储能系统论文（共11篇）
储能系统论文 篇1
1、引言
随着磁悬浮技术的日益成熟、高强度碳纤维新型复合材料的逐渐开发成功, 飞轮储能系统在卫星储能、姿态控制等方面显示出强大地优势地位[1]。上世纪中后期, 对飞轮储能等新能源大规模开发利用就始于航空航天领域的军备竞赛[2,3], 资源的匮乏直接导致发达国家对这种清洁、无污染的储能方式的投入, 以美日英法等国的研究具有代表性[4]。我国向来重视新能源的开发利用, 飞轮储能作为可循环使用的绿色能源的重要形式, 已越来越受到我国政府和广大科研人员的关注[5], 逐渐利用到风能发电储能及电动汽车的能量转换领域。
卫星在日照区域内, 可充分吸收太阳能维持系统运转, 并完成能量存储。进入阴影区后, 由供能系统释放能量驱动控制系统, 完成对卫星的控制。储能飞轮系统不仅能完成能量储存, 还能通过平衡转矩来控制卫星姿态[6], 是卫星控制系统中重要的组成部分。高强度碳纤维复合材料以其优越的性能、独特的工艺方式和达到较高储能密度的特点, 成为制备飞轮的理想材料[7]。依据大量的文献及相关实验记载, 文献2中列出了复合材料飞轮技术指标, 代表了行业内不同国家达到的水平。国内对于飞轮系统的研究, 多集中的理论计算和实验分析, 量产及工业化应用尚不能普及。
储能密度是评价飞轮储能系统的主要指标, 选取高强度碳纤维复合材料, 为提高储能密度奠定了基础[8,9]。卫星储能/姿控飞轮需要具备两个功能, 储存能量和姿态控制, 提高储能密度是首要设计目标。目前卫星姿态控制多用滚珠轴承动量飞轮, 振动辐射及高能耗影响卫星稳定性[10], 选用磁悬浮飞轮系统, 可有效解决此类不足。本文主要针对碳纤维复合材料飞轮转子, 选用适当的优化设计方法, 在限定飞轮大小范围的基础上, 确定最佳尺寸, 使储能密度最大化。
2、飞轮储能密度影响因素
对飞轮储能系统而言, 单位质量的飞轮转子所储存的能量即为飞轮储能密度, 优化储能飞轮的宗旨是提高系统的储能量。在设计开发过程中由于客观因素诸多, 储能飞轮系统针对不同的应用环境, 整体所占空间也各不相同。因此, 选用高强度碳纤维复合材料制备飞轮, 辅以合理的结构设计, 对提高飞轮储能密度有直接的影响。
旋转体的动能表达式为:
针对飞轮转子, E为飞轮储能量, 也即最大动能, I为转动惯量, ω代表旋转角速度。则飞轮的储能密度为:
飞轮转动惯量为:
ir和or分别代表飞轮内外径, 设置飞轮轴向厚度h, 回代入式 (1) , 可得储能量为:
若定义转子内外半径比为转子的边缘线速度vo=rωo, 可求得系统的储能量和储能密度r为o:
从以上两式易知, 飞轮储能系统的储能密度和内外半径比及旋转角速度有直接关系, 其中角速度的影响更大。对飞轮转子的设计工作都是围绕提高转速进行的, 同时还要保证在极高转速下飞轮系统的安全性。不同复合材料其储能密度也有较大差别, 文献11及12的研究结果均证实高强度碳纤维/环氧树脂复合材料具有极高的储能密度, 本文的研究同样基于此类复合材料。
3、建立优化分析理论模型
3.1 确定优化设计模型
对飞轮系统储能密度优化, 首先简化设计变量, 置换成易于描述飞轮转子特点的要素, 采用周向缠绕工艺制备的飞轮体为环形或盘式飞轮, 对 (6) 式加以改进, 将内外半径比及外缘线速度变量替换后得:
此式即为优化问题的目标函数, 可描述为:
结合卫星飞轮系统实际, 磁悬浮技术有效保证了无阻力运转, 在飞轮正常工况下, 轴向应力相比环向应力和径向应力极其微小, 系统约束条件简化为二维应力状态下的Tsai-Hill强度准则[13]:
不等约束:gj (x) ≤0 (10)
其中:x= (x1, x2, L, xN) T
不等式 (10) 为约束条件, 因轴向应力及应变微小, 去除轴向应变等因素, 实为强度条件。约束条件简化为二维应力状态下的TsaiHill强度准则, 为寻求优化变量X的最优解, 只需在满足不等式 (11) 的条件下对目标函数做出非线性规划, 如果目标函数的最优解存在, 其最优解就在可行域边界的某一点上。
3.2 优化分析基本过程
复合形法基本思路是在可行域内构造一个具有k个顶点的初始复合形[14], 对该复合形各顶点的目标函数值进行比较, 去掉目标函数值最大的顶点 (最坏点) , 然后按一定的法则求出目标函数值有所下降的可行新点, 并用此点代替最坏点, 构成新的复合形。复合形每改变一次, 就向最优点移动一步, 直至逼近最优点。
可按以下步骤生成复合形:
选定一个可行点, 其余k-1个可行点随机产生, 使用下式确定顶点:
式中:xj——复合形中的第j个顶点;
a, b——设计变量的下限和上限;
rj——随机数, 在 (0, 1) 内。
计算所得到的k-1个随机点不一定全部都在可行域内, 要将这部分不可行点移到可行域内, 利用下式求出在可行域内的L个顶点的中心cx,
用中心点cx进行如下迭代可将不可行点向中心点移动:
直到将点移动到可行域内, 迭代结束。如此, 随机产1k-1个点将全部成为可行点, 并构成初始复合形。
在可行域内生成初始复合形后, 采用反射搜索方法来改变复合形的形状, 使复合形逐步向约束最优点趋近, 使收敛条件满足下式后, 计算终止, 可得约束条件最优解。
基于以上的目标函数模型, 设计最高旋转角速度, 依据整个卫星储能/姿控飞轮系统的体积大小, 可将外径固定, 对初始点的选取放在内径的搜索上, 设置搜索区间, 遵循复合形法的原理, 可有效而快速的计算出结果。
4、飞轮转子的储能密度优化
通过以上分析, 对飞轮系统储能密度优化的物理意义可描述为:在已知飞轮转速和满足约束条件的情况下, 寻求使优化目标函数有最大值的一组飞轮转子内外半径值。当限定搜索范围后, 优化变量只有内外半径尺寸, 即是确定飞轮的形状尺寸。选用碳纤维/环氧树脂复合材料作为飞轮转子制备材料, 建立飞轮模型, 采用复合形法编制优化程序, 以此确定储能密度的最佳值。
复合材料碳纤维/环氧树脂飞轮转子厚度设置h=20mm, 为建模及分析方便, 旋转角速度为ω=3×104 r/min, 材料密度值为ρ=1.75×103kg/m3, 其他性能参数如表1。
设置转子内外径及初始值如表2:
利用复合形法优化后所得到的飞轮内外径分别ri=80m, ro=228m, 内外半径比α=0.35, 储能密度优化值达U=2.89×105J/Kg, 飞轮储能密度优化后达到优化前的A=204.87%储能密度提高一倍。
利用有限元分析软件ANSYS建立飞轮转子模型, 在优化尺寸基础上分析飞轮转子应力应变的变化, 符合平面应力盘形飞轮的形要求, 有限元模型采用Shell (板壳单元) 弹性四节点63单元自底向上模, 得到飞轮单元及节点的变形及受力应力分布状况如图1所
飞轮总体位移变化由内到外逐步增大, 在旋转角速ω=30000r/min的载荷下, 最小值在内径处为umin=.2169mm, 最值出现在外径处为umax=7.28mm。 (如图2)
径向应力在半径r=146.6mm处达到最大值σrmax=73.069MPa, 向内外半径处逐渐减小, 最小值。 (如图3)
飞轮总体位移沿半径由内向外逐渐增大, 外经处位移越大, 说明发生应变的几率就越大, 飞轮轮体在这一部位极易发生失效, 是需要注意的重点部位。
5、结语
本文通过分析影响飞轮储能密度的各种因素, 建立了碳纤维/复合材料储能飞轮转子的储能密度优化模型, 选用优化设计方法中的复合形法设置搜索路径, 建立系统的优化设计模型。
以储能密度为目标函数, 设置蔡-希尔强度准则为主要约束条件, 限定一定的转子结构尺寸, 在一定旋转速度条件下进行优化, 得出一组最优的内外半径值, 使得储能密度相比优化前增加一倍, 并编写出解答类似储能密度优化问题的通用程序, 大大缩短了计算时间, 对储能系统优化问题有重要的现实意义。
摘要：卫星在工作过程中需要不断调整飞行姿势, 并在阴影区利用自身能量提供工作能源, 储能/姿控卫星飞轮储能系统可以较好的完成这一使命。本文依据旋转体运动的基本规律, 通过动能转换得到飞轮转子储能密度的一般表达形式, 以此作为储能密度优化的基础, 建立优化分析的理论模型, 选用复合形法编制优化程序, 得到储能/姿控卫星飞轮储能密度优化问题的一般分析方法, 具有普遍的理论意义。
关键词：储能密度,储能/姿控卫星飞轮,复合形法,应力应变分布
参考文献
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储能系统论文 篇2
关键词：锂离子；电池储能系统建模；电网稳定性影响
中图分类号： TB13 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）26-167-2
1 储能技术在现代电力系统中的应用
1.1 电力系统的削峰填谷
在我国社会不断发展的现阶段，无论是我国工业上还是商业上用电，用电量都在不断提高。在大规模的配电网中仍然会出现负荷率低的情况，而且在不同的时段、不用的季节都存在很大的差异。此时，储存系统就产生了巨大作用。如在电网中配备大规模的、高性能的储存系统，那就可以在用电低谷的时候将电能储存，在用电高峰期的时候释放出来，这样就可以满足负荷，从而实现削峰填谷。
1.2 新能源分布式发电的灵活接入和稳定输出
在国内，随着我国的各种资源的枯竭与环境的持续恶化，寻找新的能源代替品已提上日程。太阳能、风能以及地热能都逐渐被重视起来，世界各国都在这些方面投入了大量的人力物力。现阶段，新能源分布式发电的灵活接入和稳定输出为电力事业的发展做出了巨大的贡献，锂离子电池储能系统也随之发展壮大，在我国得到大力的扶持与发展。
2 锂离子电池概况及其在电力系统中的应用现状
2.1 锂离子电池的概况
世界上对于锂离子电池的研究最早是从20世纪的六七十年代开始的，当时最主要就是以金属锂以及锂的合金作为负极，当时来说就是锂的一次电池。经过多年的发展，在20世纪八十年代的时候又发现将锂的石墨镶嵌到化合物中作为电池的负极，由此开启了锂的二次电池时代。发展到现在的磷酸铁锂电池，这种锂离子电池是目前来说，性能最好的，最有发展前景的电池。
2.2 锂离子电池在电力系统中的应用现状
在电池中，锂离子电池自成一个体系。锰酸锂电池是现阶段电车上用的做多的，它的性能也是运用到电车上最好的材料。还有就是钴酸锂电池，这种电池应用的最广泛，它主要是应用于通信行业，例如：电脑、手机等等。而真正可以运用到电网上的还当属磷酸铁锂电池，磷酸铁锂应用最为成功的还是美国，美国也是代表着世界科技前沿的水平。
3 锂离子电池储能系统建模及其对电网稳定性影响
为了可以有效地研究锂离子电池储能系统建模及其对电网稳定性影响，我们对锂离子电池储能系统进行了一系列的数学建模，以及进行仿真研究。下文就通过锂离子电池储能系统的数学建模、锂离子电池储能系统对电网稳定性影响的仿真以及锂离子电池储能系统对电网稳定性影响的研究三个方面进行探究。针对这是三个方面，我们进行了一系列的仿真实验，并对这些仿真结果进行了分析与评价。根据下文的结果，我们可以详细地了解到锂离子电池储能系统建模及其对电网稳定性影响。
3.1 锂离子电池储能系统的数学建模
为了更好地研究锂离子电池储能系统，我们为它创建了一个新的并网系统的数学建模，图1为锂电储能系统并网拓扑
储能并网系统通常包括几种部分，电池管理监测系统、储能装置以及逆变器系统等。我们可以做一系列的假设：首先是滤波器的电感线性、无饱和现象；再有就是一切的损耗和影响我们现阶段忽略不计。这样我们最终采取的数学建模的形式如图2，为简化后的储能并网结构三相桥式逆变器通常有两种建模方法，分别是开关函数建模法和占空比建模法。其中开关函数建模法适用系统仿真、占空比建模适用控制设计，基于上文假设、综合考虑。
3.2 锂离子电池储能系统对电网稳定性影响的仿真研究
经过我们对锂离子电池储能逆变系统线性增量建模、接入锂离子电池储能的单机无穷大系统建模以及接入锂离子电池储能的两区域互联系统建模这三个建模理论的研究，在Matlab软件中分别建立接入锂电储能的单机无穷大系统模型和两区域互联系统模型。分别在充放电的形式下对比接入储能与无储能时的功角振荡曲线，再仿真出不同的储能对功角稳定的影响程度，之后讨论出容量的配置问题。通过锂离子电池储能系统对电网稳定性影响的仿真研究可以有效地、清晰地了解到锂离子电池储能系统对电网稳定性的影响的要素。建立仿真模型，分别在放电和充电模式下观测系统接入20MW锂电储能前后在小扰动时的功角振荡曲线。为便于分析储能的运行状态，这里一并给出接入储能后的电池电流IBEs和电池电压增量4VBOc的仿真曲线。仿真结果如图3。
系统接入20MW锂电储能后，功角稳定性明显增强。因系统本身具有阻尼效应，无储能条件下发生小扰动时，仍可经过一段时间振荡后恢复稳定（放电模式，机械功率正向扰动，功角瞬时上升，后波动趋稳；充电模式反之）。
3.3 锂离子电池储能系统对电网稳定性影响研究
随着电力事业的不断发展和壮大，以及我国电网的综合负荷也不断提高，复杂程度也随之变强，电力系统的稳定性也面临着非常巨大的挑战。在我国，最传统的电力电网主要是依靠继电保护装置来实现电网的稳定性，而现阶段随着电网的复杂性提高，传统的稳定系统已无法满足要求，更多的电网稳定性措施也在不断创新与发展。为了实现功率平衡，为电网提供了主动致隐途径，锂离子电池是现代电力系统大规模储能装置，有效提高系统稳定性。电网储能装置专作稳定控制将在我国大力发展。锂离子电池储能对电力系统稳定性的影响，着重关注功角稳定和频率稳定两方面。首先对储能应用于电网稳定的研究现状简要分析，继而根据已建的锉电池等效电路模型结合逆变原理在理论上进一步推导、分析，线性化处理，形成了适于稳定研究的线性增量模型，然后建立了接入锂电储能的单机无穷大模型和两区域互联系统模型。
4 结论
电网级储能系统保持增长态势 篇3
目前, 储能行业关键性的设备提供商, 同时也是供应链上专门的主要系统集成商。Navigant Research的高级分析师Anissa Dehamna表示:“当前是先进储能行业十分关键的时刻。许多储能技术的市场已经开始快速增长, 但是, 为了该行业的持续增长, 将需要更多的系统集成商。”
在技术方面, 2013~2014年, 锂电池技术尤其活跃, 共计有168.6MW宣布开建。目前, 全球共计部署了236.3MW储能系统。得益于意大利和阿联酋的两个重大项目, 硫化钠电池成为第二活跃的储能技术。液流电池占据过去两年约6% 的新市场份额, 共计有21.8MW宣布开建。飞轮的市场活跃度也很高, 共计约15MW。
RFT自控相变储能节能材料 篇4
［专利号：2007102008027］
一、产品概述
RFT自控相变储能节能材料是依据相变储能机理，兼有热熔和热阻性的双项功能，有别于传统保温材料的单一热阻性。传统的建筑外墙外保温体系因不具备热熔性而导致室内温度波动大，因此，传统的建筑保温材料技术不代表节能，相反还带来新的能源浪费，例如，炎热的夏季在太阳底下给人穿大棉袄将是什么感觉，同样，建筑在炎热的夏季由于保温带来室内热量散发不出去，为了散热造成空调能源更大的浪费。
RFT自控相变储能节能材料具有较高热容，在冬季的白天可蓄存由窗户进入室内的太阳辐射热，晚上材料相变向室内释放出蓄存的热量，从而大大节约采暖能耗；在夏季不但可以有效阻止室外热量通过建筑墙体进入室内，同时可以吸收室内的高峰热量，防止室内过热，在夜间室外温度下降以后外围护结构热量又能很快散发出去，保持室内有适宜的温度有效改善室内的热环境，从而降低了空调能耗、减少温室气体排放。
RFT自控相变储能节能材料通过了国家建筑材料工业技术监督中心的成果鉴定，并经由国家建筑材料工业房建材料质量监督检验检测中心检测：“潜热值、干表观密度、压剪粘结强度、抗压强度、线性收缩率、燃烧性能及水蒸气湿流密度等项目符合Q/CYBFT003-2006《 RFT自控相变储能节能材料》标准要求。”“纯相变材料潜热值为240.44J/g,其检测试样厚度38mm，传热系数达0.56w/(m2·k)，当量导热系数为0.027w/(m·k)。”
RFT自控相变储能节能材料的优异性能获得了众多工程质量验证，取得良好声誉，如：港馨住宅小区的建设方房地产开发公司在回访反馈中书面表示：“此材料特点显著、工艺先进、施工快捷、综合造价低，现场材料抽样检测，完全符合国家标准，是理想的保温产品，建议在建筑行业中大力推广此产品。
二、材质特性
利用相变调温机理，通过储能介质的相态变化实现对热能储存。当环境温度低于一定值时，该材料由液态凝结为固态，释放热量；反之由固态熔化为液态，吸收热量，可形成室温相对平衡。
相变材料可收集多余热量，适时平稳释放，梯度值变化小，有效降低损耗量，室温可趋于稳定。
利用相变调温机理，可使电负荷“消峰平谷”充分利用低谷电价，降低用电成本，减少能源浪费，获取可观的社会效益和经济效益。
利用相变调温机理，对建筑分户采暖产生广泛推动作用，可对居住环境室温夏季隔热、冬季保暖起到平衡调节作用。
三、综合优势
双项绝热——应用相变添加剂，产生热熔和热阻性双项功能，有别于传统保温材料的单一热阻性。
防火不燃——经测定为A级不燃材料，使用不受范围限制，符合防火要求。
绿色环保——已测定为无毒、无味、无放射、无腐蚀的环保型产品。
密实憎水——具有憎水功能，水中长久浸泡不松散、不粉化、不变形。有效避免传统保温层吸湿后回软易于墙体脱开之弊病。
高强抗压——料体呈网状结构，与空气中的二氧化碳，水分反应，在表面生成保护层，形成高抗压强度；材料中的基可与墙体形成高渗透统一体，其干态粘结力，湿态粘结保护率均优于同类产品，可满足高层建筑外墙贴面砖的粘结强度要求。
耐候持久——惰性材质，可有效避免环境温差应力及负风压对保温层的撕裂性破坏，体现其粘结牢固性及使用的长久性。
吸声降噪——多层次不相贯穿的中空结构，可减缓震动源和撞击声波传递，有效降噪分贝。用于分户墙、顶棚、地面等部位具有隔声效果。
抑菌防碱——含有纯天然的香、香醇成分，具有驱虫、除臭、防析碱功能。
施工简便——单组分，现场调料，手工抹置，便捷，也是多种建筑内、外墙等处抹灰理想的替代品。
经济实用——综合造价低，与同类产品比经济实用。
四、适用范围
储能世界汇聚中国 篇5
中关村储能技术联盟常务副理事长陈海生博士首先致欢迎辞，随后Heiko Stutzinger先生介绍了德国可再生能源存储的现状、视角和展望，并以德国能源存储协会（BVES）董事会成员的身份介绍了德国能源存储协会（BVES）在能源存储行业的地位和作用。他指出：为全球能源存储行业重大活动的推动力量，杜塞尔多夫展览集团公司将利用其专业知识和全球网络，助力储能国际峰会实现全球布局。这标志着储能国际峰会正式成为全球能源存储系列峰会暨博览会的一部分，其中包括将于2014年3月25～27日在德国杜塞尔多夫举办的第三届欧洲能源存储峰会暨博览会，2014年9月30日～10月2日在美国加州圣何塞举办的第二届北美能源存储峰会暨博览会，以及2014年12月3～5日在印度新德里举办的印度能源存储峰会。
中关村储能技术联盟秘书长张静女士为大家带来了中国能源存储市场的最新动态和行业趋势，以及储能国际峰会2014的最新议程亮点及筹备工作进展，参会的企业代表对储能国际峰会2014给予了高度评价和信心。值得一提的是，此次发布会还向众多参会记者介绍了“全球储能联盟”（Global Energy Storage Alliance）的基本情况，该联盟由中关村储能产业技术联盟、德国能源存储协会、美国加州储能联盟、印度储能联盟共同发起，旨在提升能源存储技术在全球范围内的认可度，促进业内交流和行业发展。
地下储能系统的研究与应用 篇6
关键词：含水层,水源热泵系统,地下水储能
1. 地下储能系统现状及研究意义
为了节约能源、保护环境, 降低运行费用, 采用地下水储能技术实现建筑物的中央空调。该项技术涉及到地下水开采与回灌。
为促进水资源的优化配置和可持续利用, 保障建设项目的合理用水要求, 根据《取水许可制度实施办法》和《水利产业政策》, 对于直接从江河、湖泊或地下取水并需申请取水许可证的新建、改建、扩建的建设项目利用水资源, 必须遵循合理开发、节约使用、有效保护的原则;符合江河流域或区域的综合规划及水资源保护规划等专项规划, 按照《建设项目水资源论证管理办法》规定进行建设项目水资源论证。地下储能技术国内外发展状况
利用地下水进行地下储能的技术最早出现在中国, 上世纪六十年代初, 为了缓解地面沉降和解决工厂的储能问题, 北京、上海和天津采用了地下水人工回灌措施。储能方法大都采用单井回灌方式, 每年冬季或夏季, 需用冷能或热能的工厂, 用管井回灌的方法, 将冷水或热水灌入含水层储存起来, 在生产需用冷能或热能时再抽取使用。目前上海市有储冷井400余眼, 冬灌冷水约2000×104m3;储热井130余眼, 夏灌热水600×104m3。天津市九十年代中期有回灌井78眼, 年回灌量170万m3, 目前回灌量已降低。江苏省无锡、苏州、常州一带地下水回灌规模也较大。由于成井技术及回灌技术存在一定问题, 回灌井出现物理堵塞、化学沉淀堵塞、生物化学堵塞, 导致回灌规模难于扩大。
在国外, 地埋管式地源热泵系统发展较早, 在二十世纪上半叶则已成熟, 但规模不大。利用地下水储能技术则是在上世纪八十年代末期开始。此项技术处于领先地位的是荷兰IF技术股份有限公司, 该公司从事地下水储能技术研究和开发多年, 在吸取中国地下水回灌技术经验的基础上, 针对我们难于解决的前述几方面的问题进行研究, 逐步得以解决, 创造出荷兰式地下储能技术。上世纪九十年代在荷兰、比利时、挪威等国推广地下储能工程近二百项, 均为较大型的储能工程。该项技术是最早采用对井, 互为灌采井, 对成井技术、回灌技术进行研究和改进, 实现地下水灌采平衡。利用地下含水层储能, 并与热泵、热交换器联合使用实现建筑物冷暖空调。
近几年来, 在受荷兰地下储能技术的影响, 天津市进行多项地下储能工程试验和建设, 取得了一定进展。但就目前我们的技术水平来讲, 与荷兰地下储能技术尚存在一定的差距。在灌采井施工机械、施工工艺、设备选材和回灌技术等方面均需改进和提高, 目前仍处于探索阶段。
2. 地下储能技术原理
地下储能技术是把大气的冷热能源以地下水为介质, 储存在含水层中, 供使用期间提取。它与风能、太阳能一样, 是一种低维修, 高能效的利用自然能的方法, 是不产生环境污染的“绿色能源”。其工作原理非常简单, 在冬季, 水从所谓的“热井”中抽出, 利用热泵技术释放的热能, 为建筑物供热, 经过冷却后的水回灌至所谓“冷井”。在夏季, 过程正好相反, 从“冷井”中抽出的冷水, 经热交换器 (或热泵) 交换, 为建筑物或工艺过程供冷, 工作完温度升高的水回灌至“热井”。这种储能方式, 可通过一对井或几对井实现, 这要视工程所需能量而定。还有一种形式, 即分别于相对较远的对应井群, 注水井群只用来注水, 抽水井群只用来抽。不同季节注入水量温度平均值等于地下水温度, 经过一定距离流动, 水温接近常温, 可供空调系统用水。受水文地质条件的限制, 目前多数采用前者。
这种装置可取代制冷机组, 比常规的水循环制冷效果好, 其节能、节水、环保效果好。
目前国内俗称的“水源热泵系统”, 与地下水储能系统尚存在一定区别。
2.1 地下储能系统的优点
(1) 能效高:由于本系统可以利用地下水进行储热和储冷, 系统制冷系数略高于压缩式水冷机组, 一般可达4.5以上, 制热系数达5.0以上。
(2) 环保性能好:由于以电为动力源, 无任何排放物, 环保性能优越。
(3) 一机多用:即可冬季供热又可夏季供冷, 也可供应生活热水, 夏季供冷还可省去冷却塔。
(4) 投资与其他方法持平, 运行费用较低:与电冷空调配燃油锅炉、溴化锂空调配燃油锅炉及溴化锂直燃式空调等方式比较, 其投资持平, 但运行费用仅为其他方式的一半或三分之一。
(5) 技术成熟, 自动化控制水平高, 运行和维护简单。
2.2 地下水储能系统与普通水源热泵系统的差异
地下水储能系统通过地下水作为介质采集和储存能源, 重视能源的储存和地下水资源保护, 系统运行过程中, 保持地下水采补平衡, 对环境不产生影响。因所使用的井均为灌采两用井, 为此, 非常重视成井技术和成井质量。地下水不受气温变化的影响, 温度比较稳定, 储能效果显著。夏季储存的水温高于原含水层水温, 冬季储存的水温低于原含水层水温, 反季节利用, 大幅度提高系统供暖和制冷效果, 从而达到节能的目的。而利用地表水的水源热泵, 因地表水受气温影响明显, 能源储存效果较差。同时, 受地表水体的限制, 使用有一定局限性。目前, 国内不少地区利用地下水作为水源的热泵系统, 只采不灌, 不重视成井技术和成井质量, 不重视能源的储存, 更不重视水资源和环境的保护。这在水资源严重缺乏的我国, 是不允许的。为此, 不少地区水资源管理部门严格限制这种形式水源热泵系统的发展。天津市因水文地质条件较差, 地下水超采易引起环境地质问题, 采用地下水作为介质的水源热泵系统, 必需采取采灌并举的方法, 使地下水采灌平衡, 同时也起到储能的作用。
2.3 地下储能系统经济效益比较
“管井灌采地下水应用于冷暖空调的试验研究”曾对目前采用的几种冷暖空调系统的经济效益进行了分析对比, 其结果如下:
固定设备投资:
地下储能系统每万m2投资为195万元。与其他空调设备比较如表2-1:
(比较条件:建筑面积1万m2, 室内温度冬季保证18-22℃, 夏季24-28℃。)
其他三种设备每万m2平均初投资227.3万元, 而使用地下储能可节省初投资32.3万元, 节约14%。
运行费用比较:
冬夏两季与其他空调设备相比较, 条件是电价按0.6元/度, 燃油3.8元/L, 人工费26.7元/d·人, 管井灌采平衡。
冬季运行11小时, 夏季运行11小时。
从上表分析, 三种空调年运行费平均为45.6万元, 而使地下储能仅19.22万元。是其他平均运行费的42%。即每年平均节约运行费26.4万元, 8年以内即可收回投资。
从以上对比可以看出, 地下储能空调系统投资小, 运行费用低。他的前期投资比其他类型空调系统节省20%左右的费用, 运行费用连其他空调的一半都达不到。另外, 使用地下储能占地面积也只有一般中央空调的1/3, 对于寸土寸金的城市就显然是更为合理的选择。
3. 地下水水质预测与分析
采用地下水源热泵系统的储能形式, 对地下水质的重视原因在于: (1) 地下水的化学成分、气体含量以及细菌和悬浮物及砂的含量, 可能对灌采两用井产生的腐蚀、堵塞等影响。 (2) 地下水质对热泵、循环系统可能产生的影响等。
储能系统的正常运行, 回灌是关键的环节, 而地下水水质至关重要, 地下水的化学成分、气体含量以及细菌和悬浮物及砂的含量, 明显影响回灌效果。管井回灌由于地下水化学成分和物理成分往往引起物理堵塞 (气相堵塞、悬浮物堵塞、砂堵) 、化学堵塞、生物 (细菌) 堵塞等。储能系统中水封闭运行, 与外界空气不接触, 只要系统封闭性好, 气体、细菌可避免混入。成井质量好可避免涌砂堵塞。但地下水中固有的化学成分将决定是否形成堵塞, 因为地下水中往往含有多种可溶性盐类, 但是它们并不都很稳定, 当水中PH值变化, 或者溶解氧、二氧化碳、氧离子、硫酸根离子、硫化氢等的含量变化时, 以及水的温度和压力变化是都产生不同盐类的沉淀。
在管井回灌过程中比较常见的是铁质、钙质的沉淀。当回灌水中含有较多的溶解氧时, 或回灌水混入空气, 空气中的氧溶解于地下水中, 这时氧与水中二价铁作用最终生成不溶于水的氢氧化铁, 沉淀在过滤器的网眼或砂层孔隙里, 产生化学沉淀堵塞。当地下水中含有大量钙离子和重碳酸离子时, 则以碳酸钙沉淀为主。重碳酸钙是一种溶解于水, 但又非常不稳定的物质, 当压力、温度变化时就不溶解于水而沉淀下来, 同样造成过滤器和含水砂层的堵塞。
我国尚未颁布地下水回灌水质标准, 依据上海市水文地质大队多年回灌实践总结出的“回灌水化学性质指标” (以下简称“指标”) 进行分析, 该“指标”认为, PH值以6.5-7.5为宜、氯离子含量不能超过250 mg/L、溶解氧不超过7 mg/L、铁含量不宜超过0.5 mg/L, 最好在0.3 mg/L以下。锰含量不宜超过0.1 mg/L。所取层位地下水水质基本符合回灌水质要求。
4. 回灌技术方法
4.1 回灌方法
回灌方法分为负压回灌与压力回灌, 因该项目井组选择第Ⅳ含水组, 该含水组水位埋深较深, 适于选择负压回灌。负压回灌方式较之加压回灌具有节能的优点。密封是回灌的关键环节, 无论是负压回灌还是加压回灌, 均需做好密封。泵管接头、井口法兰、闸阀、井管道上安装的压力表、温度计、电缆等联接部位均需密封。
负压回灌是指在泵管内形成-0.1Mpa压力的条件下, 由泵管将回灌水灌入井下含水层的一种方法, 其操作程序为:
初始回灌量和压力应由小到大逐步调节, 以使含水层逐渐适应, 一定时间内逐渐加大回灌量, 增加到一定程度后, 灌量不再增加,
此时的回灌量为最大回灌量。如一开始即用大灌量, 会造成井下滤层的破坏。
4.2 回扬
由于回灌水中悬浮物及化学沉淀物等可导致井堵塞, 需定期清除, 多年来我国技术界认为较为有效的方法为回扬。荷兰IF公司的储能技术在改进钻进技术、成井工艺、选材及回灌方法等方面取得了进步, 因而从根本上解决了地下水回灌的堵塞问题, 其系统无需经常回扬, 一般说来, 每年仅需回扬几次。
国内地下水回灌由于存在诸多需要改进的方面, 目前仍需频繁回扬, 根据上海市浦东新区人工回灌经验, 回扬频率为回灌24小时, 回扬一小时, 以水清砂净为止。实际回扬水量为回灌量的4.2%。
为节约用水, 保护水资源, 系统中应安装精滤装置, 回扬水可经精滤装置过滤后重新回灌使用, 但需注意封闭运行, 以防气体混入。
随着钻井技术、成井技术的提高和采灌方法的改进, 频繁回扬的现象可以克服。近年来我市发展的储能项目中, 有的实际运行已经做到了采补平衡, 如:天津市农垦集团公司办公大楼、天津市技术监督局质检所、天津市三达铸造有限公司综合办公楼等
5. 结论
2006年8月6日国务院颁布的《关于加强节能工作的决定》明确指出“优化用能结构。大力发展高效清洁能源。大力发展风能、太阳能、生物质能、地热能、水能等可再生能源和替代能源。”并提出采取多种措施, 建立健全节能保障机制, 大力推进节能技术进步。目前天津市在各种大型建筑项目中, 凡是有条件的都倡导优先利用地下储能技术, 该项技术必将会得到健康、快速的发展。
参考文献
[1]季学武.水文分析计算与水资源评价.水利水电出版社, 2008-6-1:
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[3]建设项目水资源论证技术标准汇编.水利部水资源管理司水利部水资源管理中心, 2006-3:
储能系统论文 篇7
储能系统是重要调频辅助手段之一, 由于造价昂贵, 限制了其大规模应用。因此, 亟需提供一种储能电站参与电力系统调频的辅助服务定价方法来平衡收益。
1 储能系统类同步机一次调频特性容量的配置
根据同步发电机一次调频原理定义储能系统随频率变化需提供的调频出力为:
储能系统单位调节功率KESS为:
电力系统正常运行频率变化不超过±0.2Hz[1];因此取Δf=±0.2Hz;代入式 (1) ~ (2) 得:
整定风-储系统调差系数与同步发电机一致, σESS%=5[1];代入式 (3) ~ (4) 得, 储能系统容量约为风电额定功率的8%, 以单位调节功率KESS=0.4×PNWF出力, 就能提供与同步发电机等调差系数的一次调频效果。
2 储能系统的控制
储能系统通过判断, 系统频率上升超过fref1时电池储能系统从电网吸收电能, 系统频率下降超过fref2时, 储能系统向电网释放电能, 直到系统频率恢复为止。储能系统的充放电功率如式 (5) :
3 储能电站参与电力系统调频的辅助服务定价的确定
参与系统调频的储能投资成本CESS为:
其中:CESS为储能初始投资成本, λP为储能功率成本, λE为储能容量成本;EESS为储能额定容量。
储能参与电网调频主要受益来源于调频电量Ifr:
其中:λfr为调频电价, Wfr为调频电量, Wfr-为负调频电量及Wfr+为正调频电量。
综合考虑储能系统经济效益及投资成本, 以储能系统运行年限内的总收支平衡为基本目标, 构建一种储能系统收益目标函数J:
其中:Y为储能系统使用寿命;D为数据采样时间。
通过式 (9) 确定储能电站参与电力系统调频辅助服务定价, 实现储能电站收支平衡。
4 算例分析
采用某风电场实测数据, 该风电场装配64台G58-850k W风力发电机组, 额定装机PNWF=54.4MW;则储能电站额定功率应约为5MW, 单位调节功率KESS=21.76MW/Hz;根据电力系统调频时长 (包含一、二次调频) 约为30min, 因此, 储能容量EESS=5MW×0.5h=2.5MW·h, 风电场实测频率数据采样周期为1分钟, 数据量为525600个, 如图1所示。
当系统频率偏移超出额定频率0.05Hz时, 储能电站以单位调节功率KESS=21.76MW/Hz参与系统调频, 储能电站调频出力如图2所示.
储能系统总调频电量为Wfr=2525.44MW·h, 如图3。
储能电站调频辅助服务定价旨在至少保证储能电站收支平衡, 即式 (9) 中J=0。
将表1中的参数代入式 (6) ~ (9) , 当调频辅助服务电价λfr=1.03元/k W·h时, 将保证储能电站收支平衡。
5 结论
本文通过构建储能系统类同步机一次调频特性容量配置和储能电站参与电力系统调频的辅助服务定价的确定, 既能实现容量配置最大化、又能够通过合理配置储能容量, 确保储能电站收支平衡。
参考文献
储能系统论文 篇8
电力系统中装设储能系统(ESS)是可再生能源大规模利用的必备条件。ESS的相关应用研究在国际上正在逐渐展开[1,2,3]。 ESS可以对有功和无功同时进行调节,从而增强电力系统小干扰稳定性,国内外对此也开展了研究工作[4,5,6,7]。文献[4,5,6,7]对各种ESS对系统稳定性的影响开展了研究,仿真和现场试验结果表明ESS能够向系统提供正阻尼,可以有效改善电力系统稳定性。文献[5]对于ESS抑制电力系统低频振荡的机理进行了初步探讨,但都没有对ESS参数整定提出可行方法。本文围绕机理和整定方法展开研究。
基于经典控制理论的阻尼转矩分析(DTA)方法是建立在发电机转子运动所获得的阻尼转矩这一实际概念上,物理意义清晰,已实际应用于电力系统稳定器(PSS)抑制振荡机理的探索。本文应用DTA方法研究储能装置抑制低频振荡的机理,在此基础上提出了基于DTA的ESS定位以及稳定器通道选择和参数配置的装置整定方法。
1 含有储能的统一线性化模型
基于电压源逆变器的静止无功补偿器(STATCOM),在直流侧采用电池作为储能元件构成电池储能系统(BESS),组成STATCOM/BESS[7,8],能与系统自由交换有功功率,其三相结构如图1所示。
在系统稳态过程中,储能系统电容电压保持不变,为Vdcref。在系统暂态过程中,如果电容电压降低(Vdc<Vdcref),电池对电容充电,向系统注入有功功率;如果电容电压过高,则电池从系统吸收有功功率;两者相等,则电池与系统不发生有功功率的交换,此也为抑制低频振荡的物理解释。
STATCOM/BESS含有有功功率控制器和无功功率控制器。无功功率控制器控制电压幅值,有功功率控制器控制电压相角,在用于低频振荡抑制时,可分别在这2个控制器上设计附加阻尼控制器。传递函数框图如图2、图3所示。
附加阻尼控制器输出信号Vvs和Vds,如图2和图3所示,统称为控制信号Vs。阻尼控制器输入信号称为反馈信号y,即本地信号,一般取为所装线路的功率偏差值。
将储能系统方程线性化,并与全系统状态方程整合,通过网络代数方程的接口,可以得到全系统线性化方程:
式中:δ为发电机功角;ω为转速;Z为除了功角和转速之外的发电机状态变量,还包括储能装置自身的状态变量(不包括附加阻尼控制器的状态变量);B为稳定器控制信号Vs到状态变量的传递函数。
输出变量y可以表示为状态变量的组合:
式中:C为状态变量到反馈量y的传递函数。
假设阻尼控制器传递函数为G(s),即
式(1)～式(3)组成全系统统一方程。
2 储能系统DTA
2.1 储能系统DTA理论
DTA的基本概念是稳定控制器向系统提供阻尼转矩,通过DTA能清晰揭示控制器阻尼转矩的产生、分配和传递的信息。
假设系统共N台发电机,根据全系统线性化方程(1),得传递函数框图如图4所示。阻尼控制器控制信号到发电机机电振荡环节的前向通道函数为:
根据线性控制理论,式(2)中反馈信号y是状态变量的组合,可以通过各台发电机转速ω分别进行重构,γj(s)为重构函数,可得:
则阻尼控制器针对第i个振荡模态,向系统中第j号发电机提供的转矩为:
式(6)表明:稳定器并不是只向某一台发电机提供阻尼转矩,而是向每一台发电机都提供。但是稳定器提供的转矩必须通过各台发电机以影响振荡模态,因此还需考虑各台发电机对模态的影响程度。定义第i个模态λi对第j台发电机转矩TDij的灵敏度Sij来评估发电机对模态的影响能力:
则由于阻尼控制器提供转矩变化而导致相应模态变化的方程为:
由式(6)知,TDij的变化只可能由于阻尼器传递函数变化引起,因为其他部分都仅与系统相关。得
定义:
由式(9)、式(10)可得阻尼传递框图(见图5),发现阻尼控制器通过2组渠道向振荡模态i提供阻尼:首先通过第1组渠道Hij∠φij,向各台机组提供阻尼转矩,再通过第2组渠道Sij,经由各台机组对振荡模态的参与,产生对模态的阻尼,将阻尼转矩转化为对模态提供的阻尼。因此,式(10)中的DTA指标IDTAi表征了控制器对模态的影响能力,清晰地表达了储能系统稳定器对模态提供阻尼的机理。
2.2 基于DTA的储能系统整定方法
储能系统抑制低频振荡,有3项整定内容需要考虑,如图6所示。
由于DTA指标表征储能对模态的影响能力,IDTA大即表示该储能对模态阻尼的灵敏度大,因此针对安装地点的选择,以IDTA大作为选择的标准;同理也可作为安装通道选择标准。
对于参数配置,可将相位补偿法扩展到稳定器的相位整定。相位补偿法是针对单机无穷大电力系统提出的,而针对储能系统,通过N个通道向模态提供阻尼,基于IDTA指标,将N条通道整合,可以得到如图7所示的单向通道。
通过相位配置,使稳定器传递函数为:
式中:KG为控制器放大倍数。
结合式(11)和式(9),得
Δλi=(Kg∠ϕ)Δ(KG∠-ϕ)=KgΔKG (12)
即基于DTA指标进行合理的角度配置后,使得KG的变化直接影响模态实部,而对虚部没有影响。
3 算例
3.1 两区四机系统验证
两区四机系统网络图见附录A图A1,存在一弱阻尼区域振荡模态(频率0.563,阻尼0.01),通过安装储能系统以提高该模态的阻尼。
对于控制器调制通道的选择,附录A表A1是储能系统安装在B7时的分析结果。结果表明:①稳定器向4台发电机都提供阻尼转矩,并且通过4台发电机影响模态阻尼,稳定器对模态影响为4条通道之和;②采用相角调制要比幅值调制效果好,这与储能系统物理理解相符,因为相角调制直接影响有功功率。对于装置安装地点的选择,附录A表A2是针对相角调制时不同安装地点的分析结果,表明储能系统安装在B7比B8的效果好,即安装在功率流出点效果好。对于阻尼控制器角度整定,采用2.2节的整定方法得到的结果见附录A表A3。基于整定参数,时域仿真图见附录A图A2和图A3,验证了整定方法的正确性。
3.2 实际电网的推广
以华东电网2010年夏高运行方式为例,研究储能装置的应用。该区域电网2010年存在4个区域振荡模态,其中以福建模态(频率0.567,阻尼0.03)阻尼最弱,因此选择福建模态研究储能系统对模态低频振荡的抑制。
对于该模态,首先是安装地点的选择,选择典型的区域联络线作为备选地点,通过IDTA的计算选择对福建模态影响最大的地点作为储能装置安装地点。对于阻尼控制通道的选择,同样基于IDTA选择。储能装置安装在各联络线的IDTA计算结果见表1。
通过安装地点IDTA的比较,选择在宁德—双龙线安装储能装置,具体容量与线路有功变化限值相关,算例中线路有功最大变化范围不超过35 MVA,因此选取容量40 MVA。对于通道选择,发现相角调制比幅值调制效果好,这与物理理解也一致。
通过参数整定,仿真结果见图8。针对华东2010年电网的福建模态,通过在宁德—双龙线安装储能装置及相角调制,可以有效地抑制福建模态。
4 结语
本文应用DTA研究储能装置抑制低频振荡的机理,清晰表达了储能装置对模态提供阻尼的全过程,并在此基础上,提出了基于DTA的储能元件定位以及参数配置的方法,发现线路功率流出端的安装效果明显,并且采用相角调制要比幅值调制的效果更好,通过实际电网表明了储能对大规模电网提高低频振荡稳定性的良好应用前景。
储能装置的应用与容量密切相关,如何在DTA整定方法中将容量因素考虑在内,如何选取合适的容量以面对各种振荡场景、提高储能装置的鲁棒性,这是储能装置能否大规模应用的关键问题,也是极具意义的研究方向。
附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。
参考文献
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储能系统论文 篇9
随着资源紧缺和环境污染的不断加剧,智能电网技术得到了各国电力行业的广泛关注。与此同时,电动汽车由于其节能环保的特点已成为汽车工业发展的必然趋势。大规模电动汽车接入电网,一方面从负荷增长、系统稳定性等角度给电力系统带来了挑战;另一方面,从电能消费占终端能源消费比重、提高电网设备利用率等角度给电力系统带来了新的机遇[1]。此外,1997年,Willett Kempton提出了V2G(vehicle-to-grid)的概念。统计表明,私人汽车平均每天仅行驶1h,96%的时间处于停驶状态[2]。电动汽车不仅是电力系统的负荷,还可以作为分布式储能装置为电力系统提供服务,从而提高发电效率,提高电力传输的可靠性,提高可再生能源发电接入能力。类似地,在V2G的基础上又产生了V2B(vehicle-to-building)和V2H(vehicle-to-home)的概念。由于V2G,V2B,V2H均利用车载动力电池作为分布式储能单元,这里将其统称为电动汽车移动储能。
近几年,国内外学者基于智能电网框架,针对电动汽车移动储能技术开展了广泛研究。国外方面:文献[3]通过计算各国的V2G出力能力,指出电动汽车作为储能设备的巨大潜力;文献[4-7]从经济角度对电动汽车移动储能进行了研究,分析了移动储能可以参与的电力市场及收益,指出了该移动储能系统实施的具体步骤;文献[8]基于电价信号,采用二进制离散粒子群优化(PSO)算法得到了最大化车主利益的充放电控制策略;文献[9-10]研究了考虑放电情况下,含有电动汽车移动储能单元的智能机组组合优化方法,平衡系统运行成本与碳排放;文献[11]提出了一种基于动态规划方法的电动汽车移动储能参与频率调整的控制策略;文献[12-13]对移动储能电池寿命进行了研究。国内方面:文献[14]建立了包含风/光/储和电动汽车的微电网经济调度模型;文献[15]建立了考虑电动汽车出力不确定性的电力系统随机经济调度模型;文献[16]和文献[17]分别对可充放电电动汽车广泛接入电力系统后的机组最优组合问题和分布式电源选址定容问题进行了研究;文献[18]采用蒙特卡洛仿真方法研究了电动汽车充放电特性及其对配电系统的影响,指出了进行合理充放电管理的必要性。
同普通蓄电池储能电站[19]一样,电动汽车移动储能可以减少传统机组的损耗,降低电力部门基础投资。合理有效的控制策略是移动储能技术的核心和实际应用的关键。本文针对电动汽车移动储能的特点及其应用于配电系统的实际情况,综合考虑电网、电池和车主使用需求,建立了电动汽车移动储能系统模型。针对标准粒子群优化(SPSO)算法处理高维问题时易出现早熟收敛的缺点,借鉴仿生思想提出防碰撞粒子群优化(CAPSO)算法及基于该算法的电动汽车移动储能控制策略。最后,通过平抑负荷、平抑可再生能源发电功率波动、平抑计及可再生能源出力的负荷3个算例对实际系统进行定量模拟,并对结果进行分析。
1 移动储能系统模型
电动汽车移动储能的本质就是电动汽车在停驶时作为储能单元在受控状态下实现与电网能量和信息的双向交换。与普通蓄电池储能电站相比,除功能相似外,移动储能还具有单个储能单元容量小、空间分散、约束条件多的特点。针对这一特点,电动汽车移动储能系统采用集散式控制方式,控制拓扑如图1所示。
系统将某一电网区域内的可用车辆信息收集到移动储能控制中心,控制中心制定控制策略下发至各个车辆,控制区域内车辆充放电以实现该区域范围的控制目标。此控制方式将容量小而分散的移动储能单元转化为控制区域内较大容量的储能系统,实际控制策略只需考虑移动储能多约束条件这一特点。
经济性和稳定性是电力系统运行的2个重要因素。在经济性方面,电网负荷峰谷差日趋增大,调峰能力和调峰需求之间的矛盾日益尖锐,负荷高峰时需要足够容量的调峰机组,低谷时会造成机组闲置,经济性欠佳。移动储能不仅能减少电网在备用容量上的投资,降低区域电网峰谷差,而且比抽水蓄能等方式效率更高。在稳定性方面,光伏发电、风电均具有较大的波动性,高渗透率情况下会严重影响电网的稳定性和电能质量。对于大量的分布式电源并网,移动储能可以发挥其快速、高效、分布广的特点,有效地就地平抑可再生能源发电波动,实现与规模化储能电站一样的功能[19]。
据此,本文分别建立了对应这2种功能的电动汽车移动储能控制系统模型,以及考虑可再生能源出力的移动储能平抑负荷模型。
1.1 模型目标函数
1)平抑负荷
移动储能参与平抑负荷的时间段为[t1,t2],时间间隔为1h。如参与时间为1d,对应时段为[1,24]。以调节后各时刻负荷与调节后负荷均值偏差的平方和最小为目标,建立移动储能系统模型的目标函数如下:
式中:PLj为j时段原负荷功率;N为车辆数;Pij为第i辆车j时段的充/放电功率,正值表示放电,负值表示充电;Pavg为调节后负荷均值。
2)平抑可再生能源发电功率波动
移动储能参与平抑可再生能源发电功率波动的时间段为[t1,t2],时间间隔为Δt。如参与时间为1d,时间间隔为6min,对应时段为[1,240]。考虑不限制可再生能源发电功率输出但限制出力变化速度,以降低可再生能源出力变化率为目的,对于等时间间隔系统,采用调节后相邻时段可再生能源出力变化差值的平方和最小为目标,建立移动储能系统模型的目标函数如下:
式中:Pdyn,j和Pdyn,j-1分别为j时段和j-1时段投入移动储能后的总功率;PRGj为j时段可再生能源发电功率值。
3)平抑计及可再生能源出力的负荷
计及可再生能源出力情况下,移动储能参与平抑负荷的时间段为[t1,t2]。以调节后各时刻负荷与调节后负荷均值偏差的平方和最小为目标,建立移动储能系统模型的目标函数如下:
式中:PDGj为j时段可再生能源发电出力;珚P为计及可再生能源出力的系统调节后负荷均值。
1.2 模型约束条件
电动汽车移动储能控制策略需要综合考虑电网约束、电池约束、车主约束3个方面的限制,以确保在不影响三者需求的情况下移动储能系统能正常运行。
1.2.1 电网约束
电网约束主要包括线路最大容量约束、充/放电设备约束、母线电压幅值约束3个方面。
线路最大容量约束和充/放电设备约束为:
式中:Pg,max为单辆车连接线路最大允许功率;Pe,max为充/放电设备额定功率。
实际充/放电功率不能超出Pg,max和Pe,max限定的范围。如果每辆车连接的每个支路上承载的功率不超过该支路的最大允许容量,各车能量汇总后总线上承载的功率便不会超出该总线的最大允许容量。
母线电压幅值约束为:
式中:Vbus为母线电压幅值;Vmin为母线电压幅值下限;Vmax为母线电压幅值上限。
根据GB/T 12325—2008《电能质量供电电压偏差》规定,母线电压上、下限取标称电压的±7%,考虑一定的裕量,本文取为标称电压的±5%。
1.2.2 电池约束
电池约束包括最大充/放电电流倍率约束和最大可用容量约束2个方面。
根据汽车行业中的电动汽车锂离子蓄电池标准,考虑电池寿命,对于能量型电池,最大持续充电电流限制为C/3(C为电池1h率容量),最大持续放电电流限制为C/2。
最大充/放电电流倍率约束为:
式中:Iij为第i辆车在j时段的充/放电电流,正值表示放电,负值表示充电;Qi为第i辆车的电池组额定容量。
电动汽车车载动力电池的总容量是一定的,任何一个工作时段,电池都对应一个最大充电可用容量和一个最大放电可用容量。考虑电池寿命和使用需求,一般将最大充电截止容量设为100%,最大放电截止容量设为20%[20]。
最大可用容量约束为:
式中:ΔQij为第i辆车j时段的电池容量变化;ΔQCHij为第i辆车j时段的最大充电可用容量;ΔQDISij为第i辆车j时段的最大放电可用容量;Sij为第i辆车j时段的荷电状态(SOC)值;Smin为SOC最小值;Smax为SOC最大值。
1.2.3 车主约束
电动汽车移动储能系统中储能单元的车辆属性要求其必须首先满足车主使用需求,通过用户预先设定可用时间和终止SOC来实现。车主约束为:
式中:ti为第i辆车的可用时间;ti_begin为第i辆车的可用起始时间;ti_end为第i辆车的可用终止时间;Si_end为第i辆车可用终止时刻的SOC值;SSETi为第i辆车设置终止的SOC值。
1.3 电池系统模型
锂离子电池基本电路模型如图2所示[21]。
根据图2模型,忽略毫伏级的极化电压VP的影响,电池端电压UO满足:
式中:UOCV为开路电压;I为电池电流,正值表示放电,负值表示充电;RΩ为电池欧姆内阻。
为了不失一般性,本文以锰酸锂电池为例进行研究。根据实验数据,采用最小二乘法进行曲线拟合,得到UOCV与荷电状态S的关系模型为:
在电池组经电池管理系统自动均衡,一致性很好的情况下,由式(14)和式(15)可得:
式中:UO_ev为电池组端电压;Sb为电池串联数;fOCV为开路电压函数。
通过电池系统模型,可以确定某充/放电策略下各时刻点的SOC值,用于最大可用容量约束的判断和修正;得到的终止时刻SOC值用于计算目标函数的适应值,从而满足车主设置要求。
2 基于改进PSO算法的移动储能优化控制策略
由前文所述可知,电动汽车移动储能控制策略涉及多限制条件下多车辆多时段的充/放电优化,是复杂的高维多约束条件非线性优化问题。
2.1 改进的PSO算法
相对于基于梯度的优化算法、蚁群算法等其他算法,SPSO算法[22,23]处理高维问题具有一定的优越性[24],但其性能同样随维数增加而变差,容易出现早熟收敛,陷入局部最优解。
作为一种仿生算法,PSO算法早熟收敛就是鸟群在觅食途中,发现少量食物便过早聚集并停滞,在飞行途中聚集会导致鸟之间“碰撞”的发生,也就是早熟收敛。文献[25]指出的鸟群运动3项规则之一就是飞行过程中防止碰撞到其他同伴。据此,本文对SPSO算法进行改进,提出了CAPSO算法。CAPSO算法与SPSO算法的基准测试函数[24]的比较测试结果见附录A表A1。CAPSO算法的具体步骤如下。
步骤1:初始化。确定基本参数值,随机产生所有粒子的位置和速度。
步骤2:计算粒子的适应值,确定粒子i′的个体最优解pi′d和当前迭代时刻的群体最优解pgd。其中:i′=1,2,…,s,s为群体规模;d=1,2,…,D,D为解空间的维数。
步骤3:“碰撞”检测。迭代次数完成1/4后,每迭代m次,就根据式(17)和式(18)检测一次“碰撞”的可能性。
式中:e为进化因子,对于最小化问题,e<1说明进化仍在进行,e=1表示鸟群多次迭代后仍未找到好的食物,说明进化停滞;ffit(pgd(k))为第k次迭代时pgd对应的适应值。
如果e=1,则
式中:a为聚集因子,对于最小化问题,a<1说明粒子未发生聚集,a=1表示鸟群聚集,说明粒子聚集,出现早熟收敛;珚ffit(zi′d(k))为第k次迭代所有粒子适应值的平均值。
如果a=1,那么认为粒子间发生了“碰撞”,继续执行步骤4;否则执行步骤5。
步骤4:防“碰撞”。记录当前pgd及其适应值。按照式(19)修改惯性权重w,粒子速度重新初始化,粒子位置按式(20)进行调整。
式中:wmax和wmin分别为惯性权重的最大、最小值;ka=1为出现“碰撞”的迭代次数;Mgen为总的迭代次数;zi′d(k)为第k次迭代粒子i′在d维空间的位置;r为[0,1]间的随机数;b为位置偏置系数;u为寻优空间上边界;l为寻优空间下边界。
步骤5:根据SPSO算法中的相应公式[24]更新粒子速度和位置。
步骤6:计算各粒子的适应值,更新各粒子最优位置和群体最优位置。
步骤7:判断是否达到最大迭代次数,达到则停止运算,输出群体最优位置,否则继续执行迭代。
2.2 模型的解法策略
N辆电动汽车,T个调节时段的移动储能控制策略是一个N×T维的高维多约束优化问题。约束条件中,式(13)可视为系统的另一控制目标。针对此约束条件,本文采用惩罚函数法对式(1)、式(3)和式(5)进行处理,转化后的目标函数为:
式中:F为转化后的目标函数;f为式(1)、式(3)、式(5)对应的目标函数;p为惩罚因子,p≥1;gi为第i辆车终止时刻SOC与设定SOC之差。
对于其他限制条件,分别在CAPSO算法的步骤1和步骤5后依据限制条件及式(16)对粒子位置直接进行修改。
3 算例分析
电动汽车移动储能V2G,V2B,V2H这3种应用模式在控制策略上基本一致,只是在系统容量上有所区别。本文采用某办公楼实际数据进行定量模拟,楼宇负荷数据见附录A表A2,该办公楼楼顶配有10kW光伏并网发电系统,地面配有电动汽车停车场及充电设施。楼宇负荷、光伏电源及停车场充/放电总线通过同一线路接入配电变压器。假设变压器出线电压恒定,由于传输距离短,负荷功率小,线路电阻相对较大,电抗作用相对较小;同时,充/放电设备功率因数大于0.98,少量无功负荷就地补偿,本文忽略线路感抗,线路电阻为0.063Ω。
单位时间为6min时,据统计,该楼工作人员上班到达时间在08:30左右,服从N(86,1.69)的正态分布;下班离开时间在17:30左右,服从N(176,2.25)的正态分布。为了不失一般性,假设各车到达时刻SOC服从N(0.4,0.006 4)的正态分布;设置终止时刻SOC服从N(0.6,0.002 5)的正态分布。车辆类型为纯电动汽车,动力电池为80节串联锰酸锂电池,容量80Ah,单体内阻0.8mΩ。单台充/放电设备连接线路最大允许功率为5kW,充/放电设备额定功率为3 kW,变流器充/放电效率均取87%,SOC最大、最小值分别为100%和20%。
3.1 平抑负荷算例分析
移动储能参与平抑楼宇日负荷的时间为[09:00,18:00],时间间隔为1h,对应时段为[10,18]。针对式(1)、式(2)和式(21)构成的目标函数,以4辆车(参数见附录A表A3)参与调节为例,分别采用SPSO算法和CAPSO算法进行优化计算(算法参数见附录A表A4),得到的各车各时段的充/放电功率见附录A表A3,移动储能平抑负荷算例结果见图3。
图3(a)和(b)分别为采用SPSO算法和CAPSO算法的4辆车参与平抑负荷的效果图。仅考虑参与调节的9h,调节前负荷率为0.852,采用SPSO和CAPSO这2种算法得到的负荷率分别为0.877和0.934。调节前日负荷率为0.585,采用SPSO和CAPSO这2种算法得到的日负荷率分别为0.597和0.634。调节后负荷峰谷差减小,负荷曲线更加平滑。由于4辆车均设置为第18时段离开,这一时段虽在调节时间范围内,但考虑车主需求,各车调节功率都为0。图3(c)为采用CAPSO算法的4辆车的SOC变化曲线,各车离开时SOC均满足车主预先设定要求。图3(d)中2种算法优化计算时的适应值进化曲线表明CAPSO算法较SPSO算法寻优性能更好。
以10辆车、100辆车参与调节为例,移动储能平抑负荷算例结果见图4。
图4(a)和(b)分别为采用SPSO算法和CAPSO算法的10辆车(参数见附录A表A5)参与平抑负荷的效果图。仅考虑参与调节的9h,调节前负荷率为0.852,采用SPSO和CAPSO这2种算法得到的负荷率分别为0.883和0.969。调节前日负荷率为0.585,采用SPSO和CAPSO这2种算法得到日负荷率分别为0.586和0.642。图4(c)为采用CAPSO算法的100辆车参与平抑负荷的效果图(虚线所示为理想情况下车辆充满至车主需求时的负荷情况)。由图4(c)可以看出,当车辆数大幅增加时,调节时段负荷明显增加,很可能出现母线电压超限的情况,但通过本文的控制策略,限制了母线电压的变化范围,有效避免了该事故的发生。然而这样同样导致无法满足所有车辆的充电需求(本算例中所有车辆只能达到设定SOC的80%左右),因此需要合理安排充电车辆或对配电设施进行改进。
3.2 平抑可再生能源发电功率波动算例分析
平抑可再生能源发电功率波动模型旨在实现移动储能对新能源并网发电的波动平抑,实现类似于蓄电池储能电站的功能,此处以10kW光伏并网发电小型系统为例进行研究和验证。移动储能参与平抑光伏发电功率波动的时间为[08:30,18:30],时间间隔为6min,对应时段为[86,185]。光伏发电系统输出功率数据由马尔可夫链法模拟生成。针对式(3)、式(4)和式(21)构成的目标函数,以2辆车(参数见附录A表A6)参与调节为例,分别采用SPSO算法和CAPSO算法进行优化计算(算法参数中迭代次数为2 000,其余同附录A表A4),得到的结果如图5所示。
图5(a)和(b)分别为采用SPSO算法和CAPSO算法的2辆车参与平抑光伏发电功率波动的效果图。可以看出,采用CAPSO算法的功率输出曲线更加平滑,调节效果明显优于SPSO算法。调节前最大功率变化率[26]为246.7 W/min,采用SPSO算法调节后最大功率变化率为204.9 W/min,采用CAPSO算法调节后最大功率变化率为94.3 W/min。图5(c)为图5(b)参与调节时段的放大图,从中可以清楚地看到第175时段由于2辆车均已离开,调节输出功率为0,控制策略满足了车主离开时间的需求。图5(d)为采用CAPSO算法的2辆车的SOC变化曲线,离开时SOC均满足车主预先设定要求。此外,从SOC变化趋势来看电池不会出现多次循环,由于平抑新能源发电功率波动的需要,电池会出现小倍率的短时充/放电,但其相对于长时间的持续充/放电,电池极化程度较浅,更有利于延长电池寿命。图5(e)中2种算法的适应值进化曲线表明CAPSO算法较SPSO算法寻优性能更好。
3.3 平抑计及可再生能源出力的负荷
计及可再生能源出力情况下,移动储能参与平抑负荷的时间段为[09:00,18:00],10kW光伏发电系统与市电系统一起为楼宇供电。以10辆车(参数见附录A表A7)参与调节为例,通过CAPSO算法进行优化计算得到的计及可再生能源出力情况下的移动储能参与负荷平抑的效果如图6所示。
图6中,仅考虑移动储能可参与调节的9h,楼宇负荷率为0.852,接入光伏电源后的楼宇负荷率为0.823,采用CAPSO算法得到的移动储能调节后负荷率为0.944。楼宇日负荷率为0.585,接入光伏电源后的楼宇日负荷率为0.578,采用CAPSO算法得到的移动储能调节后日负荷率为0.635。此外,由图6可以看出,移动储能系统从09:00开始调节,直至17:30结束,满足了车主设置的可用时间需求。同样的,控制策略也满足了终止SOC设置需求,由于篇幅所限本文未给出10辆车的SOC变化曲线。
4 结语
本文提出的基于改进PSO算法的电动汽车移动储能控制策略满足了电网、电池、车主三者的需求,算例结果表明该控制策略能较好地实现移动储能平抑负荷和平抑新能源发电功率波动的功能。特别是对于平抑负荷功能而言,如考虑电动汽车全天参与移动储能,夜间负荷低谷时充电,白天负荷高峰时放电,可以进一步提高控制区域的日负荷率。此外,电动汽车移动储能不可避免地会对电池寿命造成一定的影响,本文旨在从技术的角度对移动储能的控制策略进行研究,为工程应用提供理论支撑,并未考虑对此的补偿。合理的市场机制是电动汽车移动储能的关键问题,也是今后研究值得关注的重要内容。
附录见本刊网络版(http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx)。
储能产业“领跑”新能源市场 篇10
在能源互联网时代，储能产业所扮演的“电力硬盘”的角色越来越受到关注，电力公司、高科技公司、政府和电力用户都开始关注电力储存技术的潜力。目前，储能产业已经从概念发展成为智能电网规划的重要组成部分，世界各国的电网都在积极参与推动这一领域的技术发展。随着我国电力市场化程度的不断提高，储能产业在新电改的刺激下正在迎来重要发展机遇。特别是由于储能产业的发掘将解决可再生能源和电动汽车发展难题，储能产业已成为我国新一轮的投资热点。与此同时，中国也加紧对储能新技术的研发，力图将各种储能新技术加速应用到电力体系中，以此来促进中国能源体系的变革。
储能产业受到全球关注
美国能源企业特斯拉在今年4月推出了Powerwall家用储能电池，引起了各国的广泛注意。据称，Powerwall可以将电费低廉时储存的电能在电费高昂时释放，并与可再生能源（太阳能、风电）配套使用，所以其具备一定的经济性，这也成为Powerwall储能电池大规模推广的最重要原因。实际上，由于储能技术在发输配用环节可以实现调峰、调频、调压、容量调节等价值，所以先进储能产业正受到全球关注，很多先进储能电池生产商都相继在美国、亚洲和欧洲建立新工厂，欧盟、韩国、日本等国也都设立专项经费支持储能技术的研究与开发。
比如美国政府已将大规模储能技术定位为支撑新能源发展的战略性技术，并在政策制订、 资金扶持、补贴机制、投资税收抵扣等方面提供强有力的支持。日本政府除直接支持前期研发外，还扶持了大量示范性项目，以鼓励大容量储能技术的推广应用。
我国政府也十分了解储能技术和储能产业发展对中国能源体系的重要作用。并且早就在该方面展开了一系列的工作。据悉，目前中国的铅酸电池技术和抽水蓄能技术已经较为成熟，并且已经开发使用超过10年；以锂离子电池为代表性的第二代化学电池正在完成从实验室研发到大规模商业化的过程，目前正积极致力于储能及汽车用动力电池领域的应用；燃料电池、液流电池、金属-空气电池等技术正处于研发的过程中，但很多企业或研究单位的产品已经展示了进一步发展的潜力。
进入到2015年，国内储能产业在新电改政策的刺激下，正在迎来重要的发展机遇。
其中一个重要的发展方向是智能电网的建设亟需储能技术的支持。由于储能技术可以为电力发、输、配、用各环节提供了有效的能量缓冲和能量润滑，并且在一定程度上对电力使用进行更合理的二次调配，所以可以大大改进电力使用的可靠性和经济性。智能电网所强调的电网能量管理智能化的要求、对电力可靠性和经济性的要求、对新能源接纳的要求都为储能产业的发展提供了前所未有的发展机遇。
与此同时，我们也看到中国的储能应用示范项目正在呈现爆发发展的态势。其中一个方向是分布式发电及微网的建设所带动的储能项目的建设，另外是再生能源并网也带动了储能项目的发展。随着中国微电网电价及补贴方案进入征求意见稿讨论阶段，微网项目或有望获得70%的系统补贴。若该政策得到落实，将会激活中国储能产业蓬勃发展，甚至撬动全球储能市场。
解决新能源和电动汽车发展难题
目前我国正在进入经济发展的转型期，我国经济多年依靠的投资、出口、消费三驾马车遇到了前所未有的问题，同时粗放式的发展模式已经让我国的单位产品的资源消耗量、环境污染远远高于发达国家。中国经济正在向资源消耗少、产出效益好、人民安居乐业的发展阶段转型。新能源发展在低碳转型的过程中给人类提供了清洁可持续的能源来源，电动汽车的崛起则为石油大规模替代提供了可能。此外，新能源和电动汽车产业的发展因为涉及的产业链长，波及面广，所以这两个产业在我国产业转型过程中受到了特别的重视。
不过，新能源具有间断性的特点，电网无法大规模消纳并网。新能源在运行过程中很多是“靠天吃饭”，无论是风能还是太阳能。在没有风的阴天，如何保证居民的的正常生产生活用电？电网的运营需要稳定频率，风能和太阳能每天大起大落，如何防止波动引发停电事故？
反复研讨之后，世界各国都把“突围”的重担压在了储能产业的建设上。主要原因就是储能既作为能量来源，也作为负载，特别是平抑大规模清洁能源发电接入电网带来的波动性，提高电网运行的安全性、经济性和灵活性。当然，储能技术对电网的运行还有其他好处，比如帮助增加可再生能源的渗透率，促进分布式（微电网）发电的发展，通过电价设计，促进电力市场自由化（比如前述的Powerwall家用储能电池）。
所以，当前我国十分重视储能技术在新能源电网建设中的应用。其应用的中短期目标是让电池储电系统充当电网“稳压器”，当可再生发电能力超过用电需求时，把多余的电力储存起来，晚上风力不足或没有太阳的时候，释放储存的电力。长期目标则是建设能源互联网，储能技术可以让原来“刚性”的电力系统变得更加柔性，所以其在确保大电网安全性和可靠性、加强区域电网峰谷负荷调节能力、提高输变电能力、改善电能质量等方面有着重要的作用。
储能技术对电动汽车发展的重要性则比较直观。
电动汽车以电力代替石油产品，没有尾气污染，是解决我国能源和环境问题的重要手段。目前世界上越来越多的国家、企业投入到电动汽车的发展行列中，新的电动汽车企业不断涌现。而作为世界第一汽车产销国，我国政府把电动汽车的发展作为汽车产业应对能源安全、气候变化和结构升级问题的重要突破口，以及实现汽车产业跨越式发展的重要举措。
然而，当前我国电动汽车产业发展仍受诸多技术因素影响，比如电池的电量、充换电技术、服务定价机制、商业推广模式等。其中最为关键的环节仍然是电池能量。2000年以来，世界电动汽车发展的突破，也与电池能量，即储能技术进步迅速密切相关。铅酸蓄电池、镍基电池、钠硫电池、二次锂电池、空气电池等让电动汽车不断获得越来越高的动力支持。目前，全球汽车制造商使用的动力电池主要使用锂电池，比如以特斯拉为代表的镍钴铝酸锂电池（钴酸锂电池）、以比亚迪为代表的磷酸铁锂电池和以日本汽车为代表的锰酸锂电池。但是由于锂电池的能量密度低，目前电动汽车的行驶里程一般只有150-300公里之间。
新的储能技术似乎出现了曙光。据西方媒体2014年末报道，西班牙Graphenano公司和西班牙科尔瓦多大学合作研发的石墨烯电池，一次充电时间只需8分钟，可行驶1000公里，被石墨烯研究者称做“超级电池”。按照西班牙上述机构的数据，石墨烯也可能大幅度增加电池的容量。“超级电池”参数显示，其能量密度超过600wh/kg，是目前动力锂电池的5倍；使用寿命是目前锂电池两倍；其成本将比目前锂电池降低77%。这有望解决新能源汽车长期面临的充电速度和巡航里程问题。
电动汽车的充电、巡航里程和安全问题都涉及电池。储能技术作为新能源发展和电动汽车发展的关键环节，其技术突破将改变整个世界的能源格局。储能技术作为新能源时代的核心技术之一，必将为人类打开一扇通往新能源时代的门。对于中国而言，电动汽车、储能技术和风电、太阳能的有效结合，除了清洁发展，还可以形成对石油的有效替代，保障能源安全，这正是政府重视储能技术的发展的原因。
中国加紧研发储能新技术
当今世界，储能技术及产业的发展已经成为衡量一个国家综合国力的主要标志，成为国际智力和经济力竞争的新焦点和主要手段。目前世界储能技术发展和研究水平较高的国家主要是日本、美国等国家，这些国家已经具备较为完备的储能研发基础，并得到政府的充分重视，因此在研究上也往往比较超前和完善。
比如目前世界上超级电容的市场份额基本被日本、美国、俄罗斯占据，其中日本超级电容的生产量占全球超级电容生产总量的50%以上。相比之下，我国国内从事小容量超级电容生产的厂家有20-30家，但能实现批量生产大容量超级电容器并达到实用化水平的厂家只有5、6家；压缩空气储能、飞轮储能处于研究阶段，还没有成熟装臵和产品，以国外企业为主。即使是水电储能领域，虽然我国水电设备企业有产业基础，但技术和市场份额远远落后国外企业。
正因为如此，近几年来，我国政府及相关研究机构针对我国在能源互联网、规模化储能、微电网储能、分布式可再生能源储能、通讯基站储能、工业节能用储能技术、家庭储能、电动汽车风光储充（换）电站等应用领域需求，积极组织实施储能产业技术研究，推动前瞻性关键技术、产业标准的发展，也取得了一定的进展。
比如压缩空气储能系统具有储能容量大、电能转换效率高、安全可靠、环境友好等特性，被视为继抽水蓄能电站之后一种极具潜力的大规模储能系统。由中国科学院理化技术研究所、清华大学及中国电力科学研究院共同研制的“500kW非补燃压缩空气储能发电示范系统”在安徽芜湖成功实现励磁发电，完成100kW发电的阶段目标。此次系统发电成功，标志着我国在大规模压缩空气储能领域的一项重要突破，这对推进我国储能产业的发展具有重要意义。
全钒液流电池是一种适用于风能、太阳能等可再生能源发电过程的大容量蓄电储能装备，能够克服风能、太阳能发电的不稳定、不连续的缺陷。清华大学王保国教授课题组利用该研究成果已经开发成功5 kW、10 kW两种规格的电堆，能量效率超过73%，进入批量试制阶段。该电池具有容量大、寿命长、效率高、成本低、安全可靠的特点。据悉，该课题组的科研成果“大规模蓄电储能的全钒液流电池技术与装备”采用自主创新的质子传导膜、电解液、电堆设计与制造技术，在电池性能与性价比方面十分具有竞争力。该项目还在去年获得日内瓦国际发明展览会奖，是我国全钒液流电池储能装备与技术在国际上首次获得大型奖项，对我国储能技术与产品在国际上得到认可具有里程碑意义。
电动汽车技术的发展，对动力锂电池在大功率输出和安全性能等方面提出了更高要求。由中科院青岛生物能源与过程研究所建立的青岛储能产业技术研究院成功开发出新一代全固态聚合物锂电池，已经与山东威能环保电源有限公司签订合作协议。据悉，青岛储能院利用具有完全自主知识产权的湿法抄造、界面耦合和功能化修饰等技术，成功研制出高安全性和耐高电压的动力锂电池隔膜。同时，研究人员以自主研发的阻燃纤维素为基材，通过功能化改性和耦合等相关工艺，研制出一款新的全固态聚合物电解质。其具有较高的机械强度、优异的倍率充放电性能以及较宽的温度使用范围，应用前景广阔。
高能镍碳超级电容电池，既具有电容器可以快速充放电的特点，又具有电化学电池储能高的特点，是近年来世界各国竞相发展的核心动力储能设备。由中国工程院周国泰院士领衔的科研团队研发生产的高能镍碳超级电容电池，在安全性、记忆性、充电时间方面取得了突破，在容量、寿命、充放电效率、安全性能等方面都有独特的优势。高能镍碳超级电容电池的标准检测寿命5万次以上，实际使用充放电循环已达1.5万次，是普通蓄电池的25～100倍。充放电效率方面，该电池充电10分钟即可达到其额定容量的95%以上，大电流放电能力强，能量转换效率高。而由于独特的工艺，高能镍碳超级电容电池在遇到过充或短路也不会导致危险，外部剧烈撞击或燃烧也不会爆炸，而且具有良好的高低温性能与环境适应性，可在零下40℃至零上70℃之间正常使用。
另外，中国科学院上海硅酸盐研究所通过和上海市电力公司合作研发的大容量钠硫储能电池也获得重要突破，他们成功研发的具有自主知识产权的容量为650Ah的钠硫储能单体电池，使我国成为继日本之后世界上第二个掌握大容量钠硫单体电池核心技术的国家。
总体来看，随着技术上的突破和新材料的引入，储能产品性能上的提升和成本的降低是整体的趋势。我国当前已经在储能技术研究不断获得突破，中国电力科学院、中科院工程热物理研究所、中科院过程工程研究所、中国科学院大连化学物理研究所、清华大学、上海交通大学、华南理工大学、北京工业大学、香港理工大学等国内外知名高校、科研院所，以及宁波南车新能源科技有限公司、今日能源科技发展有限公司、北京英格海德分析技术有限公司等领军企业也取得了很多突破。
应用示范项目引导储能市场建设
储能技术在电力领域的应用非常广泛。但是由于成本因素的制约，当前户用储能系统的市场仍然没有完全打开。为了打开市场，扩展应用范围和工程规模，众多应用示范项目正在引导着储能市场的建设。
国家电网在发展可再生能源的过程中发挥着重要的“通路”作用。在很多微网的建设中，储能项目是必须建设的项目之一。为了更好地评估我国储能产品的性能和减少可再生能源对电网的冲击，国家电网先后建设了多个储能系统和解决方案，以求抢占户用储能市场的先机。这些项目不仅分布在华北、西北地区的风电储能、分布式发电及微网储能项目中，在华东和华南地区的海岛分布式发电及微网储能项目也有很多。这些示范项目可帮助分布式能源实现独立微网运营，有效解决目前的新能源弃电问题。另外还可以有效解决风电、光伏等间歇性能源并网的问题，提升新能源发电的经济性。在微网的应用端，储能装臵可以使分布式能源在不接入大电网的前提下独立、全天候运营发电。
不少新能源企业为进入储能市场，也纷纷建立了自己的示范项目。比如比亚迪已经在坪山新区比亚迪厂区建成了全球最大的用户侧铁电池储能电站，这也标志该电站全面进入商业化运营阶段。据了解，新落成的储能电站占地面积1500平方米，建设容量为20MW/40MVH，由比亚迪电力科学研究院自主承建，于2013年9月开始建设，2014年7月竣工。该储能电站可实现工业园用电负荷自主调解，是目前全球最大的用户侧铁电池储能电站。据比亚迪公司副总裁、电力科学研究院院长罗红斌介绍，根据公司规划，比亚迪还将在深圳、长沙、西安等工业园区建设总规模为100MW/200MWH的储能电站。
还有一部分示范项目来自于科研单位和企业的合作。比如上海硅酸盐所等“钠硫电池”开展电站应用工程示范项目。该项目是中国科学院上海硅酸盐研究所与上海电气（集团）总公司、国家电网上海市电力公司，面向新能源、智能电网的战略需求，按照“产研用”模式推进的储能技术产业化项目。该项目经过近三年的艰苦攻关才完成了电池性能提升与产品化研制、规模制备技术路线论证等主要工作，贯通生产线，形成定型产品并下线。目前该电站首组堆仓已经成功并网，进入现场试运行阶段。国家科技部、国家电网公司等有关负责人、专家到崇明实地调研，对钠硫电站工程化应用进展给予高度肯定。
这些示范项目正在为储能市场尤其是储能系统集成市场注入新的活力。随着储能成本不断走低以及国家储能补贴政策落实，毫无疑问，储能大时代的序幕已经拉开。目前我国的储能技术正在从实验室试验阶段逐步向示范工程建设阶段以及商业化运营快速发展。未来十年，我国储能产业将达到万亿以上的投资规模，储能技术诱人的应用前景正吸引着国内众多科研人员以及投资人的注意。
能源储能将开启黄金十年
各类型储能在技术特性和经济性方面有着明显区别，在电力系统中也有着不同的应用方向。随着我国电网大区域互联电网的形成，以及可再生能源发电比例的快速增长，大规模储能系统对确保大电网安全性和可靠性、加强区域电网峰谷负荷调节能力、提高输变电能力、改善电能质量等方面有着重要的作用。
我国新能源储能技术的应用于 2011年开始起步，截至2014年末储能技术累积装机量约81MW。2014年末，国务院出台《能源发展战略行动计划（2014-2020年）》。其中明确为提高可再生能源利用水平，要“加强电源与电网统筹规划，科学安排调峰、调频、储能配套能力。储能作为新能源建设的配套设施有望迎来爆发式增长，开启黄金十年。有关部门预计中国储能市场（不包含抽蓄，压缩空气及储热）的容量有望于2020年超过1吉瓦，对应65%的复合增长率。
据了解，储能作为“9个重点创新领域”和“20个重点创新方向”之一，目前已被写入中国国家级能源规划文件，有望形成“十三五储能产业发展规划”。从2015年投运、规划和在建项目的统计情况来看，中国的储能已经形成两个应用热点，其中一个是分布式发电及微网，另一个是可再生能源并网。此外，随着中国微电网电价及补贴方案进入征求意见稿讨论阶段，微网项目或有望获得70%的系统补贴。若该政策得到落实，将会激活中国储能产业蓬勃发展，甚至撬动全球储能市场。
目前国内已经形成系列能源材料及高能电池产品的产业集群，比如宜春、承德、长沙等产业基地建设已经颇具规模。其中宜春国家锂电新能源高新技术产业化基地于2011年年初正式揭牌，该基地为提升锂电产业的核心竞争力和集聚力，沿着锂矿原料-碳酸锂-锂电池材料-锂电池-锂电汽车的产业链进行布局。承德则是以钒电池项目为核心，力争建设“中国储能技术研发基地”和“中国最大的储能电池生产基地”，打造中国“钒谷”。长沙以储能材料为节点，以“新动力”和“新储能”为核心，正在打造成为中国的“储能材料之都”。目前长沙已建成3个国家级重点实验室，5个国家级工程技术中心，集聚10名院士，超过两万名专业技术人员，每年开发出100多项科技成果。
储能项目美好的未来还在于其可以直接作为交通工具的动力，这在众多的城市轨道应用中很有吸引力。比较有代表性的是广州海珠有轨电车示范线项目，该项目是世界首列采用超级电容的储能式100%低地板有轨电车。由于完全采用超级电容储能电源驱动，所以电车不排放废气，运行无需架空受电网，能在乘客上下车的20、30秒钟时间里快速充满电，一次充电后能连续行驶4公里。制造该列车的南车株洲电力机车有限公司目前也正在积极推动该种列车的市场化。
面向风电场的超导限流-储能系统 篇11
随着风力发电的迅猛发展, 风力发电所存在的固有问题对电网的影响越来越突出, 并对电网的安全性和可靠性产生了重大影响。风力发电的两大突出问题是低电压穿越能力弱和功率输出不稳定。
低电压穿越能力弱的问题主要与风力发电的主流机型:双馈式感应发电机 (doubly-fed induction generator, DFIG) [1]密切相关。DFIG的定子直接与电网相连, 当电网发生故障时, 定子中感生出零序和负序磁链, 该磁链在转子中感生出数倍于转子侧变流器 (rotor side converter, RSC) 电压输出能力的反向感生电动势, 从而造成过电流和过转矩, 并可能造成RSC和变速箱的损毁。为了解决低电压穿越问题, 现有的解决方案主要包括硬件方案[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]和软件方案[12,13,14,15,16,17,18,19]两大类。在硬件方案中, 目前最常见的方法为采用撬棒电路[2,3,4,5]。该方案在故障状态下通过撬棒电路给转子过电流提供续流通路, 并将RSC闭锁, 从而有效地防止RSC过电流。定子端电压保护方案[6,7,8,9]也比较常见, 其原理为通过串联变流器补偿电网电压的突变量, 使定子端电压保持稳定, 从而减缓了电网电压突变对DFIG的冲击。已有文献对直流母线过压保护电路[10,11]也有研究。该方案通过在直流母线并联释能电路或者储能环节, 释放或者吸收在故障状态下涌进直流母线的过冲能量, 从而抑制了直流母线过电压。软件方案中, 最常见的方案为定子磁链灭磁控制[12,13]。该方案通过削减定子磁链中的零序和负序分量, 有效地抑制了转子反向感生电动势, 进而减小定转子过电流, 从而有效地保护了RSC。文献[14]针对撬棒电路实现低电压穿越过程中DFIG对电网产生暂态电流冲击的不足, 提出了通过强励磁来实现低电压穿越过程中定子电流正弦化的方案。此外鲁棒控制[15]、前馈控制[16]、功角控制[17]、磁链跟踪控制[18]等方法也被提出用来提高DFIG的低电压穿越能力。然而受直流母线电压的限制, 在电网发生严重故障时, RSC的输出电压能力小于转子反向感生电动势, 因此, 单独采用软件方案尚无法完全满足电网严重故障下的低电压穿越要求[18,19]。
功率输出不稳定的问题与风速变化的随机性有关。在额定风速以下, 大多数的风力发电机均处于最大功率跟踪状态, 风力发电机的输出功率随着风速的变化而变化。当风力发电在电网中的占比较大时, 将会造成电网电压和频率的剧烈波动, 从而给电网的电能质量和稳定性带来较大的影响。为了解决风力发电输出不稳定的问题, 目前最常见的方案为加入储能系统[20,21,22,23]。在各种储能系统中, 超导储能具有效率高、响应速度快等优点, 已被实际应用于平滑电网的有功功率波动[24], 是解决风力发电功率不稳定问题的一个有效技术。
为了同时解决以上两个问题, 提出了用于风力发电的超导限流—储能系统 (superconducting fault current limiter-magnetic energy storage system, SFCL-MES) 原理[25], 并与DFIG的变流器相结合, 提出了集成于单台DFIG的拓扑结构。在原有DFIG变流器的基础上, 通过附加电路来同时实现限流和储能的功能。其限流的功能有效地提高了DFIG的低电压穿越能力, 而其储能的功能有效地平滑了DFIG输出的有功功率。由于风电场中风力发电机分布的地理分散性, 多台风力发电机输出功率存在一定的互补性, 其输出总功率的波动率要小于单台风力发电机的波动率, 因此将超导限流—储能系统整体运用于风力发电场和运用于风电场中的每台风力发电机相比, 所需的补偿功率和储能量都可以大大降低, 更具性价比。在国家高技术研究发展计划 (863计划) 的支持下, 进一步将超导限流—储能的原理运用于风力发电场, 开展相关样机的研制工作, 该样机的研制工作正在进行, 预计于2015年底在甘肃玉门低窝铺风电场实现并网运行。本文提出了应用于风力发电场的超导限流—储能系统拓扑结构, 分析了其工作原理, 提出了其中桥路型限流器的参数设计方法, 并结合并网地点实际情况开展仿真研究。仿真研究结果证明了该方案的有效性和可行性。
1 面向风电场的SFCL-MES工作原理
面向风电场的SFCL-MES拓扑结构如图1所示。它由并联功率调节系统、带耦合变压器的桥路型故障限流器和超导磁体组成。并联功率调节系统的电流输出端、桥路型限流器的直流端和超导磁体相互串联形成一个闭合电流回路。并联功率调节系统采用电压源型的结构, 由逆变器和斩波器组成。并联功率调节系统也可以采用电流源型的拓扑结构。但是电压源型的拓扑结构和电流源型的相比, 实现了超导磁体与电网的解耦, 可靠性更高;且其无功输出能力不受超导磁体电流的影响, 无功控制能力更强。因此, 这里采用电压源型的拓扑结构。在文献[25]中, 采用二极管桥路型限流器作为限流器的主电路结构。考虑到风电场功率较大, 为了防止超导磁体在限流过程中吸收过多的有功功率而导致过流失超, 这里采用晶闸管代替二极管并在耦合变压器原边并联旁路电阻的改进型桥路限流器方案。
其基本工作方式为:正常状态下晶体管保持全触发, 当检测到电网故障时, 移除晶闸管的触发信号。晶闸管过零关断前由超导磁体和旁路电阻形成的并联阻抗进行故障限流;而在晶闸管关断后由旁路电阻独立进行故障限流。旁路电阻除了可以抑制DFIG定转子过电流, 还可以有效地阻尼故障状态下的暂态振荡, 从而减轻电网故障对DFIG的冲击。
1.1 正常状态下的工作原理
正常状态下, SFCL-MES向电网提供有功功率和无功功率支持。为了在正常态屏蔽其限流作用, 防止对风电场的正常工作产生不利影响, 还要保持超导磁体的电流大于耦合变压器副边电流的最大可能幅值 (其值为nIw, max, 其中n为耦合变压器原副边变比, Iw, max为风电场输出电流的最大可能幅值) , 从而使整流器保持通态, 耦合变压器副边等效被短接, 其压降近似为零。通过变压器耦合, 变压器原边的压降也近似为零。限流器在电网中基本不产生压降, 对电网及风电场的正常运行不产生影响。
SFCL-MES有功支持主要用于平滑下游风力发电机输出的有功功率。为了实现该功能, 采用一个低通滤波器来提取风电场输出的平均有功功率, 将低通滤波器的输出值与风电场实时输出有功功率之差作为逆变器的给定值。斩波器被用来控制直流母线电压, 并将其控制到一个适当的给定值, 以保证逆变器能够正常工作。当逆变器从电网吸收有功功率时, 直流母线电压趋于上升。斩波器通过调节直流母线电压, 将直流母线中吸收的有功功率转移到超导磁体, 并给超导磁体充电;而当逆变器向电网释放有功功率时, 直流母线的电压趋于下降。斩波器通过调节直流母线电压, 从超导磁体中释放能量到直流母线, 并支撑直流母线电压。通过斩波器的控制, 实现了超导磁体与电网之间的有功功率交换。并通过与逆变器的协同控制, 实现了对风电场输出有功功率的平滑功能。
SFCL-MES正常状态下向电网提供的无功支持主要用于稳定电网电压。当电网电压低于额定值时, SFCL-MES从电网吸收容性无功功率, 从而抬升电网电压至额定值;当电网电压高于额定值时, SFCL-MES向电网吸收感性无功功率, 从而拉低电网电压至额定值。
1.2 故障状态下的工作原理
在电网发生故障时, DFIG的定子上感生出零序和负序磁链, 该磁体作用在高速旋转的转子上, 产生出超过RSC输出电压能力数倍的转子反向感生电动势, RSC失控并造成DFIG定转子过电流。
为了分析SFCL-MES增强DFIG低电压穿越能力的机理, 首先建立DFIG在低电压穿越下的数学模型。DFIG在静止坐标下的数学模型如下:
式中:us, ur, ψs, ψr, is, ir, Rs, Rr分别为定子和转子的电压向量、磁链向量、电流向量和电阻;Ls, Lr, Lm分别为定子电感、转子电感和互感;Lls和Llr分别为定子和转子漏感;Te为电磁转矩;Pp为极对数。
由式 (2) 至式 (4) 可得转子电压如下:
式中:σ=1-Lm2/ (LsLr) 为漏感系数。
式 (8) 中等号右侧第1项代表转子反向感生电动势, 并定义为er;第2项为转子电阻和转子动态电感σLr上的压降。
定子电压可表示为:
式中:ωs为电网角频率;Vsp, Vsn和Vs0分别为故障后的定子正序、负序和零序电压。
由于零序电压并不产生磁链[1], 定子磁链可表示为:
式中:τs=Ls/Rs为定子磁链的时间常数;Ψn0为零序磁链, 其幅值取决于正序和负序磁链之间的夹角, 并在夹角等于π时的幅值最大[18]。
将式 (10) 转入旋转坐标系可得:
式中:ωr为转子角频率。
从式 (11) 可得转子反向感生电动势为:
式中:s为滑差率, 一般控制在-0.2到0.2之间。
由于定子磁链的时间常数较大, 1/τs可忽略不计, 式 (12) 可以简化为:
当故障发生且风电场的输出电流的幅值大于Isc/n (其中Isc为超导磁体电流) 时, 一对晶闸管反向截止, 超导磁体被串入电网, 与旁路电阻形成并联LR阻抗对风电场的输出过电流 (也就是DFIG的定子电流) 进行限制, 晶闸管上的触发信号同时被移除。当晶闸管过零关断时, 超导磁体从并联LR阻抗中移除, 旁路电阻被完全串入电网, 单独对风电场过电流进行限制。
由于超导磁体的电感量一般为亨利量级, |j n2ωsLsc|Rb (其中Lsc为超导磁体电感, Rb为旁路电阻的电阻值) , 并联LR阻抗中超导磁体的阻抗远大于旁路电阻, 因此在分析中可忽略超导磁体的作用。式 (10) 中定子磁链的时间常数在限流过程中变为:
式中:ns为风电场中升压变压器的变比。
实际参数的选取中Rb/ns2Rs, 零序磁链在旁路电阻的作用下迅速抑制到零, 从而使式 (13) 中由零序磁链感生出的转子反向感生电动势迅速减小, 进而极大地减缓了电网故障对DFIG的冲击。
SFCL-MES的另一个作用是限制了定子过电流。SFCL-MES在故障状态下通过在定子回路串入限流阻抗, 限制了定子过电流。而DFIG可以看成是一种旋转变压器, 通过电磁耦合的作用, 转子过电流也得到了相应的抑制, 从而减轻了转子过电流对RSC的冲击。由式 (7) 可知, 由于定子电流和磁链都得到了有效的抑制, 因此DFIG的电磁过转矩也得到了有效的抑制。
此外, SFCL-MES还对风电场提供无功支持以满足国标要求。根据国标GB/T 19963—2011“风电场接入电力系统技术规定”的要求, 在低电压穿越下, 风电场注入电力系统的动态无功电流IT应满足:
式中:UT为风电场并网电压标幺值;IN为风电场额定电流。
根据式 (15) 的要求, 风电场在电网电压跌落到0.2倍标幺值时, 其无功电流的下限值最大, 达到1.05倍额定值。为了满足该要求, SFCL-MES无功电流输出的额定值按下游连接风力发电机输出电流1.05倍额定值设计, 无功电流的给定方法仍然采用正常状态下所用的电网电压稳定控制方法。当故障发生时, 若电网电压未恢复到额定值, 则无功电流的给定值迅速上升到1.05倍的额定值, 从而最大限度地对电网电压提供无功支持。
2 主要电路参数设计
SFCL-MES主要由并联功率变流器、桥路型故障限流器和超导磁体组成。并联功率变流器拓扑结构及变流器间协同控制采用在文献[24]中所提出的方案, 该方案已在10kV超导储能并网样机上得到实际工程验证, 本文不再赘述。而超导磁体的设计主要考虑储能量的要求, 其储能量的优化设计方法可参考文献[26], 这里不再展开。本节主要介绍桥路型限流器的主要参数设计方法。
2.1 旁路电阻阻值
旁路电阻主要用于限制故障发生时的过电流。在晶闸管关断之前, 超导磁体与旁路电阻形成的并联阻抗对故障电流进行限制。由于超导磁体的阻抗远大于旁路电阻, 其作用可以忽略, 定子相电压可表示为:
令ura (t) =Vrcos (sωst+β) , 考虑到相间短路故障为最严重的故障[19], 通过解析方法可得此故障下的转子相电流为:
式中:d为电网电压跌落的深度 (0≤d≤1) ;Vs为定子电压;Vr为转子电压。
考虑到最为严重的情况 (s=-0.2, d=1) , 相电流的最大值为:
代入边界条件, 可得旁路电阻Rb的阻值, 其边界条件为:
式中:kmax为RSC的控制增益最大值, 采用脉冲宽度调制时, kmax=0.5, 采用空间矢量调制时, kmax=0.557;Udc为RSC的直流母线电压;Imax_RSC为RSC所能承受的最大电流。
旁路电阻也起到抬升定子电压、减轻定子电压暂降作用。当满足限流要求时, 旁路电阻的阻值可以取为Rb=Vg/Ig, 其中Vg为电网电压, Ig为电网电流。
2.2 斩波器和逆变器主要参数
并联功率变流器实时输出有功功率的上限为取决于斩波器最大输出功率, 并可表示为:
超导磁体电流在运行过程中随着变流器输出有功功率的变化而变化, 为了保证超导磁体不过流失超, 超导磁体电流的运行范围不能超过其上限值Isc, max;反之, 若超导磁体运行电流过低, 由式 (26) 可知, 其所能输出的最大有功功率将不能满足变流器额定有功功率的要求, 因此其运行范围不能低于其下限值Isc, min。在确定超导磁体电流的运行范围 (Isc, min, Isc, max) 后, 为了保证超导磁体电流在运行范围的下限仍然能输出额定有功功率, 其直流母线额定电压应满足:
式中:Pcnv, rate为变流器的额定有功功率。
为了保证超导磁体运行电流达到上限值时斩波器仍然能正常工作, 斩波器的额定功率需按超导磁体运行电流的上限值确定, 其额定功率为:
式中:Pchp, rate为斩波器的额定有功功率。
逆变器的额定有功功率为变流器的额定有功功率, 而逆变器的额定无功功率根据国标GB/T19963—2011的要求, 按照下游风力发电机输出电流1.05倍额定值设计, 即
式中:Ul-l为电网线电压;Iwind, rate为下游风力发电机的额定电流。
逆变器的视在功率按式 (30) 确定:
式中:Pinv, rate为逆变器的额定有功功率。
2.3 耦合变压器变比
在正常工作状态下, 当且仅当风电场的输出电流折算到耦合变压器副边的幅值 (nIw, 其中Iw为风电场输出电流的幅值) 小于超导磁体电流时, 超导磁体才不会串入电网。为了满足这一要求, 必须保证超导磁体运行电流的下限值 (Isc, min) 大于风电场输出电流折算到耦合变压器副边的最大可能幅值 (nIw, max) , 从而有:
由此可得耦合变压器变比的要求为:
考虑到耦合变压器变比过小对超导磁体耐压设计的要求过高, 耦合变压器的变比可直接设计为:
3 仿真研究
系统仿真的主要电路参数如下:旁路电阻阻值为78Ω;耦合变压器原副边额定电压为5.77kV/2.14kV;超导磁体为第一代和第二代高温超导带材绕制的混合型磁体, 其电感量为12.6H。甘肃玉门低窝铺风电场的主流机型为850kW的DFIG。受超导磁体成本及经费预算因素的影响, 示范装置的储能量尚无法满足同时平滑多台风力发电机有功功率的要求, 因此该示范装置将安装在一台850kW DFIG升压变压器的高压侧。该升压变压器的变比为10kV/690V, 容量为900kVA。
图2是正常工作状态下的仿真波形图。
图2 (b) 和 (d) 曲线中高频振荡的部分由变流器中绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 开关过程产生的高次谐波造成, 与实际风力发电机并网状况测试结果一致。SFCL-MES有功控制策略与文献[24]中采用的控制策略一致。SFCL-MES输出由滤波器提取的下游风力发电机有功电流的波动分量, 从而使总的注入电网的有功功率大为平滑。SFCL-MES的无功控制以控制电网电压为目标。电网正序电压的给定值与实测值的差值作为比例—积分 (proportional-integral, PI) 调节器的输入值, 输出值为SFCL-MES无功电流的给定值。PI调节器采用增量式数字PI调节器, 其饱和上限值为下游风力发电机输出电流1.05倍额定值。从图2 (b) 中可以看出, 由于输入风速存在较大的波动, DFIG输出的有功功率也存在一定的波动, SFCL-MES通过输出与波动分量幅值相同, 相位相反的有功功率, 有效地平滑了DFIG的有功输出功率, 从而使注入电网的有功功率大为平滑。从图2 (c) 中可以看出, 在DFIG输出有功功率为负时, 超导磁体电流上升;DFIG输出有功功率为正时, 超导磁体电流下降。正是通过超导磁体的充放电, 吸收了DFIG输出功率的波动量, 从而大大减小了DFIG不稳定输出功率对电网的冲击。从图2 (b) 和 (c) 还可以看出, 通过合理的参数设计, 在正常运行时, 超导磁体未串入电网, 对DFIG的正常运行不产生影响。从图2 (d) 中可以看出, 未加入SFCL-MES时, 电网电压偏离额定值, 且存在一定的波动;加入SFCL-MES后, 通过向电网注入无功电流调节电网电压, 电网电压被控制额定值, 且稳定性大大增加, 几乎没有明显波动。
图3是电网发生由三相接地短路故障产生的平衡电压暂降下的仿真波形图。故障在0.05s发生, 0.2s后恢复。当检测到电网电压发生暂降后, SFCL-MES停止有功平滑的功能, 其无功控制保持原有电压控制的模式, 以尽可能减少电网电压幅值的变化, 并移除晶闸管的触发信号, 防止超导磁体吸收过多的过冲能量。电网故障检测的方法采用文献[25]中所用的Kalman滤波器。
从电网电压的波形可以看出, 在加入SFCL-MES后, 通过向电网注入无功电流, 电网电压在故障期间的幅值与未加入时相比有明显的提高。而在故障恢复期间, 电网电压恢复的速度也明显加快。这是通过SFCL-MES向电网注入无功电流进行稳压控制实现的。
从定转子电流的波形可以看出, 未加入SFCL-MES时, 定转子的过电流超过额定值的3倍。由于RSC的过流能力一般为额定值2倍左右, RSC可能过流损坏。而在加入SFCL-MES后, SFCL-MES利用桥路型限流器无需检测自动限流的特性, 几乎无延时地将超导磁体串入电网, 和阻值恰当的旁路电阻一起作用, 将定转子过电流控制在2倍额定值内, 有效地保护了RSC。
从电磁转矩的波形可以看出, 未加入SFCL-MES时, 电磁转矩的波形存在剧烈的振荡, 对变速箱的安全性和可靠性产生不利影响。而在加入SFCL-MES后, 由于在限流过程中定子零序磁链在旁路电阻的作用下迅速退磁, 且定子过电流得到有效的抑制, 由式 (7) 可知, 电磁过转矩也能够得到相应的抑制, 电磁转矩振荡的幅度明显降低, 有效地保证了变速箱的安全。
从直流母线电压的波形来看, 未加入SFCL-MES时, 其直流母线电压的振荡较为剧烈, 其电压峰值已超过1 700VIGBT的额定耐压值。而在加入SFCL-MES后, 通过超导磁体和旁路电阻的故障限流作用, 有效地限制了涌入直流母线的转子过电流, 从而使得直流母线电压振荡的幅值大为降低, 并限制在IGBT的可靠工作范围内, DFIG变流器的可靠性大为增加。
图4是平衡电网电压暂降下超导磁体电流、SFCL-MES输出无功电流和旁路电阻电流的波形。从超导磁体电流的波形来看, 在故障发生后, 超导磁体被串入电网, 与旁路电阻形成并联阻抗进行故障限流。由于桥路型限流器的整流作用, 超导磁体在串入期间被充电, 其电流有小幅的跃升。而在晶闸管关断后, 超导磁体被旁路, 由旁路电阻单独进行限流, 因此其电流的变化很小, 确保了超导磁体在故障限流中的安全性, 防止其过流失超。从SFCL-MES输出无功电流的波形可以看出, 在故障发生前由于并网电压高于额定值, SFCL-MES从电网吸收感性无功功率, 从而拉低了电网电压。在故障发生后, 电网电压急剧降低, SFCL-MES迅速注入1.05倍额定值的无功电流, 满足了国标的要求, 并有效地抬升了电网电压。而在故障恢复后, SFCL-MES发出的无功功率随电网电压迅速调整, 使电网电压迅速恢复到额定值。从旁路电阻电流来看, 在故障发生前流过旁路电阻的电流基本为零, 旁路电阻未被串入电网, 对风电场的运行不产生影响;在故障发生后, 旁路电阻的电流迅速增大, 旁路电阻被串入电网, 并起到故障限流的作用;在故障恢复时, 旁路电阻电流迅速下降到接近于零, 实现了故障限流功能的快速、准确退出。
图5是电网发生由相间短路故障产生的不平衡电压暂降下的仿真波形图, 该故障被认为是最为严重的故障[19]。
从图5中可以看出, 未加入SFCL-MES时, 其定转子过电流、电磁过转矩比平衡暂降更为严重, 这是由于在不平衡暂降下, 其负序磁链所产生的反向感生电动势较大, 进一步恶化了其故障影响, 这与文献[19]的分析一致。从其直流母线电压的波形来看, 其直流母线过电压的峰值要小于平衡暂降的情况, 这是由于电网电压的幅值要高于上述平衡暂降的情况, DFIG网侧变流器的有功控制能力更强, 更能稳定其直流母线电压。而在加入SFCL-MES后, 电网电压在故障期间有明显抬升, 定转子过电流、电磁过转矩和直流母线过电压均得到了明显的抑制。这同样是由于SFCL-MES所提供的限流及无功支持特性产生的。
图6是不平衡电网电压暂降下超导磁体电流和SFCL-MES输出无功电流的波形。从超导磁体电流的波形可以看出, 在SFCL-MES发出无功功率时, 受不平衡电压的影响, SFCL-MES会吸收一定二次波动有功功率, 从而造成超导磁体电流的波动, 但是由于超导磁体电感量较大, 该波动的幅值很小, 不会对SFCL-MES的正常运行造成影响。而从其发出的无功电流来看, 其发出的无功电流在故障发生后迅速达到1.05倍额定值, 超出了国标的最低要求, 并在故障恢复后迅速调整以稳定电网电压, 确保电网电压得以快速恢复到额定值。从旁路电阻的电流来看, 旁路电阻电流正常态接近于零, 故障状态下迅速上升并在故障后迅速下降到接近于零。这证明了在不平衡电压暂降下, SFCL-MES同样能够实现对旁路电阻快速、准确地投切与退出。
4 结语
本文提出了应用于风电场的超导限流—储能系统拓扑结构, 分析了其正常态和故障状态下的工作原理, 提出了其主要参数的设计方法, 并采用实际设计参数和并网条件进行了仿真研究。仿真结果表明:该SFCL-MES在正常状态下能够有效地平滑DFIG发出的有功功率, 并通过注入无功电流稳定电网电压;而在故障状态下, 能够有效地抑制DFIG定转子过电流、过转矩和直流母线过电压, 并能提供国标所规定的无功电流, 以支撑并快速恢复电网电压。仿真结果证明了SFCL-MES是解决风电场相关问题的一个全面、有效的途径。
摘要：双馈式感应发电机具有体积小、重量轻、成本低等突出优点, 目前已成为风电场中的主力机型。然而双馈式感应发电机存在低电压穿越能力弱和功率输出不稳定两大问题。为了同时解决这两个问题, 提出了集成于单台风力发电机的超导限流—储能系统原理。进一步将该原理运用于风电场, 并开展实际样机的研制。分析了超导限流—储能系统在风电场应用的工作原理, 提出了适用于风电场的拓扑结构和其中桥路型限流器的参数设计方法, 并开展了针对实际风电场应用的仿真研究。仿真结果证明了该方案的有效性和可行性。