电能为用户提供高质量的电力，储能设备是必不可少的，储能设备的发展也是势不可挡的。储能设备可以大致分为机械储能、电化学储能和电磁储能三大类。但是各种储能设备都有它自己的优势和局限，因而针对不同的应用领域与发电要求，应当使用不同的储能设备。1.2 微电网技术概述1.2.1 微电网的概念分布式发电在降低能耗、提高电能质量和供电可靠性的同时也可能会引起电网电压和频率的偏移而给电网安全运行带来威胁。为了解决分布式发电对配电网带来的影响，美国可靠技术解决方案协会（certs）1把分布式发电与负荷组合作为配电的子系统，提出了微电网的解决方法与其概念：微电网系统由负荷和微电源共同组成，并且可以同时供能和供热；相对于大电网微电网表现为单一的受控单元，它可以保证用户电能的质量和供电安全；微电网内部电能的转换和控制主要由电力电子器件提供。微网(microgrid)是微电网的简称。1.2.2 微网的基本结构微网的一般结构2如图1.1所示，它的结构一般有微电源、能量管理系统、储能设备和负荷四个部分，可以根据实际的应用进行增减。燃料电池微型燃气轮机可中断负荷供热敏感负荷光伏电池微型燃气轮机外部电网图1.1 微网结构示意图如图1.1所示，微网的网络结构呈辐射型，其中包括了一条母线和三条馈线，并且，馈线通过主分离器和外部配电网相连。a、b、c三条馈线通过微网的主隔离装置与外部电网进行联结，主隔离装置一般为一个静态开关，开关的附近设有公共连接点pcc（point of common coupling）。微网通过主隔离装置可进行并网运行与孤岛运行的切换。1）图中虚线表示的是能量管理器的信息传输线，连接着各个分离器与微电源，可以综合分析整个微网网络。图中方框代表潮流控制器，在微网中，负荷是实时的变化的，潮流控制器的作用是根据本地的电压与频率调节线路的潮流，这时，微电源为了保持功率的平衡可以相应增减其输出功率。2）图中圆圈表示的是微电源。微电源按所发出的电的性质可分为直流电源、交直交电源和工频交流电源。图中画出的光伏电池、燃料电池都属于直流电源，需要经过升压与逆变后才能进行并网。图中画出的微型燃气轮机所发出的电虽然是交流电，但需要整流然后进行逆变，将微轮机发出的高频电能经过交直交转换成工频电源才能进入微电网，所以，它属于交直交电源。另外，有的微电源本身就属于工频交流电源，如风力发电机和一些小功率的发电机，它们都属于鼠笼式感应电机。3）馈线a由光伏电池提供电能，以解决其敏感负荷的问题；馈线 b 上是可中断负荷，因而可以不用配置专门的微电源；馈线c的可调节负荷可以采用微型燃气轮机与燃料电池联合供电。4）在微网中，微电源所提供的总功率和负荷需求是动态变化的，并非任何时候都达到了平衡。在不能达到平衡的时候，微电网通过储能设备吸收或释放能量来平衡系统能量的富余或不足。储能设备能够使微网在自治运行的时候更加安全、高效和可靠，可以使微网向负荷提供的电能质量更高。1.2.3 微网的运行与控制微网有两种运行状态：外部无故障时，微网与外部电网连接，这时的运行状态称为并网运行；外部发生故障时，微网与外部电网分离，这时的运行方式称为孤岛运行。并网运行时，微网中负荷的能量由主网提供。孤岛运行时，由于主网不能再为微网提供电能，为了保证重要负荷的功能，这时微网中的负荷所需的电能都是微网中的微电源所提供的。微电网需要有既完善又稳定的控制系统，才能增加运行的可靠性，并且能输出高质量的电能。在微网中，微电源的个数往往很多，要用单一的中央控制器控制整个系统并且能够应对变化是很难的。因此，微电网必须能够在电网事件中自己收集本地信息，然后自主做出响应。比如，由于故障或停电而发生电压跌落时，微电网可以利用本地的数据信息，自主地进行独立运行的转换，而不需要和传统控制方式那样的统一调度。微网的运行与控制应当能够自主的选择运行方式，从而可以平滑地与外部电网并网和分离，而且一个其它电源的接入应当不会影响到系统的运行。另外，微网还有许多优异的特性，对有功和无功功率进行单独控制、平衡系统功率、抑制电压跌落。一般来说，微电网有以下几类控制方式3：1）基于电力电子技术的 控制方法，比如“即插即用”。该方法简单，而且具有可靠性，容易实现。但是这种方法的应用范围比较狭窄，只是针对微电源在电力电子方面的控制，因为没有考虑微电网系统的电压和频率恢复的问题，使得在微网在受扰动时不能稳定系统的频率。2）基于功率管理系统的控制。这个方法满足了系统频率稳定性的要求，系统的有功和无功功率由它分别开来并且单独控制。这种多控制方法可以使控制系统更加灵活，性能更加优越。这个方法的缺点是不能协调地与调速发电机相结合控制系统。3）使用多代理技术的方法控制系统。由于采用了多代理控制技术，能够分散控制微电网系统的反应能力和自制性能，这个方法的缺点是不能进行频率和电压的控制。 1.3 储能设备在微网中的重要作用近年来，各国能源、电力、交通等部门都非常重视对于研究和发展储能技术的研究与发展，我国也非常重视储能技术的发展。发展与创新储能技术对于我国的电力产业和交通产业具有决定性意义。1.3.1 储能技术的一般原理储能技术就是把多余的电能通过物理、化学等方式储存起来，在需要的时候释放的技术方法。储能技术按照储能方式的不同可以分为三大类，例如抽水储能、飞轮储能、压缩空气储能等属于物理储能；例如氧化还原液流电池、铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池等属于化学储能；例如超级电容器储能和超导电磁储能等属于电磁储能。目前，储能技术可用于解决风光发电并网时对电网的影响问题。主要有两方面：从电网的角度来看，能够提高电网的灵活性；另外，从分布式电源的角度来看，可以为微网中的分布式电源配备储能设备。储能技术在分布式电源并网中也有着重要的应用，储能设备能够通过适当的充放电来使电源能平滑地输出功率，以减小其对电网的不良影响。1.3.2 分布式储能的优点分布式储能具有很多优点： 分布式储能系统是模块化的系统，所以，它能够快速地组装，并且灵活性好，现场安装更加简便，可以实现多功能。分布式储能系统有利于降低发电过程中化石燃料的消耗，减少废气的排放，所以相对减少了电力系统的环境污染。与普通的储能方式相比，分布式储能有更高的能量转换效率和响应速度。分布式储能有利于提高发电和输电过程中的能量利用率并且提高系统运行的经济性。1.3.3 储能设备在微网中的重要作用1） 短时供电在微电网运行中有两种运行模式：并网运行模式和孤岛运行模式。并网运行模式是在外部电网系统正常运行的时候微电网所处运行状态；孤岛运行模式是当外部电网发生故障或者电能质量发生变化并且被微电网所检测到，从而微电网与外部电网断开联结，进入独立运行状态。在这两种运行模式的转换过程中，微电网往往会存在一定的功率缺额，解决功率缺额的方法就是在微网系统中配备一定数量的储能设备，它们的作用就是储存能量，以保证这两种模式的转换能够平稳过渡，从而保证系统的稳定运行。在新能源发电中，经常会由于外界环境条件的变化而出现没有电能输出的情况，例如光伏发电遇到的夜间无光源的情况和风力发电中的没有风吹过的情况等，这个时候就需要储能系统向微电网系统中的用户进行持续的供电。2） 电力调峰微网中的微电源一般由分布式电源组成，在遇到外界环境变化的情况时，它们的发电量往往会发生波动。在这个时候，如果微电网规模太小以至于系统没有比较强的调节能里，系统震荡和负荷波动将会导致微网不能稳定运行，严重影响系统。如果用调峰电厂来调节系统中的峰值负荷，虽然可以解决这个问题，但是调峰电厂运行昂贵，实现比较困难。图1.2 电网电力需求图如果在微网中安装储能设备，就能够有效的解决调峰的问题。如图1.2所示，储能系统解决了电力负荷需求的峰值问题，在负荷低谷期，系统中的储能设备可以储存多余的电能，再在负荷的高峰期回馈给微电网，从而调节了负荷对电力功率的需求。另外，储能设备使电网不必再设立专门的峰值负荷调节发电机组，它充分利用了负荷低谷期的多余电能，节约了电能。所以，作为微网的功率缓冲环节，储能系统对于微网的作用越来越重要。如图1.2所示，实线代表没有配置储能设备时的电网电力需求，高峰期和低谷期明显。储能设备用于电力负荷不平衡时，在用电量低时储电，而在用电高峰时送电。当系统中配置了储能设备过后，电网电力需求就如同图中虚线所示，变得较为平滑，由此可见，储能设备具有调节电力负荷平衡的作用4。3） 改善微电网电能质量微电网要作为一个电源与外部大电网并网运行，就必须要能应对电压闪变、电流谐波畸变、功率因数变化和电压不对称的要求。除此之外，微电网必须保证电压和频率不会经常出现波动，而且不能有太多的停电事故，这样微电网中的负荷才能得到较高的电能质量。储能设备能够提供有功功率和无功功率，并且通过控制并网逆变器，能有效地调节它的输出，保证电能质量。所以，储能设备在提高微网电能质量中发挥了及其重要的作用5。在微电网中如果有光伏发电或风能发电等微电源，外界环境的变化可能会使微电源的输出功率发生变化，从而导致电能质量的下降，发生电压骤降或跌落的问题。这时，如果为微电源加上储能设备，就能解决这个问题。使用了储能设备，就能提供一个快速功率缓冲，吸收或供电，提供有功功率，有功或无功功率的补偿，就能稳定，平滑电网电压的波动。文献6证明了利用储能系统可以解决微电网中电压骤降等电能质量问题。另外，当微电网处于并网运行状态时，储能系统可以削弱负荷高峰，补偿谐波电流；当微电网处于孤岛运行状态的时候，储能系统可以在微电网断开大电网后保持电网电压稳定。第二章 微电网中各种储能设备的特性2.1 储能设备的分类现今，越来越多的储能方式被人们开发出来，储能设备如果按照其储能原理的不同可以分为三类，即机械储能、化学储能和电磁储能。目前，主要的机械储能方式有抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能等，主要的化学储能方式是各类蓄电池，包括各类铅酸电池、液流电池、钠硫电池和锂离子电池等主要的电磁储能方式有超导储能和超级电容器储能等。时至今日，各种各样的蓄电池被用于储存电能。蓄电池能够将电能转化为化学能进行长期保存，而且它价格低廉，经济效益高。但随着工业的发展，化学储能过程中产生的环境污染与腐蚀问题已经不能忽视。压缩空气储能的原理是在一个密闭的高压容器内压入空气，释放压缩空气时空气会推动活塞或汽轮机，从而产生电能。这种储能方式一般在废弃的矿井或者洞穴里才能进行，而且改造这样的洞穴成本很高，一般需要花费两年左右的时间才能完成。抽水蓄能是在负荷较低时从下水池向上水池抽水，将电能转化成势能储存起来，在负荷较高的时候利用上水池的水来发电。抽水蓄能是目前比较成熟的储能方式，而且利用率很高，它的运行简单，有较长的使用期，不过效率很低。飞轮储能以动能的形式存储能量，经过功率变换器，完成机械能与电能之间的互相转换。飞轮储能循环使用寿命长，工作温区较宽，无噪声，无污染，最大容量已达到5kwh。超导储能几乎不会对环境造成污染，而且储存的效率非常高。它的原理是把能量储存在一个磁场中，这个磁场是由超导线圈产生的，能量几乎不产生损耗。不过，超导线圈的超导现象要在极低的温度下才能实现，而维持这样的低温状态需要非常昂贵的费用。钠硫电池充电迅速，电池功率的密度也非常高。但是钠硫电池只能在钠和硫都处于液态的高温下才能运行（即在达到320度左右的温度），如果陶瓷材料的电介质发生破损，电池内部就会形成回路，这时高温的液态钠和硫就会相互接触，发生剧烈反应而产生超过2000的高温，非常危险。所以各种储能方式都有自己的优点和缺点，有不同的特性和应用方向。从表2.1可以看出，不同的储能设备有着不同的功率密度和反应时间，对于不同的储能设备，要想在电力系统中应用，也存在不同的技术上的要求，其外，它们的应用方向也不同。所以，根据不同的储能设备的特性，还有不同的应用环境，来选择最适合、最有经济性的储能设备是极其有必要的。表2.1 各储能形式的应用方向7储能类型额定功率反应时间应用方向机械储能抽水蓄能1002000mw410h日负荷调节，频率控制和系统备用压缩空气储能100300mw620h发电厂调峰，系统备用电源飞轮储能5kw1.5mw15s15min调峰，频率控制，ups，电能质量调节，输配电系统稳定性化学储能铅酸电池1kw50mw1min3h电能质量调节，频率控制，备用电源，黑启动，ups液流电池100kw100mw120h电能质量调节，备用电源，削峰，能量管理，再生能源集成钠硫电池kw级mw级min级h级各种应用均可电磁储能超级电容器储能1100kw1s1min电能质量调节，输配电系统稳定性超导电磁储能10kw1mw5s5minups，电能质量调节，输配电系统稳定性2.2 飞轮储能在各种与能源有关的系统当中，飞轮储能都有着非常广阔应用。飞轮储能设备在电力系统中可以用于调峰、ups或与新能源发电结合，用以稳定输出功率。2.2.1 飞轮储能设备的结构如图2.1所示，飞轮储能设备一般由以下5部分组成8：1） 用于支撑转子旋转的轴承系统；2） 飞轮转子，主要由高强度的复合纤维材料组成，是储存能量的主体；3） 真空室，用于减少风力损耗，提高飞轮转速，保证安全；4） 用于转换能量和功率的电动机和发电机复合体；5） 电力转换器，作用是将输入电流转化为直流电输入电机，或对设备的输出电能进行调频整流后输出给负载。其中，飞轮储能设备的核心组成部分是转子、电机和电力转换器。图2.1 飞轮储能设备的结构2.2.2 飞轮储能的原理飞轮储能系统用电动机为飞轮加速，使其旋转，这样能将电能转化为机械能然后储存在飞轮中，当需要能量的时候，发电机将飞轮降低速度，将机械能转化为电能，然后重新充电。电机的转子和飞轮的转子是连接在一起的，飞轮充电（储能）时，电机作为电动机驱动飞轮旋转到一个很高的速度，使电能转化为机械能，然后在飞轮放电（释能）时，电机又作为发电机，通过降低飞轮的速度把飞轮的旋转动能转化为电能。电能的存储与释放，就是通过飞轮的增速和减速来完成的。飞轮储能设备的实际原理就是电能到机械能再到电能的转化，图2.2展示的是它的原理框图。飞轮电动控制及发电品质调节电能输出电能输入发电机/电动机图2.2 飞轮储能工作原理在飞轮储能设备的工作过程中一共有三种工作模式：1）飞轮充电模式：使用交流电源供电，电机在飞轮控制器的控制下使飞轮的转速达到最高转速。2）飞轮能量保持模式：飞轮保持最高转速运行状态，需要依靠一定的交流电输入。3）飞轮放电模式：飞轮降低转速，使发电机发电，为电网提供不间断电源。2.2.3 飞轮储能的特性研究飞轮储能的特性应当分为两部分，一是充电特性，二是放电特性。但是由于飞轮充放电时转速的特性，两个部分只有在转子的运动方程上有一些不同。一个绕着中心轴旋转的薄圆盘形飞轮，如若飞轮旋转时的角速度为，那么它所具有的动能可以表示为： (2.1)式中j为飞轮的轴转动惯量。在飞轮受到正向的不平衡转矩的作用时，飞轮会加速直至最高工作转速，同样，在受到反向的不平衡转矩的作用时，又会减速直至最低工作转速，在充电与放电的循环中，飞轮有一个最高转速和一个最低转速，所以可以用式(2.2)表示飞轮所能储存的最大能量： (2.2)j表示飞轮的转动惯量；与分别表示飞轮的最高转速和最低转速。在不计算损耗的情况下，飞轮的有效功率可以表示为： (2.3)m为飞轮的转矩。飞轮的转子运动方程可以表示为： (2.4)表示电磁转矩；表示负载的转矩；j表示飞轮的转动惯量；b表示摩擦系数；是飞轮转动时的角速度。总的电磁转矩是总的飞轮转矩克服了负载转矩以及阻尼转矩之后的转矩。在飞轮释放能量时，飞轮转子旋转的速度从高速运转的状态逐渐降低，转子方程应为： (2.5)前的负号表示转速逐渐变小。此时，总的电磁转矩是总的飞轮转矩克服了负载转矩以及阻尼转矩之后的转矩。文献9给出了飞轮储能系统充放电过程仿真分析的结果，在仿真中，假设系统和功率开关都处于理想的工作状态，不考虑功率损失和延时，设置参数转子转动惯量为；直流电压；电动势常数；内阻；，所得到的电机转速仿真波形图如图2.3所示。图2.3 充电过程电机转速仿真波形图2.4 充放电完整过程电机转速仿真波形假设仿真时间定为6s：前2s为飞轮系统充电，然后在24s钟飞轮维持转速，处于速度保持状态，在4s时刻电源输入停止，并且开始放电，图2.4所示的曲线展示了这个充电、保持和放电的全过程。2.3 铅酸电池储能目前，人们已经研究出来的电化学储能电池多中多样，其中以铅酸蓄电池应用最为广泛。大规模的铅酸蓄电池可用于太阳能风能等新能源发电系统中，调节电能质量，也可用于峰值调节。2.3.1 铅酸蓄电池的结构铅酸蓄电池的电极由铅和铅的氧化物制成，正极的主要成分是二氧化铅，负极的主要成分是铅，并且用硫酸溶液作为电解液。但在放电状态下，正负极的主要成分均变化为硫酸铅。铅酸蓄电池的电压稳定、价格便宜，但是它的比能(即储存的电能比上电池的质量)低，电池的使用寿命相对较短，并且日常维护比较麻烦。老式的蓄电池需要经常检查电解液高度，定期添加蒸馏水，其寿命约两年。不过，随着科技的发展，铅酸蓄电池也变得维护简单、寿命更长了。因为蓄电池制造技术的不断发展，铅酸蓄电池的维护也越来越简单，在正常使用时，两三年间都不用再添加电解液或蒸馏水。铅酸蓄电池的顶部有6个塑料密封盖，密封盖上有通气孔，并且可以拧开，它的作用是检查和注入电解液，排放电池中的多余气体。目前，在铅酸电池中性能最为优越的是阀控式密封铅酸蓄电池（vrla），vrla电池在结构特性上是完全密封的。在许多铅酸电池充放电时，会产生酸雾，腐蚀设备、污染环境。但是vrla电池不会漏酸，所以比较清洁和安全。它的结构及其各部分的作用如表2.2所示：表2.2 阀控式密封铅酸蓄电池的结构组成部分材料作用正极铅-锑-钙合金栏板，材料中含氧化铅活性物质降低自放电并且保证蓄电池有足够的容量负极负极为铅-锑-钙合金栏板，材料中含海绵状纤维活性物质同上隔板无纺超细玻璃纤维并且含先进的多微孔agm隔板保持电解液防止活性物质从电极表面脱落、保持电解液、防止正负极短路 电解液主要成分为硫酸，在电解液中用于传导离子使电子能在电池正负极活性物质间转移外壳和盖子一般外壳和盖子为abs树脂有足够的机械强度承受电池内部压力；提供电池正负极组合栏板放置的空间安全阀材质为具有优质耐酸和抗老化的合成橡胶电池内压高于正常压力时释放气体，保持压力正常；阻止氧气进入端子正负极端子可以为连接片、棒状、螺柱或引出线，具体由电池用途绝定密封端子有利于大电流放电和延长使用寿命2.3.2 铅酸蓄电池的原理铅酸蓄电池的化学反应式如下：充电：(电解池)放电：(原电池)阳极：阴极：充电时，将直流电源连接在蓄电池的正负极上，电能就能以化学能的形式储存于蓄电池中；放电时，将正负极连接的输出设备上，蓄电池中的化学能就能转化为电能输出到外部设备。因为在vrla蓄电池充满电达到饱和后，就会开始分解电解液中的水分，从而分别在正极和负极产生氧气和氢气并溢出蓄电池，所以电解液中的水会越来越少，需要经常检查水位，并且加水以保证电解液充足。另外，在充电达到饱和电解液中的水会发生分解，在正极会产生氧气，这些氧气遇到负极处于海绵状的铅而产生反应，这种反应能使负极的部分处于不饱和状态，从而抑制氢气产生。2.3.3 铅酸蓄电池的三阶动态电气模型铅酸蓄电池的三阶动态电气模型较为精确地表述了蓄电池的特性。在该模型中主要包括主电路和辅电路两个部分，如图2.5所示。蓄电池内部发生的能量散发与电极反应，以及它本身的欧姆效应由主电路表示，其余由辅电路表示。图2.5 三阶动态模型2.3.4 铅酸蓄电池的三阶动态数学模型铅酸蓄电池的放电电流和电解液的温度能够影响它的容量。如果用i和分别表示放电电流和电解液温度，并且=0，那么蓄电池的容量可以表示为 (2.6),是经验系数，如果给定了电池参数和参考电流，那么的值就可以确定，它的大小是在0时以参考电流放电时得到的电池容量。文献10中给出了铅酸蓄电池充放电在simulink中的仿真结果。假设以不同大小的恒定电流给电池充电，得到的铅酸蓄电池的端电压变化曲线如图2.6所示。图2.6 恒电流充电蓄电池端电压示意图从图2.6中可以看出，以恒电流给铅酸蓄电池充电，电池的端电压在初期时突然迅速增高，一会后趋于平稳，但在充电的后期又明显地上升，最后在某一定值停止上升，渐渐趋于平稳。图2.7 恒电流充电蓄电池充电深度变化曲线图2.8 恒电流充电蓄电池电解液温度变化曲线图2.7展示了soc荷电状态的变化曲线，从图中可以看出，荷电量和充电电流的大小呈直接关系。从图2.8可以看出，随着充电时间的增加，蓄电池电解液的温度也逐渐增加，直到充电渐渐趋于饱和后，电解液的温度增加迅速。图2.9 恒电流放电电池端电压变化曲线图2.9展示了以恒电流放电时蓄电池的端电压的变化情况，从图中可以看出，开始放电时，铅酸蓄电池的电压会突然降低然后逐渐平稳下来，最后，当电能将要耗尽时，电池的端电压又会突然急速降低直至最低电压。图2.10 恒电流放电蓄电池放电深度变化曲线图2.11 恒电流放电蓄电池电解液温度变化曲线图2.10展示了蓄电池放电时的放电深度dod的变化情况，可以看出，dod值的大小和放电电流的大小呈正比。图2.11是恒电流放电时的电解液温度变化情况，随着放电时间的增加，电解液的温度逐渐增加，但增加的速度越来越慢，在放电接近结束时，电解液的温度逐渐稳定。2.4 超导磁储能超导磁储能（smes）有着响应快、损耗低、能量密度高等非常优越的性能，是超导技术和电力电子技术的完美结合。超导磁储能是众多储能技术的一种，它的结构和数学模型具有代表性。2.4.1 超导磁储能设备的结构超导磁储能设备主要的组成部分是超导线圈、变换器、制冷装置、测控系统和失超保护系统。它的结构如图2.12所示。图2.12 超导线圈储能原理图2.4.2 超导磁储能设备的原理超导线圈储能原理如图2.12所示。超导线圈充电时，需要闭合开关1，打开开关2，当要保持电能的时候，就需要打开开关1，闭合开关2，这时超导线圈短路，电流可以在没有电阻的超导线圈中永久的没有衰减地流通下去。这时，电能便以磁场的形式存在超导线圈中，这个能量的大小如式（2.7）所示。 (2.7)e表示磁能，l表示电感，i表示电流。由于超导线圈没有电阻，在线圈中的电流也就不会产生热损耗，所以它的平均电流密度非常高，由于具有很强的磁场，它的能量密度高达和储能效率也非常高。超导磁体有两种，分别为环形和螺线管形，它是smes系统的核心。设计超导磁体时应当考虑机械强度、低温技术、冷却方式、超导带材性能、磁体保护和运行可靠性。超导磁体和电网转换能量和交换功率都是由功率调节系统控制的，由于采用pwm变流器，使其降低了谐波含量，加快了响应速度。超导磁体要运行，最基本的条件就是温度，低温系统对超导磁体的冷却有两种方式，一种是浸泡冷却，一种是传导冷却。其中传导冷却不需要冷却液，但是二者在成本和效率上存在不同。监控系统有两个组成部分：信号采集控制器和保护系统。监控系统的主要任务是根据系统提供的信息和需要控制smes的输出功率。控制器分为外环控制器和内环控制器，外环控制器为主控制器，它为内环控制器提供参考值，内环控制器根据提供的参考值控制变流器的开与关。2.4.3 超导磁储能的响应速度现在，在电力电子领域中已经研制出了高频率的开关器件，在芯片的领域中，也已经研制出了高速度和高精确性能的单片机，这为超导磁储能的响应速度的提高创造了有力条件。2.4.4 超导磁储能的容量在超导储能中，变流器的容量和超导磁体的载磁量决定了储能容量的大小。1）变流器的容量可控开关的耐压和耐流强度的提高使可控开关的容量有很大的提升，并且变换器的多重拓扑结构的发展使变流器容纳电流的大小有很大提升。2）超导磁体的储能超导磁体能够储存多少磁能，主要取决于两个方面：一是超导线圈的电感，二是超导带材的流通能力。如果线圈电感量用l表示，线圈的直径用d表示，线圈的匝数用n表示，线圈的长度用l表示，那么一个空心线圈的电感量可以表示为： (2.8)从式(2.8)中可以看出，超导线圈的匝数和线圈直径的增加、线圈长度的减少都能使超导线圈的电感得到提高。2.4.5 超导磁储能的选择根据入网变流器类型的不同，smes可以分为电流源型和电压源型两种，它们的交换功率都是通过调节有功和无功功率控制的。在放电的特性上，smes可以用可控电流源来表示，并且这个可控电流源是并联接入系统中的，这使得储能系统有更明显的调节效果，并且在系统中能够独立控制有功和无功电流。如果smes作为一个储能设备接入微电网，那么就可以等效为一个功率源，它可以改变负荷端的功率输入，从而改变电能质量。可以采用二阶动态模型研究超导磁储能的电磁暂态特性，如式(2.9)所示。 (2.9)其中，和分别为储能设备向系统注入的有功和无功功率，作为smes的控制量，分别控制储能设备向系统注入的有功和无功功率，为smes的惯性时间常数，由系统的具体参数决定。2.5 其它储能技术2.5.1 其它机械储能方式另外，除了上面介绍的飞轮储能方式之外，在电力系统中应用的机械储能方式还有抽水蓄能、压缩空气储能等。抽水蓄能大多应用于集中式发电中，作用是对电网调峰。压缩空气储能的作用和抽水蓄能一样，也是调峰用的，但是压缩空气储能要比蓄电池等储能的应用要复杂得多，它作为燃气轮机发电厂对电网进行调峰，它消耗的燃气量要比普通的燃气轮机低40。这些储能方式在微电网储能中应用不多12。2.5.2 其它化学储能方式镍镉电池是另一种类型的可充电电池，也具有很长的历史。它和铅酸电池相比需要较少的维护，但使用镉不利于环保。镍金属氢化物电池能够在一个较短的时间内储存比镍镉电池更多的电量，其显著的优势是对环境无毒、无害，这类电池主要用于混合动力电动汽车。锂离子电池是一种较新的技术，相对于它的重量而言，其存储量大于大多数电池，但是其价格较为昂贵，主要用于笔记本电脑、手机等电子产品。锂聚合物电池则是新一代的锂离子电池，相对于传统的锂离子电池它更具成本优势。锂离子电池技术改进的重点是进一步增强其安全性。钠硫电池在电网中是最具有适用性的。钠硫电池在日本得到广泛应用，主要是在电力使用低峰期储存电力，在高峰时则释放。该电池适合存储风能、太阳能发电系统的间歇性电力。钠硫电池是一种新型的电池，它能直接将化学能转化为电能。钠硫电池的电解质隔膜材料是陶瓷管，负极为金属钠，正极为硫。在高温下，钠和硫会融化，钠离子和硫离子通过电解质隔膜而发生反应，这个反应是可逆的，能多次释放和存储能量。钠硫电池的储存转换效率高、寿命长、能量密度大并且没有地域限制，适合于电力系统中应用，是目前城市电网最经济使用的储能方式。2.5.3 其它电磁储能方式除了超导储能之外，超级电容器也在电力系统储能中也具有重大的意义。超级电容器是根据电化学的双电层理论研制的，它有非常大的电容量并且有非常强大的脉冲功率。它极大的电容量来自于极小的电荷层间距和特殊的电极结构。另外，它的容量和储存电荷的时间也因为受到电介质的耐压性等情况而被限制，为了更方便的充放电控制和增加系统容量，钠硫电池必须串联起来使用。目前，超级电容器的电容量已经达到1000f，最大联合储存能量能达到30mj，这系列产品的放电电流处于400到2000a之间，并且工作电压在12到400v之间。在电力系统中，超级电容器大多应用于平滑大功率短时间的负载，也可用于削弱功率高峰值，例如，在电压被瞬态干扰和跌落的时候提高电能质量。第三章 储能技术在微网中的应用原理3.1 储能系统的模型建立目前新兴的储能系统有超级电容器储能(sces)，蓄电池储能(bess)和超导磁储能(smes)等。超级电容器储能系统的组成主要有三部分12：超级电容器组件阵列、电能转换系统、综合控制系统。其中，电能转换系统是用来变换和传输能量的。同样，超导储能系统的组成13也可以分为三个部分：超导线圈、控制器、强制换向变换器。蓄电池储能系统的组成14可以分为四个部分：蓄电池组、控制装置、逆变器和变压器。通过比较前面的储能系统的结构，常见储能系统都可以分为三个部分：储能元件、控制系统和变流器。不同的储能系统，它们的控制系统和变流器部分是相似的。在建立共同的数学模型时，各种储能系统在充放电时间、容量和功率限制上有不同的参数。3.1.1 储能系统的共同点飞轮储能系统、蓄电池储能系统以及超导磁储能系统的相似之处可以归结为以下方面：（1）从结构上来看，它们都由3个部分组成：储能部分、变流部分和控制部分。图3.1所示为储能系统的各个部分流程图。储能设备（化学能、机械能、电磁能等）控制部分电力电子输出设备能量输入电能输出图3.1 储能系统部分示意图（2）从功能上来看，它们可以是有任意无功和有功的功率源，也可以是任意电流和频率的电流源，甚至可以是任意电压和频率的电压源。（3）微网中，各种储能系统都能够为敏感负荷供电或者平衡系统的功率。另外，一般储能系统还能稳定电压和调整频率，从而提高电能质量。3.1.2 储能系统的简化模型在暂态稳定分析中，根据输出变量的不同，储能系统的计算模型可以分为三种：功率源模型、电压源模型（包括串联和并联）以及电流源模型。(2)串联电压源型(1)功率源型(4)并联电压源型(3)电流源型图3.2 储能系统的简化模型1）电压源模型 在分析电力系统的时候，可以用一个受控电压源来模拟储能系统，如图3.2中的(2)和(4)所示。 (3.1)式中，z代表链接变压器阻抗。2）功率源模型通常功率源模型可以用一阶延迟环节来表示，如图3.2中(1)所示。用功率响应延时和控制环节延时的和来表示时间常数，可以得到式(3.2)： (3.2)式中，、分别表示有功和无功功率响应的增益系数，、表示有功和无功功率的功率响应延时，pes、qes表示储能系统向系统输出的有功功率和无功功率。3）电流源模型 图3.2中的(3)表示的是储能系统的电流源模型，它的注入电流的相量表达式可以表示为： (3.3)储能系统可以对电压源模型和电流源模型进行解耦控制，通过解耦控制，可以使储能系统具有独立的四象限调节能力，能方便地控制储能系统的有功和无功功率，其动态模型可以采用如下方程表示15： (3.4)其中,和分别表示储能系统向系统注入的有功和无功功率，分别表示储能系统的控制量，分别控制和，为储能系统的惯性时间常数，是由系统的具体参数决定的。由上面的