摘 要

大规模风能、太阳能等可再生能源接入电网已经成为现代电力行业不可逆转的趋势，然而，由于可再生能源发电存在着间歇性、波动性等因素，严重制约了可再生能源发电并网的规模。经研究表明，储能技术可以实现电能的时空平移，被认为是平滑可再生能源发电出力波动、提高电网接纳能力的有效手段。其中混合储能技术凭借着其优良的特性成为了现代电力行业研究的热点。

本文介绍了风力发电技术的数学模型，并建立了依托山体的重力储能的数学模型。在此基础上，本文结合目前储能的两个研究方向，将新兴的重力储能和电化学储能结合在一起，提出了一种以依托山体的重力储能为主，以电化学储能为辅的分时分段控制策略，可对风电场的出力波动进行快速补偿，有效降低风电并网的间歇性、波动性，保证风电场与混合储能系统联合向外输出的功率稳定。基于风电场功率预测和实际之间的误差分布特性，针对离网风力发电系统寻找依托山体重力储能单元和全钒液流电池之间的优化关系，以储能系统年综合成本最小构建优化目标函数，以依托山体重力储能单元、全钒液流电池连续最大充放电量等储能容量和功率为约束，对独立运行的风力发电系统进行了储能容量优化配置。最后通过算例仿真计算验证了以依托山体的重力储能为主，以电化学储能为辅的分时分段控制策略的可行性、正确性。

关键词：依托山体重力储能；全钒液流电池；混合储能；协调控制；容量优化配置

Abstract

The large-scale wind power, solar energy and other renewable energy access to the power system network has become an irreversible trend in the modern power industry. However, due to the intermittent and volatility of the output power of renewable energy generation, it seriously restricts the scale of renewable energy grid connection. Since energy storage technology can realize the translation of electric energy in time and space, it is considered as an effective means to smooth power output fluctuation and improve grid acceptance. Among them, the hybrid energy storage technology has become a research hotspot in the modern power industry with its excellent characteristics.

This paper introduces the mathematical model of wind power generation technology, and establishes a mathematical model of gravity energy storage based on mountains. On this basis, combining the two research directions of energy storage that it combines the emerging gravity energy storage with electrochemical energy storage, this paper proposes a time-division and piecewise control strategy, which mainly relies on the gravity energy storage of mountains and supplemented by electrochemical energy storage, which can quickly compensate the fluctuation of wind farm output, effectively reduce the intermittence and fluctuation of wind power grid connection, and ensure the power stability of combined output of wind farm and hybrid energy storage system. Based on the characteristics of the error distribution between prediction and practice of the wind farm power, this paper search for the optimal relationship of off-grid wind power generation system between the Gravity Energy Storage Unit (GESU) and the Vanadium Redox Batter(VRB). In this paper, the energy storage capacity of independent wind power generation system is optimized with the constraints of energy storage capacity and power, such as the continuous maximum charge and discharge capacity of GESU and VRB. The optimization objective function with wind power plant is constructed with the purpose of minimum annual comprehensive cost.

Finally, the feasibility and correctness of the time-division and piecewise control strategy based on gravity energy storage and electrochemical energy storage are verified by numerical simulation.

Key Words: gravity energy storage unit based on mountain; vanadium redox batter; hybrid energy storage; coordinated control strategy; capacity optimization configuration model

目 录

第1章 绪论 1

1.1 本文研究的目的与意义 1

1.2 储能技术的类型及国内外研究现状 1

1.3 本文研究内容及章节安排 6

第2章 分布式电源的数学模型 8

2.1 风电场出力模型 8

2.1.1 风速的模型 8

2.1.2 风力发电机的模型 9

2.2 依托山体的重力储能模型 10

2.2.1 发电过程 10

2.2.2 储能过程 13

2.3 本章小结 14

第3章 与风电结合的混合储能系统 15

3.1 储能系统的控制策略 15

3.1.1 发电与储能的条件 15

3.1.2 发电过程的控制策略 15

3.1.3 储能过程的控制策略 17

3.1.4 最佳切换功率的确定 17

3.2 目标优化函数 17

3.2.1 成本分析 17

3.2.2 优化模型 19

3.3 约束条件 19

3.4 本章小结 20

第4章 算例分析 21

4.1 算例场景 21

4.2 算例算法 22

4.3 系统与成本的参数 22

4.4 容量优化配置结果 23

4.5 本章小结 25

第5章 结论与展望 26

5.1 研究结论 26

5.2 研究展望 26

致谢 28

参考文献 29

附录A分时分段充放电控制过程 33

附录B遗传算法执行过程图解 34

第1章 绪论

1.1 本文研究的目的与意义

世界各国对能源的需求日益增长，而传统的不可再生资源储存有限，化石能源储量也在逐年减少，为应对化石能源开发利用所带来的能源和环境危机，建立以电为中心、以可再生新能源大规模开发利用为特征的能源互联网在全球范围内掀起了热潮，风电、光电大规模接入电网已成为一种不可逆转的趋势^[1]。然而，与传统的火电和水电相比，风力发电、光伏发电具有明显的随机性、波动性和间歇性^[2]。在过去五年中，我国风电、光电发展历程中，一直伴随着两种现象：其一，风电、光电装机容量高速增长的“捷报”；其次，因电网对可再生资源发电并网的吸收能力不足而导致的弃风、弃光困局。到2015年为止，全球弃风总量959亿，弃风率达到，全球弃光总量46.5亿，弃光率达到12.62%^[3]。

储能技术是提高电网对可再生能源的吸收能力、分布式电源并网、现代电力行业高速高效可持续发展的必不可少的支撑性技术^[4-6]。从电的发现到现代电能的大规模应用，“储能”始终是电力生产运行过程中的一大薄弱环节。由于储能的缺失，电能的“发”、“输”、“供”、“配”、“用”环节难以达到平衡^[7-8]，这大幅增加了电力系统的运行风险和成本。一方面，储能技术可以平抑系统出力，削峰填谷、减少系统备用，提高现有发、输、供、配、用电设备的利用率和运行效率；另一方面，储能技术能够改变能量的形态，由此可提高常规电网吸纳大规模风电、光电等可再生能源的能力，从而克服现有风、光等可再生新能源发电带来的间歇性、波动性等问题^[9-10]。文献[11-14]具体表述了储能技术在电力系统中平滑系统输出、辅助消纳新能源等方面的应用。

若储能达不到一定的要求，将会阻碍风能、太阳能等可再生能源的有效利用，甚至会造成传统电力系统的运行效率和电能质量的下降，不利于实现社会经济效益的最大化^[15-16]。尽管世界各地的研究人员已经对各种储能技术进行了大量研究，然而，到目前为止大规模储能仍然没有得到广泛使用，仅处在试验范围，有待进一步发展。

1.2 储能技术的类型及国内外研究现状

当前，储能技术依据电能转换储存方式的不同可分为四大类型：物理储能、电磁储能、电化学储能和相变储能；其中物理储能包括抽水储能、压缩空气储能和飞轮储能等，电磁储能包括超导储能和超级电容器储能等，电化学储能包括铅酸电池、钠硫电池、锂电池等，相变储能包括冰蓄冷、中高温蓄热储能等^[17]。以下简要介绍各种储能技术及其发展现状。

（1）抽水储能

第一座抽水储能电站Yanbaru(30WM)于1999年在日本建成，抽水储能技术是全球装机规模最大的储能技术，也是目前发展最为成熟的储能技术。文献[18]把抽水储能与风电场结合起来，用蒙特卡洛法模拟风速，建立使用风力实现抽水的模型，并推导了风能与抽取水质量的关系式，通过具体算例仿真证明了风力抽水储能是可行的。但是文献[18]只是把风电场与抽水储能简单的拼凑在一起，没有考虑波动平抑分析、经济特性等，因此实用价值不高。而文献[19]提出一种将风、光与抽水结合考虑的日前调度策略，该策略将风光出力(power of wind photovoltaic，PWP)进行滤波分析，得到各个频段的PWP分量，从而进行调度。文献[20]则将风电出力分成多个时段，在满足日负荷预测下进行优化调度。虽然有抽水储能技术的成功应用，但由于其电站的建造受水文和地质条件的制约，且建设工期长，工程投资大，现阶段的“储存”容量仍达不到市场所需^[21]。

（2）电化学储能

电池储能系统(Battery Energy Storage System，BESS)具有快速功率吞吐能力^[22-24]，是目前较为成熟可靠的储能技术。电化学储能主要包括铅酸电池、全钒液流电池、锂电池等储能形式。文献[25-26]把锂电池和超级电容器结合考虑，依据分段平均法将风电场输出功率分解为慢趋势变化分量和快趋势变化分量，然后将慢趋势变化分量分配给锂电池，将快趋势变化分量分配给超级电容，在此储能结构和运行策略下，结合某风电场的实测数据进行仿真，寻求最优充放电深度。相对于文献[25-26]，文献[27-29]则通过滤波法平滑可再生能源发电场输出功率，然后将滤波后的波动功率分配给电池和超级电容。也有学者旨在选择最佳的电池类型，文献[30]从技术特性和经济特性等原理层面比较了各类储能电池，得出全钒液流电池是可再生储能系统的最佳选择；而文献[31]以负荷缺电率和能量溢出比为考核指标，在同一条件下，分别对阀控铅酸、锂离子和全钒液流电池进行了最优光储容量配置，结果表明，在满足指标要求下，全钒液流电池是经济性最高、可靠性最高的电池储能。电化学电池在电力系统的应用在于既能快速响应负荷，也能通过平衡无功功率平抑系统电压波动和闪变^[32]。但，电化学储能能量密度低，建造成本高，寿命有限，废弃的电池污染环境。

（3）飞轮储能

飞轮储能系统效率可达，具有高效率、快响应、寿命长的优点。文献[33]采用永磁无刷直流电机驱动飞轮，通过Matlab软件对离网式风电场进行了仿真，仿真结果验证了飞轮储能可以平抑风电场出力波动。而文献[34]提出一种无需测量风速但却适用于风力发电系统的有功功率平滑控制策略，以期实现良好的平抑风电出力的平抑效果。但文献[34]在做功率平滑控制策略时，只考虑了有功功率，并没有考虑无功功率，文献[35]提出了一种以风电场输出有功、无关功率作为控制信号的解耦控制策略以实现风电场有功、无功出力的快速补偿。文献[35]虽然考虑了风电场输出有功、无关功率，但它所使用的解耦控制策略效率不高，文献[36]依据风电场和功率调节器的拓扑结构，提出模糊推理方法优化控制有功出力、功率调节器提供无功功率稳定端电压的策略，较好的平抑了风电场出力的随机性、波动性。但飞轮储能成本高、噪声大，尚有待于发展。

（4）压缩空气储能

压缩空气储能（Compressed Air Energy Storage，CAES）因成本低、寿命长、响应快等优点得到了全球范围内国家和研究机构的广泛关注。文献[37]构建了一种微型的压缩空气储能系统的仿真模型，但其原动部分建模较为简单，仅适用于采用气动马达的系统。文献[38]在文献[37]的基础上提出了CAES原动部分包含压力、温度、透平等环节的数学模型，最后将CAES混合储能系统接入微电网运行仿真，通过与文献[37]的对比验证了其拥有更高的精度。文献[39-40]构建了一种耦合绝热CAES的冷热电联供系统，提高了风电利用率。虽然压缩空气储能电站较抽水储能电站建设和发电成本更低，但其能量密度低，且受岩层等地形条件的限制。

（5）超导储能

超导磁储能系统(Superconducting magnetic energy storage，SMES)利用由低温环境下的超导线圈中产生电磁场从而将电能转换为磁能储存。SMES主要用于平抑风电场功率波动，可利用SMES的四象限功率运行能力通过合理的功率调节器来补偿风电场的出力波动^[41]。文献[41]只是做了简单的仿真证明了SMES可平抑风电场功率波动，文献[42-43]在文献[41]的基础上将网侧电压作为负反馈控制信号实现风电场有功、无功输出的解耦控制。文献[44]则针对SMES的斩波器进行改进，提出双闭环加脉冲判断的控制策略，使得SMES更加快速、准确地平抑直驱风电系统并网带来的功率波动和低电压穿越问题。文献[45]则从原理层面详细介绍了SMES在可再生能源发电中的应用：平滑功率输出、提高微网的频率、电压稳定性、提高风力发电、光伏发电等的故障穿越能力。SMES虽然具有快响应、无污染的特点，但相较于其他储能技术，其成本过高。

（6）超级电容器储能

SCES（超级电容储能）可作为可再生能源并网的能量缓冲单元以保证供电可靠性和电能质量。文献[46]详细介绍了超级电容器储能的恒压双向功率的工作原理，在此基础上给出了超级电容器的设计方法，有效规避了传递函数不稳极点。文献[47]在文献[46]的基础上，使用DigSILENT软件以吉林某风电场为例进行了仿真分析。文献[48]在采用功率补偿的基础上，加了电压-电流双环控制，最后进行了此系统与微网同步运行，证明了此控制策略的正确性。大多数SCES以并联方式接入电网，文献[49]则采用串联补偿将连续变化的电压分量注入系统，依此消除电压的波动，采用并联补偿吸收或注入有功、无功功率，依此控制系统有功、无功的平衡，并在文献的最后，以某风电场的历史数据为基础，进行了仿真分析。SCES虽然能量密度高、循环寿命长，但其规模小，主要应用于小型的微网或分布式电站。

（7）相变储能

相变储能主要分为电储热、熔融盐储热以及冰蓄冷技术。熔融盐储热尤为典型。近五年来，有关相变储能的研究，仍止步于相变储能材料的研究，尚未有实际的应用。

（8）重力储能

现阶段，国内外学者对重力储能模块的研究尚处于萌芽阶段，对此研究的人很少，且大多数停留在理论和假设阶段，并没有实际的应用实例。

美国先进轨道储能公司（Advanced Rail Energy Storage，ARES）在重力储能上已经申请了专利^[50]，专利的原理是用改装后的轨道车在特制的铁轨中来回运行。当电网中的电力有盈余时，装在轨道车上的电动机利用电网中剩余的电力将轨道车推动到山顶，将电网中盈余的电能转化为轨道车和重物的重力势能；当电网中的电力不足时，轨道车顺势下滑，将轨道车和重物的重力差转换为驱动力，推动发电机组发电，可以提供持续八小时的恒定功率输出。其专利的优点在于堆料场铺设了多条轨道，提升了轨道来回轨道车的数量，但也存在容量有限的缺点。2013年该公司设计了ARES系统，在小容量内验证了重力储能的可行性，并说明了重力储能拥有比电池更小的维持费用，比飞轮有更高的转化率，比抽水储能更快的响应时间。此外，美国Seapower公司和美国Gravity Power都有若干重力储能专利^[51]。

重力储能的应用在国内较少，但也提出了一些水平较高的重力储能专利。专利[52]的作者曹信江提出采用大型立柱和滑轮组实现利用电动机和发电机提拉重物箱的上升、下降的垂直重力储能装置，从而实现系统的储能和发电；如图1.1所示。专利[53]提出一种依托山体的重力储能系统，在山体的斜坡上，铺设多条轨道，加设可以在轨道间来回行驶的先进电力车，电力车上承载大量重物，实现提升重物至山顶储存能量，下放到山低过程中释放能量；如图1.2所示。

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