【《风光储直流微电网结构与建模综述》3400字】

风光储直流微电网结构与建模综述本章主要研究的对象为含混合储能系统的风光混合微电网，深入介绍了光伏发电系统和风力发电系统的基本设计、工作结构原理和基本功能，构建了光伏发电系统、风力发电系统和净负荷功率等数学模型，以及蓄电池和超级电容器在充放电过程中的数学模型。其中建立蓄电池和超级电容的充放电模型主要是为了考虑混合储能系统运行控制策略中的蓄电池和超级电容器的SOC和功率等限制条件；光伏发电、风力发电输出功率模型的建立主要是为了生成光伏和风力的输出功率曲线。1.1风光储联合微电网结构风力发电机组、光伏阵列和储能装置的选择以及并网方式的选取是本文风光储直流微电网研究的基础。在为我们的风光储直流式微电网进行容量配置之前，我们还需要建立一套诸如风力发电系统、光伏发电系统及其储能系统的相关数学模型。本文中我们所需要研究的太阳能微电网系统主要是由光伏太阳能发电系统、风力发电系统、负载和混合储能系统四部分组成，混合储能系统则是由蓄电池和超级太阳能电容器四部分组成的，微电网的拓扑结构如图1.1所示。当光伏和风力发电系统的发电量之和大于用电负荷所需要消耗的电量的时候，该混合储能系统工作于充电模式，提高了太阳能和风能的利用率：当光伏和风力发电系统的发电量之和低于负荷所需要消耗的电量的时候，该混合储能系统工作于放电模式，可以提高微电网的供电可靠性。图1.1微电网系统结构1.2光伏发电模型光伏发电系统包括太阳能电池系统、逆变器系统和光伏控制器这三个大部分组合而成。其中逆变器把由太阳能电池驱动而产生的直流电能逆变为三相交流电后再并入到电网之中；光伏控制器的作用是使太阳能电池始终跟踪在最大功率点跟踪状态。光伏发电主要是指利用光生伏特效应，使太阳能转换成电能，在此期间外界环境中光照强度和温度的变化会对输入功率产生直接影响。光伏发电系统的光伏发电量除了与太阳能电池容量大小有关外，也和光照强度、外界环境的温度有紧密的关系。太阳能电池的P-V特性及其随外界光照强度和温度的变化而产生的曲线如图1.2(a)和图1.2(b)所示。光伏阵列的输出功率主要与光照强度和温差有关，可以表示为(2-1)PPV(t)是光伏阵列在t时刻的输出功率；Pr为光伏阵列额定输出功率；Rc(t)为t时刻时外界环境中的光照强度；Rr为标准环境下的外界环境中的额定光照强度；Tc(t)为t时刻时外界环境的温度；Tr为标准环境下外界环境中的额定温度；k为功率温度系数；nPV是太阳能电池板阵列单元数。(a)温度保持定值时的P-V特性曲线(b)光照强度保持定值时的P-V特性曲线图1.2太阳能电池P-V特性随光照强度和温度变化的曲线图1.3某光伏电站一天内光伏出力光伏阵列是由太阳能电池串并联组合而成的，在温度一定的情况下，其输出功率出力主要受到光照强度的影响，某光伏电站典型日光伏输出功率曲线如图1.3所示，由图中可知，在凌晨和夜间光照强度为零的时候，光伏系统输出功率为零，随着光照强度的增加，在正午时刻光伏系统输出功率最大，输出功率波动曲线与负荷曲线基本一致。1.3风力发电模型目前直流发电机、异步发电机、同步发电机以及双馈发电机是在风力发电系统中通常会使用的发电机组6，本文采用的发电机组是目前常用的永磁直驱同步发电机组。该机组的优点在于可靠性较高，机械损耗较小。为了使风力资源的利用率得到提升，通常采用恒频变速发电技术。风力发电的主要工作原理是通过发电机的扇叶使风能转换成机械能，机械的动力再次作用于一台发电机，然后又把所有的机械能都转换成了电能，最终实现电能的输出。风力发电机的最大输出功率主要和外界环境中的最大风速相关，但并不是当时的风速越高，风力发电机的最大输出功率就会变得越大，二者之间是一种非线性关系。在风力发电系统中，通常会设置启动风速和截止安全风速。本文风力发电系统输出的功率数学模型如式(2-2)。(2-2)在式(2-2)中，Pw(t)是风力发电机t时刻的输出功率，Pr是风力发电机的额定输出功率，v(t)是t时刻的实际风速，vi是启动风速，vr是风机的额定风速，vo是风机的截止安全风速，也称之为切出风速。同时由式(2-2)也可得知风电机组的输出功率与实际风速的关系是一个三段的函数，其中：(1)当实际风速大小低于切入风速时，风机无法启动，当实际风速大小大于切出风速时，为了保护风机，风机将不工作；(2)当实际风速大小大于启动风速的同时也小于额定风速的情况下，风机输出功率会随着实际风速的增加而增加；(3)当实际风速大小在大于额定功率的同时且小于切出风速的时候，风机的输出功率为额定值。图1.4为风电机组输出功率特性曲线。图1.4风电机组功率特性曲线由于对风速不可人为控制，导致风力发电机组输入功率较为不稳定。某地典型日内风电场负荷输出功率的曲线图如下图1.5所示，可知风力发电在早上7点左右到晚上6点之间的一个的时间段内输出的功率相对较小，风电场输出的功率一般在晚上较大，这种时间段输出功率特性其实与风电场负荷输出功率波动的曲线相差较大，也就是说在用电量高峰期风力发电机组所需要输出的功率较小，在用电低谷期的时候，风电机组输出功率却很大。图1.5某风电场典型日的功率变化1.4混合储能系统现阶段，我们通常将储能单元划分为能量型以及功率型两个大类。常用于能量型储能单元中的蓄电池，具有储能成本较低，能量密度较高的特点。常用于功率型储能单元中的超级电容器，具有可循环使用年限较长，充放电速度较快的特点。两种储能单元构成的混合储能系统，能够在功能上实现优势互补。本文采用的正是以蓄电池和超级电容器构成的混合储能系统作为研究对象。1.4.1蓄电池充放电模型储能装置在微电网中是不可或缺的一部分，其中蓄电池在储能单元中扮演着十分重要的角色。现阶段，根据对电池单元的正极材料种类进行归类，我们大致可以把蓄电池材料划分为三类，包括钠硫电池、铅酸复合电池和锂离子电池。每次在进行充放电时，蓄电池内部的所储存的总能量也是不断发生变化的，我们通常用实际储存的能量来表示蓄电池的状态，一般采用SOC表示蓄电池的剩余容量[7]。电池能够等效地表现为由一个极化内阻Ro、欧姆内阻R1和一个极化电容C共同构成，其等效电路的模型结构如图1.6所示。电池的剩余容量是与上一次充放电周期末结束时刻的剩余容量、蓄电池充放电效率、负载的能力和容量、放电后的功率与放电周期共同决定的。图1.6蓄电池等效电路模型(2-3)(2-4)在时间△t内，假设此时蓄电池的充放电功率为△p，此时蓄电池的内部存储的电能变化和剩余容量SOC变化如以上(2-3)、(2-4)式所示。在公式(2-3)、(2-4)中，Esc(t)为第t-1结束时刻超级电容器内部存储的所有能量，△p=U·△i为超级电容器在充放电时的功率，当△p的值大于零时，蓄电池将处于充电模式下工作，当△p的值小于零时，蓄电池将处于放电模式下工作，如果蓄电池在工作过程中，其端电压大小保持不变，则蓄电池的充放电功率△p将会随电流变化量△i的增大而增大，△t为蓄电池的充放电时间，SOCsc(0)为蓄电池初始时刻的SOC，Esc(t)为蓄电池初始时刻内部存储的电能。1.4.2超级电容充放电模型超级电容器将能量以电场能的形式存储起来，其快速响应的特性有利于微电网的稳定运行。与其他形式的储能单元相比，超级电容器优点突出，其中：(1)功率密度高，能够瞬时提供大功率；(2)使用寿命非常长，循环使用次数一般超过十万次；(3)运行过程中可靠性非常高，基本上很少需要维护；(4)串并联方便，其中串联增加电容器组的电压等级，并联增加电容器组的容量；(5)对环境友好。限制超级电容器推广使用的主要原因是成本高昂。超级电容器可以等效为一个由电阻R和电容C构成的电路，其等效电路模型如图所示。计算超级电容器的SOC时与计算蓄电池的SOC时使用的是同样的办法。在单位时间内，当超级电容器的充放电功率大小为△p的时候，超级电容器内部储存的能量和剩余容量SOC的关系式如式(2-5)、(2-6)所示。(2-5)(2-6)在公式(2-5)、(2-6)中，Esc(t)为第t-1结束时刻超级电容器内部储存的可供使用的能量，△p=U·△i为超级电容器的充放电功率，当△p的值大于零时，超级电容将处于充电模式下工作，当△p的值小于零时，超级电容器将处于放电模式下工作，如果超级电容器在工作过程中，其端电压大小保持不变，则超级电容器的充放电功率△p将会随电流变化量△i的增大而使功率增大，△t为超级电容器的充放电过程所需的时间，SOCsc(0)为超级电容器初始时刻的SOC，Esc(t)为超级电容初始时刻内部存储的电能。1