项目来源：“十一五”国家科技支撑计划项目

项目起始时间：2008年7月~ 2010年12月

项目参与人员：吴晋波、刘新苗、范永宇

项目基本情况：

课题目标：对主要电能存储方式如：电池、超导、飞轮、超级电容器及其混合储能系统进行对比研究和分析；开展电能质量控制装置对储能系统的具体需求分析，优化选择储能方式；对选定技术路线中的关键技术进行深入研究，结合工业装置的开发提出设计和实施方案；研究储能系统的保护策略和保护技术。

任务完成情况：

(1) 通过广泛调研，从可控性、可靠性、性价比及实现难易程度等方面对电池、超导、飞轮、超级电容器及其混合储能系统进行了对比研究和分析；在此基础上，针对电能质量调节装置安装地点系统及装置本身的具体需求，选择了最优的几种储能方式，即：铅酸蓄电池、超级电容器及铅酸蓄电池-超级电容器混合储能。

(2) 结合电能质量调节装置的具体需求，针对不同的储能方式：铅酸蓄电池、超级电容器及铅酸蓄电池-超级电容器混合储能，开展了快速高效低成本的储能控制技术研究，提高了装置对电能质量扰动的响应能力，降低了储能技术应用成本，并研究了相应的保护策略和保护技术。

(3) 结合电能质量调节装置的工业装置开发，提出了所选定储能技术的设计和实现方案。

(4) 开展了电能质量控制装置最优储能容量的研究设计，探索了更准确的电能质量控制装置最优储能容量设计方法，更有效地指导了电能质量控制装置储能容量的选取，进一步提高了装置的经济性。

研究成果：

(1) 对蓄电池储能、超导磁储能、飞轮储能、抽水蓄能、超级电容器储能等各类大功率储能技术进行对比分析。结合电能质量调节装置对储能技术的要求，分析了各类储能技术各自的优缺点。铅酸电池作为最成熟的储能技术，且具有很高的能量密度，比较适用于电能质量控制装置的储能元件；超级电容器具有功率密度大、循环寿命长、充放电速度快、效率高的特点，适合于大功率能量存储和释放的场合；复合储能技术可以有效地结合不同储能技术的优点，提高装置性能，具有很好应用前景。

(2) 超级电容器是一种介乎于传统静电容器和蓄电池之间的储能元件，它除了上述优点外，也存在着较明显的不足之处，尤其是应用于长期的、大容量的电力储能场合。分析了超级电容器各种等效电路模型，为优化选取合适的元件模型提供了依据；根据超级电容器的结构和工作原理，阐述了超级电容器自放电、充放电方式、超级电容器储能阵列均压方式以及保护方法等相关技术。

(3) 结合电能质量调节装置的具体需求，设计了超级电容器直流储能系统，其中包括超级电容器储能阵列、开关变换器的类型选择、参数设计和基于超级电容器直流储能系统的控制器设计。采用状态空间平均法对Boost型BDC开关变换器进行均一化线性化处理，得到了表征系统低频小信号动态特性的传递函数，从而对系统控制器设计进行指导；设计了采用电压、电流双闭环反馈控制方式加负载电流前馈控制的复合控制策略，并给出了详细的设计步骤；利用复合控制策略有效解决了Boost型BDC开关变换器非最小相位特性对系统的影响，使系统具有良好的动态和稳态性能；在仿真软件Matlab/Simulink的平台上，建立了超级电容器直流储能系统的仿真模型，并利用本文所提出的仿真模型、元件参数以及复合控制策略，对储能系统进行了负载侧功率骤升、负向功率等对比实验，验证了控制策略的可行性和有效性。

(4) 铅酸蓄电池是一种结构简单、使用方便、性能可靠的化学电源，也是目前使用最广泛、技术最成熟的电池之一。阐述了铅酸蓄电池发展历史和优缺点；分析了铅酸蓄电池各种等效电路模型，为优化选取合适的元件模型提供了依据。

(5) 结合电能质量调节装置的具体需求，设计了铅蓄电池直流储能系统的拓扑结构和控制方法，并对比分析了采用铅酸蓄电池简单模型与复杂动态模型的直流储能系统的控制效果。分析了铅酸蓄电池结构，设计了铅酸蓄电池直流储能系统的反馈、前馈控制器，得到了反馈控制器和前馈控制器的参数，并在PSCAD/EMTDC下进行仿真，验证了控制策略的可行性和有效性。结合电能质量调节装置的具体需求，使用所提控制策略，仿真对比了采用简单模型与复杂动态模型的控制效果差异，结果表明，在电能质量调节装置的具体需求下，两者差异不大，采用铅酸蓄电池简单模型完全可以满足系统仿真的要求。

(6) 超级电容器与蓄电池在技术性能上具有较强的互补性，如果将二者混合使用，使蓄电池能量密度大与超级电容器功率密度大、充放电速度快、储能效率高，以及循环寿命长等特点相结合，将会给储能装置的性能带来很大的提高。阐述了超级电容器-蓄电池复合储能技术的特点、优势以及在工程中的应用现状，分析了复合储能技术在电能质量调节领域的应用可行性，研究表明，超级电容器-蓄电池复合储能技术理论上可以有效地克服单一储能方式下存在的各种问题，提高电能质量调节装置的灵活性和可靠性，具有良好的应用前景。

(7) 结合电能质量调节装置的具体需求，设计了蓄电池-超级电容器混合储能系统的拓扑结构和控制方法。提出了四种蓄电池-超级电容器混合储能形式，分析了各自的特点和可行性，设计了相应的控制策略，并进行了仿真研究；仿真结果表明，所提四种混合储能形式均能在负载正常、负载脉动（骤增）时维持负载侧电压的稳定，并消除电压纹波，满足电压质量的要求。

(8) 结合电能质量调节装置的工业装置开发，提出了所选定储能技术的设计和实现方案。对比分析了电能质量调节装置两种能量获取方式，包括直接高频整流从电网吸收能量方式以及储能元件供能方式两者的特点，指出了两者的优势和局限性；根据电能质量调节装置特性指标对直流储能系统进行设计，并在仿真软件Matlab/Simulink的平台上实现了直流储能系统与电能质量调节装置整体结构的匹配接口。

(9) 将牛顿-拉夫逊法和系统概率密度函数相结合，针对电能质量调节装置，开展了直流储能系统最优容量设计。通过系统概率密度函数得到了系统发生不同程度电压暂降情况的概率，通过牛顿-拉夫逊法计算得到了抑制不同程度的电压暂降所需要的电能质量调节装置容量；两种方法结合在一起，使得电能质量调节装置的容量选取能够同时权衡其抑制系统电压暂降的可靠性和其经济性，从而得到电能质量调节装置的最优容量。