(硕士论文)储能技术在微网中的应用研究

华中科技大学 硕士学位论文 储能技术在微网中的应用研究 姓名 冯光 申请学位级别 硕士 专业 脉冲功率与等离子体 指导教师 李敬东 20090526 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要 随着材料技术的不断进步与电力电子技术的飞速发展 储能设备的容量 响应速 度 能量密度以及效率等各个性能指标都得到了极大的提升 储能设备的性能随之有 了很大的改善 现代控制理论的发展 使得储能设备的控制更加方便和灵活 因而使 得其应用空间得到了很大的扩展 本文对储能设备应用于微网的途径 功能及其可行 性进行了研究 首先 本文研究了微网的原理和结构 总结了微网对于其各部分的技术要求 阐 述了其对于解决电力系统现存问题的重要意义 分析了储能技术在微网中的重要地 位 从而建立起储能技术在微网中应用研究的整体认识 介绍了储能技术的发展现状 比较了各种储能技术的优缺点 其次 本文介绍了储能技术的原理和功能 在比较不同储能设备共同点的基础上 建立了储能系统的统一模型 本文研究了储能系统作为微电源和储能装置两种职能在 微网中的应用及其可行性 得到了储能系统在微网中的应用模式及完全可行的结论 设计了相应的控制系统并研究了微网中储能系统容量大小的选择以及不同储能装置 间的配合 最后 本文以 SMES 为例 在 MATLAB 提供的仿真工具 SIMULINK 平台下 对 储能系统在微网中的具体应用进行了的仿真分析研究 本文进行了超导带材性能试 验 研究了 SMES 的性能 建立了微网中 SMES 的模型及控制系统 对 SMES 改善负 荷端电压和抑制微网功率振荡两个应用途径进行了仿真分析 研究了 SMES 参数对其 改善电能质量的影响 评估了 SMES 在微网中应用的效果 得出了 SMES 可以很好地 在微网中发挥作用的结论 关键词 微网储能技术 SMES 功率振荡 I 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ABSTRACT With the constant progress of material technology and the rapid development of power electronic technology various performance indexes for an energy storage device such as the capacity the response speed the power density and efficiency etc have made great progress so the properties of energy storage device gets great improvements The development of modern control theory makes the control of energy storage device easier and more flexible and the application field of energy storage device becomes more widely In this paper the ways functions and feasibility of energy storage devices applied in microgrid are studied Firstly this paper studies the principle and structures of microgrid and summarizes technical requirements of each part of a microgrid and expounds the significance of microgrid in solving the existing problems of power system This paper also analyzes the importantance of energy storage technology in microgrid and gaves a detailed description of energy storage device applied in microgrid The present development of energy storage technology is introduced and the advantages and disadvantages of various energy storage technologies are compared Secondly this paper studies the principles and structures of energy storage technology and sets up unified models of energy storage system based on comparing the common points of different energy storage devices This paper studies the applications and feasibility for an energy storage system to be used in microgrids as micro power sources and energy storage devices and gaves the application patterns of energy storage system used in microgrid and achieves a conclusion that there is no problem for an energy storage system to be used in microgrid This paper designs the correspongding control system and studies capacity selection of energy storage system in microgrid and matching between different energy storage devices II 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Finally taking SMES as an example the energy storage system applied particularly in microgrid is tested by digital simulation in the environment of MATLAB Simulink This paper tests the properties of superconducting tapes and studies the properties of SMES and builds the SMES models and control systems This paper studies how SMES can improve the voltage at the load terminal and how SMES can inhibit power oscillations in Microgrid by digital simulation In this paper the impacts of SMES parameters on Power Quality improving are studied the effect of SMES application in microgrid is evaluated and we get a conclusion that SMES could be used in microgrid very well Keywords Microgrid Energy Storage Technology SMES Power Oscillation III 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果 尽我所知 除文中已标明引用的内容外 本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出 贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许 论文被查阅和借阅 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文 保 密 在 年解密后适用本授权书 本论文属于 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 指导教师签名 年月日年月日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 引言 1 绪 论 近年来 随着国民经济的发展 电力需求迅速增加 电力建设迅猛发展 现代电 力系统己经形成了具有大机组 大容量 超高压 远距离 重负荷 交直流联合输电 和新型负荷等特点的超大规模电力网络 但是 随着电网规模的不断扩大 超大规模电力系统的弊端也日益凸显 首先 电网建设没能随着用电负荷增加而同步发展 造成远距离输电线路的输送 容量增加 导致电网运行的可靠性下降 抗灾性不强 我国电网2008 年初雪灾期间 的大面积停电事故 使得电网的脆弱性充分暴露出来 1 其次 大电网互联模式下 局部扰动可对整个电网运行造成极大冲击 严重时会 使系统崩溃 而且集中式大电网不能灵活跟踪电力负荷的变化 造成极大的安全隐患 为 解 决 大 电 网 存 在 的 问 题 各 国 发 展 了 分 布 式 发 电 技 术DG Distributed Generation 2 5 即在配电网建立单独的发电单元对重要负荷供电 并通过PCU Power conditioning Unit 和外网进行能量交换 分布式电源位置灵活 分散的特点 极好地适应了分散电力需求和资源分布 其与大电网互为备用改善了供电可靠性 6 分布式电源尽管优点突出 但也存在诸多问题 分布式电源对于大电网是不可控 源 为减小其对大电网的冲击 大系统往往采取限制 隔离的方式处理分布式电源 IEEEP1547 规定了分布式电源的入网标准 当电力系统发生故障时 分布式电源必须 马上退出运行 这大大限制了分布式能源效能的充分发挥 为协调大电网与分布式电源间的矛盾 人们提出了微网的概念 微网由分布式电 源 分布式储能和能量管理模块构成负荷的供电系统 与负荷一起组成一个独立可控 系统 完全解决了大电网与分布式电源间的矛盾 储能系统是调节微电源性能 保证 负荷供电质量的重要环节 因此研究储能技术在微网中的应用具有十分重要的意义 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 2 微网技术概述及意义 1 2 1 微网技术 1 微网定义及要求 国际上有多种微网的定义 7 11 2009 年 3 月 26 日至 27 日 在国网电力科学研究 院召开的 微网技术体系研究 第一次工作会议将微网定义为 微网是以分布式发电 技术为基础 以靠近分散型资源或用户的小型电站为主 结合终端用户电能质量管理 和能源梯级利用技术形成的小型模块化 分散式的供能网络 微网是智能电网的重要 组成部分 能实现内部电源和负荷的一体化运行 并通过和主电网的协调控制 可平 滑接入主网或独立自治运行 充分满足用户对电能质量 供电可靠性和安全性的要求 综合各国对微网的研究 并结合我国电网的实际情况 我们可以得到一些微网的要求 与规范 能量来源主要为可再生能源 系统容量为 20 kW 10 MW 网内用户配电电 压等级为 380 V 或包括 10 5 kV 如与外网进行能量交换 电压等级由微网的具体应 用等情况而定 2 微网的基本结构 微网可以满足一片电力负荷聚集区的能量需要 其基本结构 12 如图 1 1 所示 微网络主 分离器 PCC 网络 要求 能量 管理 器 A B C 保护协调器 潮流控制器 分隔器 断路器 光伏电池 敏感负荷 热负荷 可中断负荷 可调节负荷 微型燃燃料 气轮机电池 电力传输线 信息流线 图 1 1微网示意图 2 保护信息传输线 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 1 1 包括 A B C 三条馈线及一条负荷母线 网络结构为辐射状 馈线通过主 分隔装置与配电系统相连 可实现孤岛运行与并网运行模式间的平滑切换 图 1 1 展示了微型燃气轮机 燃料电池和光伏发电等微电源形式 微网中配有能 量管理器综合分析控制整个微网 并配有潮流控制器就地控制微电源 当负荷变化时 潮流控制器根据本地电压和频率进行潮流调节 微电源则相应增加或减少其输出功率 来保持功率平衡 图 1 1 展示了三种微电源供电方案 采用光伏电池为连接在馈线 A 上的敏感负荷 供电 采用燃料电池和微型燃气轮机混合为馈线 C 上的可调节负荷供电 没有配置专 门的微电源为馈线 B 上的可中断负荷供电 而是直接由配电网供电 这样 敏感负荷 和可调节负荷均采用双源供电模式 当配电网故障时 馈线 A C 上的静态开关会快 速动作使重要负荷与故障隔离且不间断向其正常供电 对于馈线 B 上的可中断负荷则 视情况处理 必要时将其切除 图 1 1 只是微网结构的一种形式 具体的结构随负荷等方面的需求而不同 但基 本单元应包含微电源 储能装置 能量管理系统以及负荷 3 微电源和储能 微电源是微网中重要的组成部分 微网控制器反应时间为毫秒级 采集本地信息 母线电压与频率 控制微电源 我们将电源分成三种基本大类 13 1 直流电源 蓄电池 太阳能电池 燃料电池 及储能电容器等 并网方式如图 1 2 Vdc 电压型燃料电池逆变器母线交流母线 Vdc 电压型逆变器 1 燃料电池 L C滤波器 光伏电池 升压电路电压型逆变器 逆变器母线 L C滤波器 交流母线 2 太阳能电池 图 1 2直流逆变电源 3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 交直交电源 如微轮机 其发出的交流电需要整流然后逆变 因为微轮机等发出 的都是高频电能 需要通过交直交转换为工频电能 如图 1 3 Vac 整流器升压电路 电压型 逆变器 逆变器 母线L C滤波器 交流母线 图 1 3交直交电源 3 工频交流电源 以鼠笼式感应电机为主的风力发电机和小功率同步发电机 由图 1 1 图 1 2 图 1 3 我们可以看到 这些分布式微电源的机端电压或为直流 电压 或为高频电压 不能直接接入电网 需经过逆变器等功率变换器件 使电压幅 值 频率 相位与电网参数相匹配后再并入电网 同时可利用功率变换器件的可控性 来实现不同的控制方式 因此 我们可以得到微电源模块简化图如图 1 4 所示 分布式电源 TV 整流器逆变器TA PLL 输入转矩调节 励磁调节 图 1 4微电源模块简化图 定功率控制 定电压控制 微网中微电源模块的控制方式主要有 2 种 定功率控制和定电压控制 14 在定功 率控制方式下 分布式电源向系统注入额定数值的有功和无功功率 如图 1 5 所示 在定电压控制方式下 逆变器利用反馈电压以调节交流侧电压来保证电压的稳定 如 图 1 6 所示 图 1 5 图 1 6 中 TV 为电压互感器 TA 为电流互感器 Pdef 和 Qdef 为 输出有功和无功的整定值 Ud def 为电压控制的整定值 PLL 为锁相环 4 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Pdef Qdef PI PI Id dq abc PWM 发生器 逆变器 sin cos TV TA PLL Iq Ud dq dq abc abc Iabc sin cos Uabc Ud def 0 PI Ud 图 1 5恒定输出功率控制原理 图 dqPWM abc发生器 dq abc 图 1 6恒定电压控制原理图 逆变器 sin cos Uabc TV PLL 微网中 电源总供给功率和负荷总需求功率都是动态变化的 并不是每刻都能达 到供需平衡 当电源总发电功率与负荷总需求功率不平衡时 则由储能系统吸收系统 多余的能量或释放能量弥补系统能量的不足 因此 储能系统在微网中是必须的 如 果没有了储能系统 微网就不能在自治运行时达到安全 高效 可靠的要求 也就不 能尽可能的接入分布式电源和向负荷供给高质量的电能 如今 储能方式有许多种 各种方式的性能也是各异 需要研究根据系统稳定的需求来选择储能方式 4 微网的运行模式 外部无故障时 微网与主网 配电网 连接 这种运行状态称为联网运行 外部 故障时 微网与主网解列 这种运行方式称为孤岛运行 联网运行时 微网中负荷的 5 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 能量由主网提供 孤岛运行时 主网无法再为微网提供能量 则微网中的微电源开始 工作 以保证微网中重要负荷的供能 1 2 2 微电网国内外研究现状 微网提出后 各国都积极对其展开了研究并取得了一定的成果 美国威斯康辛大学于 2003 年建成了一个总容量约为 80kVA 的微网实验室 劳伦 斯伯克利国家实验室和橡树岭国家实验室主要开展了微网能量管理系统 EMS 的研 究 2005 年 美国能源部提出了微网研究发展的路线图 在欧洲 欧盟七个国家 十四个组织合作开展了自 2002 年启动至 2005 年结束的 MicroGrid 计划 资助金额达 4 5M 欧元 继而开展了有 11 个国家 22 个组织参与的 More MicroGrid 计划 资助金额达 8M 欧元 德国太阳能研究所 ISET 建成的微网 实验室规模最大 容量达 200kVA 并安装了简单的能量管理系统 日本在 The New Energy and Industrial Technology Development Organization NEDO 组织下 将建设 Kyoto Project Aichi Project Hachinohe Project 等微网项目 表 1 1 列出了一些国外的微电网研究成果 15 19 表 1 1国外微网研究比较 研究机构建立时间系统容量电压等级能源 芬兰 Fampere 工业大学 希腊雅典工业大学 欧盟微电网实验室 2005 2002 2002 96 kW 80 kW 210 kW 400 V 400 V 400 V 太阳能电池 蓄电池 微燃机 太阳能电池 燃料电池 飞轮储能 燃料电池 微燃机 飞 轮储能 蓄电池 加拿大多伦多大学20057 5 MW13 8kV 480 V 柴油 汽轮机 目前 我国对微网也很重视 很多学校和研究机构开展相关的理论研究工作 2009 年 3 月 26 日至 27 日 在国网电力科学研究院召开了 微网技术体系研究 第一次工 作会议 来自国网电力科学研究院 中国电力科学研究院 中国科学院电工研究所 清华大学 华中科技大学 河海大学 东南大学到课题负责人及相关人员与会讨论了 微网定义以及一些基础理论 中国对于微网还处于概念设计的层次 6 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 2 3 微网的意义与前景 微网从系统观点看问题 将发电机 负荷 储能装置及控制装置等结合 形成一 个单一可控的单元 同时向用户供给电能和热能 微网既可与大电网联网运行 也可 在电网故障或需要时与主网断开单独运行 它扮演双重角色 对于公共电力 微网可 看作电力系统可控的 细胞 如 它可被控制为一个可调度负荷 在数秒内做出响 应以满足传输系统的需要 对于用户 微网可作为一个可定制电源来满足用户多样化 的需求 如 支持当地电压 增强局部供电可靠性 作为不可中断电源 或提供电压 下陷的校正等 微网具有灵活的可调度性且可适时向大电网提供有力支撑 在接入问 题上 微网的入网标准只针对微网与大电网的公共连接点 PCC 而不针对各个具 体的微电源 微网不仅解决了分布式电源的大规模接入问题 充分发挥了分布式电源 的各项优势 还为用户带来了其他多方面的效益 微网具有可靠性高 污染少 安装 地点灵活 能源利用率高等优点 有效解决了大型集中电网的许多潜在问题 无疑 微网将成为未来大电网的有效支撑和有力补充 是未来电力系统的发展趋势之一 1 3 储能技术概述及意义 到目前为止 人们已经开发了多种形式的储能方式 主要分为化学储能和物理储 能 20 化学储能主要有蓄电池储能和电容器储能 物理储能主要有飞轮储能 抽水蓄 能 超导储能和压缩空气储能 1 3 1 储能技术的种类和特点 1 飞轮储能技术 飞轮储能技术是一种机械储能方式 近年来 由于电力电子学 高强度的碳纤维 材料 低损耗磁悬浮轴承三方面技术的发展 飞轮储能得以快速发展 21 图 1 7 是飞轮储能的原理图 22 外部输入的电能通过电力电子装置驱动电动机旋 转从而带动飞轮旋转将电能储存为机械能 当需要释放能量时 飞轮带动发电机旋转 将动能变换为电能 电力电子装置将对输出电能的频率和电压进行变换以满足负载的 要求 飞轮储能基本结构一般由 5 个部分组成 飞轮转子 轴承 电动机 发电机 电 7 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 力转换器 真空室 另外 飞轮储能装置中还必须加入监测系统以监测飞轮的位置 电机参数 振动和转速 真空度等运行参数 能量 电力电子 输入设备 电动 机 飞 轮 发电 机 电力电子 输出设备能量 输入 电能机械能 图1 7 飞轮储能原理图 电能 输出 由于飞轮储能具有寿命长 效率高 高储能量 充电快捷 充放电次数无限 建 设周期短 对环境无污染等优点 故其在微网中有着广阔的应用前景 在风电中 将 飞轮电池并联于风力发电系统直流侧 利用飞轮电池吸收或发出有功和无功功率 能 够改善输出电能的质量 23 文献 24 利用飞轮电池充当孤岛型风力发电系统中的电能 储存器和调节器 有效地改善了电能质量 解决了风力发电机与负载的功率匹配问题 此外 作为一种蓄能供电系统 飞轮储能在潮汐 地热 光伏发电等方面都具有良好 的应用前景 2 超导磁储能技术 超导磁储能系统 SMES 利用由超导线圈把电网供电励磁产生的磁场能量储存 起来 需要时再将储存的能量送回电网或作它用 SMES 通常包括置于真空绝热冷却 容器中的超导线圈 控制用的电力电子装置以及真空汞系统 超导磁储能与其他储能技术相比具有能量效率高 可长期无损储存能量 能量释 放快 可方便调节电网电压 频率 有功和无功功率等显著优点 电力电子技术和高 温超导技术的发展促进了超导磁储能装置在电力系统中的应用 SMES 灵活的四象限 调节能力和快速的功率吞吐能力 使得它可以有效地跟踪电气量的波动 提高系统的 阻尼 文献 25 提出使用超导磁储能单元稳定风力发电机组输出的电压和频率 文献 26 针对风电场的风速扰动 提出采用电压偏差作为 SMES 有功控制器的控制信号的 控制策略 各种研究表明 SMES 装置在改善风电场稳定性方面具有优良的性能 目前 SMES 在电力系统中的应用包括 电压稳定 频率调整 负荷均衡 动态稳 定 暂态稳定 输电能力提高以及电能质量改善等方面 8 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 蓄电池储能技术 蓄电池储能系统 BESS 由电池 直 交逆变器 控制装置及辅助设备 安全 环境保护设备 等部分组成 目前在小型分布式发电中应用最为广泛 根据所使用化学物质的不同 蓄电池可以分为铅酸电池 镍镉电池 镍氢电池 锂离子电池等 锂离子电池以其体积小 工作电压高 储能密度高 300 400 kWh m3 循环寿命长 充放电转化率高 90 以上 无污染等特点而受到重视和欢迎 另外 近些年研究开发的新型蓄电池如 NaS 电池 液流电池等性能更加优越 更适合于大规 模储能应用 27 蓄电池储能在电力系统中还可用来频率控制和调峰 为了提高电网抵 御停电事故的能力 美国阿拉斯加电网安装了 1 台可提供功率峰值达 26 7MW 的在线 蓄电池储能系统 能使系统大停电的可能性减小 60 以上 4 超级电容器储能技术 超级电容器 Super capacitor 作为一种新兴的储能器件 使用特殊材料制作电极 和电解质 其存储容量是普通电容器的 20 1000 倍 但又保持了能量释放快的特点 根据不同的储能原理 超级电容器分为两类 电化学电容器 EC 和双电层电容 器 DLC 28 与飞轮储能和超导储能相比 超级电容器在工作过程中没有运动部件 维护工作极少 可靠性非常高 使得它在小型的分布式发电装置中应用有一定优势 目前 超级电容器已经不断应用于诸如边防哨所 高山气象台等的电源供应场合 5 其他储能技术 除了上述的几种储能方式外 在电力系统中应用较多的储能方式还有抽水蓄能 压缩空气储能等 抽水蓄能在现代电网中大多用来调峰 在集中式发电中应用较多 压缩空气储能是一种调峰用燃气轮机发电厂 对于同样的电力输出 它所消耗的燃气 要比常规燃气轮机少 40 这些储能方式在分布式发电中应用不多 表 1 2 是各种储 能方式的性能比较 27 29 表 1 3 是各种储能方式的研究现状 9 华中科技大学硕士学位论文 10 表 1 2 各种储能技术的比较 储能类型 初次使用 时 间 能量密度 kW h m 3 功率密度 kW m 3 效 率 最小单位 容 量 kW h 寿 命 年 年平均化 成本 W h 1 优 点 缺 点 应用方向 抽水蓄能 1882 70 85 50 容 量 大 成 本 低 场地特殊 时间特别 日负荷调节 频率控制和系统 备用 飞轮储能 1999 424 0 1766 8 90 4 0 30 180 响应速度快 高能量密度 高 成 本 电能质量调节 调峰 频率控 制 UPS SMES 1995 178 1000 0 95 500 30 200 容 量 大 响 应 快 高 成 本 UPS 电能质量 调节 输配电 系统稳定性 超级电容器 2002 53 176700 94 1 0 30 85 高功率密度 低能量密度 电能质量调节 铅酸电池 1985 7 07 106 92 0 5 8 25 投 资 低 低寿命 低能 量密度 电能质量 可靠性 频率控制 黑启动 UPS 锂离子电池 2005 212 212 88 5 0 7 120 容量大 能量 密度高 高成本 需特 殊充电回路 各种应用 钠硫电池 2008 243 7 530 0 88 5 0 7 85 容量大 能量 密度高 安全顾虑 高 成本 低寿命 电能质量 可靠性 黑启动 频率控制 UPS MH Ni 电 池 2000 176 7 530 0 92 1 0 8 80 容 量 大 高制造成本 电动机车等领域 华中科技大学硕士学位论文 11 表 1 3 各种储能技术的研究现状 储能类型 分 类 响应速度 容量 功率 限 制 因 素 主要研究国家 应 用 实 例 国 内 情 况 飞轮储能 超导磁悬浮 电磁悬浮 永磁悬浮和机 械支撑四 种 以超导磁悬浮为多 各方面性能亦最好 0 001s 放电持续时 间 为 5s 15min 典型功 率额定 为 5kW 1 5MW 轴承材料技术 亟需突破 制作 成本亟需降低 德国 美国 日本 英国 美国 V is ta T ech Engin eer 公 司将飞轮引入风力发电系 统 储能 277kWh 发电功 率为 300kW 华北电力大学 中国科学 院电工所 华 中科技大 学 清华大学 均研制成功 样机 SME S 以所用变流器 的拓扑结 构分为电流型 和电压型 两种 0 001s 放电持续时 间 为 5s 5min 典型 功 率额定 为 10kW 1MW 超导带材技术 亟需突破 制作 成本亟需降低 美国 日本 英国 法国 2002 2004 年 美国 超导公 司在田纳西州安装 8 台 3MJ 8MW 的 SM ES 以维护 该地区电压稳定 华中科技大学 和中科院 电工所均研制出样机 超级电 容器 根据电极材料 的不同可 分为碳类和金 属氧化物 超级电容器 ms 级 放电持续时 间 为 5s 6min 典型 功 率额定为千 瓦 到 兆瓦级 电极材料技术 亟需突破 美国 日本 俄 罗斯 瑞士 韩 国 法国 2005 年美国 加 利福尼亚建 造了一台 450 kW 超级电容 器储能装置以 抑制 950kW 风力发电机组输送到电网的 功率波动 2005 年中 科院 电工所研 制成功用于光 伏发电系 统的 300Wh 1kW 超级电 容器储能系统 的研究开 发 蓄电池储 能技术 铅酸电池 纳 硫电池 钠盐电池 液 流电池 以纳硫性能为最好 s 级 放电持续时 间 为 1min 数小时 典 型功率为千 瓦 到 兆瓦级 所用材料亟需 突破 澳大利亚 英 国 日本 英国正采 用 PSB 电池建设 一座 15MW 12 0MW h 的储 能电站 中科院大连化 学物理研 究所开发千瓦 级多硫化 钠 溴液流电池 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 3 2 分布式储能的优点 分布式储能具有如下优点 分布式储能系统是模块化的 灵活性好 可快速组装 现场安装费用低 容易 实现多功能 分布式储能系统有助于减少主力电厂以及分布式发电设备的化石燃料 消耗和废弃排放 因而不会增加电力系统在环境保护方面的压力 分布式储能系统 一般具有更高的响应速度和能量转换效率 采用分布式储能系统可以提高现有发电 设备和输电设备的利用率和运行经济性 1 3 3 储能技术的作用及意义 储能技术可解决电能供需不平衡问题 目前在电力系统中主要起电力调峰 提高 系统运行稳定性和提高电能质量的作用 各种形式的储能电站可根据电网负荷的变化改变运行方式向电网释放或吸收电 能 对负荷实施削峰填谷以减少系统输电网络的损耗 获取经济利益 储能电站用于 用户侧 可提高电能质量 增强系统可靠性 分布式储能系统可以三种方式帮助为用户可靠供电 关键时刻辅助供电或者传 输电能 调节供电负荷需求 供电中断 为用户供能 分布式储能在增强系统运行稳定性和提高电能质量方面具有更大的优势 按照系 统运行的要求布置储能装置 可得到更好的控制效果 1 4 本文的主要工作 综上所述 本课题主要对储能技术应用于微网进行基础性探索研究 研究工作集 中在微网理论分析 储能技术在微网中应用途径及可行性研究和 SMES 在微网中应用 仿真分析三个方面 1 微网理论分析 详细介绍了微网技术的结构 功能及工作模式 分析了其产生的意义和前景 本 文对微网中的微电源进行了归类 分析了其工作模式与控制方法 总结了微网对微电 12 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 源和储能技术的要求 2 储能技术在微网中应用途径及可行性研究 介绍了储能技术的原理和功能 在比较了不同储能设备共同点的基础上 建立了 储能系统的统一模型 研究了储能系统作为微电源和储能装置两种职能在微网中的应 用及其可行性 给出了相应的储能装置的控制方式并研究了微网中储能系统容量的选 择及不同储能装置间的配合 3 SMES 在微网中应用仿真分析 进行了超导带材性能试验 研究了 SMES 的性能 建立了微网中 SMES 的模型及 控制系统 对 SMES 改善负荷端电压和抑制微网功率振荡两个应用途径进行了仿真分 析 研究了 SMES 性能参数对其改善电能质量的影响 评估了 SMES 在微网中应用的 效果 得到了 SMES 完全可以在微网中得到很好应用的结论 本论文的主要工作安排如下 第一章概述了电力系统现状和面临的问题 阐述了微网技术及其现状以及微网对 于解决上述电力系统面临问题的意义 介绍了储能技术原理及其在微网中的功能与作 用 对各种储能技术进行了比较 第二章研究通过比较储能装置的共同点建立了储能系统的统一模型 对储能装置 在微网中的应用途径及其可行性进行了深入的研究 研究了储能系统作为微电源和储 能设备两种职能的应用模式并研究了相应的控制系统 最后对微网中储能系统容量的 选择和储能装置间的配合进行了研究 第三章介绍了超导磁储能系统 SMES 的储能原理 结构及结构框图 进行了 超导带材性能试验 研究了SMES 性能 建立了微网中SMES 的模型 设计了微网 中 SMES 的控制系统 第四章利用 MATLAB7 5 中 SIMULINK 仿真平台 对 SMES 改善负荷端电压和 抑制微网功率振荡两个作用进行了仿真分析 研究了 SMES 参数对其改善电能质量的 影响 得到了 SMES 可以很好地发挥自己的作用 提高微网可靠性和有效性的结论 第五章对全文进行了总结 概括了本论文的主要工作以及研究成果 提出了今后 有待进一步开展的工作并给出了相关建议 13 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 储能技术在微网中的应用原则 2 1 引言 储能系统作为微网的重要组成部分 通过快速的电能存取 能够调节微网中功率 分布 平衡微网中的电能供需 改善用户侧电能质量 提高微网应对突发事件能力和 微网运行稳定性 特别是为微网最大可能地接纳分布式电源的接入提供了保障 因此 研究储能技术在微网中的应用是非常必要和有意义的 随着电力电子学 材料学等学 科的发展 储能技术得到一定程度的发展 人们开发了多种形式的储能方式 各种储 能方式结构各有特点 控制方式也多种多样 人们也多针对某一种储能技术在微网中 的某一具体应用进行了研究 无法评估储能技术在微网中应用的效果 所以 本章将 分析各储能装置 统一储能系统模型 形成储能技术在微网中的应用原则 2 2 储能系统模型建立 2 2 1 储能装置共同点 在原理结构上 1 3 1 节所介绍的四种主要储能技术 飞轮储能技术 超导磁储能 技术 蓄电池储能技术及超级电容器储能技术有以下相似之处 1 从结构上讲 均由储能部分 无论化学能 磁能 机械能 变流部分 控 制部分组成 如图 2 1 所示 能量输入 储能部分 化学能 磁能 机械能等 控制部分 电力电子输 出设备 各种形式的 电 能输出 图 2 1 储能部分示意图 2 从功能角度而言 根据不同用途 均可看作可以提供任意电压和频率的电 压源 任意电流和频率的电流源以及任意无功和有功的功率源 14 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 微网中 它们主要可用作两个用途 作为微电源为敏感负荷供电和作为储 能装置平衡系统功率 提高电能质量表现为稳定电压和调整频率两个方面 2 2 2 储能装置的简化模型 根据模型输出变量的不同 储能装置暂态稳定分析计算模型可分为三种如图 2 2 所示 电压源型 包括串联电压源型和并联电压源型 功率源模型和电流源模型 Zline ijZline PL QL Pes Qes 1 功率源型 Zline Ies 3 电流源型 j iVes 2 串联电压源型 Zline i Zes Ves 4 并联电压源型 j j 1 电压源模型 图 2 2储能装置的简化模型 在电力系统分析中 储能装置可以等效为受控电压源 如图 2 2 2 所示 pSET jQSET V es Vsys Z 式中 Z 是链接变压器阻抗 2 功率源模型 Vsys 2 1 功率源模型通常用一阶延迟环节表示 如图 2 2 1 时间常数为功率响应延时 和控制环节延时之和 Pes Kp 1 p PSET Qes 15 KQ 1 T SQ Q SET 2 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 式中 Kp Kq 分别为有功和无功功率响应的增益系数 Tp Tq 为对应的功率响应延时 Pes Qes为储能系统向系统输出的有功及无功功率 3 电流源模型 VSC 型储能系统的电流源模型如图 2 2 3 所示 根据节点功率方程 注入电流 的相量表达式如下 pSET jQSET I es Vsys 2 3 功率源模型和电流源模型使用起来较为简便 本文将采用功率源模型分析储能装 置在微网中的应用 以串联电流源型形式接入系统进行暂态仿真计算 既能反应储能 系统的动态特性 又保证了接入系统的计算精度 文献 30 指出 无论电压型还是电流型的储能系统都可进行解耦控制 使得其具 有独立四象限调节有功功率和无功功率的能力 均可采用如下动态模型表示 Pes 1 T 1 1 Pes 1 T 1 1 u1 2 4 Qes Qes u 2 T 2T 2 其中 Pes和 Qes分别为储能系统向系统注入的有功和无功功率 u1 u2为储能系 统的控制量 分别控制储能系统向系统注入的有功和无功功率 T1 T2 为储能系统的 惯性时间常数 由系统的具体参数决定 2 3 储能装置在微电网中的应用途径及其可行性研究 通过第二章对微电网技术的研究 储能装置可以作为微电源和储能设备在微电网 中应用 2 3 1 储能装置作为微电源的应用 作为微电源 储能装置可以作为可控电流源或可控电压源使用 如图 2 2 所示 无论何种储能技术 我们均可采用 2 2 2 节的储能系统简化模型进行计算分析 16 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 均可作为可控交流电流源或电压源使用 这完全符合微电网中所用微电源的技术要 求 从式 2 1 2 3 中可以看出 对储能系统输出电压电流的控制其实就是对储 能系统功率的控制 Wes Pes t 2 5 由式 2 5 可以看出 要长时间地输出稳定的电能 就要求储能系统储存足够的 能量 然而 目前建造超大容量的储能系统造价太高 另外 采用储能系统长时间作 为微电网的供电电源也不理想 本文只是论证了其技术上的可行性 实际中 储能系 统只是作为短时间的供电电源以维持常规电源故障时敏感负荷的电能供应 2 3 2 储能装置作为储能设备的应用 作为储能设备 储能装置的作用主要为平衡系统功率和提高负荷端电能质量 本 文主要对储能系统提高负荷端电能质量的作用展开研究 这也是储能装置在微电网中 最重要的应用途径 由式 2 2 2 4 无论所用变流器是电压型还是电流型的储能系统都可进行解 耦控制 使得其具有独立四象限有功功率和无功功率的调节能力 这样 储能系统就 可以向系统输出容量许可下任意的有功功率和无功功率 在微网系统中 储能系统按 照系统需求输出相应的无功来改变受端负荷的电压 输出相应的有功功率来改变受端 负荷的频率 以及平衡微电网功率提高微电网稳定性 2 4 储能装置的控制方式研究 2 4 1 储能装置的工作模式 根据 2 2 节的分析 储能装置主要有三种工作模式 单独为负荷供电 与其他发 电方式配合为负荷供电 抑制系统功率震荡 1 单独为负荷供电 储能系统单独为负荷供电 要求输出电压和频率完全符合用电负荷的要求 进行 分析时 采用并联电压模型比较好 如图 2 3 所示 17 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Ves Zline 负荷 图 2 3单独供电示意图 2 与其他发电方式配合为负荷供电 储能系统由于自身储存能量有限 不能无限时间持续的为负荷供电 如果微网孤 岛运行时间过长则无法独自完成供电任务 故与其他发电方式配合为负荷供电 储能 系统作为电能调节系统改善电能质量是其最好的应用方式 如图 2 4 所示 Ves 储能 系统 Zline负荷 图 2 4配合供电示意图 如图 2 4 所示 储能系统并联于系统中 安装在其他发电系统的输出端 通过调 节输入系统的有功和无功电流对其他发电系统输入负荷的电能进行调节 主要是对电 压进行调节 这也是储能系统主要的作用 电压的波动对负荷危害最大 也是系统故 障最容易引起的后果 3 抑制系统功率振荡 利用储能系统抑制系统功率振荡 其工作原理图如图 2 5 所示 发电机1 PM QM 2 储能 系统 Psys Qsys Pes Qes 3 电网 图 2 5抑制系统功率振荡图 18 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 2 5 中所示 储能系统并联于母线 2 处 根据功率平衡原理 31 母线 2 处有式 2 6 成立 Psys P P es Q Q Q e s sys 2 6 由式 2 6 知 对于一定范围内波动的发电机输出功率 通过控制储能系统的输 入功率可以达到间接控制发电机注入到电网的功率的目的 起到抑制系统功率振荡的 效果 2 4 2 储能装置的控制策略 由前面章节 储能系统在微电网中起到调节电能质量 抑制功率振荡的作用 因 此针对这两个作用 设计了储能装置的控制策略 1 储能系统补偿负荷端电压 发电机 1 v 储能 系统 图 2 6 系统示意图 2 负荷 系统如图 2 6 所示 发电机端电压不稳 发生电压波动 而要保持负荷端电压稳 定 即母线 2 处电压稳定 由图 2 6 可以得到式 2 7 j I es PesQes 2 7 v 由 2 2 2 节 无论何种类型的储能系统都可进行解耦控制 使得其具有独立四象 限调节有功功率和无功功率的能力 对于功率源型 其输出功率的计算可由 2 8 式 表示 Pes Kp 1 p PSET Qes 19 KQ 1 T SQ QSET 2 8 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 式中 Kp Kq 分别为有功和无功功率响应的增益系数 Tp Tq 为对应的功率响应 延时 Pes Qes为储能系统向系统输入的有功及无功功率 PSET QSET为期望得到的 控制功率 这样通过控制 PSET QSET就可以实现独立控制 Pes Qes的目的 储能系统 具有很快的响应速度 从第四章仿真中发现 采用PI 控制就有很好的效果 得到储 能系统的控制框图如图 2 7 所示 相角 f有功控制器 容 量 PSET 根据 PSET QSET j I es PesQes vref v v 无功控制器 限 制 QSET 计算得到 P Qes v Ies 图 2 7储能系统补偿电压控制框图 由图 2 7 可知 有功和无功功率综合控制的思路为 首先由控制信号母线 1 处的 相角差和电压差分别通过控制器产生期望得到的控制功率 并通过相应的计算得到储 能系统发出的有功无功 进而得到储能系统输入系统的有功无功电流 从而达到调节 电压的目的 使得负荷端电压保持稳定 2 储能系统抑制系统振荡 i Pi Qi Ii Ies PL QL IL Pes Qes 储能 VL 负荷 P Q 图 2 8系统示意图 由于微网中 分布式电源多采用风电 光伏等微源 这些发电系统由于自身不稳 定 如风场的间断性 太阳能的周期性 发出的功率会产生振荡 再者 微网中的 各种故障也将会给系统带来功率振荡 因此应用储能技术抑制微网功率振荡很有必 要 如图 2 8 所示 节点 i 处的功率发生振荡 储能系统并联接入到 i 节点与负荷之间 20 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 以起到稳定输入到负荷端的功率的作用 从图 2 8 根据功率平衡原理有 L L i i es es 2 9 由式 2 9 可知 通过控制储能系统输入到系统的有功和无功功率可以起到调节 负荷端有功和无功功功率的效果 图 2 9 为储能系统抑制系统功率振荡的控制系统