1、华中科技大学硕士学位论文储能技术在微网中的应用研究姓名：冯光申请学位级别：硕士专业：脉冲功率与等离子体指导教师：李敬东20090526华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要随着材料技术的不断进步与电力电子技术的飞速发展，储能设备的容量、响应速度、能量密度以及效率等各个性能指标都得到了极大的提升，储能设备的性能随之有了很大的改善。现代控制理论的发展，使得储能设备的控制更加方便和灵活，因而使得其应用空间得到了很大的扩展。本文对储能设备应用于微网的途径、功能及其可行性进行了研究。首先，本文研究了微网的原理和结构，总结了微网对于其各部分的技术要求，阐述了其对于解决电力系统现存问题的重要
2、意义，分析了储能技术在微网中的重要地位，从而建立起储能技术在微网中应用研究的整体认识，介绍了储能技术的发展现状，比较了各种储能技术的优缺点。其次，本文介绍了储能技术的原理和功能，在比较不同储能设备共同点的基础上，建立了储能系统的统一模型。本文研究了储能系统作为微电源和储能装置两种职能在微网中的应用及其可行性，得到了储能系统在微网中的应用模式及完全可行的结论，设计了相应的控制系统并研究了微网中储能系统容量大小的选择以及不同储能装置间的配合。最后，本文以 SMES 为例，在 MATLAB 提供的仿真工具 SIMULINK 平台下，对储能系统在微网中的具体应用进行了的仿真分析研究。本文进行了超导带材
3、性能试验，研究了 SMES 的性能，建立了微网中 SMES 的模型及控制系统，对 SMES 改善负荷端电压和抑制微网功率振荡两个应用途径进行了仿真分析，研究了 SMES 参数对其改善电能质量的影响，评估了 SMES 在微网中应用的效果，得出了 SMES 可以很好地在微网中发挥作用的结论。关键词：微网 储能技术 SMES 功率振荡I华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ABSTRACTWith the constant progress of material technology and the rapid development of powerelectronic technol
4、ogy, various performance indexes for an energy storage device such as thecapacity, the response speed, the power density and efficiency, etc. have made greatprogress, so the properties of energy storage device gets great improvements. Thedevelopment of modern control theory makes the control of ener
5、gy storage device easierand more flexible and the application field of energy storage device becomes more widely.In this paper, the ways, functions and feasibility of energy storage devices applied inmicrogrid are studied. Firstly, this paper studies the principle and structures of microgrid and sum
6、marizestechnical requirements of each part of a microgrid and expounds the significance ofmicrogrid in solving the existing problems of power system. This paper also analyzes theimportantance of energy storage technology in microgrid, and gaves a detailed descriptionof energy storage device applied
7、in microgrid. The present development of energy storagetechnology is introduced and the advantages and disadvantages of various energy storagetechnologies are compared.Secondly, this paper studies the principles and structures of energy storage technologyand sets up unified models of energy storage
8、system based on comparing the commonpoints of different energy storage devices. This paper studies the applications and feasibilityfor an energy storage system to be used in microgrids as micro power sources and energystorage devices, and gaves the application patterns of energy storage system used
9、inmicrogrid and achieves a conclusion that there is no problem for an energy storage systemto be used in microgrid. This paper designs the correspongding control system and studiescapacity selection of energy storage system in microgrid and matching between differentenergy storage devices.II华 中 科 技
10、大 学 硕 士 学 位 论 文 Finally, taking SMES as an example, the energy storage system applied particularly inmicrogrid is tested by digital simulation in the environment of MATLAB/Simulink. Thispaper tests the properties of superconducting tapes and studies the properties of SMES andbuilds the SMES models a
11、nd control systems. This paper studies how SMES can improve the voltage at the load terminal and how SMES can inhibit power oscillations in Microgrid by digital simulation. In this paper, the impacts of SMES parameters on Power Qualityimproving are studied, the effect of SMES application in microgri
12、d is evaluated and we geta conclusion that SMES could be used in microgrid very well.Keywords: Microgrid Energy Storage Technology SMES Power OscillationIII独 创 性 声 明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担
13、。学位论文作者签名：年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保 密，在_年解密后适用本授权书。本论文属于不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名： 指导教师签名：年 月 日 年 月 日华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1.1 引言1 绪 论近年来，随着国民经济的发展，电力需求迅速增加，电力建设迅猛发展，现代电力
14、系统己经形成了具有大机组、大容量、超高压、远距离、重负荷、交直流联合输电和新型负荷等特点的超大规模电力网络。但是，随着电网规模的不断扩大，超大规模电力系统的弊端也日益凸显：首先，电网建设没能随着用电负荷增加而同步发展，造成远距离输电线路的输送容量增加，导致电网运行的可靠性下降，抗灾性不强。我国电网 2008 年初雪灾期间的大面积停电事故，使得电网的脆弱性充分暴露出来 1。其次，大电网互联模式下，局部扰动可对整个电网运行造成极大冲击，严重时会使系统崩溃，而且集中式大电网不能灵活跟踪电力负荷的变化，造成极大的安全隐患。为 解 决 大 电 网 存 在 的 问 题 ， 各 国 发 展 了 分 布 式
15、发 电 技 术 DG （ DistributedGeneration）2-5 。即在配电网建立单独的发电单元对重要负荷供电，并通过 PCU（Power-conditioning Unit ）和外网进行能量交换。分布式电源位置灵活、分散的特点极好地适应了分散电力需求和资源分布，其与大电网互为备用改善了供电可靠性 6。分布式电源尽管优点突出，但也存在诸多问题。分布式电源对于大电网是不可控源，为减小其对大电网的冲击，大系统往往采取限制、隔离的方式处理分布式电源。IEEEP1547 规定了分布式电源的入网标准：当电力系统发生故障时，分布式电源必须马上退出运行。这大大限制了分布式能源效能的充分发挥。为协
16、调大电网与分布式电源间的矛盾，人们提出了微网的概念。微网由分布式电源、分布式储能和能量管理模块构成负荷的供电系统，与负荷一起组成一个独立可控系统，完全解决了大电网与分布式电源间的矛盾。储能系统是调节微电源性能，保证负荷供电质量的重要环节，因此研究储能技术在微网中的应用具有十分重要的意义。1华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1.2 微网技术概述及意义1.2.1 微网技术（1）微网定义及要求国际上有多种微网的定义7-11。2009 年 3 月 26 日至 27 日，在国网电力科学研究院召开的“微网技术体系研究”第一次工作会议将微网定义为：微网是以分布式发电技术为基础，以靠近分散型资源
17、或用户的小型电站为主，结合终端用户电能质量管理和能源梯级利用技术形成的小型模块化、分散式的供能网络。微网是智能电网的重要组成部分，能实现内部电源和负荷的一体化运行，并通过和主电网的协调控制，可平滑接入主网或独立自治运行，充分满足用户对电能质量、供电可靠性和安全性的要求。综合各国对微网的研究，并结合我国电网的实际情况，我们可以得到一些微网的要求与规范。能量来源主要为可再生能源；系统容量为 20 kW10 MW；网内用户配电电压等级为 380 V 或包括 10.5 kV；如与外网进行能量交换，电压等级由微网的具体应用等情况而定。（2）微网的基本结构微网可以满足一片电力负荷聚集区的能量需要，其基本结
18、构12如图 1.1 所示。微网络主分离器PCC网络要求 能量管理器ABC保护协调器潮流控制器分隔器（断路器）光伏电池敏感负荷热负荷可中断负荷可调节负荷微型燃 燃料气轮机 电池电力传输线 信息流线图 1.1 微网示意图2保护信息传输线华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 1.1 包括 A，B，C 三条馈线及一条负荷母线，网络结构为辐射状。馈线通过主分隔装置与配电系统相连，可实现孤岛运行与并网运行模式间的平滑切换。图 1.1 展示了微型燃气轮机、燃料电池和光伏发电等微电源形式。微网中配有能量管理器综合分析控制整个微网，并配有潮流控制器就地控制微电源。当负荷变化时，潮流控制器根据本地电
19、压和频率进行潮流调节，微电源则相应增加或减少其输出功率来保持功率平衡。图 1.1 展示了三种微电源供电方案。采用光伏电池为连接在馈线 A 上的敏感负荷供电；采用燃料电池和微型燃气轮机混合为馈线 C 上的可调节负荷供电；没有配置专门的微电源为馈线 B 上的可中断负荷供电，而是直接由配电网供电。这样，敏感负荷和可调节负荷均采用双源供电模式，当配电网故障时，馈线 A ，C 上的静态开关会快速动作使重要负荷与故障隔离且不间断向其正常供电。对于馈线 B 上的可中断负荷则视情况处理，必要时将其切除。图 1.1 只是微网结构的一种形式，具体的结构随负荷等方面的需求而不同。但基本单元应包含微电源、储能装置、能
20、量管理系统以及负荷。（3）微电源和储能微电源是微网中重要的组成部分。微网控制器反应时间为毫秒级，采集本地信息（母线电压与频率）控制微电源。我们将电源分成三种基本大类13：1）直流电源：蓄电池、太阳能电池、燃料电池、及储能电容器等，并网方式如图 1.2。Vdc电压型燃料电池 逆变器母线 交流母线Vdc电压型逆变器(1) 燃料电池L-C滤波器光伏电池 升压电路 电压型逆变器 逆变器母线 L-C滤波器 交流母线（2) 太阳能电池图 1.2 直流逆变电源3华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2）交直交电源：如微轮机，其发出的交流电需要整流然后逆变，因为微轮机等发出的都是高频电能，需要通过交
21、直交转换为工频电能，如图 1.3。Vac整流器 升压电路 电压型逆变器逆变器母线 L-C滤波器交流母线图 1.3 交直交电源3）工频交流电源：以鼠笼式感应电机为主的风力发电机和小功率同步发电机。由图 1.1，图 1.2，图 1.3 我们可以看到，这些分布式微电源的机端电压或为直流电压，或为高频电压，不能直接接入电网，需经过逆变器等功率变换器件，使电压幅值、频率、相位与电网参数相匹配后再并入电网，同时可利用功率变换器件的可控性来实现不同的控制方式。因此，我们可以得到微电源模块简化图如图 1.4 所示。分布式电源TV整流器 逆变器 TAPLL输入转矩调节励磁调节图 1.4 微电源模块简化图定功率控
22、制定电压控制微网中微电源模块的控制方式主要有 2 种：定功率控制和定电压控制14。在定功率控制方式下，分布式电源向系统注入额定数值的有功和无功功率，如图 1.5 所示。在定电压控制方式下，逆变器利用反馈电压以调节交流侧电压来保证电压的稳定，如图 1.6 所示。图 1.5，图 1.6 中，TV 为电压互感器，TA 为电流互感器，P def 和 Qdef 为输出有功和无功的整定值，Ud-def 为电压控制的整定值， PLL 为锁相环。4华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 +PdefQdef+_+PIPIIddqabc_PWM发生器逆变器sin,cosTVTAPLLIqUddqdqabc
23、abcIabcsin,cosUabcUd-def_+0PIUd图 1.5 恒定输出功率控制原理图dq PWMabc 发生器dqabc图 1.6 恒定电压控制原理图逆变器sin,cosUabcTVPLL微网中，电源总供给功率和负荷总需求功率都是动态变化的，并不是每刻都能达到供需平衡。当电源总发电功率与负荷总需求功率不平衡时，则由储能系统吸收系统多余的能量或释放能量弥补系统能量的不足。因此，储能系统在微网中是必须的，如果没有了储能系统，微网就不能在自治运行时达到安全、高效、可靠的要求，也就不能尽可能的接入分布式电源和向负荷供给高质量的电能。如今，储能方式有许多种，各种方式的性能也是各异。需要研究根
24、据系统稳定的需求来选择储能方式。（4）微网的运行模式外部无故障时，微网与主网（配电网）连接，这种运行状态称为联网运行。外部故障时，微网与主网解列，这种运行方式称为孤岛运行。联网运行时，微网中负荷的5华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 能量由主网提供。孤岛运行时，主网无法再为微网提供能量，则微网中的微电源开始工作，以保证微网中重要负荷的供能。1.2.2 微电网国内外研究现状微网提出后，各国都积极对其展开了研究并取得了一定的成果。美国威斯康辛大学于 2003 年建成了一个总容量约为 80kVA 的微网实验室。劳伦斯伯克利国家实验室和橡树岭国家实验室主要开展了微网能量管理系统（EMS）的
25、研究。 2005 年，美国能源部提出了微网研究发展的路线图。在欧洲，欧盟七个国家、十四个组织合作开展了自 2002 年启动至 2005 年结束的MicroGrid 计划，资助金额达 4.5M 欧元，继而开展了有 11 个国家、22 个组织参与的More MicroGrid 计划，资助金额达 8M 欧元。德国太阳能研究所（ISET）建成的微网实验室规模最大，容量达 200kVA，并安装了简单的能量管理系统。日本在 The New Energy and Industrial Technology Development Organization（NEDO）组织下，将建设 Kyoto Project
26、, Aichi Project, Hachinohe Project 等微网项目。表 1.1 列出了一些国外的微电网研究成果15-19。表 1.1 国外微网研究比较研究机构 建立时间 系统容量 电压等级 能源芬兰 Fampere 工业大学希腊雅典工业大学欧盟微电网实验室20052002200296 kW80 kW210 kW400 V400 V400 V太阳能电池、蓄电池微燃机、太阳能电池、燃料电池、飞轮储能燃料电池、微燃机、飞轮储能、蓄电池加拿大多伦多大学 2005 7.5 MW 13.8kV/480 V 柴油/汽轮机目前，我国对微网也很重视，很多学校和研究机构开展相关的理论研究工作。200
27、9年 3 月 26 日至 27 日，在国网电力科学研究院召开了“微网技术体系研究”第一次工作会议。来自国网电力科学研究院、中国电力科学研究院、中国科学院电工研究所、清华大学、华中科技大学、河海大学、东南大学到课题负责人及相关人员与会讨论了微网定义以及一些基础理论，中国对于微网还处于概念设计的层次。6华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1.2.3 微网的意义与前景微网从系统观点看问题，将发电机、负荷、储能装置及控制装置等结合，形成一个单一可控的单元，同时向用户供给电能和热能。微网既可与大电网联网运行，也可在电网故障或需要时与主网断开单独运行。它扮演双重角色：对于公共电力，微网可看作电
28、力系统可控的“细胞”，如：它可被控制为一个可调度负荷，在数秒内做出响应以满足传输系统的需要；对于用户，微网可作为一个可定制电源来满足用户多样化的需求，如：支持当地电压，增强局部供电可靠性，作为不可中断电源，或提供电压下陷的校正等。微网具有灵活的可调度性且可适时向大电网提供有力支撑。在接入问题上，微网的入网标准只针对微网与大电网的公共连接点（PCC），而不针对各个具体的微电源。微网不仅解决了分布式电源的大规模接入问题，充分发挥了分布式电源的各项优势，还为用户带来了其他多方面的效益。微网具有可靠性高，污染少，安装地点灵活，能源利用率高等优点，有效解决了大型集中电网的许多潜在问题。无疑，微网将成为未
29、来大电网的有效支撑和有力补充，是未来电力系统的发展趋势之一。1.3 储能技术概述及意义到目前为止，人们已经开发了多种形式的储能方式，主要分为化学储能和物理储能20。化学储能主要有蓄电池储能和电容器储能，物理储能主要有飞轮储能、抽水蓄能、超导储能和压缩空气储能。1.3.1 储能技术的种类和特点（1）飞轮储能技术飞轮储能技术是一种机械储能方式。近年来，由于电力电子学、高强度的碳纤维材料、低损耗磁悬浮轴承三方面技术的发展，飞轮储能得以快速发展21。图 1.7 是飞轮储能的原理图22，外部输入的电能通过电力电子装置驱动电动机旋转从而带动飞轮旋转将电能储存为机械能；当需要释放能量时，飞轮带动发电机旋转，
30、将动能变换为电能，电力电子装置将对输出电能的频率和电压进行变换以满足负载的要求。飞轮储能基本结构一般由 5 个部分组成：飞轮转子、轴承、电动机/发电机、电7华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 力转换器、真空室。另外，飞轮储能装置中还必须加入监测系统以监测飞轮的位置、电机参数、振动和转速、真空度等运行参数。能量电力电子输入设备电动机 飞 轮发电机电力电子输出设备 能量输入 电能 机械能图1.7 飞轮储能原理图电能 输出由于飞轮储能具有寿命长、效率高、高储能量、充电快捷、充放电次数无限、建设周期短、对环境无污染等优点，故其在微网中有着广阔的应用前景。在风电中，将飞轮电池并联于风力发电系
31、统直流侧，利用飞轮电池吸收或发出有功和无功功率，能够改善输出电能的质量23。文献24利用飞轮电池充当孤岛型风力发电系统中的电能储存器和调节器，有效地改善了电能质量，解决了风力发电机与负载的功率匹配问题。此外，作为一种蓄能供电系统，飞轮储能在潮汐、地热、光伏发电等方面都具有良好的应用前景。（2）超导磁储能技术超导磁储能系统（SMES）利用由超导线圈把电网供电励磁产生的磁场能量储存起来，需要时再将储存的能量送回电网或作它用。SMES 通常包括置于真空绝热冷却容器中的超导线圈、控制用的电力电子装置以及真空汞系统。超导磁储能与其他储能技术相比具有能量效率高，可长期无损储存能量，能量释放快，可方便调节电
32、网电压、频率、有功和无功功率等显著优点。电力电子技术和高温超导技术的发展促进了超导磁储能装置在电力系统中的应用。SMES 灵活的四象限调节能力和快速的功率吞吐能力，使得它可以有效地跟踪电气量的波动，提高系统的阻尼。文献25 提出使用超导磁储能单元稳定风力发电机组输出的电压和频率。文献26针对风电场的风速扰动，提出采用电压偏差作为 SMES 有功控制器的控制信号的控制策略。各种研究表明，SMES 装置在改善风电场稳定性方面具有优良的性能。目前 SMES 在电力系统中的应用包括：电压稳定、频率调整、负荷均衡、动态稳定、暂态稳定、输电能力提高以及电能质量改善等方面。8华 中 科 技 大 学 硕 士
33、学 位 论 文 （3）蓄电池储能技术蓄电池储能系统（BESS）由电池、直- 交逆变器、控制装置及辅助设备（安全、环境保护设备）等部分组成，目前在小型分布式发电中应用最为广泛。根据所使用化学物质的不同，蓄电池可以分为铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等。锂离子电池以其体积小、工作电压高、储能密度高（300400 kWh/m 3）、循环寿命长、充放电转化率高（90%以上）、无污染等特点而受到重视和欢迎。另外，近些年研究开发的新型蓄电池如 NaS 电池、液流电池等性能更加优越，更适合于大规模储能应用27。蓄电池储能在电力系统中还可用来频率控制和调峰。为了提高电网抵御停电事故的能力，美国阿拉斯加
34、电网安装了 1 台可提供功率峰值达 26.7MW 的在线蓄电池储能系统，能使系统大停电的可能性减小 60%以上。（4）超级电容器储能技术超级电容器（Super capacitor）作为一种新兴的储能器件，使用特殊材料制作电极和电解质，其存储容量是普通电容器的 201000 倍，但又保持了能量释放快的特点。根据不同的储能原理，超级电容器分为两类：电化学电容器（EC ）和双电层电容器（DLC）28。与飞轮储能和超导储能相比，超级电容器在工作过程中没有运动部件，维护工作极少，可靠性非常高，使得它在小型的分布式发电装置中应用有一定优势。目前，超级电容器已经不断应用于诸如边防哨所、高山气象台等的电源供应
35、场合。（5）其他储能技术除了上述的几种储能方式外，在电力系统中应用较多的储能方式还有抽水蓄能、压缩空气储能等。抽水蓄能在现代电网中大多用来调峰，在集中式发电中应用较多。压缩空气储能是一种调峰用燃气轮机发电厂，对于同样的电力输出，它所消耗的燃气要比常规燃气轮机少 40%。这些储能方式在分布式发电中应用不多。表 1.2 是各种储能方式的性能比较2729。表 1.3 是各种储能方式的研究现状。9华中科技大学硕士学位论文 10表1.2各种储能技术的比较储能类型初次使用时间能量密度kWh m -3功率密度kWm-3效率 %最小单位容量 kW h 寿命年年平均化成本 (Wh) -1优点缺点应用方向抽水蓄能
36、1882708550容量大成本低场地特殊 时间特别日负荷调节，频率控制和系统备用飞轮储能1999424.01766.8904.030180响应速度快 高能量密度高成本电能质量调节，调峰，频率控制，UPSSMES19951781000.09550030200容量大响应快高成本UPS， 电能质量调节，输配电系统稳定性超级电容器200253176700941.03085高功率密度低能量密度电能质量调节铅酸电池19857.07106920.5825投资低低寿命，低能量密度电能质量，可靠性，频率控制，黑启动，UPS锂离子电池2005212212885.07120容量大，能量密度高高成本，需特殊充电回路各
37、种应用钠硫电池2008243.7530.0885.0785容量大，能量密度高安全顾虑，高成本，低寿命 电能质量，可靠性，黑启动，频率控制，UPSMH-Ni电池2000176.7530.0921.0880容量大高制造成本电动机车等领域华中科技大学硕士学位论文 11表1.3各种储能技术的研究现状储能类型分类响应速度容量/ 功率限制因素 主要研究国家应用实例国内情况飞轮储能超导磁悬浮、电磁悬浮、永磁悬浮和机械支撑四种。以超导磁悬浮为多，各方面性能亦最好0.001s放电持续时间为5s-15min，典型功率额定为5kW-1.5MW轴承材料技术 亟需突破，制作成本亟需降低德国、美国 日本、英国美国V is
38、 taT ech Engineer公司将飞轮引入风力发电系统，储能277kWh，发电功率为300kW华北电力大学、中国科学院电工所，华中科技大学、清华大学均研制成功样机SMES以所用变流器的拓扑结构分为电流型和电压型两种0.001s放电持续时间为5s-5min，典型功率额定为10kW-1MW超导带材技术 亟需突破，制作成本亟需降低美国、日本 英国、法国2002-2004年，美国超导公司在田纳西州安装8 台3MJ/8MW的SMES 以维护该地区电压稳定华中科技大学和中科院电工所均研制出样机超级电容器根据电极材料的不同可分为碳类和金属氧化物超级电容器ms级放电持续时间为5s-6min，典型功率额定
39、为千瓦到兆瓦级电极材料技术亟需突破美国、日本、俄罗斯、瑞士、韩国、法国2005年美国加利福尼亚建造了一台450kW 超级电容器储能装置以抑制950kW风力发电机组输送到电网的功率波动2005年中科院电工所研制成功用于光伏发电系统的300Wh/1kW 超级电容器储能系统的研究开发蓄电池储能技术铅酸电池、纳硫电池、钠盐电池、液流电池。以纳硫性能为最好s 级放电持续时间为1min- 数小时，典型功率为千瓦到兆瓦级所用材料亟需突破澳大利亚、英国、日本英国正采用PSB 电池建设一座15MW/120MW.h 的储能电站中科院大连化学物理研究所开发千瓦级多硫化钠/溴液流电池华 中 科 技 大 学 硕 士 学
40、 位 论 文 1.3.2 分布式储能的优点分布式储能具有如下优点：分布式储能系统是模块化的，灵活性好，可快速组装，现场安装费用低，容易实现多功能。分布式储能系统有助于减少主力电厂以及分布式发电设备的化石燃料消耗和废弃排放，因而不会增加电力系统在环境保护方面的压力。分布式储能系统一般具有更高的响应速度和能量转换效率。采用分布式储能系统可以提高现有发电设备和输电设备的利用率和运行经济性。1.3.3 储能技术的作用及意义储能技术可解决电能供需不平衡问题，目前在电力系统中主要起电力调峰、提高系统运行稳定性和提高电能质量的作用。各种形式的储能电站可根据电网负荷的变化改变运行方式向电网释放或吸收电能，对负
41、荷实施削峰填谷以减少系统输电网络的损耗，获取经济利益。储能电站用于用户侧，可提高电能质量，增强系统可靠性。分布式储能系统可以三种方式帮助为用户可靠供电：关键时刻辅助供电或者传输电能。调节供电负荷需求。供电中断，为用户供能。分布式储能在增强系统运行稳定性和提高电能质量方面具有更大的优势，按照系统运行的要求布置储能装置，可得到更好的控制效果。1.4 本文的主要工作综上所述，本课题主要对储能技术应用于微网进行基础性探索研究，研究工作集中在微网理论分析、储能技术在微网中应用途径及可行性研究和 SMES 在微网中应用仿真分析三个方面：（1）微网理论分析详细介绍了微网技术的结构、功能及工作模式，分析了其产
42、生的意义和前景。本文对微网中的微电源进行了归类，分析了其工作模式与控制方法，总结了微网对微电12华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 源和储能技术的要求。（2）储能技术在微网中应用途径及可行性研究介绍了储能技术的原理和功能，在比较了不同储能设备共同点的基础上，建立了储能系统的统一模型。研究了储能系统作为微电源和储能装置两种职能在微网中的应用及其可行性，给出了相应的储能装置的控制方式并研究了微网中储能系统容量的选择及不同储能装置间的配合。（3）SMES 在微网中应用仿真分析进行了超导带材性能试验，研究了 SMES 的性能，建立了微网中 SMES 的模型及控制系统，对 SMES 改善负荷
43、端电压和抑制微网功率振荡两个应用途径进行了仿真分析，研究了 SMES 性能参数对其改善电能质量的影响，评估了 SMES 在微网中应用的效果，得到了 SMES 完全可以在微网中得到很好应用的结论。本论文的主要工作安排如下：第一章概述了电力系统现状和面临的问题，阐述了微网技术及其现状以及微网对于解决上述电力系统面临问题的意义，介绍了储能技术原理及其在微网中的功能与作用，对各种储能技术进行了比较。第二章研究通过比较储能装置的共同点建立了储能系统的统一模型，对储能装置在微网中的应用途径及其可行性进行了深入的研究，研究了储能系统作为微电源和储能设备两种职能的应用模式并研究了相应的控制系统，最后对微网中储
44、能系统容量的选择和储能装置间的配合进行了研究。第三章介绍了超导磁储能系统（SMES）的储能原理、结构及结构框图，进行了超导带材性能试验，研究了 SMES 性能，建立了微网中 SMES 的模型，设计了微网中 SMES 的控制系统。第四章利用 MATLAB7.5 中 SIMULINK 仿真平台，对 SMES 改善负荷端电压和抑制微网功率振荡两个作用进行了仿真分析，研究了 SMES 参数对其改善电能质量的影响，得到了 SMES 可以很好地发挥自己的作用，提高微网可靠性和有效性的结论。第五章对全文进行了总结，概括了本论文的主要工作以及研究成果，提出了今后有待进一步开展的工作并给出了相关建议。13华 中
45、 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 储能技术在微网中的应用原则2.1 引言储能系统作为微网的重要组成部分，通过快速的电能存取，能够调节微网中功率分布、平衡微网中的电能供需、改善用户侧电能质量、提高微网应对突发事件能力和微网运行稳定性，特别是为微网最大可能地接纳分布式电源的接入提供了保障。因此，研究储能技术在微网中的应用是非常必要和有意义的。随着电力电子学、材料学等学科的发展，储能技术得到一定程度的发展，人们开发了多种形式的储能方式。各种储能方式结构各有特点，控制方式也多种多样，人们也多针对某一种储能技术在微网中的某一具体应用进行了研究，无法评估储能技术在微网中应用的效果。所以，本章将
46、分析各储能装置，统一储能系统模型，形成储能技术在微网中的应用原则。2.2 储能系统模型建立2.2.1 储能装置共同点在原理结构上，1.3.1 节所介绍的四种主要储能技术，飞轮储能技术、超导磁储能技术、蓄电池储能技术及超级电容器储能技术有以下相似之处。（1）从结构上讲，均由储能部分（无论化学能、磁能、机械能）、变流部分、控制部分组成，如图 2.1 所示。能量输入储能部分（化学能、磁能、机械能等）控制部分 电力电子输 出设备各种形式的电 能输出图 2.1 储能部分示意图（2）从功能角度而言，根据不同用途，均可看作可以提供任意电压和频率的电压源，任意电流和频率的电流源以及任意无功和有功的功率源。14
47、华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 （3）微网中，它们主要可用作两个用途：作为微电源为敏感负荷供电和作为储能装置平衡系统功率。提高电能质量表现为稳定电压和调整频率两个方面。2.2.2 储能装置的简化模型根据模型输出变量的不同，储能装置暂态稳定分析计算模型可分为三种如图 2.2所示：电压源型（包括串联电压源型和并联电压源型）、功率源模型和电流源模型。Zlinei j ZlinePL , QL Pes , Qes（1）功率源型ZlineIes（3）电流源型ji Ves（2）串联电压源型ZlineiZesVes（4）并联电压源型jj（1）电压源模型图 2.2 储能装置的简化模型在电力系统
48、分析中，储能装置可以等效为受控电压源，如图 2.2（2）所示。& pSET+ jQSET*V&es=Vsys+Z (式中，Z 是链接变压器阻抗。（2）功率源模型&Vsys) （2.1）功率源模型通常用一阶延迟环节表示，如图 2.2（1），时间常数为功率响应延时和控制环节延时之和。Pes= Kp1 +pPSET， Qes=15KQ1 + T SQQSET（2.2）华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 式中，Kp、Kq 分别为有功和无功功率响应的增益系数，Tp、T q 为对应的功率响应延时，Pes、Q es为储能系统向系统输出的有功及无功功率。（3）电流源模型VSC 型储能系统的电流源模
49、型如图 2.2（3）所示，根据节点功率方程，注入电流的相量表达式如下。&pSET+ jQSET*I es=( &Vsys) （2.3）功率源模型和电流源模型使用起来较为简便，本文将采用功率源模型分析储能装置在微网中的应用，以串联电流源型形式接入系统进行暂态仿真计算，既能反应储能系统的动态特性，又保证了接入系统的计算精度。文献30指出，无论电压型还是电流型的储能系统都可进行解耦控制，使得其具有独立四象限调节有功功率和无功功率的能力，均可采用如下动态模型表示：Pes=-1T 11Pes+ 1T 11u1（2.4）Qes=- Qes+ u 2 T 2 T 2其中，P es和 Qes分别为储能系统向系统注入的有功和无功功率， u1，u 2为储能系统的控制量，分别控制储能系统向系统注入的有功和无功功率，T1，T 2 为储能系统的惯性时间常数，由系统的具体参数决定。2.3 储能装置在微电网中的应用途径及其可行性研究通过第二章对微电网技术的研究，储能装置可以作为微电源和储能设备在微电网中应用。2.3.1 储能装置作为微电源的应用作为微电源，储能装置可以作为可控电流源或可控电压源使用，如图 2.2 所示。无论何种储能技术，我们均可采用
