电力工程师论文参考资料：电池储能理念 及在风-储孤网之运行与控制 第一章 绪论1.1 研究背景随着社会与论文范文经济水平的不断发展，人们对电量的需求和 可靠性要求越来越高。一方面，传统电网面临着负荷快速增长、峰 谷差日益扩大及远距离输电成本增大等挑战；同时，因能源危机和 环境恶化等问题的日益加剧，风能、太阳能等可再生能源 （Renewable Energy Sources, RESs）的发展越来越受到人们的重视 1-4，然而这些间歇性、波动性的可再生能源的接入给电网的安全、 稳定运行带来一定影响5。另一方面，为最大限度地利用可再生能 源、提高电网可靠性，当大电网发生故障时（如电网电压大值跌落 很大或崩溃），往往需要将这些可再生能源就地构成微电网或者始 终不接入大电网而进行孤网（孤岛）供电6-9；因无大电网支撑且 含间歇性可再生能源及动态非线性负荷，孤网运行时系统的稳定性 和可靠性面临严峻考验。储能技术的应用为解决电网侧的削峰填谷、 发电侧的可再生能源大规模接入等问题提供了一种有效的方式，尤 其是维持孤网稳定运行10-12。因此，储能技术的研究与应用将是 今后重点研究课题之一12-17。1.1.1 传统电网和可再生能源发展中面临的挑战在过去的几十年里，为适应不断增长的电力需求，传统电网多采 用超高压、远距离输电的大规模集中供电模式。虽然这种互联大电 网模式能提高发电效率、降低传输损耗，但随着用电负荷的不断增 加，也使传统电网的发展面临着巨大挑战：一是日益增加的用电需 求加剧了电网负荷峰谷差，导致电网设备的综合利用率不高，进而 造成投资成本的增大18；二是电网规模及远距离输电线路输送容 量的不断增大，导致电网运行的安全性、稳定性和可靠性等问题越 来越突出19；三是随着电力电子技术的广泛应用，电力电子负荷 给电力系统带来了诸多不稳定因素（如电网谐波污染、三相电压不 平衡、电压波动等），其结果严重影响电网电能质量20-22；四是 因传统能源结构不合理，不仅面临能源危机，而且带来的环境污染 问题，这都无法满足建设资源节约和环境友好型社会的要求。与此 同时，可再生能源作为解决传统电网所产生的环境污染与能源危机 等问题的方法之一，越来越受到各国的重视。在此背景下，可再生能源的发展取得显著进步尤其是风力发电、光伏发电，但近两年其 增长速度明显放缓，也面临着大规模可再生能源接入大电网的瓶颈。 以风电为例，据世界风能协会（World Wind EnergyAssociation, WWAS）及全球风能理事会（Globe Wind Energy Council, GWEC） 的统计数据显示23-25，截止 2011 年年底，全世界风电装机总容 量达 237GW，且全年新增装机容量达 40GW，预计到 2020 年全 球风电将达到 1260GW；在过去十年内，新增装机容量年平均增长 率约为 30%，但其增速自 2010 年后开始连续下降，20102011 年 增长率分别为 32.1%、24%、20.3%；且 2012 年上半年新增装机容 量增速进一步减缓，2012 上半年新增装机容量约 16.5GW，比 2011 年同期减少约 1.9GW，预计 2012 年全年新增年装机容量增 长率将进一步放缓。与世界风电发展进程类似，我国风电也经历从 快速增长期到放缓发展期，同时，由于我国风力资源分布相对集中 偏远地区，而电力负荷却主要分布在沿海地区，再加上电网建设相 对滞后、跨省跨区市场不成熟等原因，导致风电的并网瓶颈和消纳 问题开始凸显，出现弃风现象，从而严重制约风电 大规模开发与应用。根据有关统计数据显示23-26，自 2005 年起， 我国风电发展几乎逐年翻倍地快速增长， 2010 年后我国风电装机 总容量一直居世界第一，但近两年增速明显放缓。截止 2011 年年 底，我国风电装机总容量达 62.36GW，新增风电装机容量 17.63GW，与 2010 年的 18.94GW 相比，全年新增装机减少 6.9%，预计到 2020 年我国风电装机容量将达到 200GW；而 2012 年上半年新增装机容量 5.4GW，比 2011 年同期减少约 2.6GW， 增速进一步减缓25。2011 年，全国风电上网电量达 715 亿 kWh，占全国发电量的 1.5%，但也存在诸如三北地 区（东北、华北和西北）的弃风严重区，其中蒙东 和吉林的弃风超过 20%。第二章 基于等效电路法的大容量电池系统建模与仿真2.1 引言精确的电池模型可准确表征电池工作特性与其不同影响因素之间 的数学关系。研究和建立电池模型的目的是为确定电池外部电气特 性（如放电倍率、温度、循环次数等）和电池内部状态（如容量、 内阻、荷电状态等）的定量关系；同时，利用电池模型由测量的外 部电气参数值来预测电池的性能参数变化情况。LCBS 作为 BESS 的能量主要存储载体，其容量扩大主要通过电池单体的串/并联实现。 然而，表征电池单体性能的参数易受放电倍率、温度等诸多因素影 响，且电池的不同连接方式易产生 LCBS 中并联电池电流或串联电 池电压不匀衡137，导致含大量电池单体的 LCBS 性能参数更加 难以被准确测量、估计，从而严重制约 LCBS 的开发及应用。因此， 研究 LCBS 的精确建模以有效地预测其性能参数，对其优化、设计 及控制至关重要；同时，精确的 LCBS 模型为后续章节中进行电池 系统荷电状态（Stateof Charge, SOC）准确估计及储能系统在风-储 孤网系统中的运行及控制奠定了理论基础。目前，国内外学者对电 池单体建模进行了不少研究，而等效电路模型因其直观、简单、物 理意义明确等优点，已得到广泛应用62-72,138,139。然而，各国学 者关于 LCBS 特别是锂离子电池的建模研究甚少，而国内在锂离子 串/并联型 LCBS 等效电路模型的研究几乎处于空白。为了搭建便 于电池电气设计及控制、更加接近真实地反映 LCBS 特性及性能参 数的电池模型，本章针对串/并联型 LCBS（以锂离子为例）展开了 详细的建模研究及仿真分析。首先介绍了锂离子电池性能参数及影 响其工作特性的主要因素，分析了 LCBS 的构成及其简化形式，并 建立了单体锂离子电池等效电路模型，为研究与建立 LCBS 模型奠 定了理论基础；同时，考虑到电池单体的参数非线性及容量不一致 性等特点，结合串/并联电路工作特性，提出了一种适宜于电气设计 与仿真的 LCBS 等效电路建模方法, 并在 Matlab/Simulink 中对串 联、并联及串/并联型的锂离子 LCBS 进行了建模与仿真，通过仿 真结果与实验数据的对比，验证了所提出模型的有效性及准确性。第三章 大容量电池系统的分层级 SOC 估计. 443.1 引言 . 443.2 SOC 估计基本理论及电池系统的分层级. 453.3 电池单体 SOC 估计. 513.3.1 含电压补偿的安时+开路电压混合. 513.3.2 仿真结果及实验数据对比分析. 533.4 电池系统荷电状态的估计 . 553.4.1 电池系统荷电状态的定义. 553.4.2 基于扩展卡尔曼滤波法的电池系统 SOC 估计. 563.4.3 仿真结果及分析. 583.5 本章小结 . 63第四章 电池储能系统的动态模型. 654.1 引言 . 654.2 电池储能系统的动态模型及其控制特性. 654.3 电池储能系统的仿真结果分析 . 764.4 本章小结 . 80第五章 风-储孤网系统的运行及其控制策略. 825.1 引言 . 825.2 风-储孤网系统结构及其稳定运行控制机理 . 835.3 风-储孤网系统的配置及经济性分析 . 855.4 系统能量管理及运行状态协调控制方案. 905.5 风力机不工作时孤网系统稳定运行控制策略. 975.6 风-储联合运行时孤网系统稳定运行控制策略 . 105结论电池储能系统作为一种能实现能量存储及功率双向流动的装置， 可提高电网电压稳定水平、改善电能质量、提升电网设备的综合利 用率及系统调峰调频能力等，同时为可再生能源大规模接入电网提 供了一种有效方法，但目前国内外关于电池储能系统的研究还处于 基础理论及示范阶段，尤其是国内的研究还处于起步阶段。本论文 在调研国内电力系统需求和国内外电池储能系统研究现状的基础上， 开展了电池系统建模、电池系统荷电状态估计、风力机不工作及风- 储联合运行时风-储孤网系统的运行及其控制策略，建立了风-储孤 网系统实验平台，对风力机不工作及风-储联合运行时风-储孤网系 统的运行及其相关控制策略进行了系统仿真和实验验证，主要取得 以下几个方面的研究成果：（1） 建立了大容量电池系统的等效电路模型。在分析了大容量 电池系统构成及其简化模型的基础上，根据串、并联电路特性及锂 离子电池单体的工作特性，提出了一种基于等效电路法的大容量电 池系统建模方法，并在 Matlab/Simulink 环境下分别建立了串联型、 并联型及串/并联型锂离子大容量电池系统的等效电路模型。仿真结 果和实验数据的对比分析表明：所提出的大容量电池系统等效电路 模型能准确地预测电池系统的性能参数及其放电工作特性。（2）提出了一种基于电压补偿的电池单体 SOC 估计法。针对 安时法存在 SOC 初始值难以确定、长时间的误差积累等问题，采 用含电压补偿的安时+开路电压混合 SOC 估计法对大容量电池系统 中电池单体进行 SOC 估计，通过在恒流放电和脉冲放电两种工况 下仿真结果和实验数据的对比分析表明：与安时法相比，虽然两种算法对应所得的 SOC 变化曲线相近，但所提出算法的 SOC 估计 精度更高，尤其在电池放电末期。（3） 采用了 EKF 法对大容量电池系统进行荷电状态估计。以 串/并联型大容量电池系统为例，从 EKF 法的基本概念入手，建立 了大容量电池系统离散空间状态方程，详细推导了系统状态向量、 系统矩阵和观测矩阵，并在 Matlab/Simulink 环境下建立了基于 EKF 法的串/并联型大容量电池系统的 SOC 估计仿真平台，通过在 恒流放电和脉冲放电两种工况下仿真结果与分析表明：一是采用 EKF 法进行大容量电池系统 SOC 估计是可行性的，且与安时法相 比其估计精度更高，尤其是电池处于放电末期；二是所采用的算法 对初始误差依赖性不大，具有较强的鲁棒性。（4）建立了电池储能系统的动态模型。介绍了电池储能系统动 态模型结构及其基本工作原理，详细分析了功率转换系统与电池系 统的数学模型及其控制特性，在 PSCAD/EMTDC 环境下建立了电 池储能系统的动态仿真模型。系统仿真结果与分析表明：电池储能 系统可根据电池系统的 SOCb 来控制其与外部进行充、放电的工作 状态及可充、放电电量的大小；同时，所构建的电池系统模型可根 据电池系统的固有充、放电工作特性分别进行充、放电。（5） 提出了风力机不工作时孤网系统稳定运行控制策略。分析 了电池储能系统工作原理，根据电池系统工作特性并结合传统下垂 控制策略，提出了基于电池系统荷电状态的有功功率下垂控制策略， 即外环功率控制。同时，针对下垂控制存在固有静态误差、中低压 电网线路阻抗不完全为纯感性等因素而导致下垂控制的控制精度不 高的问题，提出了含线性补偿环的电压幅值-频率控制策略，即内环 电压控制。仿真和实验结果表明：在不同带载情况下，该系统不仅 能维持系统电压幅值和频率稳定，且能有效地分配负荷有功功率， 有利于提高电池均衡管理能力。参 考 文 献1 中华人民共和国国家发展和改革委员会. 可再生能源发展 十二五规划M. 北京. 2012.2 中华人民共和国国家发展和改革委员会. 能源发展十