超导磁混合储能在风力发电系统中的研究

摘要

近年来，风力发电系统的不稳定性和难以预测的特性给供电系统带来严重的功率波动，导致系统不稳定，并给国民生产带来极大挑战。配置适当的储能装置，可使功率因数低、振荡大、不稳定的可再生能源变成具有较高价值的电能产品，能源高效利用的同时提高电网消纳风电的能力、缓解新能源发电给电网带来的诸多不利影响。
　　超导磁储能(Superconducting Magnetic Energy Storage，SMES)能够对电力系统中的功率波动进行实时补偿，在靠近故障点处主动致稳，提高供电系统的可靠性。SMES与目前现有的储能技术相比，具有灵活的四象限功率输出、转换效率极高、毫秒单位的响应时间等多方面优势。但由于使用超导带材，且须工作在深冷设备的低温环境中，相比其他储能装置成本昂贵，限制了其在分布式能源中的应用。混合储能技术则为更低的成本与更好的性能带来了新的解决方案。
　　混合储能(Hybrid Energy Storage System，HESS)是功率型储能技术与容量型储能技术优势的融合，通过协调控制不同的储能设备，使其实现响应迅速、功率大、容量充足、协调性好的电能管理。应用于分布式风力发电的混合储能系统，在拓扑结构和控制策略方面，相比传统单一储能系统的集中控制有很大差别。主要原因是储能设备自身具有非线性、多参数耦合、时变的固有属性，而混合储能则更加深了以上属性的复杂程度，鲜有文献考虑上述特征，尤其是存在内、外界不确定干扰的情况。
　　基于以上问题，本文主要对超导磁-蓄电池构成的混合储能系统结构和对应的控制器设计展开理论分析和研究论证。在建立混合储能系统方面，首先，通过分析影响SMES性能的因素，计算出可靠的电磁参数，得到SMES数学模型。然后，研究混合储能系统用于平抑和吸收风电功率波动的作用机制，深入研究超导磁储能和蓄电池储能设备在功率与容量之间的互补关系，对风电系统中储能设备的运行模式进行详尽分析。最后，在保留SMES性能的前提下，分析讨论了储能结构的设计，用以降低SMES在整个系统中所占的比例，进而降低总储能费用，提出了一种两级级联式的超导磁-蓄电池混合储能系统的结构。对于与储能设备适配的控制器，则通过引入针对非线性、时变、耦合和不确定系统的自抗扰控制技术(Active Disturbance Rejection Control，ADRC)，综合考虑了风力发电与混合储能的准确动态模型难以建立，且存在不确定内外扰动的特点，基于自抗扰控制具有较小的超调裕度、快速的收敛特性、以及控制精度高和很强的抗干扰能力，设计并提出一种不依赖于受控对象精确动态模型的充、放电综合控制策略。
　　通过COMSOL Mulitphysics对混合储能系统进行多种物理场仿真，旨在说明该混合方式和级联结构在仿真物理环境下的充/放电、延长储能设备使用寿命等方面均有明显优势。最后，通过MATLAB Simulink研究所提出的混合储能装置在恒压、恒流充电、并网运行和指令计划输出功率的运行性能，并对提高其对风电功率波动的吸收、供电系统存在一定程度波动等情况下对扰动的抵抗能力。并对比分析了多种储能组合交叉组合不同控制策略下的储能系统动态性能，在定量的评价指标体系下给出了相关结论。验证了级联式的超导磁-蓄电池混合储能系统及应用自抗扰控制策略在“风-储-网”系统的应用中，能够改善发输变电和供电系统两大环节的稳定性，缓解各种原因导致的波动。因此，本论文研究内容面向风力发电系统的实际需要，具备良好的理论基础，也可扩展应用于“光伏发电与储能系统”、“风光互补与混合储能”等相关课题的研究。并将为后续研究关于如何提高风电系统的不间断运行能力等研究提供储能方式的理论支持。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 论文研究背景及意义

1．2 储能系统

1．3 混合储能技术

1．4 混合储能系统及控制策略研究现状

1．5 论文的主要研究内容

2 超导磁混合储能系统设计

2．1 超导磁储能系统工作原理及应用特点

2．2 超导磁混合储能系统

2．3 多种储能技术比较及混合方式优势分析

2．3．1 超级电容器

2．3．2 镍氢电池

2．3．3 锂离子电池

2．3．4 钠硫电池

2．3．5 液流电池

2．3．6 铅酸蓄电池

2．3．7 超导磁混合储能系统结构设计

2．4 超导磁-蓄电池混合储能系统建模

2．4．1 超导磁混合储能系统结构设计

2．4．2 超导磁储能系统建模

2．4．3 铅酸蓄电池建模

2．4．4 超导磁混合储能系统建模

2．5 小结

3 超导磁混合储能系统控制策略设计

3．1 混合储能控制策略研究现状

3．2 自抗扰控制技术

3．3 超导磁混合储能系统的自抗扰控制器设计

3．3．1 二阶跟踪微分器设计

3．3．2 三阶扩张状态观测器设计

3．3．3 非线性状态误差反馈律设计

3．4 超导磁混合储能系统的自抗扰综合控制策略设计

3．4．1 超导磁混合储能系统的双闭环控制方案

3．4．2 超导磁混合储能系统的内外环自抗扰控制方案

3．5 小结

4 两级级联式超导磁混合储能结构的物理场仿真验证

4．2 混合储能设备多物理场模型建立与仿真设计流程

4．3 超导磁储能设备三维模型建立与仿真

4．3．1 超导磁储能设备几何模型建立

4．3．2 添加模型的材料属性

4．3．3 主要约束边界方程式

4．3．4 多规格网格剖分

4．3．5 研究步骤

4．3．6 仿真结果与分析

4．4 蓄电池三维模型建立与仿真

4．4．1 添加三维蓄电池的材料属性

4．4．2 三维蓄电池各单元主要方程式

4．4．3 多物理场耦合

4．4．4 三维蓄电池网格剖分

4．4．5 仿真结果与分析

4．4．6 使用SMES前后仿真结果与分析

4．5 本章小结

5 两级级联式超导磁混合储能系统结合风力发电系统的仿真验证

5．1 风力发电系统模型建立

5．2 系统仿真参数

5．3 超导磁混合储能系统工作模式分析

5．4 超导磁混合储能系统充电模式仿真

5．4．1 恒流充电模式

5．4．2 恒压充电模式

5．5 超导磁混合储能系统放电模式仿真

5．5．1 并网工作模式仿真

5．5．2 HESS放电——动态功率补偿

5．6 小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果