锂电池与超级电容混合储能技术及其在风电中的应用研究

【摘要】：储能系统集成应用是改善风电场并网特性、提高电网消纳风电能力的有效方式。目前，已有多种储能技术应用于风力发电中，电池储能和超级电容储能的应用较为广泛。但是，受储能机理和技术水平限制，单一电池或超级电容储能无法同时提供大功率和高能量，不能完全满足平抑风电场功率波动的需求。因此，本文对锂电池与超级电容相结合的混合储能技术及其在风力发电中的应用进行研究。 首先，对锂电池和超级电容进行特性分析与建模研究。在比较分析现有等效模型特点的基础上，确定PNGV模型更适合模拟风电中磷酸铁锂电池的特性；重点研究PNGV模型参数辨识方法，针对放电静置法辨识开路电压参数的不足，提出了连续充放电实验法，该方法具有简单快速的特点；对磷酸铁锂电池进行了混合脉冲功率特性试验，计算得到了模型的电阻和电容参数。对超级电容的特性及现有模型进行分析，采用简单RC串联模型模拟超级电容特性。分别建立了磷酸铁锂电池和超级电容的模型，仿真结果验证了模型的有效性。 然后，设计了混合储能系统结构，深入研究了混合储能系统的控制策略。基于锂电池端电压变化小的特点，提出了锂电池直接耦合在储能系统直流母线上的混合储能系统结构，该结构能节省一套DC/DC变换器，简化控制过程，降低系统损耗；研究了基于低通滤波原理的风电功率波动平抑控制策略，提出利用混合储能系统平抑风电功率波动的特定分量，计算得到了混合储能系统功率控制信号；根据锂电池和超级电容的物理特性，提出了相应的功率分配策略；给出了满足平抑过程需求的混合系统功率和容量配置方案。 最后，对混合储能技术在风力发电中的应用进行仿真研究。基于现有的永磁同步风力发电系统模型，获得了风电有功功率曲线。以平抑该功率曲线为目标，给出了混合储能系统功率和容量配置的详细计算过程，并对锂电池与超级电容进行了简单成组设计。在MATLAB/Simulink环境中建立了风储系统模型，仿真结果显示，混合储能系统能有效平抑风力发电的功率波动，具有显著的优越性。 【关键词】：风电 混合储能系统 磷酸铁锂电池 超级电容
【学位授予单位】：上海电力学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM614;TM912;TM53
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-8
• 目录8-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 研究背景及意义10
• 1.2 储能技术及其在风电中的应用分析10-15
• 1.2.1 风电对储能系统的需求10-11
• 1.2.2 各种储能技术及在风电中的应用分析11-15
• 1.3 国内外研究现状15-18
• 1.3.1 储能元件建模研究现状15-16
• 1.3.2 混合储能技术及其在风电中的应用研究现状16-18
• 1.4 论文的主要工作及章节安排18-20
• 2 磷酸铁锂电池与超级电容的特性分析及其模型研究20-36
• 2.1 引言20
• 2.2 磷酸铁锂电池的特性分析及其等效模型20-31
• 2.2.1 磷酸铁锂电池的特性分析20-21
• 2.2.2 磷酸铁锂电池的等效模型21-24
• 2.2.3 模型的参数辨识24-29
• 2.2.4 模型仿真分析29-31
• 2.3 超级电容的特性分析及其等效模型31-34
• 2.3.1 超级电容的特性分析31
• 2.3.2 超级电容的等效模型31-33
• 2.3.3 模型仿真分析33-34
• 2.4 小结34-36
• 3 混合储能系统设计与控制策略研究36-48
• 3.1 引言36
• 3.2 混合储能系统设计36-42
• 3.2.1 拓扑结构设计36-38
• 3.2.2 储能变流器控制方法设计38-42
• 3.2.3 双向DC/DC变换器控制方法设计42
• 3.3 混合储能系统控制策略研究42-47
• 3.3.1 基于低通滤波器的风电功率波动平抑控制策略44-45
• 3.3.2 混合储能系统功率分配策略45-46
• 3.3.3 混合储能系统功率和容量配置方法46-47
• 3.4 小结47-48
• 4 混合储能技术在风力发电中应用的仿真研究48-61
• 4.1 引言48
• 4.2 基于永磁同步发电机的风力发电系统建模与仿真48-53
• 4.2.1 风力发电系统模型48-51
• 4.2.2 算例仿真分析51-53
• 4.3 混合储能系统功率和容量配置53-55
• 4.4 风储系统仿真模型55-56
• 4.5 仿真结果与分析56-60
• 4.6 小结60-61
• 5 结论与展望61-63
• 5.1 全文总结61
• 5.2 工作展望61-63
• 参考文献63-67
• 附录 电池部分充放电数据67-70
• 致谢70-71
• 攻读学位期间取得的研究成果71

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