含鋰電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制與優(yōu)化研究.pdf

1、近年來(lái)，由于可再生能源利用與智能電網(wǎng)建設(shè)等的需要，電力儲(chǔ)能技術(shù)作為一種新興的調(diào)節(jié)手段，因其控制靈活、使用方便得到高度重視。儲(chǔ)能技術(shù)通?？煞譃榫哂写笕萘?jī)?chǔ)能特性、循環(huán)壽命短的能量型儲(chǔ)能和具有快速響應(yīng)特性、循環(huán)壽命長(zhǎng)的功率型儲(chǔ)能。通常，單一儲(chǔ)能的適用范圍往往較為局限?；旌蟽?chǔ)能技術(shù)由于可充分利用不同類型儲(chǔ)能在技術(shù)特性上的互補(bǔ)性，滿足不同層次的技術(shù)需求，在電力系統(tǒng)中應(yīng)用前景廣闊。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究還處于基礎(chǔ)理論與示范階段。因此，

2、研究混合儲(chǔ)能系統(tǒng)建模、控制和優(yōu)化等，對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在實(shí)際工程中的應(yīng)用等具有指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。
　　本文結(jié)合“含分布式電源的微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)”（863計(jì)劃，2011AA05A107）和“分布式電源接入系統(tǒng)后混合儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)”（國(guó)家電網(wǎng)公司重大專項(xiàng)，ZDK/GW003-2012）等項(xiàng)目，開展了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)多尺度模型、控制策略設(shè)計(jì)、運(yùn)行控制參數(shù)優(yōu)化和綜合優(yōu)化等研究。根據(jù)所提出的策略、指標(biāo)和模型等，給出混合儲(chǔ)能系統(tǒng)整

3、體技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性的提升措施，為其運(yùn)行與優(yōu)化等提供更充分的決策依據(jù)，對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的推廣應(yīng)用具有重要意義。
　　儲(chǔ)能系統(tǒng)模型是進(jìn)行微電網(wǎng)設(shè)計(jì)、規(guī)劃和運(yùn)行分析的基礎(chǔ)和前提。為適應(yīng)多種不同場(chǎng)合的研究需要，給出混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的多尺度模型庫(kù)。本文基于技術(shù)經(jīng)濟(jì)考慮，針對(duì)含鋰電池和超級(jí)電容的典型混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，給出滿足暫態(tài)分析、穩(wěn)態(tài)分析、技術(shù)分析和經(jīng)濟(jì)分析等多種不同應(yīng)用場(chǎng)合需求的模型庫(kù)。暫態(tài)仿真模型與鋰電池單級(jí)式、超級(jí)電容多重化雙級(jí)式設(shè)備同比例，并通

4、過PSCAD仿真和與實(shí)際儲(chǔ)能運(yùn)行對(duì)比進(jìn)行校驗(yàn)。通用穩(wěn)態(tài)模型基于兩類儲(chǔ)能在有功控制中的共同特點(diǎn)，并計(jì)及自放電率和充放電效率影響。根據(jù)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)各組成部分使用壽命的不同特點(diǎn)，分別給出滿足不同技術(shù)需求的壽命量化模型。從投資和損耗折算成本等角度，分別給出混合儲(chǔ)能系統(tǒng)各組成部分的經(jīng)濟(jì)模型。
　　已有混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制研究主要側(cè)重于儲(chǔ)能系統(tǒng)本身的保護(hù)控制和混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配。為了充分發(fā)揮能量型儲(chǔ)能和功率型儲(chǔ)能的技術(shù)互補(bǔ)性，提出一種含各儲(chǔ)能系

5、統(tǒng)間協(xié)調(diào)配合和整體性能優(yōu)化的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略。該策略在濾波功率分配基礎(chǔ)上，新增整體調(diào)節(jié)能力優(yōu)化、過充過放保護(hù)配合和最大功率限制配合等協(xié)調(diào)措施?？紤]到功率型儲(chǔ)能能量密度低等特點(diǎn)，根據(jù)外界需求和荷電狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，優(yōu)化整體調(diào)節(jié)能力；并在保護(hù)與限制中考慮協(xié)調(diào)配合，更好地滿足外界需求。同時(shí)，通過濾波時(shí)間常數(shù)變化、各儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)以及出力頻譜分析等，反映協(xié)調(diào)配合措施的具體過程與實(shí)現(xiàn)效果。算例分析表明：與僅考慮功率分配相比，所提策略

6、在儲(chǔ)能有限配置和儲(chǔ)能冗余配置等情況下均能獲得更好的控制效果，是提升混合儲(chǔ)能系統(tǒng)整體性能的有效途徑。
　　混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略中參數(shù)對(duì)控制效果具有一定影響。為了刻畫混合儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部各儲(chǔ)能系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)配合程度，提出超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)響應(yīng)裕量指標(biāo)；針對(duì)控制策略主要參數(shù)，如：功率分配濾波時(shí)間常數(shù)和本文提出的協(xié)調(diào)裕量指標(biāo)，建立混合儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行控制參數(shù)的多層次優(yōu)化模型，以延長(zhǎng)鋰電池壽命和提升整體技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等。考慮到功率型儲(chǔ)能能量密度低的特

7、點(diǎn)，采用工程實(shí)測(cè)秒級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，準(zhǔn)確真實(shí)地反映超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際工作狀態(tài)。算例分析表明：通過控制參數(shù)的優(yōu)化，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的總費(fèi)用明顯降低；通過控制參數(shù)變化對(duì)鋰電池壽命各影響因素的靈敏度分析，詳細(xì)分析了其對(duì)鋰電池壽命損耗的影響。
　　在運(yùn)行控制參數(shù)優(yōu)化基礎(chǔ)上，綜合優(yōu)化考慮各儲(chǔ)能系統(tǒng)功率和容量的影響，進(jìn)一步提升混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性?；趦?chǔ)能系統(tǒng)功率和容量在實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)經(jīng)濟(jì)約束，提出反映負(fù)荷和可再生能源出力共同滿足程