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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的仿真研究

指导教师: 李卫国

年 6 月

摘 要

随着全球能源和环境问题的日益突出, 风能作为一种清洁的可再生能源, 其全球蕴藏量极为丰富, 大力发展风力发电能够改进世界能源供给结构, 缓解全球能源紧张和环境污染等问题, 为人类社会的可持续发展做出重要贡献。然而, 随着并网风电场规模的不断增大, 风电功率的随机性和波动性对电力系统的影响越来越明显。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的影响, 如果这些问题得不到有效的解决, 不但会危及到电网的安全稳定运行, 而且会制约风力发电大规模的发展。
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的, 提出了一种以超级电容储能技术为基础, 分布配置储能系统的新型风力发电系统方案, 对风电场输出功率波动平抑策略, 储能原理及储能元件参数进行研究。
首先, 根据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考的双向变流器控制策略。然后根据超级电容器的原理进行仿真, 找出了电容器时间常数与平抑效果和储能容量之间的关系, 结合文中的输出功率波形, 确定了最优时间常数, 并验证了超级电容器储能对于平抑功率波动具有显著的作用效果。

关键词 风力发电; 功率波动; 超级电容储能; 控制策略

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 利用储能系统增强风电并网稳定性 2
1.2.2利用储能系统提高电能质量 3
1.3 本文的研究内容 3
第2章 双馈风力发电机和储能系统 5
2.1 风力发电系统的基本运行方式 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 储能技术在风电场的应用 11
2.2.3 适用于风力发电储能的技术及特点 12
2.3 本章小结 12
第3章 风电场储能系统配置方式 14
3.1 配置方式分类 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策略 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标 20
4.2.2 超级电容器模型及平抑方法 20
4.3 本章小结 22
第5章 超级电容器在风力发电中的应用仿真 24
5.1 仿真内容概述 24
5.2 Matlab仿真软件的概述 24
5.2.1 Matlab及Simulink的仿真基础 25
5.2.2 Simulink在电力系统的建模与仿真应用 26
5.3 双向直流变换器的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, 指的是与化石能源相对应、 能够永续利用的能源, 如核能、 太阳能、 风能、 水能、 地热能、 潮汐能等。中国可再生能源多种多样、 储量丰富, 未来将成为化石能源的替代品, 在能源结构中所占比重将不断增加, 虽然在相当长的一段时间内, 以煤炭为主的化石能源仍将是我过的主流能源, 但从长远发展、 碳排放及能源安全等方面考虑, 在合理开发、 高效利用化石能源的同时, 积极开发清洁的可再生能源, 能够有效应对资源短缺和环境污染的严峻局面, 也是中国可持续发展的必经之路。
在所有可再生能源中, 风能占到了42%, 而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的发电技术中占较大优势的, 因此它是世界范围内发展速度最快的新能源分布式发电技术。在中国, 近十多年来风力发电也获得了迅猛的发展, 风电装机容量从 至 五年时间逐年翻倍, 并达到41830MW而超越美国成为世界第一风电大国, 中国可再生能源协会根据当前风电发展趋势预测, 到2020年底, 中国全国风电总装机容量将超过30GW。
然而与传统的水力发电和火力发电不同, 风力发电的原动力是空气流动产生的风能, 风能受天气条件的影响, 具有随机性和波动性, 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的。正因为这种不确定性和波动性, 使得风力发电和传统常规能源发电具有很多不同点, 其运行工况更为复杂。根据实际风电场运行经验, 风电场的输出功率往往具有很大的波动性, 其在一分钟的间隔内功率输出变化最大可达60%的风电场装机容量。
实现风力资源大规模开发和利用最有效的方式是并网运行, 可是大型风电场输出功率的特性导致其并网后对电力系统的安全稳定性和稳定性造成诸多不利影响。随着中国风电的迅猛发展, 各种大型风电场相继建成并投入运行, 当接入电力系统的风电容量超过一定的百分比之后, 风电功率的随机波动将会增加电力系统调频、 调压以及运行调度难度和运行成本。特别的, 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围时, 将严重威胁到电力系统的安全运行。因此, 国家标准《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的波动范围进行了明确的限制。在风电场配置一定容量的储能系统能够很好解决风电功率波动性和间歇性的缺点, 经过控制储能系统和风电场的协调运行来调节风电场注入电力系统的功率波动, 使风电场注入电力系统的功率波动满足系统安全稳定运行的要求。这样不但提高了并网风电场运行的稳定性和经济性, 减小了风电功率波动对电力系统造成的影响, 而且储能系统还能够提供一定的无功支持, 改进风电的电能质量, 使风电场成为可调度的电源。因此储能系统在风电场的应用具有十分重要的现实意义[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的影响具有很大的波动性和随机性, 在风电场并网运行时, 风电功率的这种特性将会给电力系统的稳定性和电能质量造成很大的影响, 特别是随着中国风电并网的规模快速增长, 风电容量在电力系统所占比例逐步增加, 这种影响变的更加显著。如果这些问题不能够有效的解决, 不但会影响到电力系统的安全稳定运行, 而且会降低风能的利用率, 限制风电场的规模, 进而对中国风力发电事业的发展造成巨大影响。随着电力电子技术和储能技术的不断发展和成熟, 储能系统已经越来越多的应用于电力系统的各个方面。储能系统能够快速吸收和释放能量, 能够有效的解决风电场输出功率波动性的缺点。经过给风电场配置一定容量的储能系统, 能够极大改进风电场输出功率的可控性, 提高风电场电能质量, 增强风电场并网运行的可靠性, 减小并网风电场对电力系统的不良影响, 优化风电场运行的经济性。
当前国内外对于储能技术在风力发电系统中的应用的研究主要集中在两个方面: 一是利用储能系统增强风电并网稳定性; 二是利用储能系统提高电能质量。具体介绍如下:
1.2.1 利用储能系统增强风电并网稳定性
增强风电并网稳定性的根本方法就是减小风电场并网功率的波动, 提高系统功率的平衡度, 储能系统具有快速吞吐有功功率和无功功率的特点, 能够用以改进风电场并网的有功功率、 无功功率的平衡, 增强系统的稳定性。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的应用, 超导磁储能系统能够在四象限运行, 调节风力机组并网的有功功率和无功功率, 达到平滑功率输出和保持电压稳定的目的。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的应用, 仿真结果表明, 超级电容储能能够较好的减小风电并网PCC的电压波动, 增强风电并网稳定性。文献[11]利用飞轮储能系统来平滑风电机组输出功率的波动, 具有充放电相应速度快、 无污染等优点。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的应用情况, 具有快速的功率吞吐和灵活的四象限调节能力。
1.2.2利用储能系统提高电能质量
风电并网后对电能质量的影响主要表现在电压波动、 电压暂降以及波形畸变等方面。利用储能系统能够改进并网风电场的电能质量, 提高风电场对电力系统输出电能质量。文献[13]利用BESS-STATCOM集成单元快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的恒定。文献[14]利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的波动, 串联超级电容储能系统改进输出电压的可靠性, 降低电压暂降。文献[15]利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行特性, 提高了风电场并网运行的电能质量。
1.3 本文的研究内容
从前文所述的文献中我们能够看出, 储能技术对于增强并网稳定性和提高电能质量方面都有明显的效果, 可是前述论文中大部分研究的是某一种储能技术作用后对于风力发电的改进效果, 而在实际运用中, 我们需要分析比较各种储能技术的优缺点及它们各自的适用范围, 从各个方面分析比较, 选出合适的储能技术, 而且在风力发电系统中对该种储能技术进行调试, 因此, 在本文中涉及到的工作主要有:
1. 简要的介绍了现如今风力发电机的种类, 以及如今最为广泛使用的双馈式异步发电机的工作原理。
2. 介绍了如今各种储能技术特点, 并根据她们各自的优缺点选出了一种适合安装在风力发电系统中的储能技术, 即超级电容器储能。
3. 根据超级电容器储能的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的控制策略。
4. 创立出风机输出功率模型并根据创立的超级电容器模型, 在Matlab/Simulink平台上搭建超级电容器储能仿真系统进行仿真, 仿真结果表明了超级电容器储能的有效性, 并改变电容器的相关参数观察仿真波形进行比较, 最后选出合适的超级电容器参数。

第2章 双馈风力发电机和储能系统
2.1 风力发电系统的基本运行方式
风力发电系统按发电机的运行方式可分为: 恒速恒频( VSCF) 系统和变速恒频( VSCF) 系统。风力发电机组的并网的条件是: 系统输出电压、 电流的频率、 幅值和相位与电网电压、 电流矢量一致。
恒速恒频系统的缺点是, 风力机转速不能跟随风速的变化而调节。因此, 风速突变时, 风力机不能及时吸收产生的巨大风能, 而完全由风力发电机组的各机械部件承受。在风速频繁变化的风电场中, 风电机组的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的运行, 风电机组的机械部件在设计和生产时都要做更多的考虑和保护措施。然而, 这样机组的重量就不断的增加、 制造成本也相应的加大。更重要的是, 即使系统能够安全稳定的运行, 也无法获取最大的风能, 整个系统的风能转换效率较低
由于恒速恒频系统不能实现最大风能的捕获控制, 变速恒频风力发电系统便应运而生。变速恒频系统主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的问题。此系统的主要优点如下所述:
首先, 由于风力机的转速能够跟随风力机的变化由控制系统调节, 因此, 风力机能够及时的吸收因为风速突然增加而产生的巨大风能。这样风电机组的机械部件就不会像恒速恒频系统那样承受很大的机械应力, 也就减少了机械部件的疲劳损伤, 降低了机械部件设计时的难度。而风速突然下降的时候, 变频器控制系统又会控制高速风力机释放储存的动能转换为电能, 并回馈给电网。因此说, 风力机速度的可控性增加了风电系统运行的可靠性和稳定性。
其次, 桨距控制系统简单。经过桨距控制能够减少风速突然变化时风力机叶片吸收的风能。在高风速阶段, 桨距控制系统能够充分发挥调节作用, 保证风力机的吸收功率在系统调节功率以内。而在功率恒定区之前, 桨距角都可设置为0。
最后, 经过风力机转速的调节就能够使风力机始终运行在最佳的叶尖速比上, 也就保证了最佳风能利用系数。因此, 变速恒频系统能够实现最大风能的捕获控制, 提高发电机组的风能转换效率。
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的发展方向, 而变速恒频系统又有多种不同的实现方案。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, 且应用于不同的场合。可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, 因此, 当前大型风力发电系统的主要研究热点之一就是绕线转子式双馈风力发电系统, 国际上已经出现了兆瓦级大功率的双馈型发电系统, 技术相对成熟, 因此, 它是当前风电场最常见的风力发电机型, 本文也将研究的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结构图
图2.1给出了双馈异步风力发电机结构示意图。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, 转子绕组经过交-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。转子绕组的频率、 电压、 幅值和相位可由变频器按照运行要求自动调节, 能够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; 电网侧变频器的主要任务是保证直流母线电压的稳定和满足功率因素要求
双馈异步风力发电机采用交流励磁变速恒频控制具有以下优点[16]:
① 风轮机能够在一定风速变化范围内运行, 无需调整装置, 减少了因调速而产生的机械应力。另外, 风电机组控制更加方便和灵活, 提高了风力发电机的运行效率。
② 经过对励磁电流幅值和相位的调节, 利用矢量控制能够实现对风力发电机组输出有功功率和无功功率的独立控制。
③ 变频器所需功率与风力机容量比值较小, 变频器的体积减小, 有利于风力机成本的降低。
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的动能, 并将其转化成机械能的设备, 其形式有多种, 根据风轮旋转轴在空间的方向不同, 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。当风速改变时, 定桨距的桨叶迎风角不能随之改变, 因而简单可靠; 变桨距的能够经过控制改变风机桨距角, 桨叶较轻巧, 但结构太复杂, 故障率相对较高。风机从风中吸收的能量可用下式表示:
( 2.1)
式中, 为风轮机输出功率; 是风轮的功率系数, 其最大值为( 贝兹极限) , 是风轮能达到的最大效率; 为风轮扫风面积; 为空气密度; 为风速。
风力发电机性能能够用它的功率输出特性曲线来反映, 是一个风速与有功的关系式:
( 2.2)
式中, 为风力机的输出有功功率; 为空气密度; 是风轮机叶片直径; 是风速; 为风轮机系数; 是风机传动装置的机械效率; 是发电机的机械效率。
一般来说, 在满足实际工程要求的情况下, 能够将该功率输出特性简化成如下的函数表示式:

( 2.3)
式( 2.5) 中, 为风力发电机输出的有功功率; 为风力发电机输出的额定功率。根据上式可知, 风力发电机出力情况能够分为零出力、 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
风电场一般占地面积较大, 各台风力发电机工况也不一样, 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的工况相同, 同时不考虑尾流效应的影响, 将所有风电机组的输出功率相加作为整个风电场的输出功率。
2.2 储能系统
2.2.1 储能技术简介
当前主要的储能方式有物理储能、 电化学储能、 电磁储能和相变储。其中, 物理储能方式能够分为抽水蓄能、 压缩空气储能、 飞轮储能等; 电磁储能方式主要是超导储能; 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; 相变储能主要是冰蓄冷储能。下面将重点研究当前使用较多和具有发展优势的几种储能方式。
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的势能, 在用电高峰时将储存的这部分势能再转化为电能的方法,就当前技术水平能够达到70%一85%的利用效率。这一储能方式多用于电能调度管理, 储存能量较大, 能够满足数小时至数天甚至更长时间的电网功率支撑, 能够用来调峰填谷、 高峰备用、 调相调频。因此这一储能方式对于电力系统稳定运行能够起到重要的作用, 当前这一储能方式在很多国家都有应。可是抽水蓄能电站的建设必须依赖必要的地理条件, 不是所有地区都适合建设, 而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的应用。
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的密闭装置里, 需要的时候再释放。压缩空气协助推动燃气轮机发电, 一般空气存储设施都在地下。在燃气轮机发电过程中, 使用压缩空气能够节省40%的燃气[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, 能够用于峰谷调节, 平衡负荷; 可是其能量密度较低, 而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的一种储能方法, 在需要再将机械能转化为电能输出。飞轮储能技术的发展主要得益于材料科学的进步和电力电子变流技术、 电磁和超导磁悬浮技术的发展。这一储能方式的原理是在电能富裕时由电能驱动飞轮高速旋转, 将电能变为飞轮的动能。由于使用了磁悬浮轴承, 使飞轮旋转时的损耗极低; 当需要电能输出时在由飞轮驱动发电机输出有功。飞轮的功率密度和能量密度能够满足MW级功率输出数小时, 因此能够用于电网调峰、 功率平滑、 频率控制、 不间断电源等用途, 值得称道的是它的转换效率能够达到90%以上[18], 循环寿命长、 无污染、 维护简单、 配置方案灵活易行。因此飞轮储能技术得到了广泛的关注和研究, 许多公司也推出了系列产品。随着飞轮的大型化和高速度发展趋势, 未来飞轮储能方式有着广阔的发展空间。
4、 电磁储能技术
电磁储能的主要形式是超导储能, 这种储能方式利用超导体制成的线圈存储磁场能量, 需要能量输出时直接由磁能转换为电能输出。这一储能方法的转换过程只有电能和磁能的直接变换, 因此能量损耗非常低, 这个储能系统的能量利用效率非常高。而且能量释放速度快, 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行。它能够为电网提供电压支撑、 频率调节、 功率平衡、 稳定电网系统等作用。超导储能有着良好的性能特点和转化效率, 可是大容量储能的成本比较高。随着该技术研究进一步的深入, 其性能将更加完善而且成本也进一步降低, 会有更好的应用前景。
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,能够提供强大的脉冲功率, 充电时电极表面处于理想极化状态, 电荷吸引电解质溶液中的异性离子覆于电极表面形成双电荷层, 构成双电层电容。由于电极的特殊结构以及微小的层间距, 使得电极表面积大大增加, 因此电容量也变得很大。超级电容不但能量密度高, 而且循环寿命长、 能量损失小、 转换过程中没有经过其它能量形式, 可靠性高、 维护量小, 这些优点使得超级电容的应用和研究已经非常广泛。经过几十年的发展, 超级电容技术日趋成熟, 己经能够达到数百kw的输出输入能力。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, 而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的研究。
6、 电池储能
电池储能已经存在了很长时间, 比如铅酸蓄电池、 镍氢电池、 镍镉电池、 锂电池等这些电池形式都是我们身边常见的。虽然电池的应用已经非常广泛, 可是传统电池的性能和寿命还是有待于进一步的研究改进。最近几年出现的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有较大的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, 己经显现出未来应用的巨大优势。
表2.1 常见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 储能技术在风电场的应用
随着中国风力发电的迅速发展, 许多大型风电场先后建成。由于大型风电场大多处于中国西部电力负荷较小的区域, 因此大型风电场必须将富余的电能经过电网输送到东部沿海用电的负荷中心。然而风能是一种间歇性、 随机波动的能源, 大型风电场并网后, 其输出功率的波动将会给整个电力系统运行的安全性、 稳定性和经济性带来负面的影响。特别是当风电所占比重过大时, 会使电网的调峰、 调频压力增大。如果采取限制风电场接入电网比重的方式将会极大的减小风能的利用率, 阻碍风力发电的发展。现有风电机组的功率调节技术和能力有限, 因此最好的办法就是利用储能系统调节大型并网风电场的功率输出, 为电网提供稳定可靠的电能。
储能系统不但能够应用于平滑风电场输出功率的波动, 使得风电场能够作为可调度的机组运行, 而且能够为电力系统提供频率控制和快速的功率响应等其它辅助功能。另外, 风电场经过储能系统进行储存转换, 不但能够提高风电场输出电能的质量, 而且能够增加风电场运行的经济效益, 进而提高风电场在电力市场的竞争力, 促进中国风力发电事业快速发展。
风力发电由于受风速和地理等自然条件的影响不能持续稳定的输出, 因此导致电力系统安全性和稳定性受到影响, 而且风力发电很难跟踪负荷的变化。因此, 如果在风电场配置一定容量的储能系统, 将对风电场并网运行的稳定性起到非常重要的作用, 其主要体现在以下几个方面[19]-[21]:
1、 增强风电场并网运行的稳定性。储能系统能够快速的吸收和释放有功功率和无功功率, 平滑风电场输出功率波动, 改进系统的有功功率、 无功功率的平衡, 增强稳定性。
2、 保证风电场持续可靠的供电。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的输出电能, 此时储能系统存储的电能能够起到一定的功率支撑作用, 用以保证对电网持续、 可靠的供电。
3、 利用储能系统优化风电运行经济性。储能系统能够有效的解决风力发电波动性对电力系统备用容量增加的要求, 改进电网运行的经济性。特别是在中国电力市场实施峰谷电价的情况下, 利用储能系统实现风电场电能在时间轴上的平移, 优化风电场运行的经济性。
2.2.3 适用于风力发电储能的技术及特点
在各种储能技术具有不同的特性, 使用的场合也不同。用于电力系统储能的装置根据其作用不同可大致归为三类: 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, 保证连续可靠的功率输出) ; 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) 。在储能方式的选择上, 除了根据能量功率特点是否适合外, 还要考虑的重要因素就是成本。
为了解决风力发电系统输出功率因自然条件变化而发生波动的问题, 需要结合风力发电系统的特性选择合适的储能方式, 这里我们要考虑用于平滑功率输出、 能够协助电网实现一定规模能量调度的储能方式。因此总体考虑能够满足风电场需求, 而且不受环境因素制约, 能够灵活方便的安装调试。经过对之前各种储能技术的了解, 超级电容储能具有能量密度高、 循环寿命长、 能量损失小等优点, 因此本文选择超级电容器储能模型进行研究。
2.3 本章小结
本章首先介绍了双馈异步风力发电机的原理及其特点, 给出了双馈发电机简化功率输出函数关系; 其次介绍了各种储能技术的优缺点以及在电力系统应用情况, 最后根据风力发电系统的要求选择合适的储能方式进行研究, 得到以下几点结论:
1、 双馈风力发电机具有转速范围大, 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, 运行成本低等各种优点, 使其成为现有风力发电的主流机型。
2、 为了研究的方便, 忽略其它影响风电机组的功率输出的因素, 给出了双馈机风速-功率输出的简化函数关系, 忽略尾流效应等因素, 将风电场总的输出功率等效为单台风电机组的输出功率。
3、 结合各种储能技术的特点及风力发电的需求, 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 风电场储能系统配置方式
3.1 配置方式分类
给风电场配置一定规模的储能系统能够平抑风电场输出功率的波动, 储能系统的配置方式一般有 2 种。( 1) 集中配置, 在整个风电场出口母线处集中安装储能系统。( 2) 分布配置, 在每台风力发电机励磁直流环节单独配置储能系统或者是在每台双馈风力发电机的输出端配置储能系统。图3.1和3.2分别给出了这两种种储能配置方式的示意图。

图3.1 分布储能配置方式

图3.2 集中储能配置方式
方式( 1) 是在原有的双馈风力发电机励磁背靠背变流器的直流环节加入储能系统。该配置方式以调节单台风力发电机的输出功率为目标, 经过对风电场各台风力发电机的输出功率进行平抑, 从而达到对整个风电场输出功率的平抑。该方式由于利用了双馈风力发电机原有的网侧变流器, 因此无需为连接储能系统而额外的配置功率变换器, 但此时会改变网侧变流器原有的控制方式, 增大了双馈风力发电机的控制复杂度和可靠度。给双馈风力发电机配置储能系统还有另外一种方式, 即在双馈风力发电机输出端利用 AC/DC 变换器连接储能系统, 经过对AC/DC 变换器的功率解耦控制实现对风电机的输出功率的平滑控制, 此方式由于加装了额外的 AC/DC 功率变换器, 因此无需改变双馈风力发电机的结构和控制方式, 采用了独立的储能控制系统, 控制更加方便和灵活。
方式( 2) 是在风电场出口母线处, 配置一个独立的储能系统对整个风电场的输出功率进行调节和控制。这种方式是从整个风电场的角度出发, 采用集中配置储能系统来控制和调节风电场的并网功率。从理论上分析, 以上两种储能系统配置方式均能够实现对风电场输出功率的控制和调节, 可是我们由第二章的分析可知, 由于超级电容器随着容量的增加成本较高, 且集中式储能需要储能元件具有一定的容量, 因此, 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
当前主流的双馈风力发电机和直驱风力发电机在两侧变流器之间都含有直流环节, 因此能够将超级电容器经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不足以满足电网恒功要求时, 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, 实现功率的平滑输出; 当风速上升时, 风力机吸收的功率超过了电网恒功的需求, 能够将多余的能量传送到直流侧, 由储能系统吸收, 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的工作原理。
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的双向流动, 需要配置双向直流变换器。当前各类双向直流变换器拓扑结构繁多, 依据其是否隔离分为隔离型和非隔离型两种, 非隔离型的器件较少, 控制结构简单, 比较适合超级电容储能系统。这里选择应用较为广泛的双向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连续时的工作过程。
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。拓扑结构如图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策略
由于风速的不稳定性, 因此风力发电机的输出功率也在不断变化, 这里储能装置的充放电状态的控制需要依靠Buck/boost双向直流变换器的两个IGBT的触发信号来实现, 而控制两个IGBT触发器的触发信号要与风力发电机在该时刻的输出功率来决定, 在这里提出一种基于分段平均功率比较控制的控制策略:
在平均功率控制策略中, 我们将一段时间内的风力发电机的输出功率分解为几个不同的时间段, 分别求出每个时间段内的风力发电机输出功率的平均值作为该时段风力发电机的输出功率参考值, 再分别将每一时刻的输出功率与进行比较, 确定两个I