含镍氢电池的储能系统仿真建模及其应用研究

摘要

近年来，随着对可再生能源的利用开发，越来越多的可再生能源分布式发电接入电网。然而，以风能、太阳能为代表的可再生能源，具有不稳定，不连续，随着时间、季节、气候而显著变化的特点，其发电出力有很强的随机性和间歇性。当这些能源发电设备在电网中所占比例变大时，将对同步系统产生一定的冲击。若是在风能和太阳能等可再生能源发电设备中配置一定容量的储能装置，将极大的解决其出力随机性和间歇性带来的负面影响。所以本文以镍氢电池储能系统的建模与控制策略作为研究对象。
　　本文首先对镍氢电池的工作原理和充放电特性进行了详细的介绍，针对传统的阻容等效电路模型不能直观反映电池内部的极化现象，提出了一个带衰减因子的分段数学模型。考虑到很多电池模型没有考虑到影响电池性能的因素，在这基础上，进一步对温度、充放电速率、自放电、循环使用次数等影响因素进行研究，得到温度和充放电速率是影响镍氢电池性能的主要因素等一系列结论。通过对模型参数的修正，建立了一个考虑综合影响因素的镍氢电池等效电路模，文中给出了电池参数的辨识方法。针对镍氢电池的阻容模型，对模型参数进行灵敏度分析，提取影响模型性能的主要参数，为模型的优化提供依据。
　　针对镍氢电池成组不一致性的问题，分析了电池组不一致性的具体表现形式及形成原因，并考虑了影响电池组不一致性的可能因素。在理论分析的基础上，建立了使用寿命与不一致性的数学模型，引入数理统计的相关知识，描述电池组电压与SOC之间的关系。这为镍氢电池组模型建立提供依据，也为电池组均压技术提供理论参考。
　　介绍了储能系统的整个结构框架，在这个基础上对双向DC/DC变换器和双向DC/AC交流器的拓扑结构和工作原理分别进行了详细介绍。根据镍氢电池储能系统的实际应用场合，设计了双向DC/DC变换器的电流内环电压外环的控制方式;双向DC/AC变流器采用PQ控制方式。在Matlab/Simulink平台上建立了镍氢电池储能系统模型。采用一阶RC低通滤波器的控制原理，将模型应用于平抑风电输出功率波动上，基于张北风光储基地风机数据，分别从平抑效果和经济性的角度考虑，给储能系统配置一定的功率及容量，最后在Matlab/Simulink仿真平台上进行验证，并取得了良好的效果。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 可再生能源发电并网研究现状概述

1．2．1 可再生能源发电

1．2．2 可再生能源发电并网的优势

1．2．3 可再生能源发电并网的主要问题

1．3 储能技术研究现状

1．3．1 储能技术在分布式发电中的应用

1．3．2 储能技术分类

1．4 论文主要工作及章节安排

第2章 镍氢电池工作原理及其建模

2．1 镍氢电池的工作原理及特点

2．1．1 镍氢电池的结构及化学反应原理

2．1．2 镍氢电池的性能指标

2．1．3 镍氢电池的充放电特性

2．2 电池的数学模型

2．2．1 几种常见的等效电路模型

2．2．2 常见模型的缺点

2．3 一种带衰减因子的分段函数等效电路模型

2．3．1 分段数学模型及其电路分析

2．3．2 等效电路模型参数辨识

2．4 影响电池性能的因素及模型修正

2．4．1 环境温度

2．4．2 充放电倍率

2．4．3 电池寿命

2．4．4 自放电

2．4．5 模型的仿真与验证

2．5 阻容模型灵敏度分析

2．6 本章小结

第3章 镍氢电池成组不一致性研究与建模

3．1 电池组连接可靠性

3．1．1 电池组连接可靠性理论

3．1．2 电池组连接可靠性计算

3．2 电池组不一致性分析

3．2．1 电池组不一致性的表现

3．2．2 电池组不一致性的形成原因

3．3 电池组不一致性对电池性能的影响

3．3．1 电阻不一致性

3．3．2 容量不一致性

3．4 电池组不一致性影响因素分析

3．4．1 电流的影响

3．4．2 温度的影响

3．5 不一致性对电池组使用寿命的影响分析

3．5．1 电池组的容量衰减原因分析

3．5．2 不一致性与电池组使用寿命的数学模型

3．6 电池组电压不一致性发展规律分析

3．6．1 电压不一致性形成原因

3．6．2 电压不一致性发展规律建模

3．7 小结

第4章 镍氢电池储能系统建模及其应用研究

4．1 镍氢电池储能系统的基本结构

4．1．1 镍氢电池组

4．1．2 双向DC／DC变换器

4．1．3 DC／AC变流器

4．2 双向DC／DC变换器的数学模型与控制策略

4．2．1 DC／DC变换器的工作原理

4．2．2 DC／DC变换器的数学模型

4．2．3 DC／DC变换器的控制策略

4．3 双向DC／AC变流器的数学模型与控制策略

4．3．1 双向DC／AC变流器的工作原理

4．3．2 双向DC／AC变流器的数学模型

4．3．3 双向DC／AC变流器的控制策略

4．4 LC滤波器设计

4．5 镍氢电池储能系统仿真分析

4．5．1 模型及其参数设置

4．5．2 仿真分析与验证

4．6 储能系统在平抑风电输出波动中的应用

4．6．1 低通滤波的原理

4．6．2 储能系统平抑控制策略

4．6．3 储能系统的容量配置

4．6．3 仿真实例

4．7 本章小节

总结与展望

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