电气综合项目工程及其自动化毕业设计方案论文最终版本.doc

毕业设计论文

姓 名： 冯琦 学 号：
学 院： 电气工程学院
专 业： 电气工程及其自动化
题 目： 超级电容器储能平抑风电场功率波动仿真研究

指引教师： 李卫国

年 6 月

摘 要

随着全球能源和环境问题日益突出，风能作为一种清洁可再生能源，其全球蕴藏量极为丰富，大力发展风力发电可以改进世界能源供应构造，缓和全球能源紧张和环境污染等问题，为人类社会可持续发展做出重要贡献。然而，随着并网风电场规模不断增大，风电功率随机性和波动性对电力系统影响越来越明显。大规模风电并网后对电网安全性、稳定性以及调度带来很大影响，如果这些问题得不到有效解决，不但会危及到电网安全稳定运营，并且会制约风力发电大规模发展。
本文以平抑并网风电场输出功率波动，减小风电场并网对电力系统不利影响为目，提出了一种以超级电容储能技术为基本，分布配备储能系统新型风力发电系统方案，对风电场输出功率波动平抑方略，储能原理及储能元件参数进行研究。
一方面，依照风电场输出功率特性和储能技术特点，选出采用超级电容器储能，继而提出一种以平均功率为参照双向变流器控制方略。然后依照超级电容器原理进行仿真，找出了电容器时间常数与平抑效果和储能容量之间关系，结合文中输出功率波形，拟定了最优时间常数，并验证了超级电容器储能对于平抑功率波动具备明显作用效果。

核心词 风力发电；功率波动；超级电容储能；控制方略

Abstract
With the global energy and environment issues have become increasingly prominent,wind power as a clean&renewable energy，its global reserves is extremely rich，wind power can improve the structure of world's energy supply and ease the global energy shortage and environmental pollution problems，make an important contribution to the sustainable development of human society. However,with increasing scale of grid-connected wind farms，the effect of wind power randomness and volatility to power system become more and more obviously. Large-scale wind power bring a great impact on grid security，stability and dispatch ，if these problems can not effectively addressed，it will not only endanger the safe and stable operation of the grid，but also limit large-scale wind power developments.
To stabilize the grid-connected wind farm output power fluctuations，reduce the adverse effects to power system. This paper purposes a new wind power generation system based on double-fed wind power generation and centralized configuration energy storage system. The strategy of stabilizing wind output power fluctuations，The energy storage principle and the energy storage component parameters were studied.
First of all，based on the characteristics of wind power output characteristics and energy storage technology，selected using the super capacitor energy storage，and then put forward a kind of average power as the reference of the bidirectional converter control strategy. Then according to the principle of the super capacitor are simulated，found that the capacitor time constant and smooth effect and the relationship between the energy storage capacity，Combined with the text of the output waveform，determine the optimal time constant，and verify the super capacitor energy storage has significant effect to restrain the power fluctuations.

Keywords：Wind power generation；Power fluctuations；Super capacitor energy storage；The control strategy

目 录

摘 要 I
Abstract II
第1章 绪 论 1
1.1 课题背景及意义 1
1.2 课题研究现状 2
1.2.1 运用储能系统增强风电并网稳定性 2
1.2.2运用储能系统提高电能质量 3
1.3 本文研究内容 3
第2章 双馈风力发电机和储能系统 5
2.1 风力发电系统基本运营方式 5
2.1.1 变速恒频发电技术 6
2.1.2双馈异步风力发电机原理及其特点 6
2.1.3 双馈风力发电机功率输出曲线 7
2.2 储能系统 8
2.2.1 储能技术简介 8
2.2.2 储能技术在风电场应用 11
2.2.3 合用于风力发电储能技术及特点 12
2.3 本章小结 12
第3章 风电场储能系统配备方式 14
3.1 配备方式分类 14
3.2 分布式储能方式 15
3.2.1 双向直流变换器控制模型 15
3.2.2 双向直流变换器平均功率控制方略 17
第4章 超级电容器储能原理及建模 19
4.1 风力机建模 19
4.1.1 风速数学模型 19
4.2 超级电容器平抑功率波动模型 20
4.2.1 风电功率波动平抑目的 20
4.2.2 超级电容器模型及平抑办法 20
4.3 本章小结 22
第5章 超级电容器在风力发电中应用仿真 24
5.1 仿真内容概述 24
5.2 Matlab仿真软件概述 24
5.2.1 Matlab及Simulink仿真基本 25
5.2.2 Simulink在电力系统建模与仿真应用 26
5.3 双向直流变换器simulink仿真 26
5.3.1 boost升压电路仿真分析 26
5.3.2 buck降压电路仿真分析 28
5.4 风速模型仿真 30
5.5 风力发电机输出功率模型仿真 31
5.6 超级电容器平抑功率波动仿真 32
结 论 36
参 考 文 献 37
致 谢 40

第1章 绪 论
1.1 课题背景及意义
可再生能源，顾名思义，指是与化石能源相相应、可以永续运用能源，如核能、太阳能、风能、水能、地热能、潮汐能等。国内可再生能源各种各样、储量丰富，将来将成为化石能源代替品，在能源构造中所占比重将不断增长，虽然在相称长一段时间内，以煤炭为主化石能源仍将是我过主流能源，但从长远发展、碳排放及能源安全等方面考虑，在合理开发、高效运用化石能源同步，积极开发清洁可再生能源，可以有效应对资源短缺和环境污染严峻局面，也是国内可持续发展必经之路。
在所有可再生能源中，风能占到了42%，并且风力发电技术在成熟度和经济效益方面也是在各种可再生能源发电技术中占较大优势，因而它是世界范畴内发展速度最快新能源分布式发电技术。在国内，近十近年来风力发电也获得了迅猛发展，风电装机容量从至五年时间逐年翻番，并达到41830MW而超越美国成为世界第一风电大国，中华人民共和国可再生能源协会依照当前风电发展趋势预测，究竟，国内全国风电总装机容量将超过30GW。
然而与老式水力发电和火力发电不同，风力发电原动力是空气流动产生风能，风能受天气条件影响，具备随机性和波动性，风电场输出功率是由风速、风向、湿度和大气压力等条件共同决定。正由于这种不拟定性和波动性，使得风力发电和老式常规能源发电具备诸多不同点，其运营工况更为复杂。依照实际风电场运营经验，风电场输出功率往往具备很大波动性，其在一分钟间隔内功率输出变化最大可达60%风电场装机容量。
实现风力资源大规模开发和运用最有效方式是并网运营，但是大型风电场输出功率特性导致其并网后对电力系统安全稳定性和稳定性导致诸多不利影响。随着国内风电迅猛发展，各种大型风电场相继建成并投入运营，当接入电力系统风电容量超过一定比例之后，风电功率随机波动将会增长电力系统调频、调压以及运营调度难度和运营成本。特别，当大型并网风电场功率波动超过电力系统调峰调频能力范畴时，将严重威胁到电力系统安全运营。因而，国标《风电场接入电力系统技术规定》对大型并网风电场输出功率波动范畴进行了明确限制。在风电场配备一定容量储能系统可以较好解决风电功率波动性和间歇性缺陷，通过控制储能系统和风电场协调运营来调节风电场注入电力系统功率波动，使风电场注入电力系统功率波动满足系统安全稳定运营规定。这样不但提高了并网风电场运营稳定性和经济性，减小了风电功率波动对电力系统导致影响，并且储能系统还可以提供一定无功支持，改进风电电能质量，使风电场成为可调度电源。因而储能系统在风电场应用品有十分重要现实意义[1]-[4]。
1.2 课题研究现状
风电功率输出由于受天气和地理条件影响具备很大波动性和随机性，在风电场并网运营时，风电功率这种特性将会给电力系统稳定性和电能质量导致很大影响，特别是随着国内风电并网规模迅速增长，风电容量在电力系统所占比例逐渐增长，这种影响变更加明显。如果这些问题不可以有效解决，不但会影响到电力系统安全稳定运营，并且会减少风能运用率，限制风电场规模，进而对国内风力发电事业发展导致巨大影响。随着电力电子技术和储能技术不断发展和成熟，储能系统已经越来越多应用于电力系统各个方面。储能系统可以迅速吸取和释放能量，可以有效解决风电场输出功率波动性缺陷。通过给风电场配备一定容量储能系统，可以极大改进风电场输出功率可控性，提高风电场电能质量，增强风电场并网运营可靠性，减小并网风电场对电力系统不良影响，优化风电场运营经济性。
当前国内外对于储能技术在风力发电系统中应用研究重要集中在两个方面：一是运用储能系统增强风电并网稳定性；二是运用储能系统提高电能质量。详细简介如下：
1.2.1 运用储能系统增强风电并网稳定性
增强风电并网稳定性主线办法就是减小风电场并网功率波动，提高系统功率平衡度，储能系统具备迅速吞吐有功功率和无功功率特点，可以用以改进风电场并网有功功率、无功功率平衡，增强系统稳定性。在改进电压稳定性问题方面，文献[9]研究了超导磁储能在改进风电场电压稳定性应用，超导磁储能系统可以在四象限运营，调节风力机组并网有功功率和无功功率，达到平滑功率输出和保持电压稳定目。文献[10]研究了超级电容器储能系统在提高风电场并网稳定性应用，仿真成果表白，超级电容储能可以较好减小风电并网PCC电压波动，增强风电并网稳定性。文献[11]运用飞轮储能系统来平滑风电机组输出功率波动，具备充放电相应速度快、无污染等长处。文献[12]研究了全钒液流电池储能系统在改进并网风电场电能质量方面应用状况，具备迅速功率吞吐和灵活四象限调节能力。
1.2.2运用储能系统提高电能质量
风电并网后对电能质量影响重要体当前电压波动、电压暂降以及波形畸变等方面。运用储能系统可以改进并网风电场电能质量，提高风电场对电力系统输出电能质量。文献[13]运用BESS-STATCOM集成单元迅速调节风电场输出有功功率和无功功率，维持风电场并网电压恒定。文献[14]运用超级电容串并联混合型储能系统风电场电能质量，其中并联超级电容用于平滑风电场输出功率波动，串联超级电容储能系统改进输出电压可靠性，减少电压暂降。文献[15]运用超导磁储能系统四象限功率调节能力改进并网风电场运营特性，提高了风电场并网运营电能质量。
1.3 本文研究内容
从前文所述文献中咱们可以看出，储能技术对于增强并网稳定性和提高电能质量方面均有明显效果，但是前述论文中大某些研究是某一种储能技术作用后对于风力发电改进效果，而在实际运用中，咱们需要分析比较各种储能技术优缺陷及它们各自合用范畴，从各个方面分析比较，选出适当储能技术，并且在风力发电系统中对该种储能技术进行调试，因而，在本文中涉及到工作重要有：
1. 简要简介了现如今风力发电机种类，以及如今最为广泛使用双馈式异步发电机工作原理。
2. 简介了如今各种储能技术特点，并依照她们各自优缺陷选出了一种适合安装在风力发电系统中储能技术，即超级电容器储能。
3. 依照超级电容器储能原理建立超级电容器模型，并提出一种决定超级电容器工作在充电状态还是放电状态控制方略。
4. 创立出风机输出功率模型并依照创立超级电容器模型，在Matlab/Simulink平台上搭建超级电容器储能仿真系统进行仿真，仿真成果表白了超级电容器储能有效性，并变化电容器有关参数观测仿真波形进行比较，最后选出适当超级电容器参数。

第2章 双馈风力发电机和储能系统
2.1 风力发电系统基本运营方式
风力发电系统按发电机运营方式可分为：恒速恒频（VSCF）系统和变速恒频（VSCF）系统。风力发电机组并网条件是：系统输出电压、电流频率、幅值和相位与电网电压、电流矢量一致。
恒速恒频系统缺陷是，风力机转速不能跟随风速变化而调节。因此，风速突变时，风力机不能及时吸取产生巨大风能，而完全由风力发电机组各机械部件承受。在风速频繁变化风电场中，风电机组机械部件会疲劳损坏甚至不能使用。因此，要保证此系统能安全稳定运营，风电机组机械部件在设计和生产时都要做更多考虑和保护办法。然而，这样机组重量就不断增长、制导致本也相应加大。更重要是，虽然系统可以安全稳定运营，也无法获取最大风能，整个系统风能转换效率较低
由于恒速恒频系统不能实现最大风能捕获控制，变速恒频风力发电系统便应运而生。变速恒频系统重要解决了恒速恒频系统不能调节风力机转速实现最大风能捕获控制问题。此系统重要长处如下所述：
一方面，由于风力机转速可以跟随风力机变化由控制系统调节，因此，风力机可以及时吸取由于风速突然增长而产生巨大风能。这样风电机组机械部件就不会像恒速恒频系统那样承受很大机械应力，也就减少了机械部件疲劳损伤，减少了机械部件设计时难度。而风速突然下降时候，变频器控制系统又会控制高速风力机释放储存动能转换为电能，并回馈给电网。因此说，风力机速度可控性增长了风电系统运营可靠性和稳定性。
另一方面，桨距控制系统简朴。通过桨距控制可以减少风速突然变化时风力机叶片吸取风能。在高风速阶段，桨距控制系统可以充分发挥调节作用，保证风力机吸取功率在系统调节功率以内。而在功率恒定区之前，桨距角都可设立为0。
最后，通过风力机转速调节就可以使风力机始终运营在最佳叶尖速比上，也就保证了最佳风能运用系数。因此，变速恒频系统可以实现最大风能捕获控制，提高发电机组风能转换效率。
2.1.1 变速恒频发电技术
上面分析可知，变速恒频风力发电系统是当前发展方向，而变速恒频系统又有各种不同实现方案。例如，无刷双馈风力发电机系统、绕线转子式双馈发电机系统、磁场调制时发电机系统、开关磁阻式发电机系统、无刷爪极式发电机系统、直驱型风力发电机系统等。这些系统各有特点，且应用于不同场合。但是由于无刷发电机系统设计比较复杂，直驱型风力发电机系统控制复杂，技术不成熟，因而，当前大型风力发电系统重要研究热点之一就是绕线转子式双馈风力发电系统，国际上已经浮现了兆瓦级大功率双馈型发电系统，技术相对成熟，因而，它是当前风电场最常用风力发电机型，本文也将研究重点放在双馈异步发电机系统上。
2.1.2双馈异步风力发电机原理及其特点

图2.1 双馈异步风力发电机构造图
图2.1给出了双馈异步风力发电机构造示意图。双馈异步发电机是一种绕线式感应发电机，它是由定子、转子和轴承等元件构成，其定子绕组直接与电网相连接，转子绕组通过交-直-交变频器与电网相连，由于其定、转子都能向电网馈电，故简称为双馈电机。转子绕组频率、电压、幅值和相位可由变频器按照运营规定自动调节，可以保证机组在不同风速下实现恒频发电。转子侧变频器是用来调节风机输出有功功率，保证风力发电机最大功率跟踪以及为转子绕组提供励磁；电网侧变频器重要任务是保证直流母线电压稳定和满足功率因素规定
双馈异步风力发电机采用交流励磁变速恒频控制具备如下长处[16]：
① 风轮机可以在一定风速变化范畴内运营，无需调节装置，减少了因调速而产生机械应力。此外，风电机组控制更加以便和灵活，提高了风力发电机运营效率。
② 通过对励磁电流幅值和相位调节，运用矢量控制可以实现对风力发电机组输出有功功率和无功功率独立控制。
③ 变频器所需功率与风力机容量比值较小，变频器体积减小，有助于风力机成本减少。
2.1.3 双馈风力发电机功率输出曲线
风轮机是用来捕获空气流动产生动能，并将其转化成机械能设备，其形式有各种，依照风轮旋转轴在空间方向不同，分为水平轴风机和垂直轴风机两大类。当前大型风电机组大多都采用水平轴风机，其又可划分为定桨距、变桨距两种形式。当风速变化时，定桨距桨叶迎风角不能随之变化，因而简朴可靠；变桨距可以通过控制变化风机桨距角，桨叶较轻巧，但构造太复杂，故障率相对较高。风机从风中吸取能量可用下式表达：
（2.1）
式中，为风轮机输出功率；是风轮功率系数，其最大值为（贝兹极限），是风轮能达到最大效率；为风轮扫风面积；为空气密度；为风速。
风力发电机性能可以用它功率输出特性曲线来反映，是一种风速与有功关系式：
（2.2）
式中，为风力机输出有功功率；为空气密度；是风轮机叶片直径；是风速；为风轮机系数；是风机传动装置机械效率；是发电机机械效率。
普通来说，在满足实际工程规定状况下，可以将该功率输出特性简化成如下函数表达式：

（2.3）
式（2.5）中，为风力发电机输出有功功率；为风力发电机输出额定功率。依照上式可知，风力发电机出力状况可以分为零出力、欠出力和额定出力[17]。双馈风力发电机简化输出功率-风速特性曲线如下：

图2.2 风机输出功率特性曲线
风电场普通占地面积较大，各台风力发电机工况也不同样，再加上风电场内部尾流效应作用，都会对风电场输出功率产生影响。本研究假设风电场内所有风电机组工况相似，同步不考虑尾流效应影响，将所有风电机组输出功率相加作为整个风电场输出功率。
2.2 储能系统
2.2.1 储能技术简介
当前重要储能方式有物理储能、电化学储能、电磁储能和相变储。其中，物理储能方式可以分为抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等；电磁储能方式重要是超导储能；电化学储能设备有超级电容、各类蓄电池、化学电池、燃料电池、锂离子电池、钠硫电池和液流电池等；相变储能重要是冰蓄冷储能。下面将重点研究当前使用较多和具备发展优势几种储能方式。
1、抽水蓄能
抽水蓄能是将下游水泵入上游水库中，需要时再放水发。这一过程是先将富余电力转化为水势能，在用电高峰时将储存这某些势能再转化为电能办法,就当前技术水平可以达到70%一85%运用效率。这一储能方式多用于电能调度管理，储存能量较大，可以满足数小时至数天甚至更长时间电网功率支撑，可以用来调峰填谷、高峰备用、调相调频。因而这一储能方式对于电力系统稳定运营可以起到重要作用，当前这一储能方式在诸多国家均有应。但是抽水蓄能电站建设必要依赖必要地理条件，不是所有地区都适合建设，并且初期投资成本较高,建设周期较长，这些因素都影响着抽水蓄能应用。
2、压缩空气储能
压缩空气储能是用电能将空气压缩储存在高压密闭装置里，需要时候再释放。压缩空气协助推动燃气轮机发电，普通空气存储设施都在地下。在燃气轮机发电过程中，使用压缩空气可以节约40%燃气[18]，减少排放。当前这种储能方式功率密度较高，其安全可靠性较高，可以用于峰谷调节，平衡负荷；但是其能量密度较低，并且受地理环境条件制约，当前仅有少数发达国家有应用。
3、飞轮储能
飞轮储能是将电能转化为机械能存储一种储能办法，在需要再将机械能转化为电能输出。飞轮储能技术发展重要得益于材料科学进步和电力电子变流技术、电磁和超导磁悬浮技术发展。这一储能方式原理是在电能富裕时由电能驱动飞轮高速旋转，将电能变为飞轮动能。由于使用了磁悬浮轴承，使飞轮旋转时损耗极低；当需要电能输出时在由飞轮驱动发电机输出有功。飞轮功率密度和能量密度可以满足MW级功率输出数小时，因而可以用于电网调峰、功率平滑、频率控制、不间断电源等用途，值得称道是它转换效率可以达到90%以上[18]，循环寿命长、无污染、维护简朴、配备方案灵活易行。因而飞轮储能技术得到了广泛关注和研究，许多公司也推出了系列产品。随着飞轮大型化和高速度发展趋势，将来飞轮储能方式有着辽阔发展空间。
4、电磁储能技术
电磁储能重要形式是超导储能，这种储能方式运用超导体制成线圈存储磁场能量，需要能量输出时直接由磁能转换为电能输出。这一储能办法转换过程只有电能和磁能直接变换，因而能量损耗非常低，这个储能系统能量运用效率非常高。并且能量释放速度快，功率密度都比较大。当前国际上己经有Mw级/Gwh级超导储能设备投入运营。它可觉得电网提供电压支撑、频率调节、功率平衡、稳定电网系统等作用。超导储能有着良好性能特点和转化效率，但是大容量储能成本比较高。随着该技术研究进一步进一步，其性能将更加完善并且成本也进一步减少，会有更好应用前景。
5、超级电容器储能
超级电容器又叫做电化学双层电容器，功率密度高,可以提供强大脉冲功率，充电时电极表面处在抱负极化状态，电荷吸引电解质溶液中异性离子覆于电极表面形成双电荷层，构成双电层电容。由于电极特殊构造以及微小层间距，使得电极表面积大大增长，因此电容量也变得很大。超级电容不但能量密度高，并且循环寿命长、能量损失小、转换过程中没有通过其她能量形式，可靠性高、维护量小，这些长处使得超级电容应用和研究已经非常广泛。通过几十年发展，超级电容技术日趋成熟，己经可以达到数百kw输出输入能力。当前超级电容已经应用于电动汽车储能、大功率电机启动支撑与再生制动储能等方面，并且电力系统领域也在进行改进电能质量提高可再生能源供电可靠性等方面研究。
6、电池储能
电池储能已经存在了很长时间，例如铅酸蓄电池、镍氢电池、镍镉电池、锂电池等这些电池形式都是咱们身边常用。虽然电池应用已经非常广泛，但是老式电池性能和寿命还是有待于进一步研究改进。近来几年浮现新型电池吸引了大量关注，钠硫电池和钒流电池最为代表具备较大能量密度和功率密度。放电深度更深、循环寿命长、系统转换效率高等特点，己经显现出将来应用巨大优势。
表2.1 常用储能技术及其应用方向

分类
储能技术
比能量（Whkg）
循环次数
效率（%）
响应时间
机械储能
抽水蓄能
0.5~1.5

60~70
1~24h
压缩空气储能
30~60
40~50
1~24h
飞轮储能
10~30
>0
70~80
ms~15min
电磁储能
超导储能
0.5~5
>100000
80~95
ms~s
超级电容储能
2.5~15
>100000
70~80
ms~60min
电化学储能
铅酸电池
30~50
500~1000
60~70
ms~h
钠硫电池
150~240
2500
70~80
s~h
全钒液流电池
75~200
13000
85~95
s~h
2.2.2 储能技术在风电场应用
随着国内风力发电迅速发展，许多大型风电场先后建成。由于大型风电场大多处在国内西部电力负荷较社区域，因而大型风电场必要将富余电能通过电网输送到东部沿海用电负荷中心。然而风能是一种间歇性、随机波动能源，大型风电场并网后，其输出功率波动将会给整个电力系统运营安全性、稳定性和经济性带来负面影响。特别是当风电所占比重过大时，会使电网调峰、调频压力增大。如果采用限制风电场接入电网比重方式将会极大减小风能运用率，阻碍风力发电发展。既有风电机组功率调节技术和能力有限，因而最佳办法就是运用储能系统调节大型并网风电场功率输出，为电网提供稳定可靠电能。
储能系统不但可以应用于平滑风电场输出功率波动，使得风电场可以作为可调度机组运营，并且可觉得电力系统提供频率控制和迅速功率响应等其他辅助功能。此外，风电场通过储能系统进行储存转换，不但可以提高风电场输出电能质量，并且可以增长风电场运营经济效益，进而提高风电场在电力市场竞争力，增进国内风力发电事业迅速发展。
风力发电由于受风速和地理等自然条件影响不能持续稳定输出，因而导致电力系统安全性和稳定性受到影响，并且风力发电很难跟踪负荷变化。因此，如果在风电场配备一定容量储能系统，将对风电场并网运营稳定性起到非常重要作用，其重要体当前如下几种方面[19]-[21]：
1、增强风电场并网运营稳定性。储能系统可以迅速吸取和释放有功功率和无功功率，平滑风电场输出功率波动，改进系统有功功率、无功功率平衡，增强稳定性。
2、保证风电场持续可靠供电。当外界环境或者条件发生较快变化时，风电场往往不能稳定输出电能，此时储能系统存储电能可以起到一定功率支撑作用，用以保证对电网持续、可靠供电。
3、运用储能系统优化风电运营经济性。储能系统可以有效解决风力发电波动性对电力系统备用容量增长规定，改进电网运营经济性。特别是在国内电力市场实行峰谷电价状况下，运用储能系统实现风电场电能在时间轴上平移，优化风电场运营经济性。
2.2.3 合用于风力发电储能技术及特点
在各种储能技术具备不同特性，使用场合也不同。用于电力系统储能装置依照其作用不同可大体归为三类：稳定电能质量（秒级或更少，保证电能质量稳定）；平滑功率（秒级至分钟级，保证持续可靠功率输出）；能量调度和管理（数分钟到小时甚至更长，实现削峰填谷，能量备用）。在储能方式选取上，除了依照能量功率特点与否适合外，还要考虑重要因素就是成本。
为理解决风力发电系统输出功率因自然条件变化而发生波动问题，需要结合风力发电系统特性选取适当储能方式，这里咱们要考虑用于平滑功率输出、可以协助电网实现一定规模能量调度储能方式。因而总体考虑可以满足风电场需求，并且不受环境因素制约，可以灵活以便安装调试。通过对之前各种储能技术理解，超级电容储能具备能量密度高、循环寿命长、能量损失小等长处，因而本文选取超级电容器储能模型进行研究。
2.3 本章小结
本章一方面简介了双馈异步风力发电机原理及其特点，给出了双馈发电机简化功率输出函数关系；另一方面简介了各种储能技术优缺陷以及在电力系统应用状况，最后依照风力发电系统规定选取适当储能方式进行研究，得到如下几点结论：
1、双馈风力发电机具备转速范畴大，响应速度快，风能捕获效率高，有功功率和无功功率控制灵活，运营成本低等各种长处，使其成为既有风力发电主流机型。
2、为了研究以便，忽视其她影响风电机组功率输出因素，给出了双馈机风速-功率输出简化函数关系，忽视尾流效应等因素，将风电场总输出功率等效为单台风电机组输出功率。
3、结合各种储能技术特点及风力发电需求，本文采用超级电容器储能技术对下文仿真模型进行研究。
第3章 风电场储能系统配备方式
3.1 配备方式分类
给风电场配备一定规模储能系统可以平抑风电场输出功率波动，储能系统配备方式普通有 2 种。（1）集中配备，在整个风电场出口母线处集中安装储能系统。（2）分布配备，在每台风力发电机励磁直流环节单独配备储能系统或者是在每台双馈风力发电机输出端配备储能系统。图3.1和3.2分别给出了这两种种储能配备方式示意图。

图3.1 分布储能配备方式

图3.2 集中储能配备方式
方式（1）是在原有双馈风力发电机励磁背靠背变流器直流环节加入储能系统。该配备方式以调节单台风力发电机输出功率为目的，通过对风电场各台风力发电机输出功率进行平抑，从而达到对整个风电场输出功率平抑。该方式由于运用了双馈风力发电机原有网侧变流器，因此无需为连接储能系统而额外配备功率变换器，但此时会变化网侧变流器原有控制方式，增大了双馈风力发电机控制复杂度和可靠度。给双馈风力发电机配备储能系统尚有此外一种方式，即在双馈风力发电机输出端运用 AC/DC 变换器连接储能系统，通过对AC/DC 变换器功率解耦控制实现对风电机输出功率平滑控制，此方式由于加装了额外 AC/DC 功率变换器，因而无需变化双馈风力发电机构造和控制方式，采用了独立储能控制系统，控制更加以便和灵活。
方式（2）是在风电场出口母线处，配备一种独立储能系统对整个风电场输出功率进行调节和控制。这种方式是从整个风电场角度出发，采用集中配备储能系统来控制和调节风电场并网功率。从理论上分析，以上两种储能系统配备方式均可以实现对风电场输出功率控制和调节，但是咱们由第二章分析可知，由于超级电容器随着容量增长成本较高，且集中式储能需要储能元件具备一定容量，因而，超级电容器储能技术多用于分布式储能方式。
3.2 分布式储能方式
当前主流双馈风力发电机和直驱风力发电机在两侧变流器之间都具有直流环节，因而可以将超级电容器通过双向直流变换器连接在直流母线上。当风速下降输出功率局限性以满足电网恒功规定期，储能系统向直流侧输出功率，然后经网侧变流器输送给电网，使功率保守恒定，实现功率平滑输出；当风速上升时，风力机吸取功率超过了电网恒功需求，可以将多余能量传送到直流侧，由储能系统吸取，即实现了恒功率输出，又节约了能源。这就是储能系统并联在直流侧工作原理。
3.2.1 双向直流变换器控制模型
为了实现能量在超级电容和电机直流侧双向流动，需要配备双向直流变换器。当前各类双向直流变换器拓扑构造繁多，根据其与否隔离分为隔离型和非隔离型两种，非隔离型器件较少，控制构造简朴，比较适合超级电容储能系统。这里选取应用较为广泛双向buck/boost直流变换器。变换器低压侧接超级电容，高压侧接风力发电机直流侧，如图3.3所示。

图3.3 双馈风力发电机直流侧并联超级电容
Buck/boost双向直流变换器由boost升压电路和buck降压电流反并联而成，下面分别讨论电感电流持续时工作过程。
在boost工作模式下，gl与g2开关状态相反，gl等效为二极管，拓扑如下图3.4所示。

图3.4 boost升压电路拓补
在boost升压模式下，g2在导通时，电源E向电感L充电，，电容给R供电，电压下降；当g2关断时，，L对充电，电压上升。
在buck工作模式下，g2等效为二极管，当g1导通时，，电感L反向充电；当gl关断时二极管D续流，为0。拓扑构造如图3.5所示。

图3.5 buck降压电路拓补
3.2.2 双向直流变换器平均功率控制方略
由于风速不稳定性，因而风力发电机输出功率也在不断变化，这里储能装置充放电状态控制需要依托Buck/boost双向直流变换器两个IGBT触发信号来实现，而控制两个IGBT触发器触发信号要与风力发电机在该时刻输出功率来决定，在这里提出一种基于分段平均功率比较控制控制方略：
在平均功率控制方略中，咱们将一段时间内风力发电机输出功率分解为几种不同步间段，分别求出每个时间段内风力发电机输出功率平均值作为该时段风力发电机输出功率参照值，再分别将每一时刻输出功率与进行比较，拟定两个IGBT触发器导通与关断，如下是该种平均功率控制方略详细环节：
1、设立比较步长，其中为仿真时间，即将给定仿真时间提成相等个社区间。
2、计算该区间内风力发电机输出功率平均值作为每一区间段参照功率，即。
3、将实际风机输出功率与该段时间相应进行比较，若>，则超级电容器应工作在充电状态，此时导通，关断，电路为降压电路拓补构造。
4、若<，则超级电容器应工作在放电状态，此时导通，关断，电路为升压电路拓补构造。
5、当IGBT控制信号发生后，继续载入下一时刻实际输出功率值，并判断该输出功率时间与否仍在上一功率参照值区间内。若是，则不变化值并进行比较，若不是，则返回环节（2）重新进行计算与设定。
以上控制方略原理是将整个时间段输出功率提成若干等时间区间，并通过比较每一时刻实际输出功率与该时刻相应输出功率参照值来拟定双向直流变换器工作状态，既能保证两个IGBT导通关断可靠性，又能保证输出功率平滑性与持续性，因而可以用于储能装置接入风力发电系统构造中。
第4章 超级电容器储能原理及建模
4.1 风力机建模
风力机作为能量转换重要部件，是整个发电系统需要一方面考虑某些。而风力机是靠吸取自然界风能来驱动风力发电机工作。因而，在建立风力机模型之前木文一方面建立模仿自然风风速模型。
4.1.1 风速数学模型
为了尽量描述自然风特点，普通以为自然风由基本风、阵风、阶跃风以及随机风4个某些构成[23]-[26]。可用如下公式表达：
（4.1）
上式中各分量含义如下：
为基本风，描述风场平均风速，决定了风力发电系统额定输出功率大小。风电场测风所得威布尔分布参数可以近似拟定它大小，普通以为基本风不随时间变化，仿真中取常数。
为阵风，描述风速跃升或骤降特性。普通，用它来测试整个系统在风速大范畴变化时动态特性，其数学模型为：
（4.2）
上式中，和分别表达阵风起始时间和持续时间，表达阵风最大风速。
为渐变风，模仿具备线性特性风速，其数学模型为：
（4.3）
其中，表达渐变风峰值，和则分别表达渐变风起始时间和终结时间。
为随机风，描述风速随机性，通惯用随机噪