【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(jīng)過交直交轉(zhuǎn)換成工頻電源才能進入微電網(wǎng)，所以，它屬于交直交電源。 圖中方框代表潮流控制器， 在微網(wǎng)中，負荷是實時的變化的，潮流控制器的作用是根據(jù)本地的電壓與頻率調(diào)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(yīng)增減其輸出功率。 畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 圖 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖 如 圖 所示，微網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(wǎng)相連。 微 電 網(wǎng)技術(shù)概述 微電網(wǎng)的概念 分布式發(fā)電在降低能耗、提高電能質(zhì)量和供電可靠性的同時也可能會引起電網(wǎng)電壓和頻率的偏移而給電網(wǎng)安全運行帶來威脅。 隨著電力電子技術(shù)與材料技術(shù) 不斷 地發(fā)展，儲能設(shè)備的效率、能量密度、響應(yīng)速度和容量 等不斷提高。 leadacid battery。 最后，設(shè)計總結(jié) 了本次研究的結(jié)果，得出了儲能設(shè)備在微 電 網(wǎng) 的應(yīng)用 中能起到重要作用的結(jié)論。 首先， 本文 簡單 闡述了微 電 網(wǎng)的原理和結(jié)構(gòu)，總結(jié)了微 電 網(wǎng) 運行中對 各部分 組成 的技術(shù)要求 和其控制方法，主要 介紹 了儲能技術(shù)的 應(yīng)用 原理以及其 在微電網(wǎng)中應(yīng)用的重要意義 。本設(shè)計主要對各種儲能設(shè)備的性能，儲能設(shè)備應(yīng)用于微電網(wǎng)的方法，儲能設(shè)備在微電網(wǎng)中所起的作用與功能進行了研究。 再其次 ， 對超導(dǎo)磁儲能設(shè)備在微電網(wǎng)中的應(yīng)用 進行了仿真分析 ， 建立了微網(wǎng)中超導(dǎo)磁儲能設(shè)備 的模型及控制系統(tǒng)，對 超導(dǎo)磁儲能設(shè)備改善負荷端電壓這個重要應(yīng)用 進行了仿真分析，得出了 超導(dǎo)磁儲能設(shè)備 可以很好地在微網(wǎng)中發(fā)揮作用的結(jié)論。 flywheel energy storage。其中，儲能設(shè)備無疑是微 電 網(wǎng)中 最 重要的組成部分 之一 。但是各種儲能設(shè)備都有它自己的優(yōu)勢和局限，因而針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域與發(fā)電要求，應(yīng)當使用不同的儲能設(shè)備。 微網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu) 微網(wǎng)的 一般 結(jié)構(gòu) [2]如圖 所示，它的結(jié)構(gòu) 一般 有 微電源、能量管理系統(tǒng)、儲能設(shè)備和負荷四個部分 ，可以根據(jù)實際的應(yīng)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(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。圖中畫出的光伏電池、燃料電池 都屬于直流電源，需要經(jīng)過升壓與 逆變 后 才能進行并網(wǎng)。 4） 在 微網(wǎng)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(wǎng)運行時，微網(wǎng)中負荷的能量由主網(wǎng)提供 。因此，微電網(wǎng)必須能夠在電網(wǎng)事件中自己收集本地信息，然后自主做出響應(yīng)。 一般來說， 微電網(wǎng) 有以下幾類 控制方 式 [3]： 1）基于電力電子技術(shù)的 控制方法 ，比如“即插即用” 。 這個方法滿足了系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的要求， 系統(tǒng)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(shù)，能夠分散控制微電網(wǎng)系統(tǒng)的反應(yīng)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(shù) 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(xué)儲能；例 如 超級電容器儲能 和超導(dǎo)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(tǒng)是模塊化的 系統(tǒng) ， 所以，它能夠快速地組裝，并且靈活性好，現(xiàn)場安裝更加簡便，可以實現(xiàn)多功能。 儲能設(shè)備在微網(wǎng)中的重要 作用 1） 短時供電 在 微電網(wǎng) 運行中 有兩種運行模式：并網(wǎng)運行模式 和 孤島運行模式。 2） 電力調(diào)峰 微網(wǎng)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(tǒng)解決了電力負荷需求的峰值問題，在負荷低谷期，系統(tǒng)中的儲能設(shè)備可以儲存多余的電能，再在負荷的高峰期回饋給微電網(wǎng)，從而調(diào)節(jié)了負荷對電力功率的需求。 儲能 設(shè)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(shè)備能夠提供有功功率和無功功率，并且通過控制并網(wǎng)逆變器，能有 效地調(diào)節(jié)它的輸出，保證電能質(zhì)量。 使用 了 儲能設(shè)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(wǎng)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(xué)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(dǎo)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(nèi)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(chǎn)生 電能。 飛輪儲能以動能的形式存儲能量，經(jīng)過功率變換器，完成機械能與電能之間的互相轉(zhuǎn)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(dǎo)線圈產(chǎn)生的， 能量幾乎不產(chǎn)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(yīng)用方向。飛輪儲能設(shè)備在電力系統(tǒng)中可以用于調(diào)峰、 UPS 或與新能源發(fā)電結(jié)合，用以穩(wěn)定輸出功率。 電機的轉(zhuǎn)子和飛輪的轉(zhuǎn)子是連接在一起的，飛輪充電（儲能）時，電機作為電動機驅(qū)動飛輪旋轉(zhuǎn)到一個很高的速度，使電能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)化為電能。 2）飛輪能量保持模式： 飛輪保持最高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的薄圓盤形飛輪 ，如若飛輪旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動慣量。總的電磁轉(zhuǎn)矩 eT 是總的飛輪轉(zhuǎn)矩 dJdt? 克服了負載轉(zhuǎn)矩 LT 以及阻尼轉(zhuǎn)矩 B? 之后 的轉(zhuǎn)矩。 圖 充電過程電機轉(zhuǎn)速仿真波形 畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 圖 充放電完整過程電機轉(zhuǎn)速仿真波形 假設(shè)仿真時間定為 6s：前 2s 為飛輪系統(tǒng)充電 ，然后在 2~4s 鐘飛輪維持轉(zhuǎn)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(shù)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(jīng)驗系數(shù)，如果給定了電池參數(shù)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(shè)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(guān)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(jié)束時，電解液的溫度逐漸穩(wěn)定。它的 結(jié)構(gòu)如圖 所示。 212E LI? () E 表示 磁能， L 表示 電感， I 表示 電流。 超導(dǎo)磁體和電網(wǎng)轉(zhuǎn)換能量和交換功率都是由功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)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(yīng)速度。 監(jiān)控系統(tǒng)的主要任務(wù)是根畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 據(jù)系統(tǒng) 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(guān)的耐壓和耐流強度的提高使可控開關(guān)的容量有很大的提升 ，并且變換器的多重拓撲結(jié)構(gòu)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(lián)接入系統(tǒng)中的，這使得儲能系統(tǒng)有更明顯的調(diào)節(jié)效果，并且在系統(tǒng)中能夠獨立控制有功和無功電流。 其它儲能技術(shù) 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(tǒng)中應(yīng)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(xué)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(tǒng)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(tǒng)的間歇 性電力。鈉硫電池的儲存轉(zhuǎn)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(tǒng)中應(yīng)用，是目前城市電網(wǎng)最經(jīng)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(zhì)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(tǒng)容量，鈉硫電池必須串聯(lián)起來使用。 超級電容器儲能系統(tǒng) 的組成主要有三部分 [12]： 超級電容器組件陣列 、電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、綜合控制系統(tǒng)。 通過比較前面的儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) ，常見儲能系統(tǒng) 都可以分為三個部分：儲能元件 、控制系統(tǒng)和變流器。 圖 所示 為儲能系統(tǒng)的各個部分流程圖 。 儲能設(shè)備（化學(xué)能、機械能、電磁能等） 控制部分 電力電子輸出設(shè)備 畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 儲能 系統(tǒng) 的簡化模型 在暫態(tài)穩(wěn)定分析中， 根據(jù)輸出變量的不同， 儲 能系統(tǒng)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(lián)和并聯(lián)）以及電流源模型 。用 功率響應(yīng)延時和控制環(huán)節(jié)延時的 和 來表 示時間常數(shù)，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(yīng)的增益系數(shù)， pT 、 qT 表示有功和無功功(1)功率源型 (2)串聯(lián)電壓源型 (3)電流源型 (4)并聯(lián)電壓源型 畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 率 的功率響應(yīng)延時， 、 表示儲能系統(tǒng)向系統(tǒng)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(tǒng)的輸出電壓和輸出電流實際上就是控制儲能系統(tǒng)的功率 。 儲能 系統(tǒng) 應(yīng)用于 儲能設(shè)備 儲能系統(tǒng)的主要作用就是使系統(tǒng)的功率保持平衡并且改善負荷端的電能質(zhì)量。微 電網(wǎng)系統(tǒng)中，儲能系統(tǒng)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(wǎng)的穩(wěn)定性向系統(tǒng)輸出相應(yīng)的無功、有功功率并且能夠平衡微網(wǎng)的功率。 esV lineZ 負荷 圖 配合 其它電源 供電示意圖 如圖 ，在微網(wǎng)系統(tǒng)中有一個電壓源型電源，在它的輸出端并聯(lián)一個儲能系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)這個電源的有功功率和無功功率的輸出，從而調(diào)節(jié)對負荷輸入的電能和電壓。 （ 1） 儲能系統(tǒng)補償負荷端電壓 圖 補償負荷端電壓示意圖 補償時 系統(tǒng)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(wǎng) 儲能 系統(tǒng) 發(fā)電機 儲能 系統(tǒng) 電網(wǎng) 畢業(yè)設(shè)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(tǒng)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(chǎn)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(tǒng)應(yīng)到輸出的有功功率和無功功率，然后得到相應(yīng)的有功電流和無功電流，這樣，就使電壓得到了調(diào)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(tǒng)穩(wěn)定負荷功率的連接方法如圖 所示： 圖 系統(tǒng)示意圖 有 功 控 制器 無 功 控 制器 容量限制 根據(jù) ,set setPQ計 算 得 到,es esPQ f? v? 儲能 系統(tǒng) 負荷 P,Q 畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 在 圖 中 ，根據(jù)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(tǒng) 向電網(wǎng) 輸入的有功 功率 和無功功率 ，就可以 調(diào)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(chǎn)生期望 的 控制功率， 再經(jīng)過 功率控制模塊得到 需要向 儲能系統(tǒng)輸出的功率 ，并將其 輸入到系統(tǒng)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(tǒng) 畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 儲能設(shè)備容量的選擇方法 因為 在微網(wǎng)中，儲能設(shè)備 的相對 容量 較小 ，所以