【正文】 位 論 文 摘 要隨著材料技術(shù)的不斷進(jìn)步與電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，儲(chǔ)能設(shè)備的容量、響應(yīng)速度、能量密度以及效率等各個(gè)性能指標(biāo)都得到了極大的提升，儲(chǔ)能設(shè)備的性能隨之有了很大的改善?，F(xiàn)代控制理論的發(fā)展，使得儲(chǔ)能設(shè)備的控制更加方便和靈活，因而使得其應(yīng)用空間得到了很大的擴(kuò)展。首先，本文研究了微網(wǎng)的原理和結(jié)構(gòu)，總結(jié)了微網(wǎng)對(duì)于其各部分的技術(shù)要求，闡述了其對(duì)于解決電力系統(tǒng)現(xiàn)存問題的重要意義，分析了儲(chǔ)能技術(shù)在微網(wǎng)中的重要地位，從而建立起儲(chǔ)能技術(shù)在微網(wǎng)中應(yīng)用研究的整體認(rèn)識(shí)，介紹了儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，比較了各種儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。本文研究了儲(chǔ)能系統(tǒng)作為微電源和儲(chǔ)能裝置兩種職能在微網(wǎng)中的應(yīng)用及其可行性，得到了儲(chǔ)能系統(tǒng)在微網(wǎng)中的應(yīng)用模式及完全可行的結(jié)論，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制系統(tǒng)并研究了微網(wǎng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)容量大小的選擇以及不同儲(chǔ)能裝置間的配合。本文進(jìn)行了超導(dǎo)帶材性能試驗(yàn)，研究了 SMES 的性能，建立了微網(wǎng)中 SMES 的模型及控制系統(tǒng)，對(duì) SMES 改善負(fù)荷端電壓和抑制微網(wǎng)功率振蕩兩個(gè)應(yīng)用途徑進(jìn)行了仿真分析，研究了 SMES 參數(shù)對(duì)其改善電能質(zhì)量的影響，評(píng)估了 SMES 在微網(wǎng)中應(yīng)用的效果，得出了 SMES 可以很好地在微網(wǎng)中發(fā)揮作用的結(jié)論。盡我所知，除文中已標(biāo)明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。本人授權(quán)華中科技大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本論文屬于不保密□。但是，隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，超大規(guī)模電力系統(tǒng)的弊端也日益凸顯：首先，電網(wǎng)建設(shè)沒能隨著用電負(fù)荷增加而同步發(fā)展，造成遠(yuǎn)距離輸電線路的輸送容量增加，導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性下降，抗災(zāi)性不強(qiáng)。其次，大電網(wǎng)互聯(lián)模式下，局部擾動(dòng)可對(duì)整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行造成極大沖擊，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使系統(tǒng)崩潰，而且集中式大電網(wǎng)不能靈活跟蹤電力負(fù)荷的變化，造成極大的安全隱患。即在配電網(wǎng)建立單獨(dú)的發(fā)電單元對(duì)重要負(fù)荷供電，并通過 PCU（Powerconditioning Unit）和外網(wǎng)進(jìn)行能量交換。分布式電源盡管優(yōu)點(diǎn)突出，但也存在諸多問題。IEEEP1547 規(guī)定了分布式電源的入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，分布式電源必須馬上退出運(yùn)行。為協(xié)調(diào)大電網(wǎng)與分布式電源間的矛盾，人們提出了微網(wǎng)的概念。儲(chǔ)能系統(tǒng)是調(diào)節(jié)微電源性能，保證負(fù)荷供電質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，因此研究儲(chǔ)能技術(shù)在微網(wǎng)中的應(yīng)用具有十分重要的意義。2009 年 3 月 26 日至 27 日，在國網(wǎng)電力科學(xué)研究院召開的“微網(wǎng)技術(shù)體系研究”第一次工作會(huì)議將微網(wǎng)定義為：微網(wǎng)是以分布式發(fā)電技術(shù)為基礎(chǔ)，以靠近分散型資源或用戶的小型電站為主，結(jié)合終端用戶電能質(zhì)量管理和能源梯級(jí)利用技術(shù)形成的小型模塊化、分散式的供能網(wǎng)絡(luò)。綜合各國對(duì)微網(wǎng)的研究，并結(jié)合我國電網(wǎng)的實(shí)際情況，我們可以得到一些微網(wǎng)的要求與規(guī)范。（2）微網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)微網(wǎng)可以滿足一片電力負(fù)荷聚集區(qū)的能量需要，其基本結(jié)構(gòu)[12]如圖 所示。饋線通過主分隔裝置與配電系統(tǒng)相連，可實(shí)現(xiàn)孤島運(yùn)行與并網(wǎng)運(yùn)行模式間的平滑切換。微網(wǎng)中配有能量管理器綜合分析控制整個(gè)微網(wǎng)，并配有潮流控制器就地控制微電源。圖 展示了三種微電源供電方案。這樣，敏感負(fù)荷和可調(diào)節(jié)負(fù)荷均采用雙源供電模式，當(dāng)配電網(wǎng)故障時(shí)，饋線 A，C 上的靜態(tài)開關(guān)會(huì)快速動(dòng)作使重要負(fù)荷與故障隔離且不間斷向其正常供電。圖 只是微網(wǎng)結(jié)構(gòu)的一種形式，具體的結(jié)構(gòu)隨負(fù)荷等方面的需求而不同。（3）微電源和儲(chǔ)能微電源是微網(wǎng)中重要的組成部分。我們將電源分成三種基本大類[13]：1）直流電源：蓄電池、太陽能電池、燃料電池、及儲(chǔ)能電容器等，并網(wǎng)方式如圖 。Vac整流器升壓電路電壓型逆變器逆變器母線 LC濾波器交流母線圖 交直交電源3）工頻交流電源：以鼠籠式感應(yīng)電機(jī)為主的風(fēng)力發(fā)電機(jī)和小功率同步發(fā)電機(jī)。因此，我們可以得到微電源模塊簡化圖如圖 所示。在定功率控制方式下，分布式電源向系統(tǒng)注入額定數(shù)值的有功和無功功率，如圖 所示。圖 ，圖 中，TV 為電壓互感器，TA 為電流互感器，Pdef 和 Qdef 為輸出有功和無功的整定值，Uddef 為電壓控制的整定值，PLL 為鎖相環(huán)。當(dāng)電源總發(fā)電功率與負(fù)荷總需求功率不平衡時(shí)，則由儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收系統(tǒng)多余的能量或釋放能量彌補(bǔ)系統(tǒng)能量的不足。如今，儲(chǔ)能方式有許多種，各種方式的性能也是各異。（4）微網(wǎng)的運(yùn)行模式外部無故障時(shí)，微網(wǎng)與主網(wǎng)（配電網(wǎng)）連接，這種運(yùn)行狀態(tài)稱為聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微網(wǎng)中負(fù)荷的5華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 能量由主網(wǎng)提供。 微電網(wǎng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀微網(wǎng)提出后，各國都積極對(duì)其展開了研究并取得了一定的成果。勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室和橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室主要開展了微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)（EMS）的研究。在歐洲，歐盟七個(gè)國家、十四個(gè)組織合作開展了自 2002 年啟動(dòng)至 2005 年結(jié)束的MicroGrid 計(jì)劃，資助金額達(dá) 歐元，繼而開展了有 11 個(gè)國家、22 個(gè)組織參與的More MicroGrid 計(jì)劃，資助金額達(dá) 8M 歐元。日本在 The New Energy and Industrial Technology Development Organization（NEDO）組織下，將建設(shè) Kyoto Project, Aichi Project, Hachinohe Project 等微網(wǎng)項(xiàng)目。表 國外微網(wǎng)研究比較研究機(jī)構(gòu)建立時(shí)間 系統(tǒng)容量電壓等級(jí)能源芬蘭 Fampere 工業(yè)大學(xué)希臘雅典工業(yè)大學(xué)歐盟微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室20052002200296 kW80 kW210 kW400 V400 V400 V太陽能電池、蓄電池微燃機(jī)、太陽能電池、燃料電池、飛輪儲(chǔ)能燃料電池、微燃機(jī)、飛輪儲(chǔ)能、蓄電池加拿大多倫多大學(xué)2005 MW 柴油/汽輪機(jī)目前，我國對(duì)微網(wǎng)也很重視，很多學(xué)校和研究機(jī)構(gòu)開展相關(guān)的理論研究工作。來自國網(wǎng)電力科學(xué)研究院、中國電力科學(xué)研究院、中國科學(xué)院電工研究所、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、河海大學(xué)、東南大學(xué)到課題負(fù)責(zé)人及相關(guān)人員與會(huì)討論了微網(wǎng)定義以及一些基礎(chǔ)理論，中國對(duì)于微網(wǎng)還處于概念設(shè)計(jì)的層次。微網(wǎng)既可與大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，也可在電網(wǎng)故障或需要時(shí)與主網(wǎng)斷開單獨(dú)運(yùn)行。微網(wǎng)具有靈活的可調(diào)度性且可適時(shí)向大電網(wǎng)提供有力支撐。微網(wǎng)不僅解決了分布式電源的大規(guī)模接入問題，充分發(fā)揮了分布式電源的各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，還為用戶帶來了其他多方面的效益。無疑，微網(wǎng)將成為未來大電網(wǎng)的有效支撐和有力補(bǔ)充，是未來電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)之一?；瘜W(xué)儲(chǔ)能主要有蓄電池儲(chǔ)能和電容器儲(chǔ)能，物理儲(chǔ)能主要有飛輪儲(chǔ)能、抽水蓄能、超導(dǎo)儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能。近年來，由于電力電子學(xué)、高強(qiáng)度的碳纖維材料、低損耗磁懸浮軸承三方面技術(shù)的發(fā)展，飛輪儲(chǔ)能得以快速發(fā)展[21]。飛輪儲(chǔ)能基本結(jié)構(gòu)一般由 5 個(gè)部分組成：飛輪轉(zhuǎn)子、軸承、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)、電7華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 力轉(zhuǎn)換器、真空室。能量電力電子輸入設(shè)備電動(dòng)機(jī)飛 輪發(fā)電機(jī)電力電子輸出設(shè)備 能量輸入電能機(jī)械能 飛輪儲(chǔ)能原理圖電能輸出由于飛輪儲(chǔ)能具有壽命長、效率高、高儲(chǔ)能量、充電快捷、充放電次數(shù)無限、建設(shè)周期短、對(duì)環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)，故其在微網(wǎng)中有著廣闊的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)[24]利用飛輪電池充當(dāng)孤島型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的電能儲(chǔ)存器和調(diào)節(jié)器，有效地改善了電能質(zhì)量，解決了風(fēng)力發(fā)電機(jī)與負(fù)載的功率匹