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超级电容器储能应用于分布式发电系统的能量管理及稳定性研究

唐西胜

  双电层超级电容器兼具蓄电池能量密度大和电解电容器功率密度大的优点,循环寿命长、储能效率高、充放电速度快、高低温性能好、环境友好,具有卓越的储能潜力。本文以光伏系统为例,研究了超级电容器储能以及超级电容器蓄电池混合储能在分布式发电系统中的应用;并探讨了超级电容器对分布式电力系统小信号稳定性的改善作用。介绍了太阳能电池及光伏系统的特性,给出了一种基于dP dD的最大功率点跟踪控制策略及其理论依据。介绍了超级电容器工程用等效电路模型,构建了超级电容器储能独立光伏系统,并进行控制环节和能量管理过程设计。仿真及实验表明,超级电容器的充放电效率高达92.5%,所用的MPPT方法具有较好的跟踪速度和精度,系统在光伏发电功率波动和负载功率脉动时,呈现出良好的稳定性。建立了超级电容器蓄电池直接并联储能的等效模型,针对脉动负载,分析了储能系统的性能改善及其影响因素。对三种混合储能结构进行了理论分析、仿真和实验。在有源式混合储能结构中,采用了一种蓄电池近似恒流放电控制策略,蓄电池只以脉动负载的平均功率输出,放电过程具有明显的优化效果。提出了将超级电容器蓄电池混合储能应用于光伏等分布式发电系统,以优化蓄电池的充放电过程。将光伏阵列及充电控制器等效为脉动电流源,分析了混合储能的响应。提出了一种无源式混合储能方案,可以较好地优化蓄电池的充放电过程。给出了一种有源式混合储能方案,并提出了一种蓄电池优化充电控制策略。对两种储能结构进行了仿真分析和实验验证。分析了混合储能的技术经济性。驱动脉动负载时,蓄电池的输出电流峰值远小于负载的脉动电流峰值,可以减少蓄电池组的配置容量,降低安装成本。利用超级电容器的储能能力和并联控制器的变流控制作用,可以减少蓄电池的充放电小循环次数,减小放电深度,延长蓄电池的使用寿命,降低运行成本。探讨了直流分布式电力系统的小信号稳定性问题。分析了恒功率负载的负阻性以及各种功率模块之间较强的相互作用对系统稳定性的影响。介绍了稳定性的阻抗分析法,包括稳定禁止区域、阻抗规范,以及稳定裕度的测试等。超级电容器的等效源阻抗很小,本文提出,将超级电容器与系统中的直流母线并联,以降低源输出阻抗,使系统环路增益的奈氏曲线远离禁止区域,从而提高稳定性能或带载能力。并以光伏系统的实例分析证实了可行性。……   
[关键词]:超级电容器;分布式发电系统;独立光伏系统;蓄电池;最大功率点跟踪;等效电路模型;混合储能系统;技术经济性;小信号稳定性
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中国科学院研究生院(电工研究所)2006年