毕业设计-新能源分布式发电储能系统相关基础研究-能量管理策略

题目：新能源分布式发电储能系统相关根底研究-能量管理策略研究系别：专业班级：姓名：学号：指导教师：职称：摘要以风力发电、太阳能光伏发电为代表的间歇性可再生能源发电系统的功率输出存在不连续，不稳定，随气候变化而变化的特点，新能源在电网中比重的增加的今天，会对同步系统产生许多负面影响。储能技术为间歇性可再生能源系统提供了能量缓冲、平衡和后备的手段，是改善间歇性可再生能源利用的有效途径。在各种储能技术中，铅酸蓄电池依靠其技术成熟、可靠性高、本钱较低；超级电容器具有功率密度大、充电能量密度高的优点，适合大电流和短时间充放电的场合；本文将主要围绕铅酸蓄电池储能技术和超级电容器储能技术在间歇性可再生能源发电系统的相关应用展开研究。在分析电压源电子电力变换器蓄电池储能系统根本原理的根底上，建立其数学模型，为实现风电机组有功功率输出和稳定性控制的提高，提出控制策略。在串并联型超级电容器储能系统原理上，建立其数学模型，提出串联和并联补偿控制器调节风电场输出功率不稳定问题。仿真结果说明可以提高风电机在网络故障的稳定性。关键词：风力发电；储能技术；超级电容器；控制策略；新能源ABSTRACTWithwindpower,solarphotovoltaicpowergenerationasarepresentativeofintermittentrenewableenergypowersystemofpoweroutputexistence,unstable,withdiscontinuouscharacteristicsofclimatechangeandchangeinpowergrid,newenergyresources,increasetheproportionofsynchronizationsystemstodaywillproducemanynegativeimpacts.Storagetechnologyforintermittentrenewableenergysystemprovidestheenergybuffer,balanceandbackupmeans,improveintermittentrenewableenergyuseinaneffectiveway.Invariousstoragetechnology,dependingonitsmaturetechnologyoflead-acidbatteries,highreliabilityandlowcost;Supercapacitorshavepowerdensities,chargingtheadvantagesofhigherenergydensity,suitableforlargecurrentandshorttimecharge-dischargecircumstance;Thispaperwillfocusonlead-acidbatteryenergystoragetechnologyandsupercapacitorstoragetechnologyinintermittentrenewablepowergenerationsystemontherelatedapplications.Ontheanalysisofthevoltagesourceelectronicpowerconverterbatteryenergystoragesystem,basedonthebasicprincipleofestablishingitsmathematicalmodelfortherealizationofthewindgeneratoractivepoweroutputandstabilitycontrol,thispaperputsforwardtheimprovingcontrolstrategy.Inparallelconnectiontypesupercapacitorenergystoragesysteminprinciple,establishmentofthemathmodel,andputsforwardsomeseriesandparallelcompensatingcontrolleradjustwindfarmoutputpowerunstableproblem.Simulationresultsshowthatthenetworkcanimprovethewindelectricalfaultstability.Keywrds:WindPower；EnergyStorage;Supercapacitor;ControlStrategy;Newenergy.目录TOC\o"1-3"\h\u29471摘要 I22068ABSTRACT II211611绪论 16741.1课题研究背景 1326081.2可再生能源发电概述 2115451.2.1全球可再生能源概况 267251.2.2中国可再生能源概况 223451.3微网的研究现状 333131.3.1概述 3299961.3.2北美的微网研究 3294271.3.3欧盟的微网研究 3252541.3.4日本的微网研究 4294821.4储能系统的研究现状 447951.5论文的主要工作与章节安排 6125082大规模间歇性可再生能源发电系统的建模 8203312.1引言 8313862.2大规模间歇性可再生能源井网面临的主要挑战 8203242.3风力发电系统的特性分析 9197642.4恒速恒频风力发电系统的建模与仿真 986192.4.1风电机组动力系统数学模型 9131212.4.2异步发电机数学模型 10101062.4.3风电场等值 1136012.4.4算例仿真与分析 1156212.5光伏发电系统的特性分析 12314872.6单相户用光伏发电系统的建模与仿真 1317072.6.1光伏电池的建模 13247012.6.2单相逆变器的控制策略 1353723储能元件的特性分析及其等效模型 14185093.1引言 14143033.1.1常用的储能电池 1463453.2铅酸电池储能原理 14170493.2.1储能电池的应用前景 1533713.3铅酸电池的建模 1531703.3.1铅酸电池的等效电路模型 1633653.4超级电容器的特性分析 18180093.4.1超级电容器的分类： 19323263.4.2超级电容器主要优点： 20159823.4.3超级电容器的应用 20142373.5双电层超级电容器的等效电路模型 2127623.6小结 22209954双向DC/DC变换器及控制 238394.1引言 23161604.2三全桥DC/DC变换器拓扑 23121184.2.1三全桥主电路拓扑结构 23315854.2.2变换器等效电路 24269874.2.3三全桥DC/DC变换器能量流动和控制方式 26287314.3DC/DC变换器的控制策略 27211674.3.1TAB变换器电流内环解耦设计 28188404.3.2电流内环调节器设计 29244574.4小结 31260065储能系统的能量管理策略与实现 3278615.1引言 3219705.2串并联型储能系统工作原理 32279385.3串并联型超级电容器储能系统的数学模型 338475.4变换器的控制 34138875.4.1并联补偿变换器的控制 3487595.4.2串联补偿变换器的控制 35246765.5系统仿真与分析 35118585.5.1储能系统稳定性的提高 37161555.6本章小结 3885026总结与展望 39289156.1总结 39177316.2有待进一步开展的研究工作 3919629致谢 4031886参考文献 411绪论1.1课题研究背景人类社会的存在和开展离不开能源，随着社会、经济的开展，全球能源的需求量必然继续增加，伴随着化石能源的大量使用，环境污染和能源枯竭将会严重影响社会的开展。随着世界能源危机的日益严重以及公众对于改善生态环境要求的日益高涨，能源获取更多的注意力集中在可再生能源的开发与利用上。在可再生能源当中，太阳能和风能是目前应用比较广泛的两种新能源。太阳能、风能与其它常规能源相比在利用上有多个优点[-]：如取之不尽，用之不竭；就地可取，不需要运输；分布广泛，分散使用，不污染环境，不破坏生态；周而复始，可以再生等，尽管它们在利用上有以上的优点，同时也存在以下的弊端：如能量密度低，随天气和气候变化出现间隙性、随机性等不稳定现象，因此在大规模开发利用风、光等新能源还有很多的问题需要研究。现阶段对风、光发电的研究主要集中在底层发电设备的研制与控制、系统仿真、单独风力发电或单独光伏发电的控制。当然这有市场的，也有技术的原因造成的结果。随着储能技术的开展，特别是大容量，高性价比的储能电池的出现将打破这个现象。风光储的发电模式将成为新能源利用的最有效模式。合理的能量管理控制系统不仅能够提高发电系统的平安性、稳定性，保证系统运行的经济性，而且能够充分保护发电设备，延长设备寿命，使风光储互补发电成为一种稳定可靠的绿色能源。分布式电源及储能装置等新能源设备大量接入，是“低碳”经济开展模式下配网开展的必然之路，我国配电网建设相对落后，配网的开展进程与其需求相比存在较大的差距。当前的配电网络，无论在一次结构还是二次监控等方面，对上述新能源设备的接入还缺乏系统的考虑，根本不具备相关技术条件或缺少技术手段全面评估上述新设备大规模接入对电网的影响。为此，有必要尽快体系化地开展新能源设备仿真技术研究，为解决未来配电网的开展提供技术支撑平台。开展新能源设备物理建模技术研究，重点研究光伏发电、风力发电、储能设备等元件级建模技术研究，基于实际物理模型或实际装置端口特性为大型智能配电网的建立奠定理论与实践根底，为深入研究新能源接入对系统的影响提供技术支持。1.2可再生能源发电概述能源是经济和社会开展的重要物质根底。自工业革命以来全球煤炭、石油、天然气等化石能源资源消耗迅速，生态环境不断恶化，特别是温室气体排放导致日益严峻的全球气候变化，人类社会的可持续开展受到严重威胁。可再生能源包括水能、生物质能、风能、太阳能、地热能和海洋能等，资源潜力大，环境污染低，可永续利用，是有利于人与自然和谐开展的重要能源。上世纪70年代以来，可持续开展思想逐步成为国际社会共识，可再生能源开发利用受到世界各国高度重视，各国将开发利用可再生能源作为能源战略的重要组成局部，提出了明确的可再生能源开展目标，制定了鼓励可再生能源开展的法律和政策，可再生能源得到迅速开展。全球可再生能源概况2005年，全球可再生能源市场增长迅猛。据估计，全球大水电新增装机1200万-1400万千瓦，中国新增700万千瓦位居首位，巴西和印度分别以2.4GW和1.3GW的新增装机容量列第二和第三位。不计算大水电，2005年全球可再生能源发电总装机容量已上升至1.82亿千瓦(182GW)，比2004年〔1.6亿千瓦,160GW〕增加了2200万千瓦〔排名前六位的国家分别是中国〔4200万千瓦〕、德国〔2300万千瓦〕、美国〔2300万千瓦〕、西班牙〔1200万千瓦〕、印度〔700万千瓦〕和日本〔600万千瓦〕。印度可再生能源装机容量首次超过了日本。开展中国家的可再生能源装机容量从7000万千瓦上升到了8000万千瓦，以中国〔主要是小水电〕和印度〔风能〕的增长最多，占全球装机总量的比例与2004年持平，保持在44%左右。如果将大水电计算在内，2005年可再生能源发电装机容量到达了9.3亿千瓦(930GW)。中国可再生能源概况中国除了水能的可开发装机容量和年发电量均居世界首位之外，太阳能、风能和生物质能等各种可再生能源资源也都非常丰富。中国太阳能较丰富的区域占国土面积的2／3以上，年辐射量超过6000MJ／㎡，每年地表吸收的太阳能大约相当于1.7万亿tce的能量；风能资源量约为32亿kW，初步估算可开发利用的风能资源约10亿kW，按德国、西班牙，丹麦等风电开展迅速的国家的经验进行类比分析，中国可供开发的风能资源量可能超过30亿kW；海洋能资源技术上可利用的资源量估计约为4亿-5亿kW；地热资源的远景储量为1353亿tce，探明储量为31.6亿tce；现有生物质能源包括：秸秆、薪柴、有机垃圾和工业有机废物等，资源总量达7亿tce，通过品种改进和扩大种植，生物能的资源量可以在此水平再翻一番。总之中国可再生能源资源丰富，具有大规模开发的资源条件和技术潜力，可以为未来社会和经济开展提供足够的能源，开发利用可再生能源大有可为。2006年底，中国可再生能源年利用量总计为2亿吨标准煤，〔不包括传统方式利用的生物质能〕，约占中国一次能源消费总量的8%，比2005年上升了0.5个百分点，这为2010年可再生能源占全国一次性能源10%的目标迈出了坚实的一步。1.3微网的研究现状概述随着经济的高速开展和能耗的日益增加，各国的电力工业面临着一系列前所未有的严峻挑战：能源危机、系统老化、污染问题、一次能源匮乏、能源利用率低以及用户对电能质量的要求高等。微网在DGS的高效应用以及灵活、智能控制方面表现出极大的潜能和优势，成为很多兴旺国家开展电力行业、解决能源问题的主要战略之一。目前，北美、欧盟、日本等已加快进行微网的研究和调试，并根据各自的能源政策和电力系统的现有状况，提出了具有不同特色的微网概念和开展规划。北美的微网研究CERTS最早提出微网的概念，其也是所有微网概念中最具代表性的一个。CERTS对微网的主要思想和关键技术问题进行了详细地概述，说明CERTS微网有静态开关和自治微型电源2个主要部件，并系统阐述了微网的结构、控制方式、继电保护以及经济性评价等相关问题。目前，美国CERTS微网的初步理论和方法已在美国电力公司Walnut微网测试基地得到了成功验证。由美国北部电力系统承接的MadRiver微网是美国第一个微网示范性工程，微网的建模和仿真方法、保护和控制策略以及经济效益在此工程中得到了验证，关于微网的管理条例和法规得到了完善，因此MadRiver微网成为美国微网工程的成功范例。同时美国能源部制订了“Grid2030”开展战略，即以微网形式整合和利用微型分布式发电系统的阶段性方案，详细阐述了今后微网的开展规划。此外，加拿大BC和Quebec两家水电公司已经开始开展微网示范性工程的建设，测试微网的主动孤网运行状况，旨在通过合理地安置独立发电装置改善用户侧供电可靠性。欧盟的微网研究从电力市场自身需求、电能平安供给以及环境保护等方面综合考虑，欧洲在2005年提出了“智能电网”的方案，并在2006年出台了该方案的技术实现方案。作为欧洲2020年及后续电力的开展目标，该方案指出未来欧洲电网应具有灵活、可接入、可靠和经济等特点。为此，欧洲提出要充分使用DGS、智能技术、先进的电力电子技术等实现集中式供电与分布式发电的高效整合，积极鼓励独立运营商和发电商参与电力市场交易，快速推进电网技术的开展。微网必将成为欧洲未来电网开展的重要组成局部。目前，欧盟主要资助和推进“Microgrids”和“MoreMicrogrids”2个微网工程，通过拓展和开展微网概念，增加微型发电装置的渗透率，初步形成微网的运行、控制、保护、平安以及通信等根本理论，希腊、德国、西班牙等国家建立了不同规模的微网实验室。德国太阳能研究所建成的微网实验室的规模最大，容量到达200kVA，该研究所还在其实验平台上设计安装了简单的能量管理系统。欧盟对微网的研究主要集中在可再生微型发电系统的控制策略和微网的规划、多微网管理运行优化工具的研发和技术、商业化标准的制定、示范性微网测试平台的推广、电力系统运行性能的综合评估等，这些可为DGS和可再生能源系统大规模并入微网以及传统电网向智能电网过渡提供条件。日本的微网研究日本根据本国资源日益缺乏、负荷需求增长迅速的开展现状，开展了微网的研究。目前，日本已在国内建立了多个微网工程。近年来，可再生能源和新能源一直是日本电力行业关注的重点之一，新能源与工业技术开展组织大力支持一系列微网示范性工程，并鼓励可再生和分布式发电技术在微网的应用。日本在微网的网架拓扑结构、微网集成控制、热电冷综合利用等方面开展了一系列研究，为DGS和基于可再生电源的大规模独立系统的应用提供了较为广阔的开展空间。1.4储能系统的研究现状新能源风、光发电有着巨大的优势，当然由于受到气候条件等影响，使其发电输出功率出现间隙性和波动性。要平抑功率对并网潮流的影响，储能技术是解决太阳能、风能发电能源需要解决的关键技术。“电能利用和电能储存技术”已被列为我国电网前瞻性关键技术之一，以确保互联大电网平安，提高系统动态稳定性，改善区域供电品质和绿色能源电力输出特性。储能技术在电力系统中的运用主要有以下几个方面：首先，它可以调节电力生产中的峰谷差；其次，储能技术提高电力系统供电的可靠性，在系统因故障停电时，储能设备可以起暂时供电的作用，防止突然停电带来的麻烦和损失；再次，储能装置可以提高系统的稳定性，在电力系统受到大的扰动时，例如短路等事故时，储能装置可以在瞬时吸收或释放能量，使系统中的调节装置有时间进行调整，防止系统失稳；最后，它是风力发电、太阳能光伏发电或热发电等可再生能源发电设备中必不可少的装备，有了储能装置的配合，这些不稳定的发电设备才有可能向用户稳定地供电。电力系统的储能装置除了抽水储能电站和小规模的电池储能外，还有许多基于其他原理的储能装置正在研究，下面就对各种储能方式进行概括的介绍：〔1〕水储能电站抽水储能电站是当前唯一能大规模解决电力系统峰谷困难的一种途径。它需要上下两个水库，并安装能双向运转的电动水泵机组即水轮发电机组。这种方案的优点是：技术上成熟可靠，其容量可以做得很大，仅受到水库库容的限制。缺点首先是建造受到地理条件的限制，必须有适宜的上下两个水库。另外，在抽水和发电两个过程中都有相当数量的能量是损失掉的。还有一个缺点是这种抽水储能电站受地理条件限制，一般都远离负荷中心，不但有输电损耗，而且当系统出现重大事故而不能工作时，它也将失去作用。〔2〕飞轮储能它的具体设想是：在谷值负荷时，将多余电力输入电机，使其驱动飞轮加速，这大概需要几个小时，例如从午夜到清晨，然后飞轮保持在高速下转动，到出现峰值负荷时，让飞轮驱动电机作为发电机运行，使飞轮的动能变成电能供给电网。在这一过程中飞轮转速下降，直到它的最高转速的一半左右。由于采用变速恒频的电力电子技术，输出电能的频率可保持不变。飞轮储能的一个突出优点就是几乎不需要运行维护、设备寿命长且对环境没有不良的影响。飞轮具有优秀的循环使用以及负荷跟踪性能，它可以用于那些在时间和容量方面介于短时储能应用和长时间储能应用之间的应用场合。〔3〕可充电电池储能电池有多种类型：铅酸电池是人们最熟悉的一种可充电电池。现在密封型免维护的铅酸电池已成为这类电池的主流。碱性电池中的镉镍电池现在已被镍氢电池逐步取代。碱性电源比起铅酸电池有容量大，结构巩固，充放循环次数多等优点，但其价格也贵得多。这就限制了在能源领域中的应用。另一类性能优异的电池是锂离子二次电池。它彻底解决了充放电的记忆效应，大大方便了使用，在制造过程中根本上防止了对环境的污染，有绿色电池之称。主要缺点是价格太贵，目前它主要用于通信和信息设备中，但由于它的高储能密度，很有可能用在电动汽车等交通工具中。如果能进一步提高储能密度并降低本钱，那么它将很有希望用于供电设备的储能中。〔3〕超导储能磁场储能就是在电感线圈中充入电流而储存电能。磁场储能中又以超导线圈储能最优。由于超导线圈在运行时没有电阻，因此它的储能效率很高。同时它的电流密度远高于常规线圈，可以做到很高的储能密度。另外它可以用极快的速度存入和放出电能，适合于在瞬变状态下，例如电力系统的暂态过程下使用。它的缺点一是需要深冷设备，即使是高温超导线圈也要在液氮温度下运行。另外它与传统的储能设备相比，能量密度还是太小。在大电流运行下它的电磁力对线圈本身所受应力也是一个问题。因此目前它的主要用途还在于改善电力系统的动态稳定性，以充分发挥它的快速响应的优点。〔4〕超级电容器储能所谓超级电容器就是有超大电容量的电容器，它的电介质具有极高的介电常数，因此可以在较小体积小制成以法拉为单位的电容器，比一般电容量大了几个数量级。电容器储能同样具有快速充放电能的优点，甚至比超导线圈更快。它不需要复杂的深冷设备．这些都是它的优点。但超级电容器的电介质耐压很低，制成的电容器一般仅有几伏耐压。由于它的工作电压低，所以在实际使用中必须将多个电容器串联使用。这就要求增加充放电的控制回路，使每个电容器能工作在最正确条件下。1.5论文的主要工作与章节安排目前国内外已经开始进行储能系统在风、光等新能源分布式发电系统中的应用研究。国内外文献中介绍了现代电力系统中的各种新能源和储能技术;研究了基于超导储能、飞轮储能、超级电容器、蓄电池等单一储能装置以及基于超导储能和二次电池储能的混合储能系统、基于压缩空气储能和超级电容器储能的混合储能系统在可再生能源系统应用的情况，如实现电能质量控制、平滑可再生能源系统有功输出的波动、实现最大功率跟踪、提高可再生能源系统稳定性等等。但目前对储能系统在风、光等新能源分布式发电系统中的应用研究主要侧重于其实现方案上，比方:电路拓扑结构等，并且，在这方面取得了非常显著的进展。储能系统应用于可再生能源电力系统后的行为和控制问题方面的研究工作还比较初步，具体表现在以下几个方面：〔1〕对储能系统的数学建模缺乏深入研究，未建立起一套完整的储能系统数学模型。〔2〕对储能系统应用于含可再生能源电网后的控制策略研究不多。〔3〕对储能系统应用于含可再生能源电网后，究竟能实现哪些功能的实质性研究不多。〔4〕所提出的各种拓扑结构，与电力系统的实际存在一定的差距。〔5〕对用于含可再生能源电网的储能系统容量及功率优化研究不多风光互补发电系统。因此，今后这一领域应重点解决包括提出更接近电力系统实际(电压等级、容量等级、工作方式，等等)的储能系统的拓扑结构，建立储能系统的数学模型，研究储能系统应用于可再生能源电力系统的控制等问题。因此，结合电力电子技术和风、光发电功率预测技术，以数字/物理混合建模模拟新能源分布式发电功率潮流输出，以背靠背双向变流器模拟蓄电池、超级电容器等储能元件构成的储能系统，实时平抑电网波动，稳定电网有功、无功潮流，确保系统平稳工作是本论文的研究重点。本文着重研究储能系统在含有风、光等间歇性可再生能源发电与微网中的构建及控制。研究将储能元件采用电力电子技术相结合后所组成储能系统的结构、模型及相应的控制策略;研究并联型及串并联型储能系统在优化间歇性可再生能源发电系统的有功功率输出、改善其稳定性的作用。第2章从间歇性可再生能源发电系统的特性入手，分析大规模间歇性可再生能源发电系统并网对电网的影响，建立风力发电机组和光伏发电系统的模型，为后续仿真研究奠定根底。第3章分析铅酸蓄电池和超级电容器特性。并在分析比照这两种储能元件的等效电路模型的根底上，确定本文仿真分析所采用储能元件模型。第4章DC/DC变换器作为一种新型的电力电子变换装置，可以实现各种储能元件，发电设备的优势互补，更大限度的发挥储能装置，将对DC/DC变换器做简单介绍。针对风电功率间歇性的特点，对储能系统在风电场的应用进行研究。建立串并联补偿式储能系统的数学模型和控制器并仿真分析，仿真说明，储能系统不仅可以平滑风电场的有功功率输出，还可以提高风电机组的稳定水平。总结全文，并展望值得进一步开展的工作。2大规模间歇性可再生能源发电系统的建模2.1引言2006年《可再生能源法》的实施，标志着我国的可再生能源开展进入了新的历史阶段。在各种可再生能源发电系统中，风力发电和光伏发电是开发应用较多的两种可再生能源发电形式。不同于水电、生物质发电，风力发电和光伏发电的出力与气候条件强相关。因此，风力发电和光伏发电具有随机性和间歇性的特点，而这一特点有可能会对电网造成一定的影响，有必要对其建模，分析其特性。2.2大规模间歇性可再生能源井网面临的主要挑战风能、太阳能等可再生能源存在不连续，不稳定，低密度，随时间、季节以及气候变化而变化等缺点，采用这些能源的发电设备并网后会对系统造成一定的影响。以风能为例。风能是一种清洁能源，但由于风力随自然条件变化影响，风速与风向发生不断的、随机的变化，因而造成风力发电出力的随机性和间歇性。与此相反的是电网必须按照发、供、用同时完成的客观规律，连续、平安、可靠、稳定的向客户提供频率、电压合格的优质的电力。因此，风电开展必须高度重视对电网平安、优质、经济运行带来的影响。风电场并网具有以下特点:(l)小型风电场并网主要可能会导致局部地区的电能质量下降，如谐波、闪变、电压和无功管理难度增加等问题。(2)大中型风电场一般直接接入输电网。在这种情况下，电网对风电的要求已经从电能质量进一步开展到暂态稳定、事故后自动恢复、调频调压、直接调度等能力。风本身具有不可控，不可调的特征，因此风电场难以参加系统调控，另一方面，目前我国主流的风力发电机一异步发电机并网运行依赖电网的电压和频率，当电网电压和频率不正常，超过一定幅度发电机必须脱网，从而加剧了电网不正常。由于电能的特殊性，发电、输电、配电与用电必须同时完成，这就要求系统始终要处于动态的平衡状态中，瞬时的不平衡就可能导致平安稳定问题。目前，许多风电场开始采用基于电力电子技术的风力发电机组，而这些机组在电网故障时受低电压穿越能力高电压穿越能力以及零电压穿越能力限制将自动脱网，导致电网运行状况恶化。当具备快速调节能力的发电机组大量并网后，有可能发生功率振荡问题。因此，建立合理的风电机组、光伏系统模型，研究如何改以风电、光伏发电为代表的间歇性可再生能源发电系统的发电稳定性、抑制间歇性可再生能源发电系统发电引起的电能质量问题以及如何提高含间歇性可再生能源发电系统的稳定性问题是间歇性可再生能源发电系统并网运行中的重要问题。如果具有有效的有功和无功控制手段，快速的跟踪间歇性可再生能源发电系统的功率，就有可能使得不可调度的间歇性可再生能源发电系统单元能够作为可调度机组单元运行。2.3风力发电系统的特性分析到2008年底，全球的风电装机己经超过了121GW，全球电力供给的1.5%来自于风力发电。风电累计装机容量居前五位的国家依次是:美国(25.17GW)、德国(23.9GW)、西班牙(16.74Gw)、中国(12.2lGw)和印度(9.587Gw)。风力发电的过程是:自然风吹转叶片，带动轮毅转动，将风能转变为机械能，然后通过传动机构(包括传动轴、齿轮箱)将机械能送至发电机转子，带动着发电机转子旋转发电，实现机械能向电能的转换，最后风电机组的输出功率通过变电站注入电网。在过去的20多年里，从采用恒速恒频的风力发电机组开展到采用变速恒频的风力发电机组，风力发电在可靠性、效率、技术水平、性能价格比、电能质量以及无功控制等关键技术领域都取得了突破，己具备向电力系统提供一定辅助效劳的能力。风电机组恒速恒频和变速恒频方式下所采用的发电机类型和电路拓扑结构有所不同。由于同步机并网比较困难，恒速恒频方式下一般采用鼠笼式异步发电机，典型电路拓扑结构。当风机带动异步发电机的转子到达或者接近同步转速时，通过晶闸管控制的软并网装置将发电机接入电网，并网冲击电流较大。此后异步电机的转速根本保持恒定，此方式需要电容无功补偿装置。这种风电机组的优点在于控制电路简单。变速恒频一般采用交流励磁的双馈发电机、同步发电机、永磁同步发电机或异步发电机，相应的电路拓扑。系统运行时，不同的风速下，发电机转子变速运行，可以提高风能的利用率，风电机组送入电网的电压频率恒定。基于双馈异步发电机的变速恒频风电机组。通过控制双馈异步发电机转子侧励磁电流的频率可调节转速，这样在负载突然变化时可以迅速改变电机的转速，充分利用转子的动能放和吸收负荷，对电网的扰动远比常规电机小;另外，通过调节转子励磁电流的幅值和相位，可以调节双馈异步发电机输出的有功功率和无功功率。2.4恒速恒频风力发电系统的建模与仿真风电机组动力系统数学模型风力发电机组的动力系统包括风机、轮毅、齿轮箱和连轴器,其数学模(2.1)〔2.2〕〔2.3〕式(2.1〕~(2.3)中:为风机叶片产生的转矩;为空气密度;R是风轮半径;v为作用于风轮机的风速;R为叶尖速比，即叶片线速度与风速的比值。为风机机械角速度。、为叶片额定机械角速度:凡为风力发电机组输出的额定功率;几为轮毅输出转矩;几为轮毅惯性时间常数;几为齿轮箱输出侧的转矩:t，t为齿轮箱的惯性时间常数;吼是风力机的功率系数，表示风电机组利用风能的效率，反映风轮机叶片捕获风能的能力，是叶尖速比义和浆距角刀的非线性函数，其拟合函数为:(2.4)式中：;为拟合函数的相应系数。异步发电机数学模型异步发电机采用忽略定子绕组暂态过程的机电暂态模型即(2.5)式中:为发电机的暂态电势;;和分别为异步发电机定子的电压、电流和电阻;，为定子漏抗，为励磁电抗;:，为发电机的暂态电抗；为转子漏抗;为转子绕组电阻;为转子惯性时间常数;s为异步发电机的滑差，;为定子开路时转子回路的时间常数，.风电场等值在动态仿真计算中为了减少计算量，将风电场内的风力发电机组等值为一台机，目前有很多种等值的方法，本论文着重研究风电出力的波动特性，因此，弱化风电场中各个风电机组的差异，采取的等值原那么是:a.额定容量相等。等效额定容量:是所有风电机组额定容量之和，是第i台风电机组的额定容量，即: (2.6)b.注入电网的功率相等。是所有风电机组注入功率之和，只是第i台风电机的注入功率，即:(2.7)算例仿真与分析在Matlab/simulink环境中建立了仿真平台，仿真计算中不考虑风电场各台风电机组地理位置对风速的影响，且设定风电场由同一机型的167台单机容量为600kw的异步风力发电机组组成，风电场总装机100MW，通过双回输电线与电网相连，与接入系统连接的简化单线图和有关参数。风力机参数:=10，风力机额定风速:14m/s，风力机拟合函数系数至的数值分别是:=0.44，=125，=0，，=0，=6.94，=16.5，以及=一0.002。异步发电机参数(以额定容量6ookw为基准的表么值):=0.0064;=0.0842;=4.5291；0.124；=0.0089;=0.2855。风电机组按有功出力的30%进行电容补偿。假设风速波动，仿真结果见图2.1，图2.2。图2.1为风电场有功出力波形图，图2.2为风电场连接点的电压波形。由图2.1可知:风电机组的出力随风速的变化而变化，相应的风电场的连接点的电压也会随之波动。图2.1风电场有功波形图2.2连接点的电压波形 仿真结果说明，有功功率输出随着风速的变化而变化，发电机组连接处的母线电压也随着波动。2.5光伏发电系统的特性分析太阳能光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用光伏电池将光能直接转化为电能光伏发电系统主要由光伏电池板、控制器和电力电子变换器三大局部组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以，光伏发电系统可长时间稳定运行、可靠性高、安装维护简便。光伏发电系统中的电力电子变换器是将光伏电池发出的直流电转化为和电网电压同频、同相的交流电，从而向负载供电。按照应用的方式和领域，光伏并网逆变器可以分为图2.3所示的四种结构:l)面向大型光伏电站的集中型结构，如图2.3(a)所示，多组串联的光伏方阵通过二极管并联在逆变器的直流输入端，再通过逆变器转换成交流电接入三相交流电网;2)面向光伏模组级的支路型结构，如图2.3(b)所示，将光伏模块串联起来，通过单相逆变器逆变接入单相低压电网，这种系统非常适合于城市分布式发电和家庭户用光伏系统并网发电，也是市场上广泛应用的光伏系统;3)面向中大型光伏电站的多支路型结构，如图2.3(c)所示，将光伏模块串联后，通过各自的直流变换器并联在逆变器的直流侧，形成多个支路式，并由并网逆变器接入单相或三相电网，多支路型结构可以很容易的构成兆瓦级大型并网光伏电站;3)面向小型应用场合的模块集成型结构，如图2.3(d)所示，单个光伏模块经逆变器接入单相交流电网，这种结构被认为是未来并网逆变器的开展方向之一。图2.3光伏并网逆变器结构光伏并网系统的逆变器的输出电压幅值自动被钳位为接入侧电网电压，通过采用锁相环技术实现光伏并网系统输出电流与接入侧电网电压的同相位，即保证系统输出的功率因数为1。2.6单相户用光伏发电系统的建模与仿真光伏电池的建模光伏电池的等效电路模型如图2.4图2.4光伏电池等效电路模型单相逆变器的控制策略本文采用维持逆变器直流侧电压恒定为单相逆变器的控制策略，具体见图2.5所示。图2.5单相逆变器控制策略3储能元件的特性分析及其等效模型3.1引言将储能设备用于可再生能源系统功率优化输出及稳定控制，就有可能采用小容量的储能，通过快速的电能存取，实现较大的功率调节，快速地吸收“剩余能量”或补充“功率缺额”，从而提高可再生能源系统的运行稳定性，提高电能质量，增强系统的供电可靠性，实现快速功率响应、黑启动等。而铅酸蓄电池是蓄电池中最成熟的技术，超级电容器那么具有功率密度大的特点。因此，本文主要考虑铅酸蓄电池和超级电容器的建模。常用的储能电池由于全球化石能源的紧张，风能、太阳能等新能源分布式发电得到的大幅度利用，但风、光等新能源的间隙性和随机性等使得发电的不稳定等缺点正成为阻碍其深度开展的重要障碍，发电功率难以保证平稳[1]。而电力系统要求是供需一致，为了解决这一问题，在风力发电、太阳能光伏发电等新能源分布式发电系统中都配有储能装置，起平抑波动、削峰填谷和能量调度的作用[2]。储能技术的开展和应用，将有助于打破风电、光伏发电等接入和消纳的瓶颈问题，能够降低配套输电线路容量需求，缓解电网调峰压力。储能技术形式多样，按照储存能量的形式，储能介质一般可分为电化学储能、机械储能、电磁储能、相变储能等。电化学储能包括电池和超级电容储能；机械储能包括飞轮储能、抽水储能、压缩空气储能等；电磁储能那么是以超导储能作为代表的以磁场作为介质的储能形式；相变储能主要有冰/水蓄冷储能等[3,4]。其中电池储能是所有储能类型中种类最多、技术更新和开展速度最快的。从储能原理实现方式上看，电池储能与其他类型储能形式最大优势在于实现方式的多样性，从而导致了不同电池之间的性能差异巨大；从性能上看，相比其他储能类型，电池储能具有体积小、反响速度快、安装方便的共同特点。电池储能技术在新能源分布式发电系统、未来智能电网中将得到大规模的应用[5]。3.2铅酸电池储能原理各种铅酸电池的根本化学原理都相同，正电极是二氧化铅〔PbO2〕，负极那么是金属铅。电解液是硫酸溶液，当电池电量充足时，硫酸一般占电解液重量的37%。两极的反响产物为硫酸铅〔PbSO4〕。式(1)和(2)分别为铅酸电池正、负极反响式：PbO2+3H+++=PbO4+2H2O (1)Pb+=PbO4+H++ (2)在反响过程中，硫酸会随着放电反响的进行而不断消耗，所以电解液浓度会随着放电程度的变化而变化。当两电极活性物质耗尽、或当电解液中的硫酸浓度太小而缺乏以维持放电反响时，放电终止。以铅酸电池作为储能元件在分布式发电系统被广泛使用。储能电池的应用前景相对于机械储能、电磁储能以及相变储能等储能技术而言，电池储能的选址条件比较宽松，便于分布式布置在配网侧。大量的电池储能分布式的配置在配网侧，可以有效的减小负荷峰谷差，对电网而言相当于改善了负荷特性。负荷特性的改善给电网带来的直接好处包括[：(1)减少系统备用容量的需求，减少调峰调频机组；(2)减轻顶峰负荷时输电网的潮流，减少输电网的设备投资；(3)减少火电机组参与调峰，提高发电效率；(4)提高输配电设备的利用率、延长使用寿命。随着电池储能设备造价逐步降低和能量密度进一步提高，电池储能有望得到大规模推广。此外，电池储能还可以通过PCS系统提供动态无功补偿，大大提高无功调节的响应速度，更好的实现无功就地平衡，全面提高系统电压稳定性。储能站能够为用户提供备用电源，为系统黑启动提供电源，提高供电可靠性和抵御自然灾害的能力。3.3铅酸电池的建模铅酸蓄电池具有通用、廉价、比能量适中、高倍率放电性能好、上下温性能良好、效率较高等优点，因而铅酸蓄电池被广泛应用于各种场合。铅酸蓄电池是以稀硫酸溶液作为电解液，正极活性物质是二氧化铅，负极活性物质是海绵铅。铅酸电池的特性主要是铅酸电池的内阻和电动势以及开路电压与荷电状态之间的关系。不过,铅酸电池的电动势和开路电压与铅酸蓄电池的电解液H2SO4的浓度有关,随着电解液H2SO4的浓度下降,铅酸电池的电动势一开路电压液下降。铅酸电池的充放电特性铅酸电池充电时主要化学反响式为:阴极(复原反响):PbSO4+2e=Pb+SO42-阳极(氧化反响):PbSO4+2H2O=PbO2+4H++SO42-+2e充电时总反响为:PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4铅酸电池放电时主要化学反响为:负极(氧化反响):Pb=Pb2++2e由于硫酸的存在,Pb2+立即生成难溶解的Pb2SO4。正极(复原反响):PbO2+4H++2e=Pb2++2H2O同样,由于硫酸的存在,Pb2+也立即生成Pb2SO4。放电时的总的反响为:Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O蓄电池充电的时候,随着电池端电压的升高,水开始被电解,当电池电压到达约2139V/单体时,水的电解不可无视。水电解化学表达式为:阳极:H2O=1/2O2+2H++2e阴极:2H++2e=H2阳极给出2e,阴极得到2e,从而形成回路电流。端电压愈高,电解水也愈剧烈,此时充入的大局部电荷参加水电解,形成活性物质很少[2]。因此在蓄电池充电电路提供的电荷由两局部组成,一局部用来在极板上形成活性物质,另一局部用来电解水,相应地,充电电流也由两局部组成,一局部为有效电流,另一局部为电解水电流。而在放电过程中,正、负极活性物质都生成硫酸铅,且都消耗硫酸,这样使得电池在放电过程中发生极化。极化对于放电的影响使电池工作电压下降,不同的放电电流,极化的程度不一样。一般来说,电流越大,极化现象越严重,工作电压下降越多。不同的放电深度,极化的程度也不一样。放电越深,极化现象越严重,同样工作电压也下降越多.铅酸电池的等效电路模型在电气工程领域内常采用等效电路模型进行铅酸蓄电池的仿真计算。下面对几种常用的等效电路模型进行讨论，包括根本模型、改进模型、Thevenin等效电路模型和动态等效电路模型等。(1)根本模型最常见的铅酸蓄电池模型是如图3.1所示的根本模图3.1图3.1所示的根本模型是由一个电压为的理想直流电压源和一个等效内阻组成，是铅酸蓄电池的端电压，为流入铅酸蓄电池的电流。根据全电路欧姆定律可得:(3.1)该模型虽然常见，但它并没有考虑因电池荷电状态的变化、电解液浓度的变化，以及硫酸盐形成等因素而导致的电池内阻变化。该模型只适用于假设可以从电中得到无限能量，或者电池荷电状态并不重要的情况(2)改进模型在图3.1所示的根本模型的根底上作了改进，提出了一种考虑荷电状态的铅酸蓄电池改进模型。在根本模型中，等效内阻是常数，而改进模型将等效内阻是设为荷电状态的函数，一种普遍的算法是:(3.2)式中，ro是蓄电池处于完全充满情况下的初始内阻;k为系数，是放电速度的函数，该值可由制造厂商数据所决定:S代表蓄电池状态，其值由下式决定:(3.3)式中，是10小时放电率的蓄电池容量，该值随着蓄电池寿命的不同而不同;Ah为蓄电池放出的能量。由可知，S的取值范围为0-1，其中S=0代表蓄电池完全放电，S=1代表蓄电池充满电。(3)Thevenin等效电路模型Thevenin等效电路模型是另一种常用的模型，如图3.2所示。图3.2Thevenin等效电路模型图3.2所示的Thevenin等效电路模型由一个理想电压源，代表损耗的内阻，代表平行极板之间电容的和代表极板与电解液之间的非线性接触电阻的组成。为电容两端的电压，取为状态变量，根据电路定律可以得到:(3.4)该模型的主要缺点是模型中所有参数都设为常数，但实际上这些量都是与电池状态相关的函数.(4)改进的Thevenin等效电路模型Salameh等提出了一种考虑超电势和自放电行为的蓄电池等效电路模拟电池组，如图3.3所示。图3.3改进的Thevenin等效电路模型图中，电阻标与电容如并联，表示电池自放电;开路电压为和两端的电压,与之串联的是一个由电容和电阻组成的电路网络，用以描述超电势，其中电阻表示在放电和充电时的过压电阻;表示连接电阻，表示电池的内阻。根据KCL、KVL，从电池组的等效电路可以得到:(3.5)(3.6)(3.7)构成了铅酸蓄电池的改进Thevenin等效电路模型。该模型的主要缺点是模型中所有参数都设为常数，但实际上这些量都是与蓄电池状态相关的函数。3.4超级电容器的特性分析超级电容电化学电容器或双电层电容器，是一种新型化学储能装置，利用电极/电解质交界器又称面上的双电层或在电极界面上发生快速、可逆的氧化复原反响原理来储存能量。超级电容器采用活性碳材料制作成多孔碳电极，同时在相对的多孔电极之间充填电解质溶液，当在两端施加电压时，相对的多孔电极上分别*正负电子，而电解质溶液中的正负离子将由于电场作用分别*到与正负极板相对的界面上，从而形成两个集电层。由于活性碳材料具有≥1200m2/g的超高比外表积〔即获得了极大的电极面积〕，而且电解质与多孔电极间的界面距离不到1nm〔即获得了极小的介质厚度〕，所以这种双电层结构的超级电容器比传统的物理电容的容值要大很多，比容量可以提高100倍以上，从而使利用电容器进行大电量的储能成为可能。超级电容器的分类：〔1〕双层电容器由高外表碳电极在水溶液电解质〔如硫酸等〕或有机电解质溶液中形成的双电层电容，一个典型双电层的形成原理，显然双电层是在电极材料〔包括其空隙中〕与电解质交界面两侧形成的，双电层电容量的大小取决于双电层上别离电荷的数量，因此电极材料和电解质对电容量的影响最大。一般都采用多孔高外表积碳作为双层电容器电极材料，其比外表积可达1000－3000m2/g，比电容可达280F/g。〔2〕赝电容器由电极外表上或者体相中的二维或准二维空间上发生活性材料的欠电位沉积，形成高度可逆的化学吸附/脱附或氧化/复原反响产生和电极充电电位有关的电容，又称法拉第准电容；典型的赝电容器是由金属氧化物，如氧化钌构成的，其比电容高达760F/g。但由于氧化钌太贵，现已开始采用氧化钴、氧化镍和二氧化锰来取代。〔3〕混合电容器由半个形成双层电容的碳电极与半个导电聚合物或其他无机化合物的外表反响或电极嵌入反响电极等构成。目前在水溶液电解质体系中，已有碳/氧化镍混合电容器产品，同时正在开展有机电解质体系的碳/碳〔锂离子嵌入反响碳材料〕、碳/二氧〔4〕化锰等混合电容器。此外，假设按照电容器采用的电极材料分类，那么可分为碳基型、氧化物型和导电聚合物型；而按采用的电解质类型分类，那么又分为水溶液电解质型和非水电解质型〔主要为有机电解质型〕。在有机电解质溶液中，电容器的工作电压可提高至2.5V以上。超级电容器的性能特点：超级电容器是介于电容器和电池之间的储能器件，它既具有电容器可以快速充放电的特点，又具有电化学电池的储能机理。超级电容器主要优点：超级电容器的内阻很小，且在电极/溶液界面和电极材料本体内部均能够实现电荷的快速贮存和释放，因此它的输出功率密度高达数千瓦/千克，是任何一种化学电源都无法比较的，是一般技术大于蓄电池的数十倍。超级电容器在充放电过程中只有离子和电荷的传递，没有发生电化学反响而引起相变，因此其容量几乎没有衰减，循环寿命可达万次以上，远远大于蓄电池的充放电循环寿命。从目前已经做出的超级电容器充电试验结果来看，在电流密度为7mA/cm2时〔相当于一般蓄电池充电电流密度〕，全充电时间只要10~12分钟，而蓄电池在这么短的时间内是无法实现全充电的。对于普通蓄电池来说，如果能量密度高，其功率密度不会太高；而功率密度高，其能量密度那么不会太高。但超级电容器在提供1～5kW/kg高功率密度输出的同时，其能量密度可以到达5～20Wh/kg。假设将它与蓄电池组合起来，就会组成为一个兼有高能量密度和高功率密度输出的储能系统。超级电容器充电之后的贮存过程中，虽然也存在微小的漏电电流，但这种发生在超级电容器内部的离子或质子迁移运动是在电场的作用下产生的，并没有出现化学或电化学反响，电极材料在电解质中也是相对稳定的，因此超级电容器的贮存寿命几乎是无限的。超级电容器可在-50～+75℃的温度条件下工作，性能优于传统电容器和蓄电池。超级电容器的应用超级电容器的脉冲功率性能、较长的应用产品寿命、能够在极端的温度环境中可靠操作的特点，完全适合于那些需要在几分之一秒至几分钟时间的重复电能脉冲的应用产品，使其成为运输、可再生能源、工业与消费电子以及其它应用产品的首选蓄能与电力传输解决方案，例如在电动汽车〔EV/HEV〕、军工、轻轨、航空、电动自行车、后备电源、发电〔风能发电、太阳能发电〕、通讯、消费和娱乐电子、信号监控等领域的电源应用方面具有广阔的市场前景。近年来，由于能源问题和环境保护的要求，世界上对电动汽车和混合动力汽车的需求越来越紧迫，电动汽车的关键局部是蓄电池，但蓄电池的峰值功率特性无法满足汽车在启动、加速和爬坡等特殊情况下对功率的需求。超级电容器在电动汽车中与蓄电池并联作辅助电源上的应用，可以弥补蓄电池在功率特性方面的缺乏。当汽车处于正常行驶状态时，超级电容器处于充电状态，在加速或载重爬坡特殊情况下由超级电容器实现高功率放电，突然制动时，那么通过超级电容器的高功率充电吸收制动过程中产生的能量。超级电容器的使用可以满足电动汽车的启动、制动和爬坡时对高功率放电的需求，起到平衡蓄电池负载的作用，可以延长蓄电池的使用寿命。3.5双电层超级电容器的等效电路模型双电层超级电容器的采用高外表积、多孔的碳结构，其电极和电解液构成的两相界面是空间分布的，理论上不能用一个独立的电容描述双电层超级电容器特性。考虑超级电容器多孔电极特性的等效电路模型，如图3.4所示：图3.4考虑超级电容器多孔电极特性的等效电路模型图3.4是根据双电层超级电容器的内部结构建立的考虑了双电层电容器多孔电极的等效电路模型。图3.4中：Cp1、Cp2、Cp3、Cp3、Cpn、C'p1、C'p2、C'p3、C'pn为电极单个膜孔等效电容：rp1、rp2、rp3、rpn、r'p1、r'p2、r'p3、r'pn为电极单个膜孔等效电阻；Ranode为引线的等效电阻；Rmemb为电极间多孔膜等效电阻；Rin为两极间的绝缘电阻。但是这种模型过于复杂，为了分析计算的简化，在计算中往往采用简化的双电层电容器等效电路模型，如图3.5~图3.6所示。图3.5简单串联RC模型图3.5所示为由一个简单RC等效电路表征的双电层超级电容器等效电路模型。该简单串联RC模型中：C为超级电容器理想等效电容；RESR为等效串联电阻。在双电层超级电容器的充放电过程中，等效串联电阻RESR不仅表达了双电层超级电容器内部的发热损耗，还表达在超级电容器向负载放电时，随着电流的大小变化等效串联电阻RESR两端不同的压降，因此，等效串联电阻RESR对双电层超级电容器的最大放电电流有所约束。但是，串联RC模型只考虑了双电层超级电容器的瞬时动态响应。图3.6改进的串联RC模型图3.6所示的改进串联RC模型在简单RC模型的根底上增加了一个表征漏电流效应的等效并联电阻REPR。等效并联电阻REPR代表了自放电的过程，是影响双电层电容器长期储能的一个参数。图3.6所示的改进串联RC模型与图3.5所示的简单RC模型的区别在于改进串联RC模型增加了一个代表自放电过程的电阻支路，由于本论文主要仿真超级电容器在较短时间内的特性，可不考虑仅对长时间段影响的自放电电阻支路，因此，本文采用图3.5所示的超级电容器简化模化模型。3.6小结本章分析了铅酸蓄电池和超级电容器特性，并在分析比照了这两种储能元件的等效电路模型的根底上，确定了本文仿真分析所采用储能元件模型。对于铅酸蓄电池，采用考虑超电势和自放电行为的改进Theveain等效电路模型作为线性仿真，该模型可以模拟蓄电池放电时的端电压下降过程。对于超级电容器，采用简单串联RC等效电路模型进行仿真分析，该模型可以用以仿真超级电容器在较短时间内的特性。4双向DC/DC变换器及控制4.1引言多端口DC/DC变换器作为一种新型的电力电子变换装置，在以风力发电、光伏发电等为代表的可再生能源发电系统中具有很好的应用前景。可以实现各种储能元件的有效结合，实现各种发电设备的优势互补，更大限度的发挥储能装置在发电系统中的应用，提高电能利用率。本章以三端口电流型双向DC/DC变换器作为储能装置主拓扑，连接蓄电池、超级电容器和负载所组成的系统，该变换器具有以下优点：1.连接两个个输入电源，各个电源单独或同时向负载侧传送能量，且能量可双向流动；2.采用高频隔离变压器进行电气隔离，且可通过设计变压器的匝数比，来匹配不同的电压值；3.不需要外接辅助电路，仅利用开关管的并联结电容和变压器漏感谐振，实现软开关(ZCS/ZVS)；4.输入侧加有电感，有效减少电流纹波，适合用来连接蓄电池和超级电容器。4.2三全桥DC/DC变换器拓扑三全桥主电路拓扑结构图4.1为所提出的三全桥双向DC/DC变换器，采用电流型全桥结构作为输入变换单元，电压型全桥结构作为输出变换单元，用三绕组高频耦合变压器作为能量传输元件。每个开关管均工作在额定频率下，低压侧(LVS)以蓄电池和超级电容作为输入端，高压侧〔HVS〕为驱动负载，负载要通过逆变器连接到牵引电动机驱动。根据各个开关管占空比和导通时刻的不同，可分别在变压器三个端口产生具有相位角之差的矩形波电压，，。因输入输出均采用相同的全桥结构，故可根据变压器三端口电压相位角的大小改变功率传输的方向和大小。正向模式时，超级电容和蓄电池一起给负载供电，反向模式时，负载回馈电能给蓄电池和超级电容。图中，，分别为隔离变压器三个端口的漏感。采用全桥结构的优点是可以根据输入电压的大小，调节移向角以及占空比的大小，使得变换器能适应较宽的输入电压范围。图4.1三全桥双向DC/DC根本拓扑结构三全桥双向DC/DC变换器采用超级电容侧占空比和移向角(蓄电池侧和负载侧之间的移向角)、(超级电容侧和负载侧之间的移向角)、(为蓄电池侧和超级电容侧之间的移向角)进行控制，通过以下分析说明，通过驱动信号控制变压器两侧的电压波形的移向角，可改变输入电源之间以及电源与负载之间所传送功率的大小和方向，并且可实现两个输入单元单独或同时向负载提供功率。变换器等效电路在TAB变换器拓扑中，三绕组变压器所起的作用包括以下三个方面：(1)通过磁耦合的形式使不同的直流输入电源结合起来；(2)提供储能元件(蓄电池、超级电容)与负载(逆变器)之间的电气隔离；(3)低压侧(LVS)到高压侧(HVS)的升压或者HVS到LVS的降压；(4)变压器漏感被用作输入电源和输出负载之间的能量传递元件。图4.2(a)和(b)中给出了三绕组变压器的等效和简化电路模型，其中、为变压器的等效鼓励电感，、和分别为变压器原、副边各绕组的漏感。在变压器的简化模型中，端口的半桥电路被等效电压源替代，变换器可以分别用Y型和△型来表示。在变压器Y型中，各绕组的漏感均折算到原边。其中、和分别为变压器各绕组以原边为参考的等效漏感，、和分别为变压器各绕组之间的漏感。根据变压器的Y-△变换原理，可得到Y型和△型中漏感之间的转换关系：，(4.1)(a)三绕组变压器等效电路(b)三全桥(TAB)DC/DC变换器的简化电路模型〔其中变压器分别用“Y”形和“△”形模型表示〕图4.2三绕组变压器等效和简化模型上图中的“△”形模型适用于变换器的数学建模，而“Y”形模型适用于进行变换器的换流和软开关条件分析。简化来看，改变换器可认为是有一个方波电压源和一个占空比可变的矩形波电源通过变压器耦合输出。根据上述对变压器的分析，根据变压器的Y模型，可绘制三全桥双向(TAB)DC/DC变换器以原边为参考的等效电路，如图4.3所示。、和为变换器原、副边的电流，、和为变压器折算到原边的绕组电压。由于TAB变换器是以变压器的漏感作为低压侧和高压侧能量传递元件，因此在进行电路简化分析时，可以用变压器漏感来代替变压器。图4.3三全桥(TAB)双向DC/DC变换器以原边为参考的等效电路三全桥DC/DC变换器能量流动和控制方式图4.4中给出了TAB变换器三个端口能量的流动图，图中双向箭头表示三个端口能量可正反向流动。根据移向角的大小和正负可改变能量传送的大小和方向，所以根据能量传送的方向，可得：(4.2)(4.3)(4.4)由能量守恒可得:(4.5)通过的控制来调整各个开关管的通断顺序，也能实现多个输入电源单独或同时向负载供电。图4.4三端口变换器能量流动图〔下标箭头方向代表能量流动方向〕根据电动汽车汽车牵引系统的工作模式，可将DC/DC变换器的工作分为正向Boost模式和反向Buck模式。正向Boost模式时，即蓄电池和超级电容共同向负载供电，同时蓄电池向超级电容充电。反向Buck模式时,即负载侧反响能量给蓄电池和超级电容供电，同时蓄电池向超级电容充电。在三端口变换器的工作过程中，根据蓄电池和超级电容的工作特性，是由蓄电池给超级电容充电的，正向模式下同时向负载供电，反向模式时负载给两者充电。图4.3中为蓄电池和超级电容器通过隔离变压器耦合输出的等效电路图，三个端口能量传递大小由电压源和各端口之间的移向角决定。分析中忽略励磁电流，认为蓄电池电压趋于稳定不变，由于超级电容电压的变换范围较大，故在超级电容侧采用占空比控制。即根据超级电容器端电压的变化，使其所连接的全桥拓扑单元开关管上的栅极驱动信号改变，从而在相应的变压器绕组上生成有占空比控制的矩形电压，取代了原来的方波电压。蓄电池侧和负载电源侧的占空比：在图4.1中变压器的变比定义为：(4.6)其中为超级电容的最低电压，和分别为蓄电池和输出负载侧的电压。超级电容侧占空比定义为：(4.7)为超级电容侧电压，当超级电容侧电压最小的时候占空比=1，随着电压的上升，占空比逐渐减少。为了表述方便，将超级电容侧和负载侧电压均折算到蓄电池侧，可定义如下：(4.8)4.3DC/DC变换器的控制策略三全桥(TAB)双向DC/DC将蓄电池和超级电容连接在一起，通过高频耦合变压器给燃料电池电动汽车提供驱动功率。当燃料电池电动汽车启动和加速时，变换器工作在Boost升压模式，蓄电池和超级电容一起向牵引电机供电。而在刹车和制动阶段，变换器工作在Buck降压模式，制动能量回馈给蓄电池和超级电容。图4.5TAB变换器控制系统整体框图因此，在电动汽车的工作模式中，都要进行电压控制，以使得高压侧直流母线电压在外部扰动的情况下保持稳定。同时，为了防止蓄电池和超级电容过充和过放电，对蓄电池和超级电容的充放电进行管理，实现过流保护，因此需要进行电流控制。三全桥DC/DC变换器在输入端串联有直流电感，使得输入电流连续，易实现电流控制。该变换器的控制系统，采用平均电流控制方式，即电压外环控制输出直流母线电压，电流内环控制来自两个输入端的电感电流，系统的电压电流双闭环控制框图如图4.5所示。为了讨论方便，图中的反响系数均取为1。TAB变换器电流内环解耦设计在三全桥(TAB)双向DC/DC变换器中，电感电流与移向角之间的增益矩阵不是对角阵，即移向角、均影响、，而、也均受到、的影响。很明显，在TAB变换器系统的两个电流环之间存在着相互干扰，可通过引入特殊的补偿网络来消除这种相互干扰，即解耦网络。解耦网络的作用是将一个多变量的控制系统分解为一个独立控制的单环系统。即使输入输出相互关联的多变量系统实现每一个输入仅控制相应的一个输出，每一个输出也仅受相应的一个输入控制，即实现一对一的控制，解除输入与输出之间的耦合，成为解耦控制。在线性定常连续系统中，通常有两种实现解耦的方法，即串联补偿器解耦和前馈补偿器解耦。本文采用串联补偿器实现系统的解耦。可知，使多变量系统成为解耦系统，即使其传递函数矩阵对角化，通过选择和设计串联补偿器—解耦网络H，使矩阵G和H的乘积为对角阵，即，所以可以推导出解耦网络的传递函数矩阵：(4.8)取(4.9)(4.10)可将化为：(4.11)由上式可知，通过设计解耦网络H，可使原来互相耦合的系统变成一对一控制的单变量控制系统。从而实现输入电感电流和的自治控制，如图4.6所示为电流内环系统解耦控制图。图4.6电流内环解耦控制系统图其中和是电感电流和的等效闭环系统中的开环传递函数，可根据变换器系统的静态和动态技术指标，分别对和控制回路的电流调节器进行设计。电流内环调节器设计电流内环解耦后的传递函数：(4.12)(4.13)首先对电感电流的电流内环进行补偿环节的设计，在设计校正装置时主要以波特图(BodeDiagram开环对数频率特性曲线)作为研究工具，因为它可以准确地提供稳定性和稳定裕度的信息，来衡量闭环系统稳态和动态性能。由于实际系统要求电流环具有良好的跟随性和稳态精度，减少或消除稳态误差，因此需要有一个积分环节。并使开环对数幅频特性曲线在高频段截止频率处的斜率为，因此此处选用具有两个微分环节的调节器，其传递函数为：(4.14)根据系统稳定性和动态性能的要求，取电流环的截止频率为，取，，，可以对消掉控制对象中的大惯性环节，提高开环截止频率，加快动态响应，实现系统的降阶和简化。根据上述参数的取值那么可计算校正后系统的相角裕度°，满足通常要求的°70°的范围。经过PID调节器补偿后的电流内环等效回路增益函数的波特图如4.7所示。图4.7补偿后的电流内环等效回路增益函数的波特图电感电流的电流内环进行补偿环节的设计与具有相同的方法和步骤，采用PID调节器补偿，设计出的传递函数为：(4.15)经PID补偿后的电流内环等效回路增益函数的波特图如图4.8所示：图4.8电流内环等效回路增益函数的波特图(实线对应未校正，虚线对应加校正环节)4.4小结本文运用三端口双向DC/DC变换器和一定的控制电路,控制三口之间能量交换的大小和方向,从而实现能量的合理利用.且通过调节一个PWM的占空比,控制系统的能量环流,从而使得整个系统的能量损失到达最少,该变换器系统在混合燃料电动车辆中及及分布式发电等混合能流管理系统中,有着广泛的应用前景.5储能系统的能量管理策略与实现5.1引言 许多风电场采用结构简单、并网方便的异步发电机直接和电网相连。异步发电机靠转差率调整负荷，发电机定子频率由电网频率决定，在运行过程中要吸收无功功率，如果系统无功缺乏或支撑能力不强，在电网故障影响下，系统母线电压下降，风电场输出的电磁功率减少，风电场中异步发电机可能因超速退出运行;假设保护没有正常切除风电机组，那么风电机组的机端电压无法重建，严重时将使得系统特别是风电场附近母线电压持续下降不能恢复正常，产生电压崩溃。另一方面，由于风能为间歇性能源，风电机组有功功率的输出随着风速的变化而变化，风电机组不能提供持续稳定的有功功率输出，采用串联无源补偿装置可以维持风力发电电源接入点电压的稳定，但不能调节风电场输出的有功功率；而采用储能系统那么可以同时控制风力发电电源接入点电压和风力发电输出的有功功率。目前，超级电容器储能装置大多采用并联方式接入电网，这种接入方式主要是考虑对风电场有功功率的调节，对电压持续下降情况下的无功调节能力缺乏，而串联补偿方式具有良好的电压调节能力。因此，假设采用双变换器结构实现串并联补偿[1，7]，那么具有综合电能调节能力。本章提出利用串并联型超级电容器储能系统减小风电输出功率波动对电网的影响，在建立了基于双变换器的串并联补偿式超级电容器储能系统的数学模型的根底上，设计了控制器，基于Matlab/S恤ulink的仿真分析研究超级电容器储能系统对平滑风力发电系统的输出的影响及改善风力发电系统的稳定性和可靠性。5.2串并联型储能系统工作原理图5.1给出一种串并联型储能系统的电路，变换器I经电感、电容滤波后并接在电网两端，称之为并联补偿变换器；变换器II经电感、电容和变压器输出的电压串联在系统电压和负载电压和之间，称之为串联补偿变换器。因此，串并联储能系统可同时有串联和并联补偿的效果。并联补偿可以向系统注入电流，通过并联补偿可以控制电力系统的有功功率和无功功率的平衡。串联补偿可以向系统注入一个可连续改变的电压分量，通过串联补偿可以方便的抵消系统电压的波动成分，消除系统可能产生的供电电压暂降。因此串联补偿可以保障供电电压的稳定性。图5.1串并联型储能电路结构将串并联型储能系统用于风力发电，并联补偿可以有效的改善风电的不确定因素，串联补偿可以有效的提高供电电压的可靠性，抑制电压暂降。5.3串并联型超级电容器储能系统的数学模型能量双向流动的变流器可实现直流侧的超级电容器组与交流电网之间的能量交换。考虑到变流器开关变换过程迅速，可采用不计调制波频率动态变化过程的变流器数学模型。考虑到三相三线制系统的三相电流之和为0，可不考虑零序分量。因此，本文采用低频变流器数学模型，该模型在同步旋转坐标系下可表示为:式中:K为比例系数:占为BESS输出电压与系统电压的夹角是可控量;vs为系统电压有效