可再生能源发电与微网中储能系统的构建与控制研究

近几年来,我国加快了可再生能源开发利用。但是,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,低密度,随时间、季节以及气候变化而变化等特点,随着这些能源的发电设备容量在电网中比重的增加,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,也是近年来国内外研究开发非常活跃的领域。在各种储能技术中,铅酸蓄电池虽然不是性能最优异的储能设备,但其技术成熟、可靠性高、成本较低;而作为新兴储能技术,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,且使用寿命长,不易老化;因此,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。 本文详细分析了基于电压源型电力电子变换器的铅酸蓄电池储能系统(BatteryEnergy Storage System,BESS)的基本原理,在此基础上,建立了BESS的数学模型。为了实现对风电机组平滑有功功率输出以及提高异步风力发电机稳定性的控制,本文提出一种考虑电压阀值的解耦控制策略,仿真结果表明,BESS可以缓解风电场对电网的不利影响,既可以改善风电机组有功功率输出不稳定,也可以提高异步风电机组在网络故障后的稳定性。为了保护铅酸蓄电池,防止其过充过放,本文提出一种考虑铅酸蓄电池荷电状态的一阶滤波有功控制策略,仿真结果表明,BESS可以在平滑风电场有功功率输出的同时,有效保护储能体。 异步发电机在运行过程中要吸收无功功率,如果系统无功不足或支撑能力不强,风电场中异步发电机可能会失去稳定。本文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,提高异步风电机组在网络故障后的稳定性。本文详细分析了串并联型超级电容器储能系统的基本原理,在此基础上,建立了串并联型超级电容器储能系统的数学模型,提出将并联补偿控制器控制成平滑风力发电系统出力,将串联补偿控制器控制成维持风电机组端口电压稳定,串并联型超级电容器储能系统应用于风电场的调节作用,仿真结果表明,将串并联型超级电容器储能系统应用于风电场后,既可改善风电机组有功功率输出不稳定,也可提高异步风电机组在网络故障后的稳定性。 针对目前含可再生能源电网的储能系统容量及功率优化研究的不足,本文提出以基准方差和最大功率变化率作为指标,优化平抑风电机组出力所需储能系统的功率和容量。以实际风电机组数据的仿真结果表明,这种评价方式可以有效的确定平抑风电机组出力所需储能系统的功率和容量。 为了提高用电负荷的供电可靠性,本文提出在电力电子变压器(Solid StateTransformer,SST)的低压直流侧安装蓄电池。建立了含蓄电池SST的数学模型,针对蓄电池的特点,设计了充电、放电两种不同的控制模式,仿真结果验证了含蓄电池SST在改善用电负荷的电能质量以及提高供电可靠性的作用,该系统可以隔离系统和用户侧,避免事故的扩大和蔓延。