超级电容器储能装置仿真建模及其应用研究

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近年来风力发电、光伏发电等可再生分布式发电系统广泛接入电网,其容量在电网中的比重不断提高,但由于受到季节、气候等因素的影响,分布式发电系统输出功率具有很强的随机性和间歇性,会对电网的安全性、稳定性以及电能质量等方面造成冲击,严重时将引发大规模恶性事故。储能技术能够为分布式发电系统提供能量存储、平衡以及备用等服务,是提高能源利用率、改善系统经济性、确保系统安全稳定运行的有效措施。超级电容器作为一种新型储能装置,具有动态响应快、效率高、功率密度大、循环寿命长等优点,是一种非常具有潜力的储能装置,因此本文以超级电容器为研究对象,重点就其工作原理、等效建模原理方法、电压均衡技术以及超级电容储能系统的仿真建模开展系统研究。本文首先以双电层超级电容器为例,对超级电容器的单体工作原理和功能特性进行了详细阐述。在归纳总结国内外超级电容器建模现状的基础上,针对现有模型的不足,提出了一种新型双电层超级电容器模型改进2阶RC模型,同时给出一套通过恒流充电实验快速确定模型参数的辨识方法。该模型结构简单、描述能力强、参数易于辨识,具有较高的工程实用价值。利用扰动分析法,通过模型关键参数的灵敏性分析,得到影响超级电容器特定性能特性的主导因素,为模型参数的进一步的优化调整提供了依据。针对超级电容器的串联均压问题,在分析影响超级电容器电压因素的基础上,详细分析了现有超级电容器电压均衡控制策略工作原理和优缺点。以改进的2阶RC模型为单体模型,选择单飞渡电容法作为均压策略进行均压仿真,取得了良好的均压效果,为其单体成组建模奠定了基础。详细分析了超级电容器储能系统的结构组成和运行原理。建立了双向DC/DC变流器和网侧变流器的数学模型,在此基础上,详细阐述了它们的控制策略,并基于Matlab/Simulink仿真工具箱构建了完整的超级电容器储能系统模型,通过仿真实验验证了该系统及其控制策略的正确性和有效性。最后将此超级电容器储能系统用于平抑风电机组出力波动,与风电机组组成风储系统,选择基于低通滤波原理的平抑控制策略,并采用国家风光储输示范工程的实际工程数据进行仿真检验,取得了良好的平抑效果。
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