【導(dǎo)讀】本設(shè)計(jì)主要對(duì)各種儲(chǔ)能設(shè)備的性能，儲(chǔ)能設(shè)備應(yīng)用于微電網(wǎng)的方法，儲(chǔ)。能設(shè)備在微電網(wǎng)中所起的作用與功能進(jìn)行了研究。特性，對(duì)各種儲(chǔ)能設(shè)備的在各種環(huán)境中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)和局限性進(jìn)行了分析比較。進(jìn)行容量的選擇。仿真分析，得出了超導(dǎo)磁儲(chǔ)能設(shè)備可以很好地在微網(wǎng)中發(fā)揮作用的結(jié)論。

　　

【正文】 之外，超級(jí)電容器也在電力系統(tǒng)儲(chǔ)能中 也 具有重大的意義。 超級(jí)電容器是根據(jù)電化學(xué)的雙電層理論研制的，它有非常大的電容量并且有非常強(qiáng) 大的脈沖功率。它極大的電容量來自于極小的電荷層間距和特殊的電極結(jié)構(gòu)。另外，它的容量和儲(chǔ)存電荷的時(shí)間也因?yàn)槭艿诫娊橘|(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。 目前，超級(jí)電容器的電容量已經(jīng)達(dá)到 1000F，最大聯(lián)合儲(chǔ)存能量能達(dá)到 30MJ，這系列產(chǎn)品的放電電流處于 400 到 2021A 之間，并且工作電壓在 12 到 400V 之間。在電力系統(tǒng)中，超級(jí)電容器大多應(yīng)用于平滑大功率短時(shí)間的負(fù)載，也可用于削弱功率高峰值，例如，在電壓被瞬態(tài)干擾和跌落的時(shí)候提高電能質(zhì)量。 第三章 儲(chǔ)能技術(shù) 在微網(wǎng)中的應(yīng)用 原理 儲(chǔ)能系統(tǒng)的模型建立 目前新興的儲(chǔ)能系統(tǒng)有超級(jí)電容器儲(chǔ)能 (SCES)，蓄電池儲(chǔ)能 (BESS)和 超導(dǎo)磁儲(chǔ)能(SMES)等。 超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng) 的組成主要有三部分 [12]： 超級(jí)電容器組件陣列 、電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、綜合控制系統(tǒng)。其中， 電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 是用來 變換和傳輸能量 的 。 同樣， 超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)的組成 [13]也 可以分為 三個(gè)部分 ： 超導(dǎo)線圈、控制器 、強(qiáng)制換向變換器。 蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng) 的 組成 [14]可以分為 四個(gè)部分 ： 蓄電池組、控制裝置 、逆變器 和變壓器。 通過比較前面的儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) ，常見儲(chǔ)能系統(tǒng) 都可以分為三個(gè)部分：儲(chǔ)能元件 、控制系統(tǒng)和變流器。不同的儲(chǔ)能系統(tǒng)，它們的控制系統(tǒng)和變流器部分是相似的。在建立共同的數(shù)學(xué)模型時(shí)，各種儲(chǔ)能系統(tǒng)在充放電時(shí)間、容量和功率限制上有不同的參數(shù)。 儲(chǔ)能系統(tǒng) 的共同點(diǎn) 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng) 、 蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)以及超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)的相似之處可以歸結(jié)為以下方面： （ 1） 從結(jié)構(gòu)上來看，它們都 由 3 個(gè) 部分組成：儲(chǔ)能部分、 變流部分和控制部分 。 圖 所示 為儲(chǔ)能系統(tǒng)的各個(gè)部分流程圖 。 能量輸入 電能輸出 圖 儲(chǔ)能 系統(tǒng) 部分示意圖 （ 2）從功能 上來看 ， 它們 可以 是有任意無功和有功的功率源，也可以是 任意電流和頻率的電流源， 甚至 可以是任意電壓和頻率的電壓源。 （ 3）微網(wǎng)中， 各種儲(chǔ)能系統(tǒng)都能夠?yàn)槊舾胸?fù)荷供電或者 平衡系統(tǒng) 的 功率。 另外，一般儲(chǔ)能系統(tǒng)還能穩(wěn)定電壓和調(diào)整頻率，從而提高電能質(zhì)量。 儲(chǔ)能設(shè)備（化學(xué)能、機(jī)械能、電磁能等） 控制部分 電力電子輸出設(shè)備 儲(chǔ)能 系統(tǒng) 的簡(jiǎn)化模型 在暫態(tài)穩(wěn)定分析中， 根據(jù)輸出變量的不同， 儲(chǔ)能系統(tǒng)的 計(jì)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 。 圖 儲(chǔ)能系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型 1） 電壓源模型 在 分析電力系統(tǒng)的時(shí)候 ， 可以用一個(gè) 受控電壓源 來模擬儲(chǔ)能系統(tǒng) ，如圖 中的 (2)和 (4)所示。 s e t s e te s s y ss y sP jQV V ZV????? ???? () 式中， Z 代表 鏈接變壓器阻抗。 2）功率源模型 通常 功率源模型 可以 用一階延遲環(huán)節(jié) 來 表示，如圖 中 (1)所示 。用 功率響應(yīng)延時(shí)和控制環(huán)節(jié)延時(shí)的 和 來表示時(shí)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 表示有功和無功功率(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 的功率響應(yīng)延時(shí)， ??es、 ??es表示儲(chǔ)能系統(tǒng)向系統(tǒng)輸出的有功功率和 無功功率。 3）電流源模型 圖 中的 (3)表示的是 儲(chǔ)能系統(tǒng)的電流源模型， 它的 注入電流 的相量表達(dá)式 可以表示 為： ()se t se tessy sP jQI V?? () 儲(chǔ)能系統(tǒng)可以對(duì)電壓源模型和電流源模型進(jìn)行解耦控制，通過解耦控制，可以使 儲(chǔ)能系統(tǒng)具有獨(dú)立的四象限調(diào)節(jié)能力，能方便地控制儲(chǔ)能系統(tǒng)的有功和無功功率，其動(dòng)態(tài)模型可以采用如下方程表示 [15]： .111.2221111es esesesP P uTTQ Q uTT? ? ?? ? ?????? () 其中 , esP 和 esQ 分別 表示 儲(chǔ)能系統(tǒng)向系統(tǒng)注入的有功和無功功率， 1u ， 2u 分別表示儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制量，分別 控制 esP 和 esQ ， 1T ， 2T 為儲(chǔ)能系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)， 是 由系統(tǒng)的具體參數(shù)決定 的 。 由上面的模型可以看出，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以應(yīng)用于微網(wǎng)中的微電源和儲(chǔ)能設(shè)備。 儲(chǔ)能 系統(tǒng) 在微電網(wǎng)中的應(yīng)用途徑與可行性研究 儲(chǔ)能 系統(tǒng) 應(yīng)用于 微電源 通過 采用前面所建立的儲(chǔ)能系統(tǒng) ，我們可以看出， 無論使用什么樣的技術(shù)來簡(jiǎn)化儲(chǔ)能模型實(shí)施分析計(jì)算，都基本吻合微網(wǎng)中微電源的技術(shù)要求。 從 以上（ ），（ ）中容易看出，控制儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出電壓和輸出電流實(shí)際上就是控制儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率 。 es esW P t?? () 由式 ()可以看出， 只有系統(tǒng)有足夠的能量才能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地輸出電能 。 但是，當(dāng)前要建設(shè)一個(gè)容量很大的儲(chǔ)能系統(tǒng)需要的費(fèi)用很高，并且不建議運(yùn)用儲(chǔ)能系統(tǒng)為微電網(wǎng)長(zhǎng)時(shí)間的供電。本文就其技術(shù)問題作了可行性的論述，而在實(shí)際當(dāng)中，只有當(dāng)常規(guī)電源發(fā)生故障而不能為負(fù)荷供電時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)才進(jìn)行短時(shí)間的供電 。 儲(chǔ)能 系統(tǒng) 應(yīng)用于 儲(chǔ)能設(shè)備 儲(chǔ)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(fù)荷端的電能質(zhì)量。本文主要針對(duì)如何改善儲(chǔ)能系統(tǒng)負(fù)荷端的電能質(zhì)量進(jìn)行研究。 如 式 ()()所介紹的 ， 為了 使其在四象限能夠進(jìn)行有功調(diào)節(jié)和無功調(diào)節(jié)，我們隊(duì)系統(tǒng)實(shí)施解耦控制。如此，該系統(tǒng)就能夠輸出容量允許范圍內(nèi)隨意的有功和 無功功率。微電網(wǎng)系統(tǒng)中，儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠就如何改善負(fù)荷端的電壓、如何改變負(fù)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。 儲(chǔ)能 系統(tǒng) 的控制 方 法 儲(chǔ)能 系統(tǒng) 的工作模式 儲(chǔ)能系統(tǒng) 主要有三種工作模式： 作為微電源單獨(dú)為負(fù)荷供電；和其它電源配合共同為負(fù)荷供電； 抑制系統(tǒng)功率震蕩。 （ 1） 單獨(dú)為負(fù)荷供電 由于儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出的電壓和頻率需要滿足用電負(fù)荷的需要，它在單獨(dú)為負(fù)荷供電時(shí)應(yīng)當(dāng)采用并聯(lián)電壓模型，如圖 所示。 esV lineZ 負(fù)荷 圖 單獨(dú)供電示意圖 （ 2） 和其它電源配合共同為負(fù)荷供電 當(dāng)微網(wǎng)以孤島模式運(yùn)行的時(shí)間過長(zhǎng)的時(shí)候，儲(chǔ)能系統(tǒng)就會(huì)耗盡自身儲(chǔ)存的能量，不能繼續(xù)為負(fù)荷提供電能，這時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)只有和其它電源配合共同為負(fù)荷供電才能夠滿足負(fù)荷的供電需求，并且調(diào)節(jié)和改善電能質(zhì)量。 esV lineZ 負(fù)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(gè)電壓源型電源，在它的輸出端并聯(lián)一個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)這個(gè)電源的有功功率和無功功率的輸出，從而調(diào)節(jié)對(duì)負(fù)荷輸入的電能和電壓。 （ 3） 抑制系統(tǒng)功率振蕩 + + 儲(chǔ)能系統(tǒng) 如圖 所示， 是 利用儲(chǔ)能系統(tǒng)抑制系統(tǒng)功率 的 振蕩 的原理圖 。 圖 抑制系統(tǒng)功率震蕩圖 圖 中所示， 母線 2 處 安裝儲(chǔ)能系統(tǒng) ，根據(jù)功率平衡原理 [16]，可以得到 式（ ） ： ? sys M essys M esP P PQ Q Q???? () 由式（ ） 可 知 ，發(fā)電機(jī)的輸出功率在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，我們可以控制儲(chǔ)能系統(tǒng)輸入的功率，進(jìn)而控制其對(duì)電網(wǎng)的注入功率，這樣，就能夠抑制微電網(wǎng)系統(tǒng)的功率震蕩。 儲(chǔ)能 系統(tǒng) 的控制策略 下面針對(duì) 調(diào)節(jié)電能質(zhì)量，抑制功率振蕩的作用設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能 系統(tǒng) 的控制策略。 （ 1） 儲(chǔ)能系統(tǒng)補(bǔ)償負(fù)荷端電壓 圖 補(bǔ)償負(fù)荷端電壓示意圖 補(bǔ)償時(shí) 系統(tǒng)如圖 所示， 發(fā)電機(jī)的輸出電壓發(fā)生波動(dòng)，負(fù)荷端電壓無法保持穩(wěn)定，可以用式 ()表示： 發(fā)電機(jī) 電網(wǎng) 儲(chǔ)能 系統(tǒng) 發(fā)電機(jī) 儲(chǔ)能 系統(tǒng) 電網(wǎng) +es eses P jQI v ?? ? () 由 上一 節(jié) 可以知道 ，無論何種類型 的儲(chǔ)能系統(tǒng)都可進(jìn)行解耦控制，對(duì)于功率源型，其輸出功率的計(jì)算可由 ()式表示。 ,11pqe s s e t e s s e tpQKKP P Q QT S T S???? () 這樣通過控制 ,set setPQ就可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制 ,es esPQ的目的。 儲(chǔ)能系統(tǒng)的響應(yīng)速度 很快 ， 圖 展示了采用 PI 控制時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制框圖。 相角 .esI 電壓 圖 儲(chǔ)能系統(tǒng)補(bǔ)償控制框圖 圖 展示了綜合控制有功功率和無功功率的流程。先通過測(cè)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(gè)控制功率的期望值，再通過控制功率計(jì)算得到儲(chǔ)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(fù)荷的端電壓。 （ 2） 儲(chǔ)能系統(tǒng)抑制功率 振蕩 在微網(wǎng)中，常常采用風(fēng)能發(fā)電和光伏發(fā)電等微電源進(jìn)行供電，由于風(fēng)和太陽光是時(shí)刻發(fā)生變化的，所以會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定性，微電源的功率也會(huì)發(fā)生功率震蕩。另外，在微網(wǎng)的運(yùn)行中，各種故障也會(huì)使功率發(fā)生震蕩。而在微網(wǎng)中應(yīng)用儲(chǔ)能系統(tǒng)可以抑制微網(wǎng)的功率震蕩。 I 節(jié)點(diǎn)發(fā)生功率震蕩時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)穩(wěn)定負(fù)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(jì) 算 得 到,es esPQ f? v? 儲(chǔ)能 系統(tǒng) 負(fù)荷 P,Q 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(chǔ)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(fù)荷端的有功功率和無功功率 。 抑制系統(tǒng)功率振蕩 時(shí) 的控制系統(tǒng) 如圖 所示 ， 它 由波動(dòng)功率抑制控制模塊和儲(chǔ)能系統(tǒng)功率控制 兩個(gè) 模塊構(gòu)成。 圖 儲(chǔ)能系統(tǒng)抑制功率震蕩控制圖 其中， ( ) ( ),Pi s Qi sGG分別為 有功功率和無功功率控制器的傳遞函數(shù) 。選擇式 ()所示的 儲(chǔ)能系統(tǒng)作為功率源模型，采用 解耦控制 對(duì)有功和無功功率進(jìn)行控制。 由圖 可知，抑制功率振蕩 可以 先 得到 節(jié)點(diǎn) i 處的控制 實(shí)際測(cè)量 Pi和控制 實(shí)際測(cè)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(chǔ)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(diǎn)處的功率振蕩。 微網(wǎng)中儲(chǔ)能設(shè)備 容量的選擇 選擇儲(chǔ)能容量時(shí)的 要求 在微網(wǎng)中，如果儲(chǔ)能設(shè)備容量過大，會(huì)使資源得不到充分利用，性價(jià)比低；容量太小則 又 不能發(fā)揮其在系統(tǒng)中的作用。因此，我們要在滿足兩個(gè)要求 [13]的前提下選擇合適的儲(chǔ)能設(shè)備，即首先能保證儲(chǔ)能系統(tǒng)可自己承擔(dān)安全完成任務(wù)，滿足系統(tǒng)需求。其次在選擇時(shí)注意其性價(jià)比，在滿足系統(tǒng)需求的情況下，容量盡可能小，提高 經(jīng)濟(jì)性 。 iP 控制測(cè)量量 iQ 控制測(cè)量量 容量限制量 功率解 耦控制 功率控制器 儲(chǔ)能 系統(tǒng) 儲(chǔ)能設(shè)備容量的選擇方法 因?yàn)?在微網(wǎng)中，儲(chǔ)能設(shè)備 的相對(duì) 容量 較小 ，所以 對(duì) 經(jīng)濟(jì)性 的考慮可以忽略 。 儲(chǔ)能設(shè)備容量的選擇方法 主要有以下 幾種 ： （ 1）依據(jù)典型負(fù)荷曲線 [17]來選擇 儲(chǔ)能設(shè)備 的容量 ： 1） 典型日負(fù)荷曲線可由參照歷史數(shù)據(jù)得出的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、模式分類的方法得出。 2） 功率因數(shù)合格標(biāo)準(zhǔn)可根據(jù)功率因數(shù)的角度定量分析，具體根據(jù)為負(fù)荷曲線無功功率的 合格情況 ： 負(fù)荷波峰階段上下限： ～ 負(fù)荷腰荷階段上下限： ～ 負(fù)荷波谷階段上下限： ～ 在需要為系統(tǒng)補(bǔ)償無功時(shí)，可根據(jù)負(fù)荷大小 P，補(bǔ)償前負(fù)荷與補(bǔ)償調(diào)高后的功率因數(shù) 12cos cos??、 ，求出無功補(bǔ)償容量 Q? 。其關(guān)系式如下： ? ?12ta n ta nQP ??? ? ? () 3) 儲(chǔ)備設(shè)備容量可根據(jù)算出的 Q? 按一定倍數(shù)擴(kuò)大得到，這個(gè)倍數(shù)為容量系數(shù) k1。 （ 2） 補(bǔ)償容量的經(jīng)驗(yàn)估算 補(bǔ)償有功功率時(shí)，總備用容量要保證占發(fā)電負(fù)荷最大值的 15％到 20％ 。 補(bǔ)償無功功率時(shí)，補(bǔ)償容量隨著補(bǔ)償?shù)攸c(diǎn)變化而變化 。 變電所補(bǔ)償容量的選擇按著容量的 20％到 40％，例如配電網(wǎng)線路上的 負(fù)荷均勻的分布，那么要想補(bǔ)償設(shè)備有