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储能技术应用于电力系统时的协调控制研究

王姝  
【摘要】:储能系统具有对功率和能量的时间迁移能力,不仅能够提高电力系统运行稳定性、可靠性和灵活性,而且能够为可再生能源发电大规模并网提供一种有效途径,因此,储能技术必将在未来电力系统中占有重要地位。目前,关于储能控制方面的研究多是针对单个装置单一目标,但在实际应用中,储能与现有电力稳控装置之间、不同储能元件之间的协调控制更是亟待解决的难题,具有重要的理论意义和工程应用价值。本论文在国家自然科学基金重点项目(基于储能技术的新型电力系统安全运行基础理论与方法研究,50937002)的资助下,着重针对储能在电力系统中的协调控制展开深入研究,主要工作和取得的创新性成果如下: 针对含有储能的单机无穷大系统,提出了采用自适应无源方法对储能与发电机励磁协调控制。分析储能的接入对电力系统功角特性的影响,在此基础上,建立发电机-储能联合数学模型。考虑发电机阻尼系数的不确定性,由自适应反步法设计储能的有功和无功控制器,由协调无源性方法设计发电机励磁的控制器,使得整个闭环系统达到反馈无源。该协调控制器充分利用了系统的非线性特性,并对系统参数的变化具有鲁棒性。通过仿真,证明设计思想的正确性和控制方法的有效性。 将基于能量的控制器设计方法进一步推广到含有储能的多机电力系统,提出了基于Hamilton函数的储能与发电机励磁的自适应协调控制器设计。在计及各个单机之间的相互作用、发电机与储能之间的耦合影响的基础上,建立了含m台储能装置的n机系统数学模型,然后通过设置预反馈将模型表示为广义Hamilton形式。考虑发电机阻尼系数的不确定性、系统网络结构的变化以及储能装置参数的改变,引入自适应机制,设计了储能与发电机励磁的协调控制器。仿真结果表明,文中所提控制器具有很强的鲁棒性,并且能够显著地提高电力系统暂态稳定性。 由于目前储能技术水平有限,单一储能往往难以满足现代电网的多重需求,发展多元复合储能系统是在技术上、经济上较为可行的解决方案。不同储能元件之间如何协调控制,充分发挥各自的优势,是多元复合储能系统应用的关键问题。本文针对风电场输出功率随机波动的问题,提出采用超导磁储能(SMES)-蓄电池复合储能系统实时平抑风电场功率波动,实现风电场出力的平稳可控。建立该复合储能系统的拓扑结构和数学模型,并重点研究其协调控制策略。设计了复合储能系统的分层控制器——装置层和系统层,装置层控制器是根据系统层下达的功率需求指令,精确控制各变流器开关器件的动作;系统层控制器,提出了基于遗传算法优化的复合储能模糊控制新方法,根据风电场实时功率、目标调控功率和各储能装置的荷电状态(SoC),在SMES和蓄电池之间合理分配功率偏差。通过仿真,证明本文所提复合储能系统及其协调控制策略的可行、有效,不仅能够实现不同储能元件的特点互补,而且能够提高风电出力质量,提高风电并网能力。 由于储能装置的容量会影响储能控制器的控制特性,本文还将尝试研究如何优化配置储能,在保证系统需求的前提下,确定储能装置的最优容量。针对多机系统中多点分布的复合储能装置,提出了一种容量优化配置方法。建立含有储能的多机电力系统的结构保持模型,并采用模糊控制方法设计储能的运行策略。根据电力系统功角稳定性的分类以及SMES和蓄电池各自的特性,将复合储能的容量配置方法分为两步:初步优化和综合优化。综合考虑系统受扰后的稳定性和储能装置经济性两方面因素,采用多目标进化算法对复合储能容量配置问题进行求解。仿真结果表明,该配置方法计算简便,使用灵活,具有一定的实用价值。 本文的研究成果为储能在电力系统中的规划和应用提供技术指导。


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