电化学电池储能系统统一等效建模及其应用

发-输-配-用的瞬时性一直是电力系统发展的瓶颈,储能技术的出现可为解决这一问题提供有效途径。随着储能技术的发展,其在电力系统的平抑波动、跟踪出力、调峰调频等领域可期发挥重要作用。为了与储能技术在电力系统的应用相适应构建精确的储能系统等效模型成为电力系统仿真领域亟需解决的问题。本文首先分析了锂电池、镍氢电池、液流电池、铅酸电池四种典型电化学电池反应机理及充放电外特性,综述了四种典型电化学电池各自常用的等效电路模型,在充分研究了其充放电外特性和常用等效电路模型的异同的基础上,构建了电化学电池的直流侧统一等效模型,该模型集合了PNGV模型、Thevenin模型、二阶阻容模型各自的特点,使其对四种典型的电化学电池的外特性都有较强的描述能力,基于四种典型电化学电池的充放电实验数据对电化学电池直流侧统一等效模型进行检验,结果表明所提出的直流侧统一等效模型能够有效描述四种典型电化学电池的充放电外特性,且辨识参数稳定,满足电力系统仿真的需求。在直流侧统一等效模型的基础上,结合实际储能系统经典结构和并网控制策略,对电化学电池储能系统并网系统进行了详细研究,设计了合理并网拓扑、选择LCL三阶滤波器作为并网滤波器并计算了其参数、选择PQ控制作为并网控制策略。基于Matlab/simulink构建了电化学电池储能系统的统一并网仿真型,并对其进行了并网仿真、跟踪出力仿真、平抑风电功率波动仿真以对模型进行验证。利用电化学电池储能系统统一并网仿真模型进行机电暂态仿真,结合其机电暂态特性通过对其控制系统进行传递函数推导,进而提出了能反映电化学电池储能系统的出力指令的统一综合等效模型,该模型不仅能用于含储能系统的电力系统机电暂态仿真,而且能用于平抑风电场功率波动等应用的仿真,适用范围广,参数少,易于辨识,仿真实例表明该模型能够满足含储能系统的机电暂态仿真和平抑风电场功率波动等应用需求。最后为便于后续的储能系统仿真建模工作,同时更好地展现上述研究成果,本文构建一个电化学电池统一等效建模仿真系统,系统包含了直流侧机理建模、直流侧非机理建模和统一综合等效建模三种建模方式,在直流侧机理建模界面,提供的电化学电池的直流侧统一等效模型,该模型能够适应不同化学电池建模的需要,系统内含总体测辨法参数辨识所需的遗传算法；在直流侧非机理建模界面,用户可按需要设置神经网络的规模,并动态显示模型的示意图,充分发挥神经网络的强大的非线性映射能力；在统一综合等效建模界面,提供了电化学电池储能系统统一综合等效模型,该模型能描述电化学电池储能系统在不同电网故障程度下不同充放电状态下的外特性,实例表明该系统功能齐全,可扩展性好,能够满足电化学电池统一等效建模的需要。