大容量电池储能系统设计与仿真.docx
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大容量电池储能系统设计与仿真
大容量电池储能系统设计与仿真
毕业设计说明书
大容量电池储能系统
设计与仿真
专业电气工程及其自动化
学生姓名万发典
班级B电气114
学号1110803214
指导教师彭思敏
完成日期2013年6月5日
毕业设计说明书(毕业论文)
独创性声明
本人声明所呈交的毕业设计说明书(毕业论文)是本人在导师指导下进行的研究、设计工作后独立完成的。
除了文中特别加以标注和致谢的地方外,说明书中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究所做贡献集体和个人,均己在说明书中作了明确的说明并表示谢意。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
毕业设计说明书(毕业论文)作者签名(手写):
日期:
2015年6月20日
指导教师签名(手写):
日期:
年月日
大容量电池储能系统设计与仿真
摘要:
众所周知,电厂发电和供电系统的配电以及用户的用电在我们传统电网中是必须同时完成的。
清洁能源(如风能、太阳能)的不稳定和间歇性制约了我们的应用。
为了使电网一直处于稳定运行状态,储能系统尤其是电池储能系统的研究势在必行。
大容量电池储能系统(BESS)为可再生清洁能源接入电网提供了一种行之有效的方式。
对于微电网的稳定性我们需要电池储能系统来维持。
大容量电池储能系统是一种能有效实现控制充、放电的能量控制装置。
BESS的不断发展和应用促进了电网的发展,尤其是对电网的智能化起到了很大的推动作用。
首先,文章介绍了储能系统的发展和现状对于如今常用的储能系统做了优劣对比。
然后重点研究电池储能系统对于微网的作用。
提出了一种大容量电池储能系统接入电网的工作方式,介绍了其工作方式。
对于这个电池模型的核心部分-功率调节器(PCS)的工作特性和原理做了着重介绍。
综合以上了解,建立了大容量电池储能系统的简单数学模型。
并在此模型上进行了仿真。
仿真结果表明,系统满足电网对电能质量的要求,电压和频率稳定稳定在可用范围,满足供电要求。
关键词:
电池储能系统;功率调节器;简单数学模型;工作特性
DesignandSimulationoflargecapacitybatteryenergystoragesystem
Abstract:
Asisknowntoall,powergenerationanddistributionofpowersupplysystem,anduserofelectricityinourtraditionalpowergridismustbefinishedatthesametime.Cleanenergy(suchaswind,solar)instabilityandintermittentrestrictedtheourapplication.Inordertomakethestableoperationofthegridhasbeen,energystoragesystem,especiallytheresearchofbatteryenergystoragesystemisimperative.Largecapacitybatteryenergystoragesystem(BESS)isakindofeffectivemethodforrenewablecleanenergytoaccessnetwork.Forthestabilityofthemicrogridweneedthebatteryenergystoragesystemtomaintain.Thelargecapacitybatteryenergystoragesystemisanenergycontroldevicewhichcancontrolthechargeanddischargeeffectively.ThedevelopmentandapplicationofBESSpromotesthedevelopmentofthepowernetwork,especiallyfortheintelligenceofthepowernetworkplaysagreatroleinpromoting.
First,thepaperintroducesthedevelopmentandthestatusquooftheenergystoragesystemfortheenergystoragesystemtodotheprosandcons.Thenfocusontheroleofbatteryenergystoragesystemforthemicrogrid.Thispaperpresentsamethodofworkingfortheenergystoragesystemoflargecapacitybattery,andintroducesitsworkingmode.Forthecorepartofthebatterymodelworkingcharacteristicandtheprincipleofpowerregulator(PCS)ishighlyintroduced.Basedontheabove,asimplemathematicalmodelofthelargecapacitybatteryenergystoragesystemisestablished.Andthesimulationiscarriedoutinthismodel.Simulationresultsshowthatthesystemmeettherequirementsofpowergridtopowerquality,voltageandfrequencystabilityinscopeareavailable,andsatisfiestherequirementofpowersupply
KeyWords:
Batteryenergystoragesystem;Powerregulator;Simplemathematicalmodel;Workingcharacteristic
大容量电池储能系统的设计和仿真6
1.概述6
1.1本课题研究的意义和背景6
1.2储能技术介绍6
1.3PSCAD软件介绍8
1.4主要研究内容8
2.电池储能系统及其数学模型9
2.1电池储能系统结构9
2.2工作原理10
2.3PCS拓扑结构10
2.4蓄电池模型10
2.5PCS主电路模型12
3.电池储能系统接入电网控制策略13
3.1PCS控制原理13
3.2系统分配控制14
3.3系统控制原理16
4.系统仿真及结果16
5.结束语20
参考文献21
附录23
大容量电池储能系统的设计和仿真
1.概述
1.1本课题研究的意义和背景
进入新世纪以来,世界范围掀起了对储能技术的研究。
尤其是电力能源部门对此非常重视。
如今,中国的正处于发展的高速冲刺阶段。
这对电能的供应提出了非常苛刻且必要的要求。
用电高峰时期电量供应不足,储备有功无功不足以及输电效率低下等问题困扰着我们。
加上新能源的不断发掘应用,如何把不稳定且存在明显间歇性的新能源输出成对我们工业以及日常生活有用的稳定的电能这是一个非常紧迫的课题。
基于以上问题,这就要求我们要研究储能技术。
国家有关主管部门对风电,光电的发展非常重视。
并致力于研究风光电接入电网的问题。
经济的高速发展不断要求更大更多的电能供应,随之而来的是对电能质量关注。
我国老旧的电网就面临很大考验和挑战。
首先,更大的用电需求意味着更大的用电高峰,这加大了高峰和低谷之间的电量差,导致电能的浪费。
大大增加了电能生产的成本。
其次,电网是规模和供电量加大导致安全性和稳定性降低,电网遇到故障往往会造成较大损失。
再者,人为因素给电网同样带来很多影响,比如电力电子技术的大量使用,这给电能质量带来很多不利影响。
最后,我们不得不关注的是传统能源的日益枯竭和新能源的不断发掘应用。
风能,太阳能等新能源如何才能跨越它们自身缺陷正常使用。
基于以上问题,在电网容量日益增大的背景下。
传统电网无法解决电网中负荷因数普遍偏低的问题,而重新建立新的电网系统显然不是经济的方法。
大容量电池储能系统的优越性由此体现出来。
电力电子技术和电池储能技术的结合有效的解决了这些问题。
1.2储能技术介绍
在电力系统中被应用的储能系统储非常多。
超导磁体储能(SMES)、大容量电池储能(BESS)、飞轮储能、抽水储能、压缩空气储能等应用广泛。
然而,在繁多的储能电源中,大容量电池储能系统是我们可以经常用得到的技术。
较久的应用时间使得电池储能技术相比于其他储能技术相对来说成熟。
这是因为它具有很多优点。
比如说,它具有很大的容量,可以满足很多电网系统的需求。
它的可靠性较高,应用起来风险较小。
低污染,使得它在未来的应用前景被看。
何况它没有受环境制约的缺点,可以在任何地方使用。
便捷的安装也是它得以扩展的原因。
抽水储能是一种最早被应用的储能技术,有100多年的发展运用历史,它被各国广泛应用。
它的其原理十分简单,就是在负荷对于电量要求低时,将电能以重力势能的形式储存起来,而在用电高峰时期将重力势能再次转化成电能,供给用户使用。
其主要的储能系统结构由上下游的水库、水泵和发电机等组成。
运行方式和调节周期的不同是区分它们的关键。
按抽水储能建立的电站可分为日调节型、周调节型、季调节型等。
世界上对于抽水储能应用最多的是日本,抽水储能电站广泛分布于日本,其次是美国、意大利等国。
在电力系统中抽水储能电站能够承担很多任务。
比如说,调节电能的频率和相位、稳定电力系统稳定、作为事故备用等功能。
这些功能对于提高电网的可靠性和稳定性起到了很大的作用。
但我们都知道世界没有那么完美的事物,抽水储能的缺点也很大。
投资一座抽水储能电站要花费巨额金钱,但这并不是唯一制约它发展的原因,过于漫长的施工周期让很多问题没法得到很快解决。
最让人没法接受的是它的运行效率很低下。
一般情况为75%左右。
而且并不是所有地方都适合建立这种抽水储能电站的,自然环境因素制约着它的运用。
飞轮储能技术是另一种截然不同的储能方式,我们可以把它划归到机械储能的范畴。
它把能量以一种动能的方式存储起来。
对于这种储能方式功率变换器是它不可缺少的部分,动能和机械能通过这个功率变换器完成互相之间的转化。
这种飞轮储存方式它的能量可以用下面的表达式来确切计算:
上式中,L为飞轮转动惯量,ω为飞轮转动的角速度。
飞轮储能的优点在于它具有很长的使用寿命、极快的充电放电速度以及它的高效低成本都为它的使用前景加分。
对于现在日益受到重视的绿色能源,机械储能的无污染也被大家广泛称道。
但飞轮储能有一个致命的缺点:
无法长时间的储存电能,因为它的放电率太高,一旦停止充能或者能量没有尽快用掉,储存的能量将被它以电能的形式释放出来。
由因为有这个局限性,飞轮储能不能推广到所有领域,它一般被应用于充、放电非常频繁的储能系统中。
超导电磁储能(SMES)是当今前沿材料和电气的结合。
超导磁体拥有一些让我们惊喜的特性。
快速的响应和较低的损耗引起了电气工程师注意。
利用这两个特性创造出了超导电磁储能。
它的原理是将电网中供电励磁产生的磁场能量储存在超导磁体中。
当电网中负荷增大时再将储存的能量释放出来转化为电能,送回电网满足负荷要求或应用于其他方面。
超导储能对比其他储能方式有着它们一些难以企及的优点。
对于其他储能方式无论你怎样努力都无法像超导储能一样做到能量长期储存无损耗,此外能量转化率高、能量的释放速度极快,一般只需要几秒钟甚至更短的时间。
大容量、利用寿命长、环保等等一系列优点它都具备。
缺点大家应该都知道,对于这种尖端材料及其延伸的应用往往伴随着巨大的成本,再者要维持超导材料的特性我们必须制造出满足条件的低温环境,这就是说我们还要考虑另外的制冷设备,比如空气压缩机等等。
这就让我们不得不面对一个冗杂庞大的系统,定期的维护和包养同样要做到严格精细,这又会消耗大量的资源。
基于以上这些原因,超导电磁储能技术在国内外还并没有在市场上大规模的应用,只有在美国、欧洲等一些国家的电网中得到初步的尝试。
也许不久的将来,此项技术能获得突破。
铅酸电池(VRLA)是我们不得不说的一种储能技术,人类最早使用的一种蓄电池储能技术就是铅酸电池储能技术。
在1986年,德国建造了世界上第一个应用的铅酸电池储能站。
这种储能技术的原理我们大家物理中都有接触,就是通过电子的转移来完成充电、放电等一系列过程。
几十年间铅酸电池获得了长足的发展,技术日趋成熟。
铅酸电池的工作原理很简单,电极的主要构成是铅及其氧化物,硫酸溶液作为电解液,充、放电过程就是化学反应的过程。
铅酸电池的优点很多,例如铅酸电池对比其他电池在价格上占据巨大优势,它可以回收利用且回收利用率极高,在自放电方面也是比较小的,它的比容量较大,在进行大电流放电时放出电流的性能较好。
但铅是铅酸电池中使用较多的重金属,这对人体将抗和环境都有很多危害,除外铅酸电池较短的使用寿命、需要频繁的维护、较低的能量功率密度都制约了铅酸电池的应用,在大容量储能场合它的功率和容量没法满足要求。
这种瓶颈制约了铅酸电池的发展。
谈到储能电池我们不得不说起钠硫电池,它是一种新兴的、发展潜力巨大的储能电池。
钠硫电池的工作原理也是很简单的,负电极是钠、正电极是硫、电解质隔膜的材料是陶瓷管,这几种材料构成的二次电池。
给予一定的温度,电解质隔膜的通透性足以使钠离子透过隔膜与另外一侧的硫发生可以逆变的化学反应,电能就伴随着这个逆变反应存储或者释放出来。
钠硫电池的突出优点是较高的能量密度,较小的体积、较高的充放电效率,可以长时间循环利用,同时较低的价格也是它的优势。
但令人苦恼的是钠硫电池的正常工作需要较高的温度,只有在300到350摄氏度之间才能正常工作,因此加热和控温措施是十分必要的,这就给系统维护带来很大困难,安全隐患往往随之而来。
氧化还原液流电池简称液流电池,这是新型电化学储能装置的一种。
全钒液流电池是一种正负极全是钒盐溶液的电池,蓄电池材料无污染。
但它的缺点是致命的。
庞大的体积没有带来高效率加上溶液对电池系统设备的腐蚀非常严重、苛刻的温度要求都使它的应用受到限制。
传统的蓄电池储能系统已经开发的很深入了,但限于传统系统的一系列固有的、难以解决的矛盾,比如说高投资、低寿命、高污染等问题,使它们的发展空间受到限制。
然而近年来新型高能二次电池方兴未艾,尤其是以锂离子电池为代表,自从SONY公司在1991年成功研制成世界上第一块锂离子电池,它的应用一直受到不断的开发。
它的工作原理比较特殊,锂离子受到充电、放电的影响在电池正极和负极之间移动,此过程的实质是电池吸收和释放能量的微观表现。
锂离子电池有着很多吸引我们的优点。
例如:
较高的储能密度、绿色环保、很低的自放电率,这可以使我们把电能储存的更久,快速的充放电效率使它能够在短时间内吸收大量电能,当然它的功能特性也为人称道。
锂电池自身当然也有很多缺点,比较大的缺陷是它的电池容量没有办法做的很大,并且限于当今技术,锂的价格还是十分昂贵的。
但综合起来瑕不掩瑜,储能技术发展的一个重要方向仍然包括锂离子电池。
科技的不断进步,必定会使锂离子电池的缺陷得到解决,未来锂离子电池的前景是光明的。
与锂离子电池相似的钠离子电池,用一种钠离子容易嵌入,脱离的材料做正负极,NaxMnO2及可逆的NaFePO4电极等一般作为钠离子电池的正电极。
到目前为止钠离子电池仍没有投入使用,但其潜在的优势不可忽视,低廉的价格和丰富的资源储量使它的未来应用前景十分广阔。
1.3PSCAD软件介绍
是一款仿真软件,一款被电气工程人员广泛使用的软件。
它的工作方式是建立在时域上对电力系统模型的模拟仿真,并在此基础上对系统中的微分方程求值。
它的强大之处在于它可以在自己的界面中非常形象、具体、真实的建立起电路的模型,模拟电路的真实工作状态,具有非常高的精确度。
所有的仿真结果可以给我很大的帮助。
在进行仿真中,它强大的数据实时更新改变能力,让我们使用者可以在输出的仿真波形或者曲线中看到我们改变参数所带来的影响变化,并且显示的结果和实际结论的误差非常小。
的强大功能离不开它繁多丰富的数据库的支撑,更何况它可以根据用户的需要,在自己的界面上建立起新的应用模块,此种模块可以在软件中被引用。
要想很好的应用这款专业软件,首先要了解它的基本功能模块:
1.4主要研究内容
大容量电池储能系统(BESS)作为一种来储能装置,它可以控制系统充放电的状态。
在文章中分析了大容量电池储能系统如何接入电网并在基础上提出了它的接入电网的方式,这种接入方式要求我们要用一种与之对应的控制方法。
而这种控制方式就需要一种特殊的装置,这种装置就是功率调节器。
功率调节器的工作方式和各种工作特性我们就必须了解、基于以上了解,在PSCAD上建立了大容量电池储能系统的简单模型,并在此模型上进行了仿真。
仿真结果表明,电池储能系统接入电网是完全可行的,其输出电压,频率等各项指标满足供电要求。
2.电池储能系统及其数学模型
2.1电池储能系统结构
简单的大容量电池储能系统包含一个系统、一个静态开关以及一个电源。
我们都知道要想把一个电池系统容量做大,只需要把很多电池单体串联或者并联起来,这样就能达到目的。
在2-1所示的图中,图中的简单BESS系统包含2个子系统,这两个子系统是完全相同的子系统,它们并联在一起。
每个子系统都是由两个基本结构构成的。
一个是我们必需的电池及其相关模块,另外一个模块就是下文中要出现的功率变换器(PCS);是一个非常重要的模块,在图中我们可以很清晰的观察到它的基本构成,包含一个三项桥式电压变换器和一个控制装置。
两个模块的连接方式很清晰,我们把变换器的母线端和电池模块连起来,当母线流过的直流电时,变换器就会工作起来把直流变为交流电。
只有交流电才能被我们直接使用使,但转换过来的直流电并不能直接并网使用,电网需要的是满足用户要求的电,即电的幅值、频率等基本参数要和电网一致,这样才能通过变压器调节电压接入电网使用。
一个几个子系统的并联并不能实现电网对储能系统容量的要求。
只有大量的接入并联或者串联的BESS在节点处才能满足我们的需求即做大电池储能系统。
图中变换器的交流端口接入了各种负载,方便我们仿真时候对负载进行改变以得到可靠的具有广泛意义的结果,防止狭隘的几组数据的偶然性。
2-1大型BESS微电网结构图
2.2工作原理
对于这个系统的工作原理,我们还是在2-1所示的电路图中给予说明。
静态开关()的中断会使系统进入脱网状态即系统孤立起来。
此时电源和负载之间难免会差生供求之间的差距,这个差就得靠来弥补。
具体情况,我们需要具体的分析。
这个差值是正的时候,也就是说电源的供给大于负载对电能的需求时,这个时候的储能系统相当于一个容器,它会把多余的电能储存起来。
这就是电池储能系统的充电过程。
在此过程中一些参数需要经过变化才能顺利实现,我们手机充电的时候都要用到变压器。
同样电池也是如此,只有幅值在它接受范围的电才能进入,否则会造成损坏。
当然在此之前还必须进行交流到直流的变换,因为我们的电池没法对交流电进行储存。
满足上述要求,我们就可以对电池进行储能充电。
当然对充电电压要进行限制,限制在电池可以接受的范围内电。
刚刚讨论的是差值为正的情况,那么差值为负数时的情况是什么样的呢?
差值为负数即电网无法满足负载对于电能的需求,这个时候的储能系统的储能系统的作用就体现出来了,它会把储存的电能释放出来弥补电源缺失的供能部分。
这时系统的变换器会把电池的直流电转化成负载可以使用的交流电,然后还有经过变压器调压,调节过的电能满足接入要求才能并网使用。
电池的放电过程并不是无限制的,当它到达它能够持续放电的最小值时就会停止放电。
系统中的每个变压器都肩负着维持公共节点电能质量稳定的作用。
直流电变换成交流电后,还需要调节它的电能指标以满足并网需求,幅值,相角和频率是首先要满足的参数。
有功和无功都是由功率调节器提供的,所以电能稳定很大程度依赖于这个装置。
2.3PCS拓扑结构
在上面的工作原理中我们都知道这个装置的重要性。
那么它的结构又是什么样的呢?
本节就介绍了它的各种拓扑结构。
先从简单的仅含环节的来介绍。
升压变压器接入这种PCS装置的输出位置。
电池充电时伴随的是变换器的整流过程,而相反状态即放电时伴随的是逆变状态。
这种简洁的结构和独立电源带来的是低损耗。
缺点是它的投入代价太高,庞大的体积使它很难被灵活使用。
当然另外还有另一种拓扑,这种结构中和环节都存在。
直流变直流的环节可以给我进行电压调节。
当系统充电时,交流电经变换器转为直流电,此时得到的直流电的电压也许不满足要求,这时候环节可以帮助我们得到想要的电压。
系统放电的原理大致相反,直流电变交流电后在经另一个环节输出合适的交流电。
这种结构的普适性和对容量的兼容是它吸引人的地方,它的瑕疵就是略低的效率。
直流变直流结构,这种结构实质上是对幅值的改变,经过变换器我们可以改变电压,把十分危险的高压转为低压,从而实现隔离效果,确保人身安全。
另外一种结构是非隔离方式的,简单可靠毋庸置疑是它优点,它的非隔离性使得它效率提升,但牺牲了是变比。
2.4蓄电池模型
2-2电池模型等效电路图
首先我们先要了解一下蓄电池,学过化学的都知道现在广泛使用的电池是一种能量转化装置,在它内部是化学能变成电能的过程,并且是可逆的。
这是蓄电池可以反复使用的原因。
经过那么久的发展,蓄电池家族如今可以说是枝繁叶茂,如铅酸电池是资历最老的一种。
铅酸电池的优点很多,例如铅酸电池对比其他电池在价格上占据巨大优势,它可以回收利用且回收利用率极高,在自放电方面也是比较小的,它的比容量较大,在进行大电流放电时放出电流的性能较好,和其他电池比起来还算持久。
这些优点在应用中转化为铅酸电池的优势,它占据了目前市场很大份额,成熟的技术便于我们分析。
下面的研究就是在铅酸电池的基础上进行的,在图2-2中,我们给出了一个传统铅酸电池的模型。
图中开路开路电压用来表示而代表旁路电压。
主反应支路中包含一个电源和一个RC网络系统,分支Ip电流为依托住反应支路。
在电池主反应支路中,我们考虑能量的释放和化学反应以及普适的欧姆定律给予电路的限制。
在分支电路中,我们主要考虑电池的充放电过程。
这个模型,应用电路知识可以很好的分析。
假设电流为,此时电池释放出的电量为,把当做变量,它的含义是电解时的温度。
、是此RC系统中的所给出的具体参数,由此可以推断以下结论:
(2-1)
由式可知,由于R和C为定值,所有电池的这个参数根据上式可知也是一个定值,电容上流过的电流我们用来表示,同理电容上降落的电压我们用来表示。
由中的电流的流动方向,我们可以得到下面结果:
(2-2)
如果精确分析的话,即便是相同的电解液也会由于温度的不同从而对结果产生影响。
所有为了简化分析,我们要抓住主要因素
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