基于直流微电网的混合储能系统.docx

本科毕业设计论文题目：基于直流微电网的混合储能系统以风电和光电为主组成的微电网系统，其输出功率具有较大的波动性和不幽定性，会导致直流母线电压产生较大的波动，在并入大电网时会造成并网功率、须率的波动，从而影响到电网的电能班垃。直流做电网中的储能装置在微网运行时起若削峰填谷、维持系统稳定的作用，直流做电网是一种可以集成太阳能发电、风力发电等多种可再生能源发电的新型电力系统，结构相比传统交流电网更荷单，控制更灵活，能够实现分布式电源的“即插即用”，其运行高效、控制简单可靠、可扩展性强，是种整合可再生能源的有效方案。因此直流微电网得到了广泛的关注。同时，混合储能系统是当前最先进的储能技术之一，它以其较高的存储效率和可靠性，以及适用于各种场景的能源管理为优点成为直流微电网中必不可少的部分。本文研究/风、光、储直流微电网，并提出r一种混合储能系统的设计方案，其中采用了超级电容和蓄电池来抑制直流母线也压的波动，提高微电网的电能质量和稳定性。首先介绍了直流微电网和混合储能系统的发展历程和基本原理，然后对微电网中各组成部分进行了数学建模.接若，提出了基于直流微电网的混合储能系统的具体设计方案。最后，在MaUab/Simu1.ink进行/并网和离网运行下的仿直实验，并得出了实眩结果,本文所设计的混合储能系统能够在并网运行时抑制并网功率的波动，提尚了并网的电能质量。在离网运行时，混合储能系统能够平滑切换，并将直流母线电压维持在稳定值，维持微电网系统的秘定运行。为推进新能源发展和智能电网应用提供了新思路和参考。关值字：直流微电网；混合健能系统；仿真设计论文类型I工程设计AbstractTheoutputpowerofthemicrogridsystemmain1.ycomposedofwindpowerandphotoe1.ectricpowerhasgreatf1.uctuationanduncertainty,whichwi1.1.1.eadtogreatf1.uctuationofDCbusvo1.tage.Whenitisincorporatedintothe1.argepowergrid,grid-connectedPOWerandfrequencywi1.1.f1.uctuate,thusaffectingthepowerqua1.ityofthegrid.T1.ieenergystoragedeviceintheDCnicrogridp1.aysaro1.einpeakingandva1.1.eyfi1.1.ingandmaintainingsystemstabi1.ityduringtheoperationofthemicrogrid.TheDCnicrogridisanewtypeofpowersystemthatcanintegrateso1.arpowergeneration,windPOwergenerationandotherrenewab1.eenergygeneration.Comparedwiththetraditiona1.CPOWergrid,thestructureissimp1.erandthecontro1.ismoref1.exib1.e,whichcanrea1.izethe"p1.ugandp1.ay"ofdistributedpowersupp1.y.Ithashighefficiency,simp1.eandre1.iab1.econtro1.,strongsca1.abi1.ity,andisaneffectiveschemeforintegratingrenewab1.eenergy.Therefore1.X?microgridhasbeenwide1.yconcerned.A1.thesametime,hybridenergystoragesystemisoneofthemostadvancedenergystoragetechno1.ogies.Ithasbecomeanindispensab1.epartofDCmicrogridwithitsadvantagesofhighstorageefficiencyandre1.iabi1.ity,aswe1.1.asenergymanagementapp1.icab1.etovariousSCenarios.Inthispaper,thewind,1.ightandDCstoragemicrogridisstudied,andahybridenergystoragesystemdesignschemeisproposed,inwhichthesupcrcapacitorandbatteryarcusedtosuppressthevo1.tagef1.uctuationofDCbus.andimprovethepowerqua1.ityandstabi1.ityofthemicrogrid.First1.y,thedeve1.opmenthistorjandbasicprincip1.eofDCmicrogridandhybridenergystoragesystemarcintroduced,andthenthemathematica1.mode1.ingofeachcomponentofmicrogridiscarriedout.Then,theconcretedesignschemeofhybridenergystoragesystembasedonDCmicrogridisproposed.Fina1.1.y,thesimu1.ationexperimentsofgrid-connectedandoff-gridoperationarcCarriCdoutinMat1.abZSiniuIink.andtheexperimenta1.resu1.tsarcobtained.Thehybridenergystoragesystemdesignedinthispapercansuppressthef1.UUuationofgrid-conncctedpowerandimprovethequa1.ityofgrid-connectedpower.Duringoff-gridoperation,thehybridenergystoragesystemcansmooth1.yswitchandmaintaintheDCbusvo1.tageatastab1.eva1.uetomaintainthestab1.eoperationofthemicrogridsystem.Itprovidesanewideaandreferenceforprono1.ingthedcvc1.op11wniofnewenergyandsmartgridapp1.ication.Keywords:DCmicrogrid;Hybridenergystoragesyste;Simu1.ationdesign摘要IAbStraCtI1.1绪论41.1 研究背景与意义41.2 国内外研究现状42直流微电网分析72.1 直流微电网结构与运行模式72.1.1 直流微电网结构72.1.2 直流微电网运行模式82.2 分布式电源82.2.1 光伏发电82.2.2 风力发电92.3 混合储能系统92.3.1 蓄电池102.3.2 超级电容器IO2.3.3 混合储能系统结构及原理IO3直流微电网模型123.1 光伏电池数学模型123.2 风力机的数学模型133.2.1 风力机的特性分析133.2.2 风力机的数学模型143.3 蓄电池模块数学模型153.4 超级电容数学模型164混合储能系统的模型与仿真174.1 并网仿真模型搭建174.2 离网仿真模型搭建22结论27参考文献29致谢311绪论11研究背景与意义经济的发展极大地促进r能源的开发和利用，然而，对以化石能源为代表的传统能源的高度依赖和过度开发，给全球带来了严址的环境问题.可再生能源技术的新突破降低了发电成本，使其在提供可持续电能方面与传统化石燃料相比具有竞争力.随着环境保护意识的提高，新能源正在迅猛发展。然而由于新能源发电十分受制于环境因素，其发出的电力具有较强的波动性、随机性和间歇性.由于新能源的迅速增长，所造成的危害也越来越明显。因此，为了更好地保障电网的安全和可持续性以及增强新能源的应用，这个问题正受到国际社会的普遍重视和深入探讨。在过去的几十年中，世界各国在电力建设上的投资主要集中在对大型集中电源、超高JK远跨度输电网络的建设上。随着电网规模的不断扩大，系统的灾杂度不断增加，超大规模系统的控制难度大、调节成本高、故障影响范围广、对环境破坏即响大等缺陷越发显现出来。因此，在电力需求持续增长、能源环境问题日益突出、用户要求不断提高以及大电网不断显露弊端的背景卜.，微电网概念孕育而生。微电网可实现能源就地供绐和消纳，能源形式搭配灵活，使得微电网的运行更加绿色虑效：同时，随着技术的飞速发展，大址先进的电力电子变换器、储能技术以及智能化等技术运用于微电网中，微电网表现出了极大的发展潜力。一般定义认为,微电网是由可再生分布式电源、负荷、储能、能量转换器以及保护控制器等模块构成，其在孤岛模式下能够完全实现自身内部能址管理，在并网模式下其可以作为大电网的可控单元参与电力系统的调节。相较于交流微电网，直流微电网无需考虑频率、系统同步以及无功功率等问题。凭借其控制简单、安全稳定、运行效率高以及可拓展性强等优点,近年来直流微电网得到快速发展.在近年来一系列政策指导下分布式电源的装机容量得到了快速增长，但实际弃风弃光率比较高，为提前再生能源的利用率，缓解直流微电网的调节难度，储能技术得到了广泛关注。1.2国内外研究现状相比于交流电网，直流电网具有更好的稳定性、更高的供电质量和能量运行效率。在光伏等分布式直潦电源的大量并网、直流负载的比重逐渐加大以及先进电力控制设备技术不断提升的背景下，直流微电网具有十分广阔的发展前景.近年来直流微电网技术的研究不断深入，在世界能围内取得了一定的成果。美国在直潦微电网的建设上处于全球前沿，2009年，美国推出了£能源与分布式系统集成项目，旨在利用一系列的政策措施和资金支持，鼓励当地更多使用可再生能源以及采取更仃效的技术手段更好地满足当前的需求，减轻大里电厂的负担。此后美国进一步加快/直潦微电网建设步伐，这些直流微电网的结构丰富多样应用场景较为丰富,市场化程度高。如2010年弗吉尼亚理工大学考虑用户侧不同需求搭建r含两级电压的直流微电网，电气设备接入电压较育的直流母线，通信等设备则接在电压较低的直流母线上，模拟了人们生产生活中的不同需求场景。2014年美国通过跨国企业与当地组织合作开始向东南亚地区推广直流微电网e日本面临其国内负荷日益增长、传统能源日益紧缺的现实问题。长期以来，加大新能源的能源占比一直是日本的发展重点，对微电网的研究开展得也比较早其主婴围绕能源多样化、低污染和用户个性化需求来定位发展目标。三菱公司将以传统燃机为主要电源的独立电力系统也划入微电网的范畴，相较于其他国家的微电网定义有所扩展，为微电网的多元化发展提供了新的研究思路。欧洲早已开始考虑如何更好地推动微电网的发展，并且在智慧电网、SUPeerid、DCC+G等项目中，欧洲积极推动直流微电网的建设，以满足环境保护、市场需求和电能安全供应的要求。这些计划和项目的实施，表明欧洲正在努力将分布式发电、电力电子、智能技术等科学技术应用到电网改革中，以实现更加可持续的发展。与其他发达国家相比，我国在微电网研究方面的进展显得落后。但随若我国能源转型步伐的加快，在相关计划的相继实施和制度优势下，经过政府、裔校和企业间的通力合作，我国微电网示范工程的建设犹如雨后存笋般迅猛。2013年，深圳供电局启动了直流微电网技术探索项目，该项目对直流微电网关键技术的发展和应用情况等进行的研究工作助力J'我国直流微电网的发展计划.2014年建立了国内首个光储直流微电网工程M1.2O2I年，山西省运城市推出的首个完整的乡钝供电体系，为当地的住宅、商业、交通运输提供了可靠的保障。使得各种类型的供电设施，如太阳熊发电、风力发电、太阳能路灯、燃气轮机、燃油发电机。除上述国家和地区外，其他国家地区也纷纷开始了直流微电网技术的研究和运用。可以清楚地看出微电网概念的提出和发展体现出人们能源意识、环保意识的提高以及电力服务意识的提升，是顺应时代发展的产物，而不是对早期孤立的小型电网的荷单回归。虽然目前直流微电网还处于示范应用阶段，但随着技术提高和行业成本的降低.直流微电网的巨大的潜力将得到进一步发挥.随着分布式电源和主动负荷的占比逐渐增加，微电网系统结构愈加竟杂对控制方式的可靠性、灵活性、可拓展性等要求逐渐提高。因此，如何结合先进的科技发展成果研究更符合发展需求的控制方式，从而使源、荷、储等多主体多模块之间的协调运行更高效、经济、可苑，是当前的研究热点和难点。目前储能广泛应用于实现平滑新能源功率输出、辅助新能源跟踪调度计划以及削峰填谷等，以此来减小新能源对系统的安全稳定、运行经济性等方面的不利影响。在传统备用容员小11新能源渗透率高的微电网中，储能的重要性尤为突H1.e储能的种类十分丰富，目前储能技术类型大致分为能量型和功率型.能量型储能是指能量密度高或者能存储大量电能的储能，如蓄电池、抽水蓄能等，这种类型的储能可以长时间吞吐电能。在时空上转移电能的能力十分优异，且通常成本相对较低，因此应用较为广泛。而功率型储能则是指可以承受较大功率波动冲击和响应速度快的储能，其能够从容应对电网中的高频功率波动，如超级电容、超导储能等。但限当前成本较高，相较于能国型储储其在容量配置上一般比较有限。微电网的运行调节主要围绕着供电质量、运行经济性和安全桎定性等要素来展开。由于分布式电源开发规模逐步犷大，微电网的运行工况越发虹杂,对储能系统的要求越来越高。目前，尚无完美的方案可以满足多种需求，包括高效、低成本、可靠、耐久、可持续发展。比如，超级电池可以提供更强的功率、更快地响应时间和更久的循环周期，但是它的能源效率低F.成本也相对更货。蓄电池能量密度大，随着技术的发展和相关产业的完善，其价格逐渐下降，但其循环寿命较短I1.受环境和运行工况影响较大。因此，能兼顾多类型储能优点的混合储能系统得到研究人员的关注。对多种储能类型进行合理的选配，并制定设计合理的功率优化控制，则可以充分发挥混合储能的优势互补的优点，在满足微电网的运行调节需求的同时改善储能运行经济性。目前，电力行业对荒电池一超级电容混合储能系统的研究和应用较为广泛。2直流微电网分析为分析直流微电网内源、储、荷之间的相丘影响，以及为后续深入探讨微电网混合储能系统控制的研究做必要的理论铺垫，本章将做以下几点工作：1）介绍直流微电网的结构及工作模式.2）本文聘深入探讨直流微电网系统的核心组成部分一分布式电源和混合储能系统,并详细阐述其工作原理和特点。3）对本文后续章节研究所涉及到的微电网运行模式的混合储能系统的基本原理进行介绍，以便后续进行更深入的研究。2.1 直流微电网结构与运行模式2.1.1 直流微电网结构得益于科技的进步和用户需求的刺激，近年来电网直流化的进程逐渐加快。随着大量分布式直流电源和分布式储能的接入，将微电网内的直潦电能通过直流母线输送到大属的直流家用电器，可以简化电路结构、降低设备成本和故障率以及能提面能量利用效率。此外，相较于交流微电网，直流系统没有无功、谐波、频率和系统同步等更杂问迤，其主要的控制目标是稳定线路电压。此外直流母线供电容量大，因此更易于实现能量的优化管理与系统稳定灵活的控制，投资建设的性价比也比较高.随岩现代电力电子技术的飞速发展和应用成本的降低，很多性能优异的转换设备得以投入应用，使得直流系统具有更高的控制性。直流微电网可通过控制其与大电网之间的桥梁一并网变换器.'来满足不同的运行需求。直流微电网结构如图2I所示：2.1.2 直流微电网运行模式直流微电网有两种典型的运行模式：I）并网模式：该模式下做电网通过变换器与常规大电网进行连接，通过控制变换器可以调节并网联络线的功率输送，可将微电网看成大电网的可控单元。当前，微电网中的电压由大电网提供支撑，而光伏和风力发电则处于MPpT模式，因此，储能系统的主要职员是抑制这些发电机组的功率波动.2）孤岛模式：孤岛模式是指微电网独立运行，断开与电网的连接，自给自足地为电力用户提供电力服务的一种运行模式。在这种模式卜.，微电网不仅可以利用本地的可再生能源（如太阳能、风能等）发电，同时也可以通过集成储能系统来实现对电力的储存和分配.2.2分布式电源2.2.1光伏发电光伏发电系统是一种利用太阳能将光能转化为电能的装置。光伏发电系统包括光伏组件、控制器、逆变器、蓄电池和其他辅助设备等组成部分如图2.2所示。在光伏发电系统中，光伏组件是核心部件，其将太阳光转化为直流电能，控制器是光伏发电系统的智能控制中心，可以实现太阳能发电系统的组合、配置、能量管理等。逆变器用于将直流电转化为交流电，以供室内用电。离网光伏发电系统通常配仃储能作用的蓄电池，可以在不依赖于电网的情况下实现系统的独立运行，为用户提供可苑的独立电源。而并网光伏发电系统则将发电系统与电网连接起来，使得电力公司可以收集和分配发电系统所产生的电能，从而实现对于电网的贡献和补充。2.2.2风力发电利用风力，可以从空气中获取动能，并利用其中的动能来驱动船只前往目的地.目前，全球应用较多的风力发动机如图2.3所示。其中包括：水平轴裔速螺旋桨、风轮、传动系统、发动机和调节器。这些设施可以实现动力的有效利用，并且可以长时间地运行。采用风能发电的方式，需要先让风车的叶轮运行，然后借助加速器的帮助，让其加快运行，最终实现发电,目前，根据当前的科学技术只需要达到3cmmin的微弱风速,就能够实现风能的发电.风力发电技术无需消耗任何可用的原材料，同时还可以避免造成环境污染。它的结构包括机身、旋臂、桨叶和叶轮。它的工作原理在于将1325V的直接电压通过一个整流装置进行调节，然后通过一个蓄电池进行补给，从而将直接的电压转换为可利用的化学能“通过采用具符防雷功能的逆变电源，将电池中的电解液变换为220V的市电，以确保电池的长期可靠运行。图2.3风力发电机组成2.3混合储能系统由于微电网中新能源发电和负荷的随机性、波动性强，因此，对储能设的调节能力要求也比较严格，单一类里储能无法满足各种调节需求。蓄电池+超级电容组成的混合储能近年来得到广泛研究，其既能够发挥蓄电池的高能量密度在长时间尺度调节上优势，也能够利用超级电容的高功率密度特点处理瞬时功率波动带来的冲击，在调节能力和运行经济性方面具有单类型储能难以比拟的优势.在混合储能领域，正确的拓扑结构符对确保控制系统的有效运作必不可少。因此，为了确保控制系统的高效运行，必须采用有源式接法，即将蓄能池与超级容量相”.联结如图2.4所示。并使用DC/DC转换器将其与直流线路相互联结。这种拓扑结构保证了各储能单元之间的独立控制，对于系统的能量管理更加灵活。图2.4仃源式接法2.3.1蓄电池蓄电池是通过氧化还原反应将化学能和电能相比转化的能源装置，通常包含铅酸蓄电池和磷酸铁锂蓄电池等。由于蓄电池.具有能量密度大、调节能量突出、循环寿命较长和价格相对低的优势，在诸多行业得到了广泛的研究与应用,随着科学技术的发展，各种类型的常电池储能得到了大力发展，目前应用比较广泛的箭电池类型大致可以分为以下儿类：阀控铅酸蓄电池、锦基蓄电池、锂电池、钠硫蓄电池等，其物理化学特性不同，性能有所差异，适合场景也各不相同。2.3.2超级电容器超级电容牌是种储能设缶，具有高功率密度、快速充放电、长寿命、低温环境工作性能好等优点。与普通储能设备相比，超级电容器的充电过程不需耍化学反应，而仅仅是通过庞大的电容来存储电荷。由于没有化学反应的参与，因此超级电容器的充放电时间非常短，达到亚亳秒至几秒的级别。此外，超级电容器的瘠命可达数十万次，是电池等储能设备无法比拟的。总之，超级电容器是一种高效的储能设备，可以在快速储能、高功率输出等方面发挥独特的优势，并有着广泛的应用前景。2. 3.3混合储能系统结构及原理微电网技术的发展已经取得J'巨大的进步，包括分布式微电源、能量电子转换器、储能设备、供电系统等。这些技术都有助于提高供电系统的效率，同时也有助于减少对供电系统的干扰。在这些技术中，设备的电压有助于评价供电系统的性能关键。通过对比，发现无论是单独的还是整合的，直流微电网都具有良好的性能，特别是单独的，其母线电压是通过单独的逆变器来踊定的。因此,本文将重点关注单独的开关电源“通过DaDC2转换器和DaDC1.转换器*E,将电池和光伏电池组装在一起，形成一个完整的混合储能系统，而这种负载又可以通过DC/DC3转换器和单一的逆变器来实现,从而实现对整个供电系统的控制.图2.5简化的直流微电网结构在图2.5中，光伏电池的PK、混合储能系统的s和负我功率的Pizd都可以通过平衡方程来计算，因此，可.以得到一个简雎的方程来描述直流母线的平衡方程。PES=P1.Oad一Ppv（2.1）为了平衡光伏电站和用户用电需求，本文采用了一种新的方法。这种方法运用了一种叫做混合式储能的技术。其中使用了种叫做超级电容器的功率型储能器I，它可以快速充放电，平衡直流电网中的功率变化，从而维持母线电压的平衡。鉴于超级电容器的容量受到低频功率的影响，可能出现容量:枯竭甚至亏损的情况，这将严重影响其可靠性。为此，采用蓄电池来替代，通过监测和调节超级电容的电压，可以将其保持在合理的水平，以此来抵消直流母线的高频功率变化.3直流微电网模型3.1光伏电池数学模型光伏电池模型建立如下，在实际应用中，太阳能电池单体通过串、并联的形式组成巨大的光伏阵列。本文用于建立仿真模型的工程数学模型如卜.所示。=sc1.-C1exp(r)-1.JG=(H"(-最)(*)c三=(-1)h(1-)该模型仅仅需要太阳能电池制造商提供的四个重要技术参数小、C'/m和Kn就能在一定的精度需求下复现太阳能电池的特性。标准测试条件下的短路电流为/心开路电压为联、峰值电流为口、峰值电压为联。在任意环境条件下，膜、Voc.w1.和Kn会按一定规律发生变化：通过引入相对应的补偿系数，近似推.算出任意光照S和电池温度T卜泗个技术参数。1.=ISererSa+W)Voc=匕Crjn(e+MS)(I-CT)k«5.Z/1.m=Imref/-d+aT)'rcf.Kn=VmrefKe+MS)(I-cT)式中，丁为在任意日射强度S及任意环境温度下的太阳电池温度，7=259为参考日射强度和参考电池温度。T=T-Tnf,在大功率点时Y=½n,I=Ima注意到开路状态下当/=O时，v=%c,&为短路电流.必光伏模块采用扰动观察法MPPT:扰动观察法是光伏发电系统MppT控制中最为常见的算法之丁它的基本原理就是通过首先使光伏系统处于一定的参考电压范围内，通过对光伏系统输出功率进行检测，进而对光伏系统施加博于工作电压为正方向的扰动地来对光伏系统此时的输出功率进行测量，从而和以往的输出功率进行比较。如果功率值升高，则说明目前光伏系统的工作点位于最大功率点右恻，可继续朝相同方向进行干扰：如果输出功率较小，则说明目前它的工作点位于最大功率点左侧，应反向干扰。通过这样重灾连续的扰动，系统的输出功率就会趋向最大，其算法流程图如图3.1所示。图3.1扰动观察法流程图这种律法具有控制简单、易硬件实现的特点，一般采用两个传感器采样直流母线便电路和其两端的电压，多数情况下能锵有效的实现最大功率点跟踪。其不足之处在于系统达到检态状态后输出功率会困绕最大功率点振荡，从而造成功率丢失一部分。另外，步长选择与跟踪精度,响应速度不能实现同步考虑：若太阳光的箱照强度变化很大，算法极可能会出现误判现象而导致算法的失败。3. 2风力机的数学模型4. 2.1风力机的特性分析风力机是一种将空气中无处不在的风能转化为风扇叶片的机械能的设备U,风力机的特性就是指它的输出转矩和输出功率与风速的关系。En=TCPaMP心(3.3)Tm=Pmm=,)pR1(3.4)由上式：Pm、7m分别表示风机的输出功率(W)和输出转矩(Nm);Cp(,fi)、C(.B)则为风力机的功率系数和转矩系数：CUm表示风力机转速(rads)为叶尖速比；。为桨距角：P表示空气密度小是风力机叶片的扫掠而积：K是风轮叶片的半径:风力机的功率系数和扭矩系数的关系如下：Cr=Cp(,)(3.5)/1=(3.6)V根据贝兹理论，在任意的，与外下，CP都小了0.953,0.953这个数值在理论上来说是风力机的最大功率系数，而实际上目前最大的风力机功率系数应该在0.45左右，一般在O2O.5之间。C*")=G伎-c-q卜+cb(3.7)平(3,8)44+0.08/7+1式中：C=O.5176,C=II6,CJ=O.4,CJ=5,cj=21.,<6=0.0068：3.2.2风力机的数学模型公式(33)(3.7)完整地描述了风力机的特性，我们可以根据此特性来搭建风力机的数学模型(川，其中输入量为风速v、风力机转速“m还有桨距角色输出St为风力机功率Pm和转矩Kn,以此作为和它同轴相连的永磁同步发电机的输出功率和输入转矩。图3.2风力机数学模型从风力发电的研究来看，当/，为一定时，就是说在定桨距下，风力机的特性就具有典型的意义。如图3.3所示是当尸=0的时候，CP与Z的关系。当CP达到最大Gw、时对应的入值称之为最佳叶尖速比九机图3.3S=O时的与叶尖速比)的曲线上式(3.7)所表示的风电机功率与转速的关系曲线如图3.4所示，由图可知，规定桨叶角不变，即风速一定时，只有一个最佳的转速才能使功率达到最大。此时，如果调整风速，在各种不同风速3将不同的最大功率点相连接，就能构成风力机的最优功率曲线。图3.4风力机的功率一转速曲3.3蓄电池模块数学模型蓄电池的简化模型可分为基本模型、7cem模型、RC模型、多阶的等效模型、通用等效模型等*1MH其中通用等效电路模里结构简单，考虑了制电池充放电动态过程，适用于很多场合。故选定通用等效电路模型作为本文的蓄电池电路模型。其中通用等效模型有受控电源和等效电阻组成，能较好地体现其输出电压与荷电状态的关系，具有较好的动态特性。等效数学模量如式：（3.9）E=EO-K流/+Aexp（-B小如丸）Vbat=ERbat'bat式中E为空载电压，A为恒定电压常量，0为制电池剩余容量，Ww为蓄电池端电JK:KA,8分别为极化电压、指数电压幅值、指数容量的常数倒数”叫蓄电池SOC计算公式为:S0C(0=SOC那一生产(3.10)式中50C即、Q(I和意分别为蓄电池初始5OC'、额定容量和输出电流，本文规定蓄电池放电电流为正，充电电流为负。可通过调整蓄电池充放电电流来实现对静电池端电压的调整U”。在实际应用中，为防止蓄电池端电压波动过大和寿命衰退过快，通常需要对其最大电流进行限制，同时对其Soc运行范围进行限制，防止其过充过放而导致寿命衰退过快。3. 4超级电容数学模型与化学储能不同，超级电容器是类似于电容器，但相比于电容器，超级电容器具有更高的能量容纳能力。其功率宓度5、能量转换效率高、响应速度快以及循环寿命长等优势，在新能源发电领域能与形电池形成良好的优势互补。超级电容器的模型有以下几种：串联RC模型、线性网络模型、非线性Re网络模型等。其中串联RC模型由于结构简单，同时能较好地反应外在特性，因此应用比较广泛。其模型如图所示：漏电电阻4P与电容C相并联后跟电阻即串联在一起。由于KCP上的漏电影响非常小，因此可用图3.5所示简化等效模型替代。忽略此的电路模型图3.5电路模型因此，SC的回路电压可表示为：vsc(t)=vc(t)-iscRcs(3.11)其SiT动态模型计算公式为：5。QC=SOcg-=一'忠皿(3.12)Vn1.vsc式中SOGiC为超级电容1时刻SoC状态，仍为其初始电荷量，层为超级电容端电流，QI为其最大电荷量，C为电容参数，匕加为SC初始湍电压，匕TaX为最大端电压。4混合储能系统的模型与仿真3.1 并网仿真模型搭建TOe-VH如图4.1所示为并网运行下直流微电网的混合储能系统仿真模型。该模型主要实现功能为共直流母线电压稳定功能通过储能稳压，同时实现有源逆变，谐波治理功能,直流母线群控系统是由电网侧出线经过三相全桥不控整流，通过电容稳压，电能经直流母线后再进行逆变于各负荷消耗。储能系统经双向DQDC变换潺连接至直流母线，用于稳定直流母线电压。有源逆变与谐波治理模块直流侧分别与储能单元两端相连，储能单元过充后向电网反馈多余电能，并对交流输入侧谐波含址进行实时追踪，在饿能单元辅助下实现反向谐波电流的注入进而发挥谐波治理功能。在光伏系统中，最大功率点跟踪(MPPT)是一种通过实时测量负载实际值和设定值之间差值的方法来确定最大功率点的控制方式。在实现MPPT控制时，采用扰动观察法可以有效降低成本.不过，扰动观察法方法存在一定的超调和罐荡时间.为实现最大功率点跟踪控制，招扰动观察法通过boos1.电路并入直流侧母线以控制系统的电压和电流，并从而调整系统的输出功率。通过这种方式，可以确保光伏系统在任何工作状态1'都能够提供最大功率输出，并11在保证功率输出的同时,实现系统控制的可共性和稳定性.风机在运行过程中会产生较大的谐波电压和电潦，降低了系统的稳定性和功率因数，影响了系统的正常运行。该风机利用最佳叶尖速比进行MPpT控制：采用三相电压型PWM变换港进行整流，并将其并入母线，从而实现对风机的控制和稳定运行。储能系统由蓄电池和超级电容构成，采用电压外环电流内环双闭环控制可以实现直流母线电压稳定。通过双向DCVDC变换器并入母线，实现功率双向流动。同时可以实现有源逆变与网侧谐波治理功能。WCDQ)p-tzQcd图4.2电压电流双闭环控制仿真蓄电池的充放电控制策略采用电压环和电流环控制的双闭环控制，且电流环和电压环均采用PI调节器。对于电压环控制而言，其主要作用就是让实际电压实时跟踪参考电压，即使受到外界扰动：电流环的作用就是让实际电流实时跟踪参考电流值，提高系统的动态响应速度“如图4.2给出了双闭环控制的仿真模型，并考虑了系统过充和过放的能力，当蓄电池的电量50C大丁-80或者小于20时，此时控制算法就会封锁PWM脉冲，让双向变换器停止工作。图43蒂电池和双向半桥DeDC变换器的连接电跖图的仿或模型如图4.3给出了蓄电池和双向半桥DC/DC变换器的连接电路图的仿真模型。基于双向DCjDe变换器的蓄电池充放电控制的主电路包括：蓄电池模块、双向板桥DC/DC变换器和电源模拟模块,标称电压为400V,额定容属为30Ah,内部电流为70%,蓄电光伏发电器和风力发电器的额定功率分别是20kV和20kW,储能电池的额定容量是30Ah,而超级电容电容则是I5F,直潦母线电压设定在750V,负载是额定功率设定为30kW.在光伏发电系统中，最开始,光照是800Vm2,在Is内会逐渐变成iO()()Wm风力发电系统初始风速设定为9ms,在1.5s内会变成I1.m长。逆变落的最终输出功率是40kW.经过模拟，分布式电源和混合储能系统输出功率与逆变器输出功率的关系符合设计。得到功率波形如图4.4：逆变落功率输出波形如图4.5所示。可以发现逆变器输出电压电流稳定输出，iE弦度较高，控制效果较好。4. 2离网仿真模型搭建图4.6离网运行的拈于直流微网的混合储能系统在离网运行状态F,直流微电网与大电网是断开的，风光发电系统的输出功率供给微电网内的负荷消耗。当风光发电系统输出功率小于负载消耗功率时,储能元件的SOOSOCmm,此时混合储能系统需要对差额功率进行补偿：如果储能元件的SOCVSO则需要切除部分次要负荷来维持功率平衡。当风光发电系统的输出功率大石负载消耗功率时，由丁蓄电池处丁放电状态，混合储能系统会吸收多余功率：当混合储能系统的SOC>S0Ca时，混合储能系统需要进一步吸收多余功率以维持外线电压平衡，在风光发电系统输出功率大于负载消耗功率时，混合储能系统需要吸收多余功率以维持微网内负荷平衡,当混合储能系统的SOC>SOCg、时，风光发电系统需要降低输出功率以维持做网内负荷平衡.图4.7光伏发电系统仿真模型光伏发电系统的额定功率设置为20kW,采用P1.调节方式进行闭环控制,采用定步长扰动观测法，依旧设定光照是800Wm在IS内会逐渐变成I(XX)WZnre图4.8超级电容仿式模型在离网系统中，初始值设定与并网系统相同。光伏发电机的额定功率为20kW,风机的额定功率为2OkW,储能电池的额定容量为3OAh,超级电容器的容量为I5F,直流(W电压定义为750V,其中负我额定功率设定为5OkW.在初始阶段，光照度为80()Wmj.在IS时增加到K)OoW/m2,初始阶段风速为9m,在1.5s时增加到Umg仿真结果如图4.9离网运行下输出功率波形图如图4,9所示在Is和1.5s时,光伏发电系统输出功率和风力发电系统输出功率分别通过对直流微电网并网和离网运行下的仿真分析，我们可以发现本文所提出的设计方案能够及时调整蓄电池和超级电容的工作状态，避免了它们的过充和过放现象,同时在微网系统运行过程中可以保持直流母线电压始终稔定在给定值75OV左右，有效维持了微网系统的稳定性。此外，通过对混合储能系统功率输出波形的分析我们也可以发现,混合储能系统在并网和离网状态下的功率输出波形符合预期,表明本文所提出的设计方案可以对蓄电池和超级电容的工作状态进行及时调整，确保混合储能系统能够有效地进行能地管理，在不同的运行条件下均能够保持稳定性。在离网运行的不同工作环境下，本文所提出的设计方案对混合储能装置进行相应的调整，从而维持了直流微电网离网运行下的稳定性，具有很高的实用性和可行性。本文针对风光储直流微电网中出现的问题展开研究，即由可再牛.能源的不桎定性和随机性导致分布式电源输出的功率波动和不桎定，影响并网输出电能的质员，同时微电网需要平抑的功率大小也无法准确控制，造成能源的浪费。为应对这些问题,本文提出一种结合超级电容和蓄电池的混合储能装置，以抑制微电网分布式电源输出的功率波动,提高并网输出的电能质量，同时对微网内需要平抑的功率进行合理的分配，以充分发挥混合储能装置的平抑作用。本文详细分析了混合储能装置的组成结构和工作原理，特别是针对并网运行下，提出了一种施于50C的改进设计，并对离网运行下结合储能元件的SoC进行了设计,提出了一种混合储能系统的工作模式,最后,本文在MaUab，SimU1.ink平台中建立了仿真模型，通过仿真结果验证了混合储能的可行性。具体的研究成果如下：通过利用超级电容器的低电压特性，我们可以