【《微电网中蓄电池储能系统分析》3300字】

微电网中蓄电池储能系统分析目录TOC\o"1-3"\h\u10115微电网中蓄电池储能系统分析 1303231.1引言 1249921.2储能系统的类型 1201741.3铅酸蓄电池原理及电路模型 259051.3.1铅酸电池工作原理 2315041.3.2铅酸蓄电池的等效模型 351631.4铅酸蓄电池充放电控制方法 3182451.1.1铅酸蓄电池的充电控制法 324751.1.2铅酸蓄电池的放电法 5272741.1.3铅酸蓄电池的充放电电路及控制策略 5241051.5储能系统仿真 6218301.5.1储能系统仿真模型 6317361.5.2模型仿真结果及分析 71.1引言在微网中，大部分的分布式电源都存在一些明显且无法避免的缺点如输出功率波动，质量不稳定等，例如上文分析的风能，光能等，为了让风光储微电网能够正常运行，同时保证微电网高质量输出电能，必须加装蓄电池储能装置对整个风光储微网进行调节，当微电网和大电网连接并网运行时，储能装置充当系统负荷的角色，吸收电网能量，进行充电备用；当微电网因为某种缘由，变成了孤网运行，这时候，储能系统就会自动转换角色，由负荷变成了电源输出功率，从而保证微网系统的负载处电压没有大范围波动，保持稳定。本章将简单给出铅酸蓄电池工作时用到的理论以及相关的充放电方法，最后在软件上搭建模型进行分析。1.2储能系统的类型现阶段，微电网储存系统主要分为功率型储能和能量型储能两大类型[36]。能量型特点就是能量密度高，而功率型特点即为功率密度高。具体的分类见图4-1。图4-1微电网储能系统分类在这其中发展比较成熟，使用也比较广泛的微电网储能系统就是能量型，也就是采用常规的蓄电池进行储能。在微电网中，蓄电池发挥着调节的作用，在稳定电能质量，电网频率控制方面发挥着很大的作用，在能量型的储能系统中，锂电池与铅酸电池应用比较广，发展比较好，但是就成本而言，铅酸蓄电池价格较低；从容量方面来比较，它的容量也是比其他同等级的高；且不需要人为经常进行相关维护，因此本次设计的储能系统的主体是铅酸蓄电池。1.3铅酸蓄电池原理及电路模型1.3.1铅酸电池工作原理铅酸蓄电池的能量转换是通过内部的化学反应来完成的，当蓄电池处于放电状态时，正极处会进行对电子的捕获，发生的是还原反应；而负极区会失去原本的电子，发生了氧化反应，由正极输出电流，负极输入电流，将化学能转换成电能；而当蓄电池处于充电状态时，电子的得失，发生的反应性质等则与放电状态刚好是相反的。铅酸电池内由低浓度的硫酸充当电解液这个角色，正极处发生反应的主角是二氧化铅，负极为铅，在其正负极发生的化学反应方程式可用式子4-1和4-2表示[37]:正极： (4-1)负极： (4-2)上诉公式可以通过式4-3这一条可逆的化学方程式表示： (4-3)1.3.2铅酸蓄电池的等效模型由于铅酸蓄电池在充放电反应时呈现的特征都是非线性的，为了易于分析，对蓄电池模型采取了一些简化，即视充放电过程的电阻大小是相等的，其简化模型如下[38]:图4-2铅酸蓄电池等效电路模型其中在图4-2内，蓄电池内的各种参数符号的意思分别是：等效内阻是Rs；理想电压源是E；开路电压为Ubat，流出的电流Ibat。由基尔霍夫电路定理得： (4-4)1.4铅酸蓄电池充放电控制方法1.1.1铅酸蓄电池的充电控制法铅酸电池的充电控制主要有恒流，恒压充电法以及阶段式充电法[39]。1.恒流充电法当在对铅酸蓄电池充电时，采用的充电电流时刻保持在同一大小，该充电方法即为恒流充电[40]。由图4-3可以明显看出，在刚开始的时间段，蓄电池可接受的最大充电电流数值很大，正处于峰值，我们接入的恒定充电电流和其有着很大的裕度空间，因此在前期充电阶段，充电的速度十分快，也从侧面说明了这种方法前期充电效率的高效，但是随着充电时间慢慢增大，蓄电池可以接受的电流曲线开始往下走，数值降低，最终蓄电池可接受的最大充电电流值会保持不变，而充电电流值是始终不变的，但是比前者终值大，因此会使得电流过剩，而多余的电流会在蓄电池内部发生化学反应——电解水，这个反应产生的各种气体会对蓄电池内部产生破坏，久而久之会降低其使用寿命。图4-3恒流充电法2.恒压充电法恒压充电法是一种比较传统但是又很简单的一种充电方法，顾名思义其在充电的时候，保持充电电压的值不变[41]。由下图4-4可知，利用这种充电法，前期阶段，铅酸电池端电压和我们采用的充电恒压之间差值很大，且由于前期对蓄电池进行充电的电流是峰值，它会提高蓄电池内部化学能到电能的转化速度，让充电速度变得很快，但是这样会对蓄电池带来损耗，到后期二者电压差不断减小时，充电电流也跟着下降，此时由于充电电流很小，充电速度又会随着变得很缓慢，可以在快充满电时起到保护蓄电池的目的。图4-4恒压充电法3.阶段充电法阶段法有三阶段，和两阶段这两种比较传统阶段充电法，而目前使用的比较多的是前者，对三阶段充电法可以解释为，第一阶段采用前面介绍的恒流法，第二阶段利用了恒压法，最后一个阶段则再次采用恒流法。采用这种方法可以结合上面介绍的两种充电法的优点，同时又可以避免二者产生的弊端对蓄电池的损害。在前期用恒流法，可以让充电速度加快，实现快充；中期用恒压法，使充电电流符合最大可接受充电电流或者在其附近，最大限度减小对蓄电池危害；末端用充电电流更小一点的固定电流法，可以避免超出的电流，产生电解水造成对蓄电池内部的破坏。图4-5阶段充电法1.1.2铅酸蓄电池的放电法在放电控制方法这一方面，铅酸蓄电池能用的有很多种，比较传统和常用的有恒流，恒压以及恒功率放电三种[42-43]。恒流放电恒定电流放电采用电流反馈单闭环的方式来维持在放电的过程中维持电流的稳定。在进行放电时，铅酸蓄电池的电压值也会随之慢慢降低，当放电电压达到末端值时，蓄电池就会停止放电，由于恒流放电的大电流会使蓄电池的正极处的化学物质掉落，这是不可逆的，会对蓄电池造成不可挽回的伤害。恒压放电恒压放电按其字面意思解释就是蓄电池向外输出功率时维持放电电压不变，利用这种方法可以避免大电流带来的损失，但是要加多一个电流调节环节，增加成本。恒功率放电放电过程维持放电输出功率值始终为一个定值，该方法即为恒功率法。这种控制法在功率变化很大的场合，需要很高精度的控制器控制放电，因此仅局限于小扰动的母线。1.1.3铅酸蓄电池的充放电电路及控制策略铅酸蓄电池的存在是为了稳定微电网的运行，微网在运行时，有两种状态：第一种，当微网中风能和光伏发电提供的能量过多，为了不浪费多出的功率就需要将其输入到蓄电池中，为蓄电池进行充电；第二种，微网中风能和光伏发电提供的能量不足以供给负载，这时候就需要蓄电池放电，输出功率，补偿给系统，维持系统稳定。由于铅酸蓄电池的功率流动在系统中是双向的，而且输出，输入均为直流，因此采用了双向DC/DC电路，结构如下图4-6所示，在图中可以通过控制晶闸管的导通时间，使电路工作在升压斩波(Boost)状态，或者降压斩波(Buck)状态。当系统工作为状态一时，即充电模式时，电路状态为Buck状态；反之，系统工作状态为第二种时，电路状态为Boost状态。图4-6双向DC/DC变换电路图综上考虑了上文提到的几种充放电控制策略，本次的仿真主要采用的是恒压法详细的流程，由下图的控制框图给出，如图4-7，4-8所示。在恒压法的控制中，采用都是PI调节器电压环和电流环相结合的双闭环控制法，电压环主要作用是当外界条件变化时，让实际工作电压与参考电压保持一致，电流环作用则是让实时电流跟踪参考电流的变化。图4-7铅酸蓄电池充电控制框图图4-8铅酸蓄电池放电控制框图1.5储能系统仿真1.5.1储能系统仿真模型对于储能系统的仿真，在本章节中主要介绍放电部分，其模型可以由两部分构成，电压电流双闭环+双向DC/DC变换器，其中上半部分参数设置为：电压环PI：Kp=2,Ki=100;电流环PI：Kp=0.5,Ki=10，下半部分中对储能装置参数设置是给定80%初始荷电状态，200V的标称电压，40Ah的额定容量，而变换电路中,,。详细放电仿真模型如图4-9所示：图4-9整体储能模型1.5.2模型仿真结果及分析由上诉放电模型进行运行仿真，其中仿真时间设置为4s，可用蓄电池的直流母线电压，功率以及蓄电池的SOC来表示蓄电池的放电能力，波形图由图4-10~4-12来表示：图4-10蓄电池放电时直流母线电压图4-11蓄