微電網環(huán)境下可再生能源存儲與利用方法研究.pdf

1、能源是人類社會得以延續(xù)和發(fā)展的重要物質基礎。為保障能源安全，推動能源轉型，構建低碳、高效的能源體系，發(fā)展可再生能源已經成為國際社會的廣泛共識。然而，由于可再生能源在發(fā)電過程中表現(xiàn)出隨機性、間歇性、不確定性和不可調度的特點，單純地利用可再生能源發(fā)電將不可避免地降低能源利用效率、影響電網正常運行。因此，通過儲能技術與可再生能源的集成應用與協(xié)同增效，結合信息科學和控制科學中的建模、估計與管理方法，形成容納可再生能源電力的“發(fā)-輸-配-儲-用”

2、一體化的微電網，是提升可再生能源滲透率、利用率及電網友好性的有效手段。
　　鑒于儲能系統(tǒng)在可再生能源轉化、存儲和利用過程中的重要作用，為實現(xiàn)對微電網內電池儲能系統(tǒng)的實時、準確監(jiān)控，必須基于不同時間尺度下電池儲能系統(tǒng)表現(xiàn)出的非線性、復雜性和不確定性的差異，獲取并處理該系統(tǒng)中的有效信息，構建電池動態(tài)特性和老化特性的描述機制和狀態(tài)估計方法體系。進一步地，為實現(xiàn)可再生能源與儲能系統(tǒng)間的協(xié)同增效，還必須充分考察具有復雜特性微電網的優(yōu)化指標和

3、行為邊界，研究微電網調度與運行耦合的能量優(yōu)化管理機制，給出多維約束下優(yōu)化問題的數(shù)學表達及其求解方法。本文通過對電池動態(tài)特性的分析，建立了電池動態(tài)行為的模型表達，提出了動態(tài)工況下電池短時間尺度建模與狀態(tài)估計方法;利用神經網絡方法強非線性擬合能力的特點，提出了電池老化過程數(shù)據(jù)驅動的描述方法以及長時間尺度下電池狀態(tài)的估計方法;通過對微電網內電池儲能系統(tǒng)動態(tài)特性的描述、表達，以及可再生能源不確定性行為的分析，給出了經濟指標最優(yōu)的微電網數(shù)學模型及

4、能量調度策略;結合微電網用戶的行為建模以及電池系統(tǒng)的老化行為描述，提出了多優(yōu)化目標下的“人-電動汽車-微電網”混合系統(tǒng)的管理方法。研究結果表明，本文提出的方法可以較好地解決電池儲能系統(tǒng)多時間尺度建模與狀態(tài)估計問題，以及可再生能源和電池儲能系統(tǒng)的協(xié)同增效問題。
　　本文具體的研究工作內容及創(chuàng)新點如下:
　　1)針對電池在短時間尺度下的荷電狀態(tài)估計問題，分析了不同荷電狀態(tài)和放電電流下鋰離子電池極化效應對其端電壓影響的差異性，建立

5、了一種考慮滯后電壓的電池模型，實現(xiàn)了對動態(tài)電流工況下鋰離子電池端電壓的精確仿真。同時，針對實際應用環(huán)境下傳感器測量數(shù)據(jù)中存在的噪聲，在上述電池模型的基礎上使用自適應擴展卡爾曼濾波算法抑制了測量噪聲的干擾，實現(xiàn)了對荷電狀態(tài)的準確估計。實驗結果表明該算法在實際工況下依然具有較高的估計精度。
　　2)針對電池在長時間尺度下的剩余使用壽命估計問題，通過對不同循環(huán)壽命下電池端電壓曲線差異性的研究，利用基于重要性采樣的方法實現(xiàn)了對不同剩余使用

6、壽命下電池端電壓數(shù)據(jù)的篩選，采用神經網絡的方法建立了電池端電壓曲線與循環(huán)壽命之間的映射關系，從而完成了剩余使用壽命估計任務。實驗表明該方法具有較高的準確度。
　　3)針對電池在長時間尺度下的健康狀態(tài)估計問題，提出了基于電池端電壓曲線微分幾何特性的電池健康狀態(tài)描述方法，使用集群數(shù)據(jù)處理方法，建立了電池在長時間尺度下的健康模型，并實現(xiàn)了對電池健康狀態(tài)的估計。不同類型電池的實驗數(shù)據(jù)驗證了該方法的有效性和普適性。
　　4)針對可再生

7、能源與儲能系統(tǒng)互補協(xié)作微電網的能量調度問題，從儲能系統(tǒng)能量存儲效率入手，研究了不同充放電電流對電池儲能效率的影響，在實驗數(shù)據(jù)和電池機理分析的基礎上，明確了電池儲能效率的數(shù)學表達;考慮微電網中各子系統(tǒng)操作的邊界約束，利用非線性規(guī)劃算法制定了經濟效益最優(yōu)的微電網能量管理方法;針對可再生能源的不確定性，在對上述方法歸納總結的基礎上，制定了雙層的微電網能量調度策略，實現(xiàn)了微電網的優(yōu)化控制，減輕了光伏發(fā)電量預測誤差對微電網管理、運行結果的影響。實

8、驗表明，該微電網能量調度策略可以實現(xiàn)對可再生能源的充分利用，并有效提高能量利用效率、降低電力費用。
　　5)針對“人-電動汽車-微電網”混合系統(tǒng)的管理問題，以電動汽車剩余使用壽命為切入點，提出了考慮電池荷電狀態(tài)運行區(qū)間的剩余循環(huán)次數(shù)的預測方法;在此基礎上，針對不同電池狀態(tài)及性能參數(shù)對用戶舒適度的影響，建立了基于電動汽車剩余循環(huán)次數(shù)和電動汽車荷電狀態(tài)等因素的用戶舒適度模型，提出了考慮用戶舒適度的家庭微電網能量管理策略。對比實驗表明，