【正文】 或不足。 圖中畫出的微型燃氣輪機所發(fā)出的電雖然是交流電，但需要整流然后進行逆變，將微輪機發(fā)出的高頻電能經過交直交轉換成工頻電源才能進入微電網，所以，它屬于交直交電源。 圖中方框代表潮流控制器， 在微網中，負荷是實時的變化的，潮流控制器的作用是根據本地的電壓與頻率調節(jié)線路的潮流，這時，微電源為了保持功率的平衡可以相應增減其輸出功率。 畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 圖 微網結構示意圖 如 圖 所示，微網的網絡結構呈輻射型，其中包括了一條母線和三條饋線，并且，饋線通過主分離器和外部配電網相連。 微 電 網技術概述 微電網的概念 分布式發(fā)電在降低能耗、提高電能質量和供電可靠性的同時也可能會引起電網電壓和頻率的偏移而給電網安全運行帶來威脅。 隨著電力電子技術與材料技術 不斷 地發(fā)展，儲能設備的效率、能量密度、響應速度和容量 等不斷提高。 leadacid battery。 最后，設計總結 了本次研究的結果，得出了儲能設備在微 電 網 的應用 中能起到重要作用的結論。 首先， 本文 簡單 闡述了微 電 網的原理和結構，總結了微 電 網 運行中對 各部分 組成 的技術要求 和其控制方法，主要 介紹 了儲能技術的 應用 原理以及其 在微電網中應用的重要意義 。本設計主要對各種儲能設備的性能，儲能設備應用于微電網的方法，儲能設備在微電網中所起的作用與功能進行了研究。 再其次 ， 對超導磁儲能設備在微電網中的應用 進行了仿真分析 ， 建立了微網中超導磁儲能設備 的模型及控制系統，對 超導磁儲能設備改善負荷端電壓這個重要應用 進行了仿真分析，得出了 超導磁儲能設備 可以很好地在微網中發(fā)揮作用的結論。 flywheel energy storage。其中，儲能設備無疑是微 電 網中 最 重要的組成部分 之一 。但是各種儲能設備都有它自己的優(yōu)勢和局限，因而針對不同的應用領域與發(fā)電要求，應當使用不同的儲能設備。 微網的基本結構 微網的 一般 結構 [2]如圖 所示，它的結構 一般 有 微電源、能量管理系統、儲能設備和負荷四個部分 ，可以根據實際的應用進行增減 。 1） 圖中虛線表示的是能量管理器 的信息傳輸線，連接著各個分離器與微電源，可以綜合分析整個微網網絡。圖中畫出的光伏電池、燃料電池 都屬于直流電源，需要經過升壓與 逆變 后 才能進行并網。 4） 在 微網中， 微電源 所 提供的總功率和負荷需求 是動態(tài)變化的，并非任何時候都達到了平衡。并網運行時，微網中負荷的能量由主網提供 。因此，微電網必須能夠在電網事件中自己收集本地信息，然后自主做出響應。 一般來說， 微電網 有以下幾類 控制方 式 [3]： 1）基于電力電子技術的 控制方法 ，比如“即插即用” 。 這個方法滿足了系統頻率穩(wěn)定性的要求， 系統的有功和無功功率由它分別開來并且單獨控制。 由于采用了多代理控制技術，能夠分散控制微電網系統的反應能力和自制性能，這個方法的缺點是 不能進行頻率和電壓的控制。 儲能技術 按照儲能方式的不同可以分為三大類， 例 如抽水儲能、 飛輪儲能、壓縮空氣儲能 等 屬于物理儲能；例 如氧化還原液流電池、 鉛酸電池、鋰離子電池 、 鈉硫電池等屬于化學儲能；例 如 超級電容器儲能 和超導電磁儲能 等 屬于電磁儲能 。 分布式儲能的優(yōu)點 分布式儲能具有 很多 優(yōu)點： ①分布式儲能系統是模塊化的 系統 ， 所以，它能夠快速地組裝，并且靈活性好，現場安裝更加簡便，可以實現多功能。 儲能設備在微網中的重要 作用 1） 短時供電 在 微電網 運行中 有兩種運行模式：并網運行模式 和 孤島運行模式。 2） 電力調峰 微網中的微電源一般由分布式電源組成，在遇到外界環(huán)境變化的情況時，它們的發(fā)電量往往會發(fā)生波動。如圖 所示， 儲能系統解決了電力負荷需求的峰值問題，在負荷低谷期，系統中的儲能設備可以儲存多余的電能，再在負荷的高峰期回饋給微電網，從而調節(jié)了負荷對電力功率的需求。 儲能 設備 用于電力負荷不平衡時，在用電量低時儲電，而在用電高峰時送電。儲能設備能夠提供有功功率和無功功率，并且通過控制并網逆變器，能有 效地調節(jié)它的輸出，保證電能質量。 使用 了 儲能設備，就能提供一個快速功率緩沖 ， 吸收或供電 ， 提供有功功率 ， 有功或無功功率的補償 ， 就能穩(wěn)定 ， 平滑電網電壓的波動。 目前，主要的 機械儲能 方式有 抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能等 ，主要的化學儲能方式是 各類蓄電池，包括 各類 鉛酸電池、液流電池、鈉硫電池 和 鋰離子電池等 主要的電磁儲能方式有 超導儲能和超級電容器儲能 等。 壓縮空氣儲能的原理是在一個密閉的高壓容器內壓入空氣，釋放壓縮空氣時空氣會推動活塞或汽輪機，從而產生 電能。 飛輪儲能以動能的形式存儲能量，經過功率變換器，完成機械能與電能之間的互相轉換。 它的原理是把能量儲存在一個磁場中，這個磁場是由超導線圈產生的， 能量幾乎不產生損耗。 所以各種儲能方式都有自己的優(yōu)點和缺點，有不同的特性和應用方向。飛輪儲能設備在電力系統中可以用于調峰、 UPS 或與新能源發(fā)電結合，用以穩(wěn)定輸出功率。 電機的轉子和飛輪的轉子是連接在一起的，飛輪充電（儲能）時，電機作為電動機驅動飛輪旋轉到一個很高的速度，使電能轉化為機械能，然后在飛輪放電（釋能）時，電機又作為發(fā)電機，通過降低飛輪的速度把飛輪的旋轉動能轉化為電能。 2）飛輪能量保持模式： 飛輪保持最高轉速運行狀態(tài)，需要依靠一定的交流電輸入。 一個繞著中心軸旋轉的薄圓盤形飛輪 ，如若飛輪旋轉時的 角速度 為 ω，那么它所具有的動能 可以表 示為： 212EJ?? () 式中 J 為 飛輪的 軸轉動慣量?？偟碾姶呸D矩 eT 是總的飛輪轉矩 dJdt? 克服了負載轉矩 LT 以及阻尼轉矩 B? 之后 的轉矩。 圖 充電過程電機轉速仿真波形 畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 圖 充放電完整過程電機轉速仿真波形 假設仿真時間定為 6s：前 2s 為飛輪系統充電 ，然后在 2~4s 鐘飛輪維持轉速，處于速度保持狀態(tài)，在 4s 時刻電源輸入停止，并且開始放電，圖 所示的曲線展示了這個充電、保持和放電的全過程。 但 在 放電狀態(tài)下，正負極的主要成分均 變化為 硫酸鉛。因為蓄電池制造技術的不斷發(fā)展，鉛酸蓄電池的維護也越來越簡單，在正常使用時，兩三年間都不用再添加電解液或蒸餾水。但是 VRLA 電池不會漏酸，所以比較清潔和安全。 鉛酸蓄電池的 三階動態(tài)電氣模型 鉛酸蓄電池的三階動態(tài)電氣 模型 較為精確地表述了蓄電池的特性。 如果用 I 和 θ 分別 表示放電電流 和 電解液溫度 ，并且 θ=0℃ ， 那么蓄電池的容量可以表示為 00 *() 1 ( 1 ) ( / )CCKCCI K I I ?? ?? () CK ,? 是經驗系數，如果給定了電池參數和參考電流，那么 0C 的值就可以確定，它的大小是在 0℃ 時以參考電流 *I 放電時得到的電池容量。 圖 恒電流充電蓄電池充電深度變化曲線 畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 圖 恒電流充電蓄電池電解液溫度變化曲線 圖 展示了 SOC 荷電狀態(tài)的變化曲線，從圖中可以看出，荷電量和充電電流的大小呈直接關系。 圖 是恒電流放電時的電解液溫度變化情況，隨著放電時間的增加，電解液的溫度逐漸增加，但增加的速度越來越慢 ，在放電接近結束時，電解液的溫度逐漸穩(wěn)定。它的 結構如圖 所示。 212E LI? () E 表示 磁能， L 表示 電感， I 表示 電流。 超導磁體和電網轉換能量和交換功率都是由功率調節(jié)系統控制的，由于采用 PWM變流器，使其降低了諧波含量，加快了響應速度。 監(jiān)控系統的主要任務是根畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 據系統 提供的信息和需要控制 SMES 的輸出功率。 1） 變流器的容量 可控開關的耐壓和耐流強度的提高使可控開關的容量有很大的提升 ，并且變換器的多重拓撲結構的發(fā)展使變流器容納電流的大小有很大提升。 在放電的特性上， SMES 可以用可控電流源來表示，并且這個可控電流源是并聯接入系統中的，這使得儲能系統有更明顯的調節(jié)效果，并且在系統中能夠獨立控制有功和無功電流。 其它儲能技術 其它機械儲能方式 另外，除了上面介紹的飛輪儲能方式之外，在電力系統中應用的機械儲能方式還有抽水蓄能、壓縮空氣儲能等。 其它化學儲能方式 鎳鎘電池是另一種類型的可充電電池，也具有很長的歷史。鋰聚合物電池則是新一代的鋰離子電池，相對于傳統的鋰離子電池它 更具成本優(yōu)勢。該電池適合存儲風能、太陽能發(fā)電系統的間歇 性電力。鈉硫電池的儲存轉換效率高、壽命長、能量密度大并且沒有地域限制，適合于電力系統中應用，是目前城市電網最經濟使用的儲能方式。另外，它的容量和儲存電荷的時間也因為受到電介質的耐壓性等情況而被限制，為了更方便的充放電控制和增加系統容量，鈉硫電池必須串聯起來使用。 超級電容器儲能系統 的組成主要有三部分 [12]： 超級電容器組件陣列 、電能轉換系統、綜合控制系統。 通過比較前面的儲能系統的結構 ，常見儲能系統 都可以分為三個部分：儲能元件 、控制系統和變流器。 圖 所示 為儲能系統的各個部分流程圖 。 儲能設備（化學能、機械能、電磁能等） 控制部分 電力電子輸出設備 畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 儲能 系統 的簡化模型 在暫態(tài)穩(wěn)定分析中， 根據輸出變量的不同， 儲 能系統的 計算模型可 以 分為三種 ：功率源模型、電壓源模型（包括串聯和并聯）以及電流源模型 。用 功率響應延時和控制環(huán)節(jié)延時的 和 來表 示時間常數，可以得到式 ()： ,11pqe s s e t e s s e tpQKKP P Q QT S T S???? () 式中， pK 、 qK 分別表示 有功和無功功率響應的增益系數， pT 、 qT 表示有功和無功功(1)功率源型 (2)串聯電壓源型 (3)電流源型 (4)并聯電壓源型 畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 率 的功率響應延時， 、 表示儲能系統向系統輸出的有功功率和 無功功率。 從 以上（ ），（ ）中容易看出，控制儲能系統的輸出電壓和輸出電流實際上就是控制儲能系統的功率 。 儲能 系統 應用于 儲能設備 儲能系統的主要作用就是使系統的功率保持平衡并且改善負荷端的電能質量。微 電網系統中，儲能系統能夠就如何改善負荷端的電壓、如何改變負荷端的頻率以及如何提高微網的穩(wěn)定性向系統輸出相應的無功、有功功率并且能夠平衡微網的功率。 esV lineZ 負荷 圖 配合 其它電源 供電示意圖 如圖 ，在微網系統中有一個電壓源型電源，在它的輸出端并聯一個儲能系統，用于調節(jié)這個電源的有功功率和無功功率的輸出，從而調節(jié)對負荷輸入的電能和電壓。 （ 1） 儲能系統補償負荷端電壓 圖 補償負荷端電壓示意圖 補償時 系統如圖 所示， 發(fā)電機的輸出電壓發(fā)生波動，負荷端電壓無法保持穩(wěn)定，發(fā)電機 電網 儲能 系統 發(fā)電機 儲能 系統 電網 畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 可以用式 ()表示： +es eses P jQI v ?? ? () 由 上一 節(jié) 可以知道 ，無論何種類型 的儲能系統都可進行解耦控制，對于功率源型，其輸出功率的計算可由 ()式表示。先通過測量母線 1 上的相角差和電壓差輸入到有功控制器和無功控制器中，產生一個控制功率的期望值，再通過控制功率計算得到儲能系統應到輸出的有功功率和無功功率，然后得到相應的有功電流和無功電流，這樣，就使電壓得到了調節(jié)，穩(wěn)定了負 荷的端電壓。 I 節(jié)點發(fā)生功率震蕩時儲能系統穩(wěn)定負荷功率的連接方法如圖 所示： 圖 系統示意圖 有 功 控 制器 無 功 控 制器 容量限制 根據 ,set setPQ計 算 得 到,es esPQ f? v? 儲能 系統 負荷 P,Q 畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 在 圖 中 ，根據功率平衡原理可以得到 ： ? L i esL i esP P PQ Q Q???? () 從 式 ()中可以看出 ， 只要控制了 儲能系統 向電網 輸入的有功 功率 和無功功率 ，就可以 調節(jié)負荷端的有功功率和無功功率 。 由圖 可知，抑制功率振蕩 可以 先 得到 節(jié)點 i 處的控制 實際測量 Pi和控制 實際測量 Qi，然后 分別通過控制器產生期望 的 控制功率， 再經過 功率控制模塊得到 需要向 儲能系統輸出的功率 ，并將其 輸入到系統中，從而抑制 i 節(jié)點處的功率振蕩。 iP 控制測量量 iQ 控制測量量 容量限制量 功率解 耦控制 功率控制器 儲能 系統 畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 儲能設備容量的選擇方法 因為 在微網中，儲能設備 的相對 容量 較小 ，所以