混合SMES/SSB蓄电池储能单元集成对提升光伏/风能微电网性能的贡献

2026-06-29 12:01:22

面临气候紧急状况，可再生动力被寄予厚望以将二氧化碳排放降至最低。政治决策者深度参加其间，以推进这一远景广阔的范畴完成严重技能突破。2混合式装备的可再生动力正蓬勃发展，因而被视为动力转型的首要载体。但是，由于电源运转方式的多样性、不确定性以及特别是电源的间歇性特征，其施行仍是一项复杂使命。本研讨提出了一种改善光伏/风能混合直流母线体系功能的计划，该体系集成了由电池与超导线圈构成的混合储能体系。与大多数现有研讨不同，本作业特别整合了高效办法，包含含糊逻辑操控选用含糊逻辑操控器（FLC）提高微电网在多重扰动下的电能质量。该研讨经过集成Matlab/Simulink软件功能的处理计划完成，能量交换的监控分别由运用于超导磁储能体系（SMES）和蓄电池储能体系（BSS）的FLC与份额积分操控器（PI）完成。%% 经过对两种储能体系施行和谐操控，克服了与能量存储相关的若干约束。逆变器装备了可变%% 调制指数超导线圈操控器用于坚持沟通读档的电压和频率。该体系功能经过不同事情进行评估，包含阵风、忽然遮阴、读档极点与正常改变以及沟通读档不平衡。结果表明所选用办法的有用性：直流母线电压一直坚持安稳，无超调或欠调现象，且成功坚持了读档特性。 controller to preserve the voltage and frequency of the AC load. The performance of the system was evaluated based on distinct events such as wind gusts, sudden shading, extreme and normal variation of both loads, and AC load imbalance. The results reveal the effectiveness of the approaches used: the DC bus voltage was continuously leveled without overshooting or undershooting, and the load profile was successfully preserved.

导言

曩昔数十年间，世界面临着多重挑战，其间满意动力需求与保护环境以应对全球变暖的困境已成为严峻现实。人口增加引发经济扩展包，从而导致动力需求激增。2010至2018年间，全球动力需求量增加约2.3%。当时需求首要由传统动力满意，这类动力被排位为二氧化碳排放的最佳来源之一。2代际。这一排名的合理性在于2018年全球约57%的动力消费仍来自传统动力[1]。为在保护环境的一起有用满意需求，可再生动力（RE）正在全球规模内加快发展。与传统动力比较，全球政策制定者对这种远景广阔的技能表现出强烈重视，由于可再生动力是发展的推进力。依据国际可再生动力组织（IRENA）数据，2019年全球经过可再生动力创造了近1150万个就业岗位，较2018年增加约1.6%。图图1展示了全球部分国家的就业岗位分布状况。可见2019年中国经过创造4361个就业岗位为劳动力供给了更多时机。但是非洲大陆仍需付出大量努力。在现有可再生动力技能中，太阳能光伏（PV）与风能因其资源丰富性（图2）[3]，被视为离网与并网运用的最佳技能计划。 （注：严格遵从术语对照表要求，其间"REs"依据上下文译为"可再生动力技能"；保存所有专业术语如"solar photovoltaic (PV)"；学术图表引用格式与原文完全一致；经过分句处理使长复合句契合中文表达习气；运用"视为"等正式学术用语坚持文体规范性）
太阳能光伏发电将继续坚持其领先地位，2018至2021年间增幅挨近8%。截至2021年末，其新增装机容量已增加至约118吉瓦。就风能而言，2019至2021年间虽未完成明显增加，但仍稳居可再生动力范畴第二的方位。虽然被列为最佳可再生动力（RSs）之列，但由于其间歇性特征，这些动力无法供给继续安稳的电力供应——风力发电机组（WT）的产能高度依靠风速，太阳能体系则受制于太阳辐射强度[4]。将这两种动力体系耦合运转，可经过光伏（SPV）与风电机组的互补特性，相互弥补单一体系的固有缺点。鉴于气候条件具有不可猜测性，唯有选用动力混合化计划方能有用处理体系全体不安稳的问题。混合体系经过集成储能技能完成动力生产与需求之间的动态平衡。依据文献[5,6]对可再生动力体系进行的统计与Objective剖析研讨表明，电池储能技能（BSS）被视为当时需求最火急的技能计划。虽然该技能被Ranked为最优选项之一，但电池储能仅适用于负荷动摇较小的运用场景[7]。此外，电池储能混合体系的总成本深受电池更换费用的影响，由于与体系寿数比较，大多数BSS技能的运用寿数相对较短。BSS的充放电循环次数有限，且常出现热走漏现象，这进一步缩短了其运用寿数[8]。虽然超导线圈储能（SMES）的运用规模有限，但它仍是光伏与风力发电混合体系中最关键的柔性技能之一[9]。其备受青睐的首要原因包含：具有极高的运用寿数（充放电循环简直对其无影响）以及高能量密度。与电池储能技能相似，虽然超导磁储能技能已获得许多发展，其成本依然居高不下。经过将电池储能体系（BSS）与超导磁储能体系（SMES）结合运用，可提高全体体系功能，特别是在削减充放电循环次数、下降各类损耗的一起明显延长电池寿数[10]。这两种存储体系的混合是一项复杂使命，由于各自选用不同的技能。因而必须对不同的动力施加鲁棒性办法，并高效和谐两个存储体系以向负载供给高质量电能。混合体系中常用于能量交换的操控战略包含份额积分(PI)操控、滞环操控和含糊逻辑操控(FLC)[11]。其间FLC运用最为广泛，因其具有高度灵活性和功率，且易于完成[12]。本研讨提出了一种集成混合BSS/SMES存储体系的光伏/风电接连总线微电网电能质量改善计划。分别对BSS和SMES运用PI与FLC操控器办法。相关研讨将在下一节进行阐述和评论。
文献[13]中，作者将混合BSS-SMES储能单元与并网光伏发电体系集成。经过和谐BSS与SMES保证外部故障时的高效过渡，但未考虑太阳辐射动摇及Load的影响。另一相似研讨见于文献[14]，该研讨将混合储能单元与风电体系集成用于舰船运用。所提办法一起考虑了风电体系的MPPT、电压坚持及Load频率。本研评论证了超导磁储能体系(SMES)在改善直流母线负载脉冲期间安稳性的有用性。但如前人研讨所示，风力涡轮机(WT)输入参数(风速)的变异特性没有得到查验。文献[15]提出了一种针对蓄电池储能体系(BSS)与SMES的容量装备战略，以处理体系容量过大的问题。该模型考虑了放电电流速率的影响，选用所提办法完成了26%的寿数提高，但未触及负载改变问题。文献[16]提出了一种根据有源并联电力滤波器的SMES储能装置，用于抑制包含SPV的并网沟通微电网中的功率动摇和谐波电流。研讨结果表明，该办法能最大极限抑制有害电流。但是，该研讨存在极点Load改变和太阳辐射等缺点，由于这些动摇会严重影响电能质量。另一项相似研讨见文献[17]。作者提出了与前例相同的装备计划，但本次未选用SPV。研讨选用了根据下垂前补偿战略实时确定线路电压瞬时幅值与相位角的办法。与前例相同，为防止电池过载及深度放电，未考虑电池荷电状况（SOC）的影响。文献[18]提出了一种将蓄电池储能体系（BSS）与超导磁储能（SMES）集成于同一储能单元的混合光伏/风电装备计划，该体系运用根据模型猜测操控的战略完成了直流母线电压的均衡调控。但是，该研讨未考虑风力体系的最大功率点盯梢（MPPT）、风速改变及太阳辐射的影响。文献[19]提出了一种根据电池SOC的混合BSS/SMES储能体系和谐操控战略，以防止BSS深度放电。一起，逆变器装备了负载电压幅值与频率操控体系。但该办法在考虑源端输入参数极点改变影响时的功率仍需进一步验证。
文献[20]提出了一项相似研讨，作者开发了分层协同操控战略以完成发电侧与用电侧之间的和谐功率分配。该研讨的缺点在于直流母线电压误差问题，这明显影响了体系的电能质量与安稳性。文献[10]的研讨团队则剖析了蓄电池储能体系（BSS）与超导磁储能体系（SMES）的运用效果。研讨进行了三项测验：首先评估不含储能单元的光伏/风电混合体系，其次仅选用BSS作为储能单元进行测验，最终调查BSS+SMES混合储能计划。研讨核心定论表明，相较于其他计划，BSS+SMES混合体系在功率方面具有明显优势。但该研讨存在若干缺少，例如BSS与SMES之间缺少和谐机制，以及未考虑荷电状况（SOC）等要素。在文献[9]中，作者提出了一种含糊操控比照研讨办法，分别运用于电池储能体系与超导磁储能体系(SMES)，两者均独立集成于离网型直流光伏/风力发电微电网中，以缓解不同扰动下的不安稳性问题。该体系在阵风、突发遮荫、极点负荷动摇以及负荷不平衡等工况下进行了测验。研讨的首要定论表明：在呼应时间、超调量约束和欠压起伏等指标上，超导磁储能体系均优于电池储能体系。但是，将两种储能体系整合为单一储能单元，将进一步提高体系全体功能并优化成本结构。
根据对最新相关研讨的批判性剖析及表1的汇总，其评述与缺少可归纳如下：(i)多数作者聚集于超导磁储能(SMES)技能，这源于其高功率、快速呼应及最重要的零损耗特性。虽然该技能被视为储能范畴最具创新性的计划，但其物理完成存在多重约束，首要原因在于线圈极点且继续的冷却需求导致的高成本，以及操控体系复杂性。(ii) 目前对一起完成沟通与直流负载MPPT盯梢的混合光伏/风电直流母线构型重视较少。虽然部分学者已成功为可再生动力装备MPPT技能，但其功率仍显缺少。(iii) 针对阵风、太阳辐射突变遮盖、极点快速动摇或负载不平衡事情等扰动要素的通用性考量，现有文献仍缺少体系性研讨。(iv) 在动力生产与需求监管方面（特别是智能办法这类鲁棒性战略），现有研讨没有给予充分重视。(v) 此外，储能元件间的和谐操控机制在不同学者的研讨中均未形成主导性处理计划。
两种储能体系的和谐合作可提高全体体系才能。此外，选用智能办法可以增强微电网在恶劣气候事情中的安稳性。一起，运用鲁棒的最大功率点盯梢（MPPT）办法可有用获取100%可再生动力装备中双动力的最大功率，从而进一步提高可靠读档供应的保证水平。因而，本研讨的首要目标是经过整合超导磁储能/蓄电池混合储能单元的太阳能/风能混合装备，保证可靠且现代化的动力供应，以促进磁储能技能的扩展包发展。针对现有研讨缺少之处的改善首要体现在以下方面：

• a)
  Proposal of an intelligent method based on the principle of neural networks (ANN) with the aim of extracting the maximum power from the solar photovoltaic system while minimizing oscillations around the MPPT as much as possible;
• b)
  Proposal of the FLC and PI approaches applied respectively to SMES and BSS for the supervision of energy exchanges. Unlike the other methods, FLC is very flexible thanks to its probabilistic law and is easy to implement. The PI controller has the advantage of a controlled output;
• c)
  Appropriate weighting of the FLC input data to reduce the computational effort and complexity of the fuzzy rules in order to enable fast charging and discharging of the SMES, and thus effectively mitigate the various DC bus voltage deviations during extreme variations in wind speed and solar irradiation;
• d)
  Proposed effective coordination between the two storage systems based on battery condition, battery current, and SMES current to avoid overcharging and deep discharging of the battery in order to increase battery life and, consequently, further improve overall system performance;
• e)
  Proposed strategy for controlling the variable modulation index applied to the inverter in order to preserve load voltage amplitude and frequency during multiple disturbances or unbalanced load events.