电气工程及其自动化专业毕业论文设计-储能技术在电力系统中的应用研究(毕业论文)

电气工程及其自动化专业毕业论文设计-储能技术在电力系统中的应用研究(毕业论文)内容摘要：

用储能技术，可用于电能质量调节和 UPS 等。 然而，由于这种蓄电池寿命较短，因此限制了其在能量管理领域的应用。 近年来，各 种新型的蓄电池被相继开发成功，并 在 电力 系 统中 得 到应 用。 英 国的 Regenesys Technologies 正在采用PSB(Polysulfide Bromide Flow Battery)电池建设一座 15MW/120MWh的储能电站，其净效率约为 75%。 NaS 电池具有较高的储能效率（约 89%），同时还具有输出脉冲功率的能力，输出的脉冲可在 30s 内达到连续额定功率值的六倍，这一特性使 NaS 电池可以同时用于电能质量调节和负荷的削峰填谷调节两种目的，从而提高整体设备的经济性 [16]。 在日本，目前采用 NaS 电池技术 的储能示范工程有 30 多处，总储能容量超过 20MW，可用于 8h 的日负荷峰谷调节。 全钒液流电池（ VRB）是一种新型清洁能源存储装置，其研究始与 20 世纪80 年代的澳大利亚新南威尔士大学。 在美国、日本、澳大利亚等国家有应用验证，鉴于钒电池具有功率大、寿命长、可靠性高、操作和维修费用少、支持频繁大电流充放电等明显技术优势 [17]。 被认为是太阳能、风能发电装置配套储能设备、电动汽车供电、应急电源系统、电站储能调峰、再生能源并网发电、城市电网储 9 能、远程供电、 UPS 系统等领域的优先选择。 由于全钒液流电池可以保持连续稳定、 安全可靠的电力输出，用于风能、太阳能等可再生资源发电系统，解决其发电不连续、不稳定特性；用于电力系统，可调节用户端负载平衡，保证智能电网稳定运行；用于电动汽车充电站，可避免电动车大电流充电对电网造成冲击；用于高耗能企业，谷电峰用，可减低生产成本 [18]。 此外，它还可应用于电信的通讯基站、国家重要部门的备用电站等。 电池原理： VRB 以溶解于一定浓度硫酸溶液中的不同价态的钒离子为正负电极反应活性物质。 电池正负电极之间以离子交换膜分隔成彼此相互独立的两室，通常情况下 VRB 正极活性电对为 VO2+/VO2+，负极为 V2+/V3+,电极上所发生的电池总反应如下： VO2++H2O+V3+错误 !未找到引用源。 VO2++V2++2H+ (3.1) 目前 VRB相关研究已取得较大进展，但其真正实现商业化还需在高性能低成本专用离子交换膜、高稳定性高活性专用电极材料及电极制备等关键技术方面取得进一步的突破，并形成批量生成能力。 另外，电池组及系统的集成度及优化设计也有待进一步提高。 飞轮储能（ Flywheels Storage） 飞轮储能技术是利用高速旋转的飞轮将能量以动能的形式储存起来 ，当能量紧急缺乏或需要时，飞轮减速运行，将存储的能量释放出来 [19]。 飞轮储能的 特点： 飞轮储能具有效率高、建设周期短、寿命长、高储能、充放电快捷、充放电次数无限以及无污染等有点。 适用于电网调频和电能质量保障。 80年代以来，新型复合材料碳素纤维的发展使得飞轮的周边线速度可以超过1000m/s，大大增加了飞轮的储能密度 [20]。 高温超导磁悬浮轴承技术的研究使得飞轮轴承的摩擦力大幅度减小，再配以空气抽真空技术，飞轮机组的效率可以达到 80%以上，高于抽水蓄能电站 [21]。 现代电力电子技术的发展为解决飞轮电机的高速旋 转驱动问题以及能量的转换和传递问题创造了条件。 目前经济发达国家的研究机构已经研制了千瓦级高速飞轮储能系统模型，正在进行各种试验测试。 我国在飞轮储能技术的研究起步较晚，在飞轮储能系统运行控制方面的研究也比较少。 飞轮储能系统的原理如 ，其中电能转换系统主要由逆变器 A、逆变器B 和微控制器组成 [22]。 逆变器 B负责将整流器输出侧的直流电能转换成电压和频率可变的三相交流电驱动异步电动 /发电机；逆变器 A负责将直流电能转换为频率50Hz、电压和相位分别可调的三相交流电，经变压器与电网相联。 由 80C196MC芯 片等组成的微控制器实时监测电网的运行状态，连续不断地向逆变器 A、 B发出控制脉冲信号，协调控制飞轮储能系统的运行状态。 10 传 感 器电 机 / 飞 轮微 控 制 器逆 变 器 B逆 变 器 A整 流 器开 关 用 户电 网电 能转 换系 统 图 飞轮储能系统试验原理图 飞轮储能系统的基本构成如图 ，主要由四部分组成，分别为储存能量用的转子系统、支撑转子的轴承系统、异步电动／发电机组和电能转换系统。 在设计中，从现有条件出发，飞轮材料选用钢材，转速限制在 10000r/min 以下。 轴承采用永磁吸力和油浮轴承组成准磁浮混合轴承系统，飞轮重量的 90%被永磁 铁的吸力卸载，从而减小了油浮轴承的摩擦力 [24]。 在电机的选择上，选择了三相笼式异步电机作为电动 /发电机，这类电机不仅具有容量大和易于高速运行的优点，而且在控制其变速过程中不需要磁极位置检测器。 三相异步电机和现代电力电子控制技术形成的电能转换系统相结合，可以工作在电动、发电和待机状态。 电 能 转 换 系统电 机 （ 永 磁吸 力 轴 承 、飞 轮 、 油 浮轴 承 ）电 能 输 入电能输出 图 飞轮储能系统基本构成图 11 飞轮储能装置中有一个内置电机 ,它既是电动机也是发电机。 在充电时 ,它作为电动机给飞轮加速。 当放电时 ,它又作为发电机给外设供电 ,此时飞轮的转速不断下降。 而当飞轮空闲运转时 ,整个装置则以最小损耗运行。 我国电力系统正在逐步实现全国联合大电网。 根据国外的经验，这样的大型联合电力系统很容易发生弱阻尼低频机电振荡稳定问题，其振荡频率分布在 — 之间，如果在系统振荡上没有合适的阻尼，振荡可能持续几分钟并发展直到系统解列。 因此，研究电力系统稳定性问题，特别是小干扰稳定性问题是一个重大而迫切的课题。 电力工程界多年的研究和实践表明在某些发电机的励磁系统上加装电力系统稳定器（ PSS）是抑制低频振荡的一种经济有效的方法。 其基本原理是采 用适当的反馈信号，通过有效的相位补偿环节，产生与机组转子摇摆中的阻尼分量相位一致的阻尼转矩。 如图 所示。 机 端 频 率轴 速 率功 率变 换 器 超 前 / 滞 后 放 大 限 制送 入 A V R 控 制 回路 图 PSS 的原理框图 实践证明， PSS 的使用，对电力系统中局部振荡模式的抑制非常有效。 但是对于大型电力系统，存在非常复杂的振荡模式，有的振荡模式可能与局部振荡相差甚远。 这些复杂的振荡模式有时会给传统的 PSS 的有效性带来不利影响，严重时甚至不能正常工作。 PSS 必须通过发电机励磁控制装置才能使用，其使用地点有时会受到限制，而且， PSS 的参数整定与需要补偿的相位有关，而这常常是因系统而异的，这些缺点也会在一定程度上限制它的灵活使用。 近年来利用飞能储能系统来抑制低频振荡受到研究者的广泛关注，利用飞能储能系统抑制低频振荡，提高小干扰稳定性，具有现实的意义。 超导磁储能（ Superconductive Magic Energy Storage, SMES） 尽管早在 1911 年人们就发现了超导现象，但直到 20 世纪 70 年代，才有人 12 首次提出将超导磁储能作为一种一种储能技术应用于电力系统 [25]。 超导磁储能由于具有快速电磁响应特性和很高 的储能效率（充／放电效率超过 95%），很快吸引了电力工业和军方的注意。 超导磁储能装置（ SMES）是将超导技术、电力电子技术、控制理论和能量管理技术相结合的一种新型储能装置 [26]。 在实时补偿系统中，由于各种原因会产生不平衡功率， SMES 从这一新的角度出发考虑提高电力系统稳定性的问题。 SMES 在电力系统中的应用包括：负荷均衡、动态稳定、暂态稳定、电压稳定、频率调整、输电能力提高以及电能质量改善等方面。 SMES 单元由一个置于低温环境的超导线圈组成，低温是由包含液氮或者液氦容器的深冷设备提供的。 功率变换／调节系 统将 SMES 单元与交流电力系统相连接，并且可以根据电力系统的需要对储能线圈进行充放电 [27]。 通常使用两种功率变换系统将储能线圈与交流电力系统相连：一种是电流源型变流器；另一种是电压源型变流器。 和其他的储能技术相比，目前 SMES仍很昂贵，除了超导体本身的费用外，维持低温所需要的费用也相当可观。 然而，如果将 SMES线圈与现有的柔性交流输电装置（ FACTS）相结合可以降低变流单元的费用，这部分费用一般在整个SMES成本中占最大份额。 已有的研究结果表明，对输配电应用而言，微型（﹤h）和中型（ ～ 100MWh） SMES系统可能更为经济。 使用高超导体可以降低储能系统对于低温和制冷条件要求，从而使 SMES的成本进一步降低。 将超导磁储能（ Superconducting Magic Energy Storage， SMES）用于风电系统，配以恰当的控制系统，可实现功率的双向流动，从而改善风力发电机的输出稳定问题和与电网并网优化配合的问题，是一种理想的提高风电系统动态性能和解决系统稳定性的手段 [28]。 因此，设计有效而恰当的控制系统对整个系统起着至关重要的作用，而其关键是如何合理地选择控制信号和相应的 控制策略。 SMES系统主要由超导磁体、功率变换装置和控制系统 3部分组成，其中超导磁储能体系包括超导线圈、低温容器和制冷装置。 图 SMES的结构框图，工作原理是： SMES系统预先在超导线圈中存储一定的能量（一般为最大存储磁能的 25%75%），当功率高于（或低于）基准功率（电网所要求的功率）时，控制器检测到信号并通过触发电路向变流器发出触发脉冲，使其工作于整流状态（或逆变状态），将多余的能量以磁能的形式存储在超导线圈中（或将超导线圈中的能量回馈到电网）。 冷却装置保证了超导线圈的工作环境。 失超保护针对 失超时所引起的过热、高压放电和应力过载，对超导线圈进行保护。 13 变 压 器变 换 器 超 导 线 圈无 功补 偿门 极 触 发 电 路线 圈 保 护控 制 器冷 却 装 置控 制 信 号 去 或 来 自 电 力 系 统三 相 母 线 图 SMES装置结构 含有超导磁储能装置的风电场并网系统如图。 如果忽略各种损耗，风力发电机输入的机械功率将被转换成电功率，电功率经过变压器和输电线路后并到常规电网。 当风速一定时， SMES处于限制状态，风电场输入的机械功率与输出的电功率相等，处于稳定的平衡状态。 但在实际运行中，由于风速的随时性，引起风车输出机械功率的变化，从而导致风力发电机的输入与输出功率的不平衡。 此时， 通过 SMES对功率的 “吞吐 ”作用（利用 SMES快速响应和高储能密度特点），使风电场的输出功率达到平衡 [29]。 从而改善风电系统的稳定性，降低风电系统成为常规电网大负荷的概率，为风电的并网提供可靠的理论依据。 将 SMES用于风电系统，可以提高风电场的稳定性，平滑功率输出，降低风电场对电网的冲击利用 SMES对电力系统进行稳定控制，从本质上提高了电力系统的稳定性。 Z 1 Z 2S M E S 系 统V 1V 2 V 3V 3V 4风 电 场常 规电 网 图 含 SMES的风电场并网系统 14 如图 ， SMES的控制系统由上层控制和底层控 制两部分组成。 上层控制作为主控制器用于提供内环控制器所需要的有功功率和无功功率控制的参考值，它是由 SMES 本身特性和系统要求决定的，由不同目标的多个控制器及其协调环节组成 [30]。 底层控制根据上层控制所提供的功率参考值（ PSET、 QSET），产生各相桥臂的触发脉冲序列，控制 SMES与系统之间电流的大小和相位，完成对变换器的触发，实现了四象限运行。 控制系统的任务是由系统提取信息，根据系统需要控制 SMES 的功率输出。 而控制器的性能必须和系统的动态过程匹配才能有效地实现控制目的。 以下研究风电场中的控制策略和控 制信号的选取。 采用该控制策略的 SMES不仅可以在网络故障后有效地提高风电场的稳定性，而且能够在快速的风速扰动下平滑风电场的输出，降低风电波动对电网的冲击。 电 压 稳 定 控 制阻 尼 功 率 震 荡秒 级 功 率 备 用暂 态 控 制 系 统电 流 控 制触 发 电 路电 压 控 制VPIfP S E TQ S E T上 层 控 制下 层 控 制G 1 G 8 的 触 发 脉 冲 图 SEMS控制系统 超级电容器储能（ Super Capacitor Storage, SCS） 电容是电力系统中广泛应用的一种设备。 超级电容器是一种高比能量的无源储能元件，主要是通过电极 /电解质界面形成双电层中离子的吸附和脱附，来实现能量的储存与释放。 即利用活性炭多孔电极和电解 质组成的双电层结构获得超大的容量，大多数超级电容器可以做到法拉级，容值范围可达 1～ 5000F，并且在使用时可以通过串联或者并联以提高耐压和容量 [31]。 超级电容的最大充放电性能是由活性物质表面的离子取向和电荷转移速度决定的。 其主要特点表现在：比功率高、循环寿命长、工作温度范围宽、免维护、绿色环保。 超级电容器作为能量储存器件具有与可充电电池不同的充放电特性。 在充放电时，电池具有较稳定的输出电压，而超级电容器的输出电压。