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硕士学位论文光伏微网系统的储能单元研究 RESEARCH ON ENERGY STORAGE UNIT IN A PV MICROGRID 都棋峰哈尔滨工业大学 2012 年 7 月国内图书分类号 TM615 学校代码 10213 国际图书分类号 621.3 密级公开工学硕士学位论文光伏微网系统的储能单元研究硕士研究生都棋峰导师王卫教授申请学位工学硕士学科电气工程所在单位电气工程及自动化学院答辩日期 2012 年 7 月授予学位单位哈尔滨工业大学 Classified Index TM615 U.D.C 621.3 Dissertation for the Master Degree in Engineering RESEARCH ON ENERGY STORAGE UNIT IN A PV MICROGRID Candidate Du Qifeng Supervisor Prof. Wang Wei Academic Degree Applied for Master of Engineering Specialty Electrical Engineering Affiliation Dept. of Electrical Engineering Date of Defence July, 2012 Degree-Conferring-Institution Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -I- 摘要为了满足用户日益增长的电力需求以及促进人类的可持续发展，以可再生能源为主的微网系统的研究已经迅速展开。储能单元作为微网系统中重要组成部分，对微网系统的稳定、安全、可靠地运行起着举足轻重的作用。本文对应用在光伏微网系统中的储能单元展开研究，以保证其能满足光伏微网系统不同的充放电要求。根据光伏微网系统的能量需求以及交流母线结构特点，选取 VRLA 蓄电池作为储能单元的储能装置，双向 Buck/Boost 变换器和全桥变换器共同组成蓄电池充放电控制器以实现能量的双向流动。分析了储能单元离网放电、并网放电以及并网充电三种不同工作模式，并在此基础上，分别建立前级双向 Buck/Boost 变换器和后级全桥变换器小信号模型，推导出占空比到电感电流的传递函数，为储能单元的电流内环和电压外环的设计提供了理论依据。结合光伏微网系统的运行特点，制定了储能单元在不同工作模式下的控制策略。在已建立的小信号模型基础上,分别设计了前后两级变换器在不同控制策略下的电流内环和电压外环。在 MATLAB/Simulink 环境下搭建储能单元的仿真模型，仿真结果验证了控制策略的有效性。对储能单元的软件和硬件进行设计，并搭建了以 STM32F103VBT6 为主控芯片的硬件实验平台。实验结果验证了不同工作模式下控制策略的正确性，并表明储能单元可以实现三种不同的充放电功能。关键词储能单元；微网； VRLA 蓄电池；双向变换器；小信号模型哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -II- Abstract In order to meet the growing demand for electricity of users and promote the sustainable development of human beings, research of micro grid which mainly consists of renewable energy has spread rapidly. As an important component of micro grid, energy storage unit can ensure the stability, reliability and security of micro grid. In this paper, an energy storage unit that will be applied to PV micro grid is studied to achieve different requirements of charging and discharging for PV micro grid. According to the energy demand of PV microgrid and the structure features of AC bus, the VRLA battery has been selected to be energy storage device of the energy storage unit. The charging and discharging controller has selected the bidirectional Buck/Boost converter and the Full-bridge converter to realize the two-way flows of energy.Three different working modes of the energy storage, which consists of stand-alone discharging, grid-tied discharging and grid-tied charging, has been proposed. Based on it, the small signal model of the bidirectional Buck/Boost converter and the Full-bridge converter have been respectively established. The transfer function of duty cycle to the current of the inductance has been deduced, and provided theoretical basis for the design of the inner current loop and the outer voltage loop. Combined with the working characteristics of PV microgid, the control strategy in the different work mode was proposed. On the basis of small established signal model, the inner current loop and the outer voltage loop of energy storage unit in the different control strategies have been designed. In MATLAB/Simulink environment, simulation model of the energy storage unit is built, and the simulation results have proved the effectiveness of the control strategy. Now ,it has already finished to design the software and hardware of the energy storage unit. The experimental platform is built based on STM32F103VBT6.The experimental results demonstrate that control strategy of the energy storage unit is correct, and show that the energy storage unit can realize three different charging and discharging functions as well. Keywords Energy storage unit, Micro grid, VRLA battery, Bidirectional converter, Small signal model 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -III- 目录摘要 .I Abstract II 第 1 章绪论 .1 1.1 课题背景及研究意义 .1 1.2 储能单元在微网中的作用 .2 1.3 储能技术研究现状 3 1.4 双向 DC/DC 变换器研究现状 .4 1.4.1 非隔离型双向 DC/DC 变换器 4 1.4.2 隔离型双向 DC/DC 变换器 5 1.5 微网中储能单元的控制策略 .6 1.6 本文主要研究内容 7 第 2 章储能单元结构设计 9 2.1 光伏微网系统结构 9 2.2 VRLA 蓄电池 . 10 2.2.1 VRLA 蓄电池的结构及工作原理 10 2.2.2 VRLA 蓄电池的主要参数 . 11 2.2.3 VRLA 蓄电池充放电特性 . 13 2.3 储能单元拓扑结构及数学建模 . 16 2.3.1 储能单元的拓扑结构 16 2.3.2 储能单元的工作模式 17 2.3.3 双向 Buck/Boost 变换器建模 . 18 2.3.4 全桥变换器建模 20 2.4 本章小结 24 第 3 章储能单元充放电控制策略 25 3.1 微网系统的控制策略 . 25 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -IV- 3.2 储能单元的控制策略 . 26 3.2.1 电流环组成 . 27 3.2.2 双向 Buck/Boost 变换器电流电压环设计 29 3.2.3 全桥变换器电流电压环设计 31 3.2.4 不同工作模式下的仿真结果 34 3.3 本章小结 36 第 4 章储能单元硬件及软件设计 37 4.1 整体方案 37 4.2 硬件设计 37 4.2.1 主电路参数设计 38 4.2.2 开关管的选取及驱动电路 40 4.2.3 采样电路设计 . 41 4.2.4 过流保护电路设计 43 4.3 软件设计 44 4.3.1 控制器的资源配置 44 4.3.2 程序总体设计 . 44 4.3.3 采样中断程序 . 45 4.3.4 捕捉中断程序 . 46 4.3.5 定时器比较中断程序 46 4.3.6 保护中断程序 . 47 4.4 本章小结 47 第 5 章实验平台搭建及结果分析 48 5.1 设计指标 48 5.2 实验平台搭建 48 5.3 实验结果分析 49 5.3.1 离网放电模式 . 49 5.3.2 并网放电模式 . 50 5.3.3 并网充电模式 . 51 5.4 本章小结 52 结论 53 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -V- 参考文献 54 攻读硕士学位期间发表的学术论文 59 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 . 60 致谢 61 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -1- 第 1 章绪论 1.1 课题背景及研究意义近年来，为了满足人们日益增长的电力需求，电力部门采取的措施主要是建设新型大规模电力网络，集中向用电需求大的地区供电 [1] 。虽然这种集中供电模式发电效率高且便于管理，但其也存在诸多不足。例如，建设大电厂和远距离输电线路都需要较长的工程实践，并且成本较高，用户对电网的的安全性和可靠性需求均难以满足。近年来多次发生的大面积停电事故，充分体现出了采用集中发电模式的电网是脆弱的，可见一味地扩大电网规模并不能满足要求。因此，为了解决上述问题，分布式发电技术被人们提了出来。分布式发电也叫分散式发电，一般被认为是将发电系统以分散、小规模的形式搭建在用户附近并提供能量的一种发电方式 [2] 。分布式发电具有诸多优点 [3] 分布式电源多采用清洁能源（如风能、太阳能等），其对环境的污染较小，并且节约了传统能源；将分布式电源接入电网，可在用电高峰时弥补电能缺口，并减少了改造用电设备的投资，降低了成本；分布式电源由于距离用户较近，减少了电能远距离传输所带来的线路损耗，并提高了局部供电的可靠性。尽管分布式电源具有上述优点，但仍存在诸多弊端，例如，分布式电源接入电网后，无源网络变成了有众多电源的有源网络，并且改变了原有的单向潮流 [4] ，这使得电网的保护机制发生变化；分布式电源中包含大量电力电子功率转换装置 [5] ，意味着非线性负载大量增加，所以并网运行时电网电压以及并网电流波形将会发生畸变，这些电能质量问题会对电网的安全产生很大影响；当电力系统发生故障时，分布式电源被要求立即停止，这使得分布式能源难以充分发挥其作用，同时可再生能源的利用也间接受到限制 [6,7] 。为了充分利用分布式发电技术的优势，减小其对主电网带来的消极影响，人们提出了一种新的电网形式微电网 [8] 。微电网可以看作是由分布式电源、储能单元和能量管理模块组成的供电系统与负荷组成的一个独立可控的系统，同时为用户提供电能和热能 [9,10] 。由于微网中的电源多采用风能、太阳能等可再生能源，它们受天气因素影响较大，输出的电能变化较大并且不可控，因此微网中加入了储能单元，通过能量管理模块的控制来保证能量供需平衡，保证电能稳定。微电网既可以并网运行，也可与主网断开而独立运行 [11] 。并网运行时，如微网能量充足，则其将多余的能哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -2- 量送入电网，如能量不足，则微网从电网中获得所需的能量；微网独立运行时，其自身提供负荷所需的能量。在电力企业看来，微网就是一个可调度的负荷，可在短时间内响应系统的用电需求；而在广大用户看来，微网是一个可满足用户多方面需求的供电电源。微网中各微电源及负荷通过一个公共连接点 PCC 与电网相连 [12] ，这样解决了大量分布式电源接入电网所产生的冲击问题，并充分发挥了各类型分布式电源的不同优势。对于微网来说，储能单元的加入有助于提升其电能质量、稳定性及可靠性。它能将分布式电源产生的剩余能量或使电网中的能量储存起来，适时地提供电能，以保证系统的稳定。可见，储能单元在微网中发挥着至关重要的作用，因此设计出性能优越的储能单元对微网稳定运行有着重大意义。 1.2 储能单元在微网中的作用储能单元在微网中的作用主要体现在以下几个方面 [13] （ 1）储能单元可以短时或长时间的提供电能。通常，微网在并网运行时，从主电网中获取能量，因此微网在从并网模式切换到离网模式时，会有一定的能量差额，而这部分差额就由微网中的储能单元来补偿，以保证微网能在这两种模式切换时平稳过渡，使系统维持稳定。另外，由风能、太阳能发电的微网系统，由于外界环境的变化，会在某些时间段（太阳能发电的夜间、风能发电的无风时刻）没有电能输出，这时就需要储能单元长时向用户提供电能 [14] 。（ 2）储能单元可用于能量缓冲。由于天气变化等原因，微网中的负荷量会发生波动，这样严重影响了微网的稳定性。在微网中设置储能单元就可以解决由负荷的波动而带来的系统不稳定问题 [15] 。储能单元在负荷低谷时，储存多余的电能，在负荷高峰时，为了满足功率的要求，储能单元将储存的能量回馈给微网。可以看出微网中设置储能单元就省去了为了电力调峰而设置的发电机组，而且还可以在负荷低谷时储存多余的能量，避免了能量的浪费。（ 3）储能单元可以改善微网的电能质量。微网在与电网并网运行时，必须要达到电网对功率因数、电压电流谐波畸变率等要求；微网单独运行时，必须还要满足自身负荷对电能质量的要求，如供电电压、频率等。微网中风能、太阳能等分布式电源的输出功率会随着外界条件变化而变化，从而会导致微网电能质量的变化。针对上述电能质量问题，可在微网中设置储能单元来提供有功功率支撑，无功功率补偿，以稳定电压和频率的波动 [16,17] 。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -3- 1.3 储能技术研究现状微网能否稳定运行、能否提供高质量的电能，这些都与微网中储能单元的工作有着密切关系，可见，储能技术对微网的安全、稳定、可靠的运行起着至关重要的作用 [18] 。电能可以以多种形式被储存起来，例如化学能、动能、势能、电磁能等，概括起来主要就是化学、物理及电磁储能三种形式。其中化学储能主要是铅酸、锂离子等蓄电池储能；电磁储能主要包括超导和超级电容储能；物理储能指的就是飞轮、抽水等将电能转换成物理的动、势能的储能形式 [19] 。下面分别介绍几种目前研究较多的典型的储能技术的研究发展现状。尽管铅酸蓄电池在使用上存在较多的弊端，如重量大、环保性差、充电周期长、寿命短、安全性低等，但目前工程上使用最多的还是铅酸蓄电池，因为它具备几个比较显著的优点 [20] 原料丰富，成本小，可大批生产，技术成熟，价格低，可靠性高。电力领域中铅酸蓄电池已得到了广泛应用，例如，上世纪 80年代，美国就在加州变电站中配置了大容量的铅酸蓄电池储能单元。镍镉蓄电池占据了中高容量蓄电池的市场，其循环寿命比铅酸蓄电池要长，可以减少维护的次数，并且对温度变化大的环境有较强的适应性 [21] 。但是镍镉蓄电池未完全放电后导致结晶体变大，产生记忆效应，使其利用率降低。锂离子电池是目前应用较多的可充电的二次电池，单位容量较高，循环使用寿命较长。但是锂离子电池在充放电过程中需要额外的保护电路 [22] ，增加了成本，并且大规模的集成生产很难实现，因此其在微网中应用较少。在超级电容器的内部有双电层的存在，因此超级电容又被称作双电层电容器 [23] 。超级电容内部双电层的间距比较小，因此可以存储的能量要比普通电容器要多几十倍甚至几百倍。超级电容储能有着其他储能技术不具备的诸多优势。比如，超级电容器具有很大的功率密度，可以在短时间提供很大的能量 [24] ；超级电容由于其等效的内阻较小，因此充放电时间比较短并且效率高；另外，超级电容在充放电过程中不存在化学反应，对环境基本不产生污染并且对温度的适应性也较强，同时使用寿命也较蓄电池等化学储能电池要长。鉴于以上提到的优点，超级电容已经在电动车、可再生能源发电以及变频驱动等诸多方面得到了广泛应用。但是超级电容器也有不足的地方，比方说，其能量密度不高，很难在大容量的系统中得到应用，并且其端电压在充放电过程中波动较大，会影响负荷的正常运行，这也给超级电容串并联使用时带来均压的问题。超级电容与蓄电池联合使用，就可以将超级电容功率密度大和蓄电池能量密度大等各自的优势结合起来，会使储能单元的性能大大提高 [25] 。不仅增加了哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -4- 储能单元的容量，储能单元的功率输出能力会大大提高；而且蓄电池循环充放电的次数减少，其使用寿命大大延长。但混合储能也存在一些弊端，比方说，两者共同储能虽然性能有很大提高，但无疑会增加系统的使用成本，并且由于两种储能技术的特性不尽相同，增加了控制策略设计的难度。不过，超级电容与蓄电池混合储能技术还是在电动车以及电力领域得到了应用。另外，除了以上几种储能技术外，还存在飞轮储能、超导储能、抽水储能、压缩空气储能等多种储能方式。飞轮储能属于物理储能的范畴，由于其无污染且使用寿命长，在可再生能源发电特别是风电领域有着广泛的应用 [26] 。超导储能放电速度快、能量转换速度高，在风力发电领域应用较多，可以改善风力发电系统的稳定性 [27] 。抽水储能需要在上游、下游都建立水库，可以供给较多的电能，但由于环境的因素对其发挥有很大影响，因此其大规模的应用受到限制。压缩空气储能是将空气压缩到高压容器中，在需要大量用电时，再将其释放出来驱动燃气机供电。通过以上的介绍可知，各种储能技术都不能完全兼顾功率高密度高、能量密度高、使用寿命长及充放电效率高等多方面的要求，因此需根据不同储能要求来选择相应的储能方式。储能技术在微网中发展刚刚开始，应用技术还不是很成熟，因此微网中储能技术的研究有很大的发展前景。 1.4 双向 DC/DC 变换器研究现状储能单元中除了负责存储和释放能量的储能装置以外，为了实现储能单元充放电的功能，还需要在储能装置与交流母线之间建立一个能量传输的通道。这个通道被称作充放电控制器，通常由电力电子电路组成。由于储能单元的能量流动是双向的，所以选用的充放电控制器也要能实现电流的双向控制，目前应用较多的是双向 DC/DC 变换器，双向 DC/DC 变换器分隔离型和非隔离型两种 [28] 。 1.4.1 非隔离型双向 DC/DC 变换器非隔离型主要是将传统单向 DC/DC 变换器中的二极管替换成开关管，并在开光管的旁边反并联一个二极管转换而成的 [29] 。由单向 Buck 变换器和单向 Buck-Boost 变换器转换而来的双向 DC/DC 变换器如图 1-1 所示。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -5- a双向 Buck/Boost 变换器 b双向 Buck-Boost 变换器图 1-1 经单向 DC/DC 变换器改进而来的双向 DC/DC 变换器另外，在传统的 Buck、 Boost 等单向变换器的基础上进行级联或并联，也可以形成新的双向 DC/DC 变换器。常用的级联型以及并联型双向 Buck/Boost 变换器如图 1-2 所示。级联型 Buck/Boost 双向变换器，与双向 Buck/Boost 变换器相比，功率管增加了一倍，但电感和电容上的电气应力降低了。并联型 Buck/Boost 双向变换器，在相同纹波下电感的取值可以减小，有利于减少重量体积，在大功率条件下应用较多。 a级联型双向 Buck/Boost 变换器 b 级联型双向 Buck/Boost 变换器图 1-2 级联型和并联型 Buck/Boost 双向变换器非隔离型双向 DC/DC 变换器结构简单，开关管数量不是很多，所以成本较低。另外，由于不存在隔离变压器，不会出现严重的开关管的电压尖峰问题。由于能量传递过程中经历的变换次数较少，这类变换器的效率可以做到很高。但这种结构电压变换的比例有较大限制，以及开关管体内寄生二极管的反向恢复问题非常严重。为了解决二极管反向恢复的问题，多采用软开关技术。 1.4.2 隔离型双向 DC/DC 变换器隔离型双向 DC/DC 变换器则是在非隔离型结构的基础上加入隔离变压器，以实现高压端与低压端的电气隔离。由于隔离型双向 DC/DC 变换器存在一个隔离变压器，这种电路的效率一般不能做的很高。由于隔离变压器的漏感的存在，使得隔离型双向 DC/DC 变换器存在开关电压尖峰，不易抑制。两种隔离型双向 DC/DC 变换器的结构如图 1-3 所示，双全桥隔离型双向变哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -6- 换器的隔离变压器两边都为全桥变换器结构，开关数量较多，成本高，开关管上的电气应力较小，容易实现软开关控制 [30] 。 Cuk 隔离型双向变换器就是在传统的 Cuk 电路中插入隔离变压器，可以看出，电路两边实际上分别是 Boost 电路和 Buck 电路，由于传递能量过程中经历了多个储能器件，效率一般不高，在大功率领域下应用较少。 a双全桥隔离型双向变换器 bCuk隔离型双向变换器图 1-3 两种隔离型双向 DC/DC 变换器拓扑结构 1.5 微网中储能单元的控制策略由于储能单元应用在微网系统中，因此设计储能单元的控制策略时，要考微网系统的运行方式及控制策略。微网系统的控制策略主要从系统级和单元级两方面来考虑。顾名思义，系统级控制策略指的是微网系统的整体控制策略，而单元级控制策略是指微网系统中各单元包括储能单元的控制策略。微网系统的整体控制策略主要包括主从控制和对等控制两种方法 [31] 。主从控制主从控制是针对微网系统工作在离网模式下提出的控制思想。微网系统由于电网故障而与主网断开，为了确保负荷仍能正常工作，需要有微网系统中的一个或多个分布式电源来提供交流母线上的电压和频率支撑。这一个或多个分布式电源被称为主控单元，微网系统中的其他分布式电源称为从控单元。主控单元通过与从控单元之间的通信来获取从控单元的运行信息，并向从控单元传达控制指令以控制其作出相应的响应。可见，主从控制方式下，通信线路一旦出现故障，系统就会崩溃。同时，这种控制模式下，主控单元的容量以及安全性有着严格的要求主控单元要有足够的容量以满足负载的要求；主控单元要将故障发生的概率降到最低以确保其能为微网系统提供频率和电压的支撑 [32] 。对等控制对等控制则是指各分布式电源没有主从之分，它们共同来维持交流母线的电压和频率的稳定。各分布式电源间可以不用通信线路相连，根据哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -7- 各自的下垂特性曲线来对自身进行控制以实现交流母线电压和频率的自动调节。在某个分布式电源出故障时，可立即退出运行而对整个微网系统不会造成影响。同样，当微网系统需要加入新的分布式电源时，可以以相同的控制策略直接接入微网系统，不会对整个系统产生影响，实现了“即插即用”的功能。但是，这种控制方法对非线性负载调节性较差，抗干扰性不高，并且需要较高的控制精度。微网单元级的控制策略主要包括 P/Q 控制、 Droop 控制以及 V/f 控制等。 P/Q 控制 P/Q 控制策略，简单的说，就是对分布式电源输出的有功功率和无功功率进行控制的一种方法。并网运行时，微网系统中各分布式电源不参与交流电压和频率的调节，而是由主网承担，因此这时各分布式电源均可采用 P/Q 控制策略。离网运行时，无论微网系统采用的是主从控制还是对等控制，这时均有分布式电源来提供交流母线上的电压和频率支撑，而其它分布式电源则采用 P/Q 控制策略调节微网系统的有功和无功功率。 P/Q 控制策略一般有两种方式，一种是有功功率和无功功率分开控制，有功功率控制是通过给定分布式电源的有功输出并控制直流母线电压稳定来完成的，而无功功率控制则是通过控制逆变器来输出给定值。另一种方式是有功和无功的控制均由逆变器承担，通过对逆变器控制以输出给定的有功功率和无功功率。 Droop 控制 Droop 控制也称作下垂控制，它借鉴了电力系统的一次调频功能，利用传统发电机的有功 -频率（ P-f），无功 -电压（ Q-U）两条特性曲线，对分布式电源中的逆变器进行控制，实现对微网系统交流母线上电压和频率的调节。这种控制方法多应用于微网系统离网运行的工作模式下，多个分布式电源的逆变器并联，各自采用下垂控制策略，共同维持交流母线电压和频率的稳定 [33] 。它们当中每台逆变器无需与其他逆变器进行通信，而只需检测自身的运行信息，控制有功和无功的输出。 V/f 控制 V/f 控制指的就是对分布式电源逆变器的电压和频率进行控制，以提供交流母线电压和频率的支撑。在微网系统离网运行时，某分布式电源的逆变器会采用这种控制方法来维持微网交流母线电压和频率的稳定。通常采用 V/f 控制策略的分布式发电单元应选用能持续供电的分布式电源如燃气轮机等，而那种会因为天气原因而导致供电不稳定的分布式电源如光伏发电等不宜采用此控制方法。 1.6 本文主要研究内容为了满足大量用户的用电要求，世界上许多国家都已展开对微电网技术的哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -8- 研究，现已取得了一些理论和实验成果。而储能单元作为微网系统不可缺少的一部分，也随着微网研究的进行而成为国内外研究的热点。本文对光伏微网系统中储能单元进行分析与研究，具体研究内容如下（ 1）分析微网系统中储能单元的重要性，介绍储能单元在微网中的作用，并比较不同储能技术的应用特点。比较了非隔离型和隔离型双向 DC/DC 变换器拓扑结构特点，并分析了微网中储能单元的控制策略。（ 2）结合光伏微网系统的结构特点，选取储能单元中的储能装置和充放电控制器。分析储能装置的工作原理及技术特点，确定储能单元的主电路拓扑。根据储能单元的不同工作模式，建立充放电控制电路的小信号模型。（ 3）制定出储能单元不同工作模式下的控制策略，分别对两级变换器的电流内环和电压外环进行设计，在 Matlab/Simulink 环境下搭建储能单元的仿真模型，验证控制策略的有效性及正确性。（ 4）设计储能单元的硬件电路，确定主电路的主要参数，并对储能单元的软件程序流程进行设计。（ 5）搭建储能单元的硬件实验平台，并对其不同工作模式下的控制策略进行实验验证，分析实验结果。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -9- 第 2 章储能单元结构设计 2.1 光伏微网系统结构本文所研究的是一个小型光伏微网系统的储能单元，光伏微网系统结构如图 2-1所示，其选用光伏作为分布式电源，通过逆变器与交流母线相连。同时交流母线还接有储能单元，用于保证微网系统的能量供需平衡。光伏微网系统中还设有一个静态开关，实现交流母线与电网的连接和断开。静态开关闭合时，微网以并网模式工作；静态开关断开时，微网工作在离网模式。此外，中心控制器通过与底层控制器通信对微网系统进行总体调度和控制，而底层的控制器则用来响应中心控制器的控制指令以完成对自身的控制。 DC AC DC AC 电网中心控制器本地负荷光伏发电单元储能单元 DC AC 光伏发电单元储能装置静态开关交流母线图 2-1 光伏微网系统结构图此光伏微网系统借鉴了欧洲的微网形式，采用的是基于交流母线的微网结构。这种形式下有多个逆变器并联接到交流母线上，而不是像直流母线结构那样，只通过一个逆变器接到交流母线上。这种结构形式既不会由于某个分布式电源出现故障而导致整个系统崩溃，也不会由于只接一个逆变器而导致系统增大容量时受到逆变器功率等级的限制。但是这种形式下多个逆变器并联于交流母线上，不仅成本会大大提高，而且控制还较为复杂，需控制多个逆变器同步工作，否则会在逆变器之间出现环流，对微网系统造成危害。本文研究的储能单元的结构是基于上述光伏微网系统提出来的。因此，储能装置是经过双向 DC/AC变换器接到交流母线上的。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -10- 2.2 VRLA 蓄电池鉴于第一章对多种储能装置的比较分析，铅酸蓄电池能量密度高，能存储较多的能量，并且可靠性高，而近年来，阀控式密封铅酸蓄电池由于具有免加水维护、不漏液、污染小、寿命长等优点而在电力领域得到广泛应用 [34] ，因此本文选用 VRLA蓄电池作为储能装置。 2.2.1 VRLA 蓄电池的结构及工作原理阀控密封式铅酸蓄电池诞生于 20世纪 70年代，而在 90年代得到广泛的应用，在 1996年已经基本取代了传统铅酸蓄电池，它的问世克服了酸液易外漏的技术难题，受到广大用户的普遍欢迎 [35] 。阀控密封式铅酸蓄电池主要由正负极接线端子、正负极板、隔板、电解液、安全阀以及外壳等组成，其结构如图 2-2 所示。一般一个 12V 的铅酸蓄电池由 6 个单格电池串联组成，每个单格电池的额定电压为 2V。每个单格电池都包括多个正极板、负极板以及正负极板之间的玻璃纤维隔板，并且在它们之间添加了一定比重的稀硫酸电解液 [36] 。单格电池串联之后，分别将第一个单格电池的正极和最后一个单格的负极引出作为整个铅酸蓄电池的正、负极接线端子。正负极板是 VRLA 蓄电池最为重要的部分，它性能的好坏直接影响整个蓄电池充放电特性以及使用寿命 [37] 。正极板上附有暗棕色的活性物质二氧化铅（ 2 PbO ），负极板上附有深灰色的活性物质海绵状铅（ Pb ）。在蓄电池充放电过程中，正负极板上的活性物质与电解液发生化学反应，从而完成化学能与电能的转换。图 2-2 阀控密封式铅酸蓄电池结构图隔板位于正负极板之间，不仅可以防止两极板间短路，而且还不会阻隔正哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -11- 负极板间离子的流通。在充放电过程中蓄电池内部会产生大量气体，为了避免发生爆炸，需将气体排出，所以蓄电池结构中安装有安全阀。 VRLA 蓄电池安全阀具有单向性，不允许外部空气进入蓄电池，并且在蓄电池内部压强达到一定压强时，其自动打开以排出气体而保护蓄电池，同时安全阀的密封作用也使得蓄电池在使用过程中失水量降低而减少加水维护。 VRLA 蓄电池的工作原理与传统铅酸蓄电池基本相同，在充放电过程中，蓄电池内部的化学反应方程式如下 224 42 PbO 2H SO Pb 2PbSO 2H O ZZZXZ YZZZZ 放电充电 2-1 而正、负极板的化学反应方程式则为 - 24 42 PbOHSO3H2e PbSO2HO ZZZXZ YZZZZ 放电充电 2-2 - 44 PbHSO PbSO H 2e ZZZXZ YZZZZ 放电充电 2-3 从上述化学反应方程式中可以看出， VRLA 蓄电池在充电时，正、负极板上在放电后生成的硫酸铅分别被分解还原成活性物质二氧化铅和铅，同时生成硫酸 [38] 。随着充电过程的继续，蓄电池内部会有气体生成，正极生成氧气，负极生成氢气。 VRLA 蓄电池采用密封式结构，产生的气体不会排到蓄电池外部，随着气体量的不断增加，蓄电池内部的压力会将正极产生的氧气推向负极，将负极的铅氧化成氧化铅，氧化铅又与硫酸反应生成硫酸铅，从而继续进行负极的充电反应，这样既缓解了蓄电池内部的气压，同时减少了氧气与氢气复合生生水而流失 [39] 。另外， VRLA 蓄电池采用特殊的板栅材料使得负极生成氢气的含量大大减小，这同样也降低了失水量。蓄电池在放电时，正、负极板上的活性物质与硫酸发生化学反应生成硫酸铅使电解液的浓度降低 [40] ，从而使蓄电池的内阻增加，导致其电动势降低。 2.2.2 VRLA 蓄电池的主要参数 2.2.2.1 电压 VRLA 蓄电池在不同状态下有多个电压的定义标称电压一般来说，一个 VRLA 蓄电池的标称电压为 12V，它是由 6 个标称电势为 2V 的单格串联组成。标称电压是一个理论值，它由电池内部正、负极的活性物质特性决定，而实际蓄电池的电压与理论值差异很大。开路电压在断路状态下， VRLA 蓄电池两端的电压称为开路电压，它等于蓄电池正、负极电位之差 [41] 。工作电压 VRLA 蓄电池的工作电压指在接通负载后其正负两端的电压，哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -12- 也叫放电电压。内阻的存在使得蓄电池的工作电压小于开路电压，它等于开路电压减去内阻上的压降，即 0