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《重庆大学》 2015年
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含锂电池和超级电容混合储能系统的控制与优化研究

李逢兵  
【摘要】:近年来,由于可再生能源利用与智能电网建设等的需要,电力储能技术作为一种新兴的调节手段,因其控制灵活、使用方便得到高度重视。储能技术通常可分为具有大容量储能特性、循环寿命短的能量型储能和具有快速响应特性、循环寿命长的功率型储能。通常,单一储能的适用范围往往较为局限。混合储能技术由于可充分利用不同类型储能在技术特性上的互补性,满足不同层次的技术需求,在电力系统中应用前景广阔。目前,国内外关于混合储能系统的研究还处于基础理论与示范阶段。因此,研究混合储能系统建模、控制和优化等,对混合储能系统在实际工程中的应用等具有指导意义和参考价值。本文结合“含分布式电源的微电网关键技术研发”(863计划,2011AA05A107)和“分布式电源接入系统后混合储能关键技术研究与实验平台建设”(国家电网公司重大专项,ZDK/GW003-2012)等项目,开展了混合储能系统多尺度模型、控制策略设计、运行控制参数优化和综合优化等研究。根据所提出的策略、指标和模型等,给出混合储能系统整体技术经济特性的提升措施,为其运行与优化等提供更充分的决策依据,对混合储能系统的推广应用具有重要意义。储能系统模型是进行微电网设计、规划和运行分析的基础和前提。为适应多种不同场合的研究需要,给出混合储能系统的多尺度模型库。本文基于技术经济考虑,针对含锂电池和超级电容的典型混合储能系统,给出满足暂态分析、稳态分析、技术分析和经济分析等多种不同应用场合需求的模型库。暂态仿真模型与锂电池单级式、超级电容多重化双级式设备同比例,并通过PSCAD仿真和与实际储能运行对比进行校验。通用稳态模型基于两类储能在有功控制中的共同特点,并计及自放电率和充放电效率影响。根据混合储能系统各组成部分使用寿命的不同特点,分别给出满足不同技术需求的寿命量化模型。从投资和损耗折算成本等角度,分别给出混合储能系统各组成部分的经济模型。已有混合储能系统控制研究主要侧重于储能系统本身的保护控制和混合储能系统功率分配。为了充分发挥能量型储能和功率型储能的技术互补性,提出一种含各储能系统间协调配合和整体性能优化的混合储能系统控制策略。该策略在滤波功率分配基础上,新增整体调节能力优化、过充过放保护配合和最大功率限制配合等协调措施。考虑到功率型储能能量密度低等特点,根据外界需求和荷电状态进行实时动态调整,优化整体调节能力;并在保护与限制中考虑协调配合,更好地满足外界需求。同时,通过滤波时间常数变化、各储能系统实时运行状态以及出力频谱分析等,反映协调配合措施的具体过程与实现效果。算例分析表明:与仅考虑功率分配相比,所提策略在储能有限配置和储能冗余配置等情况下均能获得更好的控制效果,是提升混合储能系统整体性能的有效途径。混合储能系统控制策略中参数对控制效果具有一定影响。为了刻画混合储能系统内部各储能系统之间的协调配合程度,提出超级电容储能系统协调响应裕量指标;针对控制策略主要参数,如:功率分配滤波时间常数和本文提出的协调裕量指标,建立混合储能系统运行控制参数的多层次优化模型,以延长锂电池寿命和提升整体技术经济性等。考虑到功率型储能能量密度低的特点,采用工程实测秒级数据进行计算分析,准确真实地反映超级电容储能系统的实际工作状态。算例分析表明:通过控制参数的优化,混合储能系统的总费用明显降低;通过控制参数变化对锂电池寿命各影响因素的灵敏度分析,详细分析了其对锂电池寿命损耗的影响。在运行控制参数优化基础上,综合优化考虑各储能系统功率和容量的影响,进一步提升混合储能系统的技术经济特性。基于储能系统功率和容量在实际应用中的技术经济约束,提出反映负荷和可再生能源出力共同满足程度的储能系统有效率指标;建立基于整体技术经济特性的综合优化模型,并对于实际工程储能类型应用方案进行储能功率与容量、控制参数等的综合优化分析。为了探讨混合储能系统在控制有序性、承担频率范围和瞬变量响应能力上的最佳平衡,进行控制参数灵敏度分析,详细分析控制参数变化的技术经济影响。算例分析表明:通过综合优化,既可在控制参数运行优化的基础上进一步降低混合储能系统总费用,又可减少一半以上的投资成本。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TM912;TM53

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