全钒液流电池储能系统仿真建模及其应用研究

摘要

随着风力发电的迅速发展，其大规模并网问题日益突出。随着储能技术的日渐成熟，通过对其进行合理有效的控制可平抑风电输出功率波动，改善风电的并网电能质量等，是解决大规模风电并网的有效措施。全钒液流电池作为一种大容量储能装置，具有效率高，可深度充放电，功率与容量可独立设计等优点，在大规模储能领域具有很大的发展潜力。电力系统仿真计算是电力系统运行控制与规划设计的重要依据，而准确的仿真模型是电力系统仿真计算的基础。因此，构建适合于电网仿真计算的全钒液流电池储能系统仿真模型，研究其在风电中的具体应用具有重要的理论和现实意义。
　　本文首先详细阐述了全钒液流电池的工作原理、储能机理及离子扩散作用原理，在归纳总结国内外全钒液流电池建模现状的基础上，提出了一种考虑离子扩散作用的等效电路仿真模型。然后通过对模型进行不同运行状态下的仿真分析，研究了离子扩散作用对电池运行特性、储能容量、充放电循环周期等电池特性的影响。
　　针对全钒液流电池储能系统在风力发电系统中的应用，对DC/DC变换器采用电压外环、电流内环的双闭环控制，DC/AC换流器采用PQ（有功无功）控制的并网控制策略。基于Matlab/Simulink数字仿真平台构建完整的全钒液流电池储能系统详细数字仿真模型，通过仿真实验验证了该系统及其并网控制策略的正确性和有效性。将此全钒液流电池储能系统用于平抑风电出力的波动，选择基于高通滤波原理的平抑控制策略，采用张北风光储示范工程实际风电运行数据进行仿真检验，验证结果表明模型具有良好的平抑效果。
　　通过对全钒液流电池储能系统进行一系列稳态和暂态特性仿真分析，提出了既能准确模拟全钒液流电池储能系统对外等效特性又能满足电网仿真计算需求的全钒液流电池储能系统的机电暂态模型——基于U-R-L的等值电路的二阶动态微分方程等效模型。通过不同电压扰动强度下的仿真建模比较分析，验证了该等效模型的有效性、泛化能力、参数稳定性及其对典型控制策略的适应性。最后通过建模实践检验了等效模型对工作原理类似的电池储能系统的适用性和描述能力。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 风电与储能技术

1．2．1 风力发电现状及并网问题

1．2．2 储能技术分类及性能对比

1．2．3 储能技术在风力发电中的应用

1．2．4 全钒液流电池储能技术应用研究现状

1．3 储能系统建模研究现状

1．3．1 储能电池建模研究概况

1．3．2 储能系统等效建模研究概况

1．4 本文的主要研究内容

第2章 全钒液流电池建模与仿真

2．1 全钒液流电池的工作原理及特点

2．1．1 全钒液流电池的工作原理

2．1．2 全钒液流电池的主要技术特点

2．2 全钒液流电池建模

2．2．1 全钒液流电池等效电路模型

2．2．2 全钒液流电池的离子扩散作用

2．2．3 考虑离子扩散的等效电路建模

2．3 全钒液流电池模型仿真分析

2．3．1 开路特性仿真分析

2．3．2 循环充放电特性仿真分析

2．3．3 暂态特性仿真分析

2．3．4 分析与讨论

2．4 本章小结

第3章 全钒液流电池储能系统的并网控制及应用

3．1 全钒液流电池并网结构

3．2 DC／DC变换器工作原理及控制方式

3．2．1 DC／DC变换器的工作原理

3．2．2 DC／DC变换器的控制策略

3．3 DC／AC换流器原理及控制方式

3．3．1 DC／AC换流器的工作原理

3．3．2 换流器的数学模型

3．3．3 三相换流器的控制策略

3．4 全钒液流电池储能系统仿真分析

3．5 储能系统在平抑风电出力波动中的应用

3．5．1 风储系统的结构

3．5．2 平滑风电波动的控制策略

3．5．3 实例仿真

3．6 本章小结

第4章 全钒液流电池储能系统综合等效建模

4．1 全钒液流电池储能系统的等效描述模型

4．1．1 全钒液流电池储能系统的动态特性

4．1．2 全钒液流电池储能系统等值电路模型

4．1．3 全钒液流电池储能系统等值数学模型

4．2 模型的检验

4．2．1 模型参数辨识方法

4．2．2 模型的描述能力

4．2．3 模型的泛化能力

4．3 模型适用性讨论

4．3．1 模型对不同电池储能系统的适用性

4．3．2 模型对不同并网控制策略的适用性

4．4 本章小结

结论与展望

本文的主要研究内容和成果

后续工作展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术成果目录

附录B 攻读学位期间参与的科研项目