微电网环境下可再生能源存储与利用方法研究
发布时间：2020-08-04 08:04
【摘要】：能源是人类社会得以延续和发展的重要物质基础。为保障能源安全,推动能源转型,构建低碳、高效的能源体系,发展可再生能源已经成为国际社会的广泛共识。然而,由于可再生能源在发电过程中表现出随机性、间歇性、不确定性和不可调度的特点,单纯地利用可再生能源发电将不可避免地降低能源利用效率、影响电网正常运行。因此,通过储能技术与可再生能源的集成应用与协同增效,结合信息科学和控制科学中的建模、估计与管理方法,形成容纳可再生能源电力的“发-输-配-储-用”一体化的微电网,是提升可再生能源渗透率、利用率及电网友好性的有效手段。鉴于储能系统在可再生能源转化、存储和利用过程中的重要作用,为实现对微电网内电池储能系统的实时、准确监控,必须基于不同时间尺度下电池储能系统表现出的非线性、复杂性和不确定性的差异,获取并处理该系统中的有效信息,构建电池动态特性和老化特性的描述机制和状态估计方法体系。进一步地,为实现可再生能源与储能系统间的协同增效,还必须充分考察具有复杂特性微电网的优化指标和行为边界,研究微电网调度与运行耦合的能量优化管理机制,给出多维约束下优化问题的数学表达及其求解方法。本文通过对电池动态特性的分析,建立了电池动态行为的模型表达,提出了动态工况下电池短时间尺度建模与状态估计方法;利用神经网络方法强非线性拟合能力的特点,提出了电池老化过程数据驱动的描述方法以及长时间尺度下电池状态的估计方法;通过对微电网内电池储能系统动态特性的描述、表达,以及可再生能源不确定性行为的分析,给出了经济指标最优的微电网数学模型及能量调度策略;结合微电网用户的行为建模以及电池系统的老化行为描述,提出了多优化目标下的“人-电动汽车-微电网”混合系统的管理方法。研究结果表明,本文提出的方法可以较好地解决电池储能系统多时间尺度建模与状态估计问题,以及可再生能源和电池储能系统的协同增效问题。本文具体的研究工作内容及创新点如下:1)针对电池在短时间尺度下的荷电状态估计问题,分析了不同荷电状态和放电电流下锂离子电池极化效应对其端电压影响的差异性,建立了一种考虑滞后电压的电池模型,实现了对动态电流工况下锂离子电池端电压的精确仿真。同时,针对实际应用环境下传感器测量数据中存在的噪声,在上述电池模型的基础上使用自适应扩展卡尔曼滤波算法抑制了测量噪声的干扰,实现了对荷电状态的准确估计。实验结果表明该算法在实际工况下依然具有较高的估计精度。2)针对电池在长时间尺度下的剩余使用寿命估计问题,通过对不同循环寿命下电池端电压曲线差异性的研究,利用基于重要性采样的方法实现了对不同剩余使用寿命下电池端电压数据的筛选,采用神经网络的方法建立了电池端电压曲线与循环寿命之间的映射关系,从而完成了剩余使用寿命估计任务。实验表明该方法具有较高的准确度。3)针对电池在长时间尺度下的健康状态估计问题,提出了基于电池端电压曲线微分几何特性的电池健康状态描述方法,使用集群数据处理方法,建立了电池在长时间尺度下的健康模型,并实现了对电池健康状态的估计。不同类型电池的实验数据验证了该方法的有效性和普适性。4)针对可再生能源与储能系统互补协作微电网的能量调度问题,从储能系统能量存储效率入手,研究了不同充放电电流对电池储能效率的影响,在实验数据和电池机理分析的基础上,明确了电池储能效率的数学表达;考虑微电网中各子系统操作的边界约束,利用非线性规划算法制定了经济效益最优的微电网能量管理方法;针对可再生能源的不确定性,在对上述方法归纳总结的基础上,制定了双层的微电网能量调度策略,实现了微电网的优化控制,减轻了光伏发电量预测误差对微电网管理、运行结果的影响。实验表明,该微电网能量调度策略可以实现对可再生能源的充分利用,并有效提高能量利用效率、降低电力费用。5)针对“人-电动汽车-微电网”混合系统的管理问题,以电动汽车剩余使用寿命为切入点,提出了考虑电池荷电状态运行区间的剩余循环次数的预测方法;在此基础上,针对不同电池状态及性能参数对用户舒适度的影响,建立了基于电动汽车剩余循环次数和电动汽车荷电状态等因素的用户舒适度模型,提出了考虑用户舒适度的家庭微电网能量管理策略。对比实验表明,该微电网能量管理方法可以在满足用户使用偏好和需求的基础上提高可再生能源的利用率、实现系统能量的优化管理和高效利用。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM91
【图文】：
电网能量管理策略可以针对用户的不同需求提供最优的能量管理方案。逡逑１．３．２论文内容安排逡逑在上述研宄内容的基础上，本文各章节的行文安排如图１．２所示。本文第二逡逑章对锂离子电池的动态和老化行为特性进行分析，它是后续各项研[偟那疤帷５阱义先轮饕拥绯亟Ｓ牒傻缱刺兰啤⒌绯厥Ｓ嗍褂檬倜徒】底刺兰屏礁龇藉义厦娼饩觥帮胱拥绯卮⒛芟低辰＜岸嗍奔涑叨茸刺兰莆侍狻保谒恼潞偷谖邋义险鹿餐饩觥翱稍偕茉春偷绯卮⒛芟低车男鲂侍狻薄Ｆ渲校谌碌难绣义襄呈堑谒恼潞偷谖逭碌幕。逼浣崧邸⒊晒纸裼诘谒暮偷谖辶秸碌难绣义希保插义
本文编号：2780276
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM91
【图文】：
电网能量管理策略可以针对用户的不同需求提供最优的能量管理方案。逡逑１．３．２论文内容安排逡逑在上述研宄内容的基础上，本文各章节的行文安排如图１．２所示。本文第二逡逑章对锂离子电池的动态和老化行为特性进行分析，它是后续各项研[偟那疤帷５阱义先轮饕拥绯亟Ｓ牒傻缱刺兰啤⒌绯厥Ｓ嗍褂檬倜徒】底刺兰屏礁龇藉义厦娼饩觥帮胱拥绯卮⒛芟低辰＜岸嗍奔涑叨茸刺兰莆侍狻保谒恼潞偷谖邋义险鹿餐饩觥翱稍偕茉春偷绯卮⒛芟低车男鲂侍狻薄Ｆ渲校谌碌难绣义襄呈堑谒恼潞偷谖逭碌幕。逼浣崧邸⒊晒纸裼诘谒暮偷谖辶秸碌难绣义希保插义
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