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基于风/光发电系统的储能系统建模与控制

刘胜永  
【摘要】:近年来,一方面随着传统石化能源的枯竭和社会发展对电力能源的进一步需求,另一方面因为风能、太阳能等可再生能源分布广泛、无污染、可循环等优势受到极大青睐,因此世界各国都加快了可再生能源开发利用。但是风、光等新能源发电的能源等具有间歇性、不连续、不稳定、低密度、随时间、季节变化等特点,随着这些能源比重的增加,会对同步系统产生许多负面影响。而新能源分布式发电系统匹配一定容量的储能系统并入电网的方式是解决上述问题的主要发展方向,因为储能系统能为间歇性的可再生能源发电系统提供能量缓冲、削峰填谷和后备电源的作用,是改善间歇性能源发电的最佳方式。基于此,论文在参加相关科研项目基础上,提出基于风/光发电系统的储能系统建模与控制研究,其主要工作包括:(1)提出了采用三端口双向DC/DC变换器进行双能量源的能量管理混合储能系统,该方法减少了变换器数量、成本,并能实现高效的集中控制。在分析大量的能量转换系统(PCS)拓扑结构及其相应的控制特点基础上,储能系统采用三端口全桥双向DC/DC变换器+PWM逆变器的PCS拓扑结构的方案。论文重点分析了三端口双向DC/DC变换器拓扑结构的等效电路和换流过程,建立了基于状态空间平均法的DC/DC变换器数学模型,研究了变换器各输入端口间变量耦合关系进行解耦的策略,在此基础上设计了变换器的的双闭环控制系统,并采用移相PWM控制策略实现蓄锂电池和超级电容双电源的能量互补能量控制。(2)提出了锂电池、超级电容性质互补的混合储能模式在新能源发电系统,中的应用。由于二者在能量密度、功率密度上可实现优势互补、提高了电网系统能量稳定性、快速性。文中介绍了锂电池和超级的等效电路、进行数学建模的参数辨识方法和影响因素,采用了基于无味卡尔曼算法(UKF)对锂电池和超级电容的荷电状态(SOC)的进行估算的方法,其中主要推导了估算的实现过程,还讨论了SOC估算精度的影响因素和系统中锂电池与超级电容的容量参数的配置策略。(3) 建立了风力发电系统的和光伏发电系统的数学模型,重点研究了影响风力发电系统的风机、发电机的转动惯量、轴系刚度系数、阻尼系数等对风电系统的瞬态响应,验证了通过选择适当的系统参数,改善系统获得良好的瞬态性能。介绍了光伏发电系统光伏电池的数学模型和光伏阵列的最大功率点跟踪(MPPT)算法,使光伏发电系统工作在最大功率状态。结合电力系统动态模型验证了储能系统对改善电网母线电压、频率等参数进行了仿真研究,仿真实验证明了储能对于改善电网潮流的显著作用。(4) 论文最后构建了含风力发电、光伏发电模拟系统和储能系统并接入实验室分布式发电平台模拟电网系统实验。实验验证了三端口双向DC/DC对双能量源锂电池和超级电容基于SOC的能量管理。通过气象数据预测风、光发电系统的发电功率,以此作为模拟风、光发电系统输入指令控制并网逆变器的输出功率并接入电网,最后验证了储能系统在风/光发电系统中实现能量缓冲、功率补偿和后备电源的作用。


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