電氣工程及其自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)論文-超級電容器儲能平抑風(fēng)電場功率波動(dòng)的仿真研究

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)論文</b></p><p>　　姓 名： 馮琦 學(xué) 號： 1009310217 </p><p>　　學(xué) 院： 電氣工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化

2、</p><p>　　題 目： 超級電容器儲能平抑風(fēng)電場功率波動(dòng)的仿真研究 </p><p>　　指導(dǎo)教師： 李衛(wèi)國 </p><p>　　2014 年 6 月</p><p><b>　　摘 要</b></p

3、><p>　　隨著全球能源和環(huán)境問題的日益突出，風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，其全球蘊(yùn)藏量極為豐富，大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電可以改善世界能源供給結(jié)構(gòu)，緩解全球能源緊張和環(huán)境污染等問題，為人類社會的可持續(xù)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。然而，隨著并網(wǎng)風(fēng)電場規(guī)模的不斷增大，風(fēng)電功率的隨機(jī)性和波動(dòng)性對電力系統(tǒng)的影響越來越明顯。大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后對電網(wǎng)安全性、穩(wěn)定性以及調(diào)度帶來很大的影響，如果這些問題得不到有效的解決，不僅會危及到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行

4、，而且會制約風(fēng)力發(fā)電大規(guī)模的發(fā)展。</p><p>　　本文以平抑并網(wǎng)風(fēng)電場輸出功率波動(dòng)，減小風(fēng)電場并網(wǎng)對電力系統(tǒng)不利影響為目的，提出了一種以超級電容儲能技術(shù)為基礎(chǔ)，分布配置儲能系統(tǒng)的新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)方案，對風(fēng)電場輸出功率波動(dòng)平抑策略，儲能原理及儲能元件參數(shù)進(jìn)行研究。</p><p>　　首先，根據(jù)風(fēng)電場輸出功率特性和儲能技術(shù)特點(diǎn)，選出采用超級電容器儲能，繼而提出一種以平均功率為參考的雙向

5、變流器控制策略。然后根據(jù)超級電容器的原理進(jìn)行仿真，找出了電容器時(shí)間常數(shù)與平抑效果和儲能容量之間的關(guān)系，結(jié)合文中的輸出功率波形，確定了最優(yōu)時(shí)間常數(shù)，并驗(yàn)證了超級電容器儲能對于平抑功率波動(dòng)具有顯著的作用效果。</p><p>　　關(guān)鍵詞 風(fēng)力發(fā)電；功率波動(dòng)；超級電容儲能；控制策略</p><p><b>　　Abstract</b></p><p&g

6、t;　　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

7、 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 win

8、d farms, the effect of wind power randomness and volatility to power sys</p><p>　　To stabilize the grid-connected wind farm output power fluctuations, reduce the adverse effects to power system. This paper p

9、urposes 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 pri

10、nciple and the energy storage component parameters were studied.</p><p>　　First of all, based on the characteristics of wind power output characteristics and energy storage technology, selected using the sup

11、er 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

12、 the capacitor time constant and smooth effect and the relationship between the energy storage capacity, Combined with the text of the output wavef</p><p>　　Keywords: Wind power generation; Power fluctuation

13、s; Super capacitor energy storage; The control strategy</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p>　　第1章 緒 論1<

14、;/p><p>　　1.1 課題背景及意義1</p><p>　　1.2 課題研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2.1 利用儲能系統(tǒng)增強(qiáng)風(fēng)電并網(wǎng)穩(wěn)定性2</p><p>　　1.2.2利用儲能系統(tǒng)提高電能質(zhì)量3</p><p>　　1.3 本文的研究內(nèi)容3</p><p>　　第2

15、章 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)和儲能系統(tǒng)5</p><p>　　2.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本運(yùn)行方式5</p><p>　　2.1.1 變速恒頻發(fā)電技術(shù)6</p><p>　　2.1.2雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理及其特點(diǎn)6</p><p>　　2.1.3 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率輸出曲線7</p><p>　　2.2 儲能系統(tǒng)8

16、</p><p>　　2.2.1 儲能技術(shù)簡介8</p><p>　　2.2.2 儲能技術(shù)在風(fēng)電場的應(yīng)用11</p><p>　　2.2.3 適用于風(fēng)力發(fā)電儲能的技術(shù)及特點(diǎn)12</p><p>　　2.3 本章小結(jié)12</p><p>　　第3章 風(fēng)電場儲能系統(tǒng)配置方式14</p><p

17、>　　3.1 配置方式分類14</p><p>　　3.2 分布式儲能方式15</p><p>　　3.2.1 雙向直流變換器控制模型15</p><p>　　3.2.2 雙向直流變換器平均功率控制策略17</p><p>　　第4章 超級電容器儲能原理及建模19</p><p>　　4.1 風(fēng)力機(jī)建

18、模19</p><p>　　4.1.1 風(fēng)速數(shù)學(xué)模型19</p><p>　　4.2 超級電容器平抑功率波動(dòng)模型20</p><p>　　4.2.1 風(fēng)電功率波動(dòng)平抑目標(biāo)20</p><p>　　4.2.2 超級電容器模型及平抑方法20</p><p>　　4.3 本章小結(jié)22</p><

19、;p>　　第5章 超級電容器在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用仿真24</p><p>　　5.1 仿真內(nèi)容概述24</p><p>　　5.2 Matlab仿真軟件的概述24</p><p>　　5.2.1 Matlab及Simulink的仿真基礎(chǔ)25</p><p>　　5.2.2 Simulink在電力系統(tǒng)的建模與仿真應(yīng)用26<

20、/p><p>　　5.3 雙向直流變換器的simulink仿真26</p><p>　　5.3.1 boost升壓電路仿真分析26</p><p>　　5.3.2 buck降壓電路仿真分析28</p><p>　　5.4 風(fēng)速模型仿真30</p><p>　　5.5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率模型仿真31</p&g

21、t;<p>　　5.6 超級電容器平抑功率波動(dòng)仿真32</p><p><b>　　結(jié) 論36</b></p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)37</p><p><b>　　致 謝40</b></p><p><b>　　第1章 緒 論</b><

22、;/p><p>　　1.1 課題背景及意義</p><p>　　可再生能源，顧名思義，指的是與化石能源相對應(yīng)、能夠永續(xù)利用的能源，如核能、太陽能、風(fēng)能、水能、地?zé)崮?、潮汐能等。我國可再生能源多種多樣、儲量豐富，未來將成為化石能源的替代品，在能源結(jié)構(gòu)中所占比重將不斷增加，雖然在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，以煤炭為主的化石能源仍將是我過的主流能源，但從長遠(yuǎn)發(fā)展、碳排放及能源安全等方面考慮，在合理開發(fā)、高效

23、利用化石能源的同時(shí)，積極開發(fā)清潔的可再生能源，能夠有效應(yīng)對資源短缺和環(huán)境污染的嚴(yán)峻局面，也是我國可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。</p><p>　　在所有可再生能源中，風(fēng)能占到了42%，而且風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在成熟度和經(jīng)濟(jì)效益方面也是在各種可再生能源的發(fā)電技術(shù)中占較大優(yōu)勢的，因此它是世界范圍內(nèi)發(fā)展速度最快的新能源分布式發(fā)電技術(shù)。在我國，近十多年來風(fēng)力發(fā)電也獲得了迅猛的發(fā)展，風(fēng)電裝機(jī)容量從2005年至2010年五年時(shí)間逐年翻倍，

24、并達(dá)到41830MW而超越美國成為世界第一風(fēng)電大國，中國可再生能源協(xié)會根據(jù)當(dāng)前風(fēng)電發(fā)展趨勢預(yù)測，到2020年底，我國全國風(fēng)電總裝機(jī)容量將超過30GW。</p><p>　　然而與傳統(tǒng)的水力發(fā)電和火力發(fā)電不同，風(fēng)力發(fā)電的原動(dòng)力是空氣流動(dòng)產(chǎn)生的風(fēng)能，風(fēng)能受天氣條件的影響，具有隨機(jī)性和波動(dòng)性，風(fēng)電場輸出功率是由風(fēng)速、風(fēng)向、濕度和大氣壓力等條件共同決定的。正因?yàn)檫@種不確定性和波動(dòng)性，使得風(fēng)力發(fā)電和傳統(tǒng)常規(guī)能源發(fā)電具有很多

25、不同點(diǎn)，其運(yùn)行工況更為復(fù)雜。根據(jù)實(shí)際風(fēng)電場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)電場的輸出功率往往具有很大的波動(dòng)性，其在一分鐘的間隔內(nèi)功率輸出變化最大可達(dá)60%的風(fēng)電場裝機(jī)容量。</p><p>　　實(shí)現(xiàn)風(fēng)力資源大規(guī)模開發(fā)和利用最有效的方式是并網(wǎng)運(yùn)行，但是大型風(fēng)電場輸出功率的特性導(dǎo)致其并網(wǎng)后對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性和穩(wěn)定性造成諸多不利影響。隨著我國風(fēng)電的迅猛發(fā)展，各種大型風(fēng)電場相繼建成并投入運(yùn)行，當(dāng)接入電力系統(tǒng)的風(fēng)電容量超過一定的百分比之后

26、，風(fēng)電功率的隨機(jī)波動(dòng)將會增加電力系統(tǒng)調(diào)頻、調(diào)壓以及運(yùn)行調(diào)度難度和運(yùn)行成本。特別的，當(dāng)大型并網(wǎng)風(fēng)電場功率波動(dòng)超過電力系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻能力范圍時(shí)，將嚴(yán)重威脅到電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。因此，國家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》對大型并網(wǎng)風(fēng)電場輸出功率的波動(dòng)范圍進(jìn)行了明確的限制。在風(fēng)電場配置一定容量的儲能系統(tǒng)可以很好解決風(fēng)電功率波動(dòng)性和間歇性的缺點(diǎn)，通過控制儲能系統(tǒng)和風(fēng)電場的協(xié)調(diào)運(yùn)行來調(diào)節(jié)風(fēng)電場注入電力系統(tǒng)的功率波動(dòng)，使風(fēng)電場注入電力系統(tǒng)的功率波動(dòng)滿

27、足系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。這樣不僅提高了并網(wǎng)風(fēng)電場運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，減小了風(fēng)電功率波動(dòng)對電力系統(tǒng)造成的影響，而且儲能系統(tǒng)還可以提供一定的無功支持，改善風(fēng)電的電能質(zhì)量，使風(fēng)電場成為可調(diào)度的電源。因此儲能系統(tǒng)在風(fēng)電場的應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]-[4]。</p><p>　　1.2 課題研究現(xiàn)狀</p><p>　　風(fēng)電功率輸出由于受天氣和地理?xiàng)l件的影響具有很大的波動(dòng)性和隨機(jī)性，在

28、風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，風(fēng)電功率的這種特性將會給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量造成很大的影響，尤其是隨著我國風(fēng)電并網(wǎng)的規(guī)模快速增長，風(fēng)電容量在電力系統(tǒng)所占比例逐步增加，這種影響變的更加顯著。如果這些問題不能夠有效的解決，不僅會影響到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，而且會降低風(fēng)能的利用率，限制風(fēng)電場的規(guī)模，進(jìn)而對我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展造成巨大影響。隨著電力電子技術(shù)和儲能技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，儲能系統(tǒng)已經(jīng)越來越多的應(yīng)用于電力系統(tǒng)的各個(gè)方面。儲能系統(tǒng)能夠快速吸

29、收和釋放能量，可以有效的解決風(fēng)電場輸出功率波動(dòng)性的缺點(diǎn)。通過給風(fēng)電場配置一定容量的儲能系統(tǒng)，可以極大改善風(fēng)電場輸出功率的可控性，提高風(fēng)電場電能質(zhì)量，增強(qiáng)風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行的可靠性，減小并網(wǎng)風(fēng)電場對電力系統(tǒng)的不良影響，優(yōu)化風(fēng)電場運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。</p><p>　　目前國內(nèi)外對于儲能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用的研究主要集中在兩個(gè)方面：一是利用儲能系統(tǒng)增強(qiáng)風(fēng)電并網(wǎng)穩(wěn)定性；二是利用儲能系統(tǒng)提高電能質(zhì)量。具體介紹如下：<

30、/p><p>　　1.2.1 利用儲能系統(tǒng)增強(qiáng)風(fēng)電并網(wǎng)穩(wěn)定性</p><p>　　增強(qiáng)風(fēng)電并網(wǎng)穩(wěn)定性的根本方法就是減小風(fēng)電場并網(wǎng)功率的波動(dòng)，提高系統(tǒng)功率的平衡度，儲能系統(tǒng)具有快速吞吐有功功率和無功功率的特點(diǎn)，可以用以改善風(fēng)電場并網(wǎng)的有功功率、無功功率的平衡，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在改善電壓穩(wěn)定性問題方面，文獻(xiàn)[9]研究了超導(dǎo)磁儲能在改善風(fēng)電場電壓穩(wěn)定性的應(yīng)用，超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)可以在四象限運(yùn)行，調(diào)節(jié)

31、風(fēng)力機(jī)組并網(wǎng)的有功功率和無功功率，達(dá)到平滑功率輸出和保持電壓穩(wěn)定的目的。文獻(xiàn)[10]研究了超級電容器儲能系統(tǒng)在提高風(fēng)電場并網(wǎng)穩(wěn)定性的應(yīng)用，仿真結(jié)果表明，超級電容儲能能夠較好的減小風(fēng)電并網(wǎng)PCC的電壓波動(dòng)，增強(qiáng)風(fēng)電并網(wǎng)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[11]利用飛輪儲能系統(tǒng)來平滑風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動(dòng)，具有充放電相應(yīng)速度快、無污染等優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[12]研究了全釩液流電池儲能系統(tǒng)在改善并網(wǎng)風(fēng)電場電能質(zhì)量方面的應(yīng)用情況，具有快速的功率吞吐和靈活的四象限調(diào)節(jié)能力。&

32、lt;/p><p>　　1.2.2利用儲能系統(tǒng)提高電能質(zhì)量</p><p>　　風(fēng)電并網(wǎng)后對電能質(zhì)量的影響主要表現(xiàn)在電壓波動(dòng)、電壓暫降以及波形畸變等方面。利用儲能系統(tǒng)可以改善并網(wǎng)風(fēng)電場的電能質(zhì)量，提高風(fēng)電場對電力系統(tǒng)輸出電能質(zhì)量。文獻(xiàn)[13]利用BESS-STATCOM集成單元快速調(diào)節(jié)風(fēng)電場輸出有功功率和無功功率，維持風(fēng)電場并網(wǎng)電壓的恒定。文獻(xiàn)[14]利用超級電容串并聯(lián)混合型儲能系統(tǒng)風(fēng)電場電能

33、質(zhì)量，其中并聯(lián)超級電容用于平滑風(fēng)電場輸出功率的波動(dòng)，串聯(lián)超級電容儲能系統(tǒng)改善輸出電壓的可靠性，降低電壓暫降。文獻(xiàn)[15]利用超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)四象限功率調(diào)節(jié)能力改善并網(wǎng)風(fēng)電場運(yùn)行特性，提高了風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行的電能質(zhì)量。</p><p>　　1.3 本文的研究內(nèi)容</p><p>　　從前文所述的文獻(xiàn)中我們可以看出，儲能技術(shù)對于增強(qiáng)并網(wǎng)穩(wěn)定性和提高電能質(zhì)量方面都有明顯的效果，但是前述論文中大部分

34、研究的是某一種儲能技術(shù)作用后對于風(fēng)力發(fā)電的改善效果，而在實(shí)際運(yùn)用中，我們需要分析比較各種儲能技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及它們各自的適用范圍，從各個(gè)方面分析比較，選出合適的儲能技術(shù)，并且在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中對該種儲能技術(shù)進(jìn)行調(diào)試，因此，在本文中涉及到的工作主要有：</p><p>　　簡要的介紹了現(xiàn)如今風(fēng)力發(fā)電機(jī)的種類，以及如今最為廣泛使用的雙饋式異步發(fā)電機(jī)的工作原理。</p><p>　　介紹了如今各種儲能

35、技術(shù)特點(diǎn)，并根據(jù)他們各自的優(yōu)缺點(diǎn)選出了一種適合安裝在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的儲能技術(shù)，即超級電容器儲能。</p><p>　　根據(jù)超級電容器儲能的原理建立超級電容器模型，并提出一種決定超級電容器工作在充電狀態(tài)還是放電狀態(tài)的控制策略。</p><p>　　創(chuàng)建出風(fēng)機(jī)輸出功率模型并根據(jù)創(chuàng)建的超級電容器模型，在Matlab/Simulink平臺上搭建超級電容器儲能仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明了超級電容

36、器儲能的有效性，并改變電容器的相關(guān)參數(shù)觀察仿真波形進(jìn)行比較，最后選出合適的超級電容器參數(shù)。</p><p>　　第2章 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)和儲能系統(tǒng)</p><p>　　2.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本運(yùn)行方式</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)按發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式可分為：恒速恒頻（VSCF）系統(tǒng)和變速恒頻（VSCF）系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)的條件是：系統(tǒng)輸出電壓、電流的頻率、

37、幅值和相位與電網(wǎng)電壓、電流矢量一致。</p><p>　　恒速恒頻系統(tǒng)的缺點(diǎn)是，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速不能跟隨風(fēng)速的變化而調(diào)節(jié)。所以，風(fēng)速突變時(shí)，風(fēng)力機(jī)不能及時(shí)吸收產(chǎn)生的巨大風(fēng)能，而完全由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的各機(jī)械部件承受。在風(fēng)速頻繁變化的風(fēng)電場中，風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械部件會疲勞損壞甚至不能使用。所以，要保證此系統(tǒng)能安全穩(wěn)定的運(yùn)行，風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械部件在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)都要做更多的考慮和保護(hù)措施。然而，這樣機(jī)組的重量就不斷的增加、制造成本也相

38、應(yīng)的加大。更重要的是，即使系統(tǒng)可以安全穩(wěn)定的運(yùn)行，也無法獲取最大的風(fēng)能，整個(gè)系統(tǒng)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率較低</p><p>　　由于恒速恒頻系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的捕獲控制，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生。變速恒頻系統(tǒng)主要解決了恒速恒頻系統(tǒng)不能調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲控制的問題。此系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)如下所述：</p><p>　　首先，由于風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速可以跟隨風(fēng)力機(jī)的變化由控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)，所以，風(fēng)力

39、機(jī)可以及時(shí)的吸收因?yàn)轱L(fēng)速突然增加而產(chǎn)生的巨大風(fēng)能。這樣風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械部件就不會像恒速恒頻系統(tǒng)那樣承受很大的機(jī)械應(yīng)力，也就減少了機(jī)械部件的疲勞損傷，降低了機(jī)械部件設(shè)計(jì)時(shí)的難度。而風(fēng)速突然下降的時(shí)候，變頻器控制系統(tǒng)又會控制高速風(fēng)力機(jī)釋放儲存的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，并回饋給電網(wǎng)。所以說，風(fēng)力機(jī)速度的可控性增加了風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。</p><p>　　其次，槳距控制系統(tǒng)簡單。通過槳距控制可以減少風(fēng)速突然變化時(shí)風(fēng)力機(jī)

40、葉片吸收的風(fēng)能。在高風(fēng)速階段，槳距控制系統(tǒng)可以充分發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，保證風(fēng)力機(jī)的吸收功率在系統(tǒng)調(diào)節(jié)功率以內(nèi)。而在功率恒定區(qū)之前，槳距角都可設(shè)置為0。</p><p>　　最后，通過風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)就可以使風(fēng)力機(jī)始終運(yùn)行在最佳的葉尖速比上，也就保證了最佳風(fēng)能利用系數(shù)。所以，變速恒頻系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的捕獲控制，提高發(fā)電機(jī)組的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。</p><p>　　2.1.1 變速恒頻發(fā)電技術(shù)<

41、;/p><p>　　上面分析可知，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是目前的發(fā)展方向，而變速恒頻系統(tǒng)又有多種不同的實(shí)現(xiàn)方案。例如，無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、繞線轉(zhuǎn)子式雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、磁場調(diào)制時(shí)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、開關(guān)磁阻式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、無刷爪極式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)各有特點(diǎn)，且應(yīng)用于不同的場合。但是由于無刷發(fā)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)控制復(fù)雜，技術(shù)不成熟，因此，目前大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主要研究熱點(diǎn)之一就是

42、繞線轉(zhuǎn)子式雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，國際上已經(jīng)出現(xiàn)了兆瓦級大功率的雙饋型發(fā)電系統(tǒng)，技術(shù)相對成熟，因此，它是目前風(fēng)電場最常見的風(fēng)力發(fā)電機(jī)型，本文也將研究的重點(diǎn)放在雙饋異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)上。</p><p>　　2.1.2雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理及其特點(diǎn)</p><p>　　圖2.1 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖2.1給出了雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。雙饋異步發(fā)

43、電機(jī)是一種繞線式感應(yīng)發(fā)電機(jī)，它是由定子、轉(zhuǎn)子和軸承等元件構(gòu)成，其定子繞組直接與電網(wǎng)相連接，轉(zhuǎn)子繞組通過交-直-交變頻器與電網(wǎng)相連，由于其定、轉(zhuǎn)子都能向電網(wǎng)饋電，故簡稱為雙饋電機(jī)。轉(zhuǎn)子繞組的頻率、電壓、幅值和相位可由變頻器按照運(yùn)行要求自動(dòng)調(diào)節(jié)，可以保證機(jī)組在不同風(fēng)速下實(shí)現(xiàn)恒頻發(fā)電。轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器是用來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)輸出有功功率，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大功率跟蹤以及為轉(zhuǎn)子繞組提供勵(lì)磁；電網(wǎng)側(cè)變頻器的主要任務(wù)是保證直流母線電壓的穩(wěn)定和滿足功率因素要求<

44、;/p><p>　　雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用交流勵(lì)磁變速恒頻控制具有以下優(yōu)點(diǎn)[16]：</p><p>　　① 風(fēng)輪機(jī)可以在一定風(fēng)速變化范圍內(nèi)運(yùn)行，無需調(diào)整裝置，減少了因調(diào)速而產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力。此外，風(fēng)電機(jī)組控制更加方便和靈活，提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率。</p><p>　?、?通過對勵(lì)磁電流幅值和相位的調(diào)節(jié)，利用矢量控制可以實(shí)現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出有功功率和無功功率的獨(dú)立

45、控制。</p><p>　?、?變頻器所需功率與風(fēng)力機(jī)容量比值較小，變頻器的體積減小，有利于風(fēng)力機(jī)成本的降低。</p><p>　　2.1.3 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率輸出曲線</p><p>　　風(fēng)輪機(jī)是用來捕獲空氣流動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能，并將其轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的設(shè)備，其形式有多種，根據(jù)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸在空間的方向不同，分為水平軸風(fēng)機(jī)和垂直軸風(fēng)機(jī)兩大類。目前大型風(fēng)電機(jī)組大多都采用水平軸風(fēng)

46、機(jī)，其又可劃分為定槳距、變槳距兩種形式。當(dāng)風(fēng)速改變時(shí)，定槳距的槳葉迎風(fēng)角不能隨之改變，因而簡單可靠；變槳距的可以通過控制改變風(fēng)機(jī)槳距角，槳葉較輕巧，但結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，故障率相對較高。風(fēng)機(jī)從風(fēng)中吸收的能量可用下式表示：</p><p><b>　　（2.1）</b></p><p>　　式中，為風(fēng)輪機(jī)輸出功率；是風(fēng)輪的功率系數(shù)，其最大值為（貝茲極限），是風(fēng)輪能達(dá)到的最大效率

47、；為風(fēng)輪掃風(fēng)面積；為空氣密度；為風(fēng)速。</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能可以用它的功率輸出特性曲線來反映，是一個(gè)風(fēng)速與有功的關(guān)系式：</p><p><b>　?。?.2） </b></p><p>　　式中，為風(fēng)力機(jī)的輸出有功功率；為空氣密度；是風(fēng)輪機(jī)葉片直徑；是風(fēng)速；為風(fēng)輪機(jī)系數(shù)；是風(fēng)機(jī)傳動(dòng)裝置的機(jī)械效率；是發(fā)電機(jī)的機(jī)械效率。</

48、p><p>　　一般來說，在滿足實(shí)際工程要求的情況下，可以將該功率輸出特性簡化成如下的函數(shù)表達(dá)式：</p><p><b>　　（2.3）</b></p><p>　　式（2.5）中，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的有功功率；為風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的額定功率。根據(jù)上式可知，風(fēng)力發(fā)電機(jī)出力情況可以分為零出力、欠出力和額定出力[17]。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)簡化輸出功率-風(fēng)速特性

49、曲線如下：</p><p>　　圖2.2 風(fēng)機(jī)輸出功率特性曲線</p><p>　　風(fēng)電場一般占地面積較大，各臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)工況也不一樣，再加上風(fēng)電場內(nèi)部尾流效應(yīng)作用，都會對風(fēng)電場輸出功率產(chǎn)生影響。本研究假設(shè)風(fēng)電場內(nèi)所有風(fēng)電機(jī)組的工況相同，同時(shí)不考慮尾流效應(yīng)的影響，將所有風(fēng)電機(jī)組的輸出功率相加作為整個(gè)風(fēng)電場的輸出功率。</p><p><b>　　2.2 儲

50、能系統(tǒng)</b></p><p>　　2.2.1 儲能技術(shù)簡介</p><p>　　目前主要的儲能方式有物理儲能、電化學(xué)儲能、電磁儲能和相變儲。其中，物理儲能方式可以分為抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等；電磁儲能方式主要是超導(dǎo)儲能；電化學(xué)儲能設(shè)備有超級電容、各類蓄電池、化學(xué)電池、燃料電池、鋰離子電池、鈉硫電池和液流電池等；相變儲能主要是冰蓄冷儲能。下面將重點(diǎn)研究目前使用較多和具

51、有發(fā)展優(yōu)勢的幾種儲能方式。</p><p><b>　　1、抽水蓄能</b></p><p>　　抽水蓄能是將下游水泵入上游水庫中，需要時(shí)再放水發(fā)。這一過程是先將富余電力轉(zhuǎn)化為水的勢能，在用電高峰時(shí)將儲存的這部分勢能再轉(zhuǎn)化為電能的方法,就目前技術(shù)水平可以達(dá)到70%一85%的利用效率。這一儲能方式多用于電能調(diào)度管理，儲存能量較大，可以滿足數(shù)小時(shí)至數(shù)天甚至更長時(shí)間的電網(wǎng)功

52、率支撐，可以用來調(diào)峰填谷、高峰備用、調(diào)相調(diào)頻。因此這一儲能方式對于電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行可以起到重要的作用，目前這一儲能方式在很多國家都有應(yīng)。但是抽水蓄能電站的建設(shè)必須依賴必要的地理?xiàng)l件，不是所有地區(qū)都適合建設(shè)，而且初期投資成本較高,建設(shè)周期較長，這些因素都影響著抽水蓄能的應(yīng)用。</p><p><b>　　2、壓縮空氣儲能</b></p><p>　　壓縮空氣儲能是用電能

53、將空氣壓縮儲存在高壓的密閉裝置里，需要的時(shí)候再釋放。壓縮空氣協(xié)助推動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，一般空氣存儲設(shè)施都在地下。在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電過程中，使用壓縮空氣可以節(jié)省40%的燃?xì)鈁18]，減少排放。目前這種儲能方式功率密度較高，其安全可靠性較高，可以用于峰谷調(diào)節(jié)，平衡負(fù)荷；但是其能量密度較低，而且受地理環(huán)境條件制約，目前僅有少數(shù)發(fā)達(dá)國家有應(yīng)用。</p><p><b>　　3、飛輪儲能</b></p&

54、gt;<p>　　飛輪儲能是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能存儲的一種儲能方法，在需要再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸出。飛輪儲能技術(shù)的發(fā)展主要得益于材料科學(xué)的進(jìn)步和電力電子變流技術(shù)、電磁和超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)的發(fā)展。這一儲能方式的原理是在電能富裕時(shí)由電能驅(qū)動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能變?yōu)轱w輪的動(dòng)能。由于使用了磁懸浮軸承，使飛輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的損耗極低；當(dāng)需要電能輸出時(shí)在由飛輪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出有功。飛輪的功率密度和能量密度可以滿足MW級功率輸出數(shù)小時(shí)，因此可以用于電網(wǎng)

55、調(diào)峰、功率平滑、頻率控制、不間斷電源等用途，值得稱道的是它的轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到90%以上[18]，循環(huán)壽命長、無污染、維護(hù)簡單、配置方案靈活易行。因此飛輪儲能技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注和研究，許多公司也推出了系列產(chǎn)品。隨著飛輪的大型化和高速度發(fā)展趨勢，未來飛輪儲能方式有著廣闊的發(fā)展空間。</p><p><b>　　4、電磁儲能技術(shù)</b></p><p>　　電磁儲能的主要

56、形式是超導(dǎo)儲能，這種儲能方式利用超導(dǎo)體制成的線圈存儲磁場能量，需要能量輸出時(shí)直接由磁能轉(zhuǎn)換為電能輸出。這一儲能方法的轉(zhuǎn)換過程只有電能和磁能的直接變換，因此能量損耗非常低，這個(gè)儲能系統(tǒng)的能量利用效率非常高。并且能量釋放速度快，功率密度都比較大。目前國際上己經(jīng)有Mw級/Gwh級超導(dǎo)儲能設(shè)備投入運(yùn)行。它可以為電網(wǎng)提供電壓支撐、頻率調(diào)節(jié)、功率平衡、穩(wěn)定電網(wǎng)系統(tǒng)等作用。超導(dǎo)儲能有著良好的性能特點(diǎn)和轉(zhuǎn)化效率，但是大容量儲能的成本比較高。隨著該技術(shù)研

57、究進(jìn)一步的深入，其性能將更加完善并且成本也進(jìn)一步降低，會有更好的應(yīng)用前景。</p><p><b>　　5、超級電容器儲能</b></p><p>　　超級電容器又叫做電化學(xué)雙層電容器，功率密度高,能夠提供強(qiáng)大的脈沖功率，充電時(shí)電極表面處于理想極化狀態(tài)，電荷吸引電解質(zhì)溶液中的異性離子覆于電極表面形成雙電荷層，構(gòu)成雙電層電容。由于電極的特殊結(jié)構(gòu)以及微小的層間距，使得電極

58、表面積大大增加，所以電容量也變得很大。超級電容不僅能量密度高，而且循環(huán)壽命長、能量損失小、轉(zhuǎn)換過程中沒有經(jīng)過其他能量形式，可靠性高、維護(hù)量小，這些優(yōu)點(diǎn)使得超級電容的應(yīng)用和研究已經(jīng)非常廣泛。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，超級電容技術(shù)日趨成熟，己經(jīng)可以達(dá)到數(shù)百kw的輸出輸入能力。目前超級電容已經(jīng)應(yīng)用于電動(dòng)汽車儲能、大功率電機(jī)啟動(dòng)支撐與再生制動(dòng)儲能等方面，并且電力系統(tǒng)領(lǐng)域也在進(jìn)行改善電能質(zhì)量提高可再生能源供電可靠性等方面的研究。</p>&

59、lt;p><b>　　6、電池儲能</b></p><p>　　電池儲能已經(jīng)存在了很長時(shí)間，比如鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰電池等這些電池形式都是我們身邊常見的。雖然電池的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，但是傳統(tǒng)電池的性能和壽命還是有待于進(jìn)一步的研究改善。最近幾年出現(xiàn)的新型電池吸引了大量關(guān)注，鈉硫電池和釩流電池最為代表具有較大的能量密度和功率密度。放電深度更深、循環(huán)壽命長、系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)

60、，己經(jīng)顯現(xiàn)出未來應(yīng)用的巨大優(yōu)勢。</p><p>　　表2.1 常見儲能技術(shù)及其應(yīng)用方向</p><p>　　2.2.2 儲能技術(shù)在風(fēng)電場的應(yīng)用</p><p>　　隨著我國風(fēng)力發(fā)電的迅速發(fā)展，許多大型風(fēng)電場先后建成。由于大型風(fēng)電場大多處于我國西部電力負(fù)荷較小的區(qū)域，因此大型風(fēng)電場必須將富余的電能通過電網(wǎng)輸送到東部沿海用電的負(fù)荷中心。然而風(fēng)能是一種間歇性、隨機(jī)波動(dòng)的

61、能源，大型風(fēng)電場并網(wǎng)后，其輸出功率的波動(dòng)將會給整個(gè)電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性帶來負(fù)面的影響。特別是當(dāng)風(fēng)電所占比重過大時(shí)，會使電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻壓力增大。如果采取限制風(fēng)電場接入電網(wǎng)比重的方式將會極大的減小風(fēng)能的利用率，阻礙風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展?，F(xiàn)有風(fēng)電機(jī)組的功率調(diào)節(jié)技術(shù)和能力有限，因此最好的辦法就是利用儲能系統(tǒng)調(diào)節(jié)大型并網(wǎng)風(fēng)電場的功率輸出，為電網(wǎng)提供穩(wěn)定可靠的電能。</p><p>　　儲能系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用于平滑

62、風(fēng)電場輸出功率的波動(dòng)，使得風(fēng)電場可以作為可調(diào)度的機(jī)組運(yùn)行，而且可以為電力系統(tǒng)提供頻率控制和快速的功率響應(yīng)等其它輔助功能。此外，風(fēng)電場通過儲能系統(tǒng)進(jìn)行儲存轉(zhuǎn)換，不僅可以提高風(fēng)電場輸出電能的質(zhì)量，而且可以增加風(fēng)電場運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)而提高風(fēng)電場在電力市場的競爭力，促進(jìn)我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)快速發(fā)展。</p><p>　　風(fēng)力發(fā)電由于受風(fēng)速和地理等自然條件的影響不能持續(xù)穩(wěn)定的輸出，因此導(dǎo)致電力系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性受到影響，并且

63、風(fēng)力發(fā)電很難跟蹤負(fù)荷的變化。所以，如果在風(fēng)電場配置一定容量的儲能系統(tǒng)，將對風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性起到非常重要的作用，其主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[19]-[21]：</p><p>　　1、增強(qiáng)風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。儲能系統(tǒng)能夠快速的吸收和釋放有功功率和無功功率，平滑風(fēng)電場輸出功率波動(dòng)，改善系統(tǒng)的有功功率、無功功率的平衡，增強(qiáng)穩(wěn)定性。</p><p>　　2、保證風(fēng)電場持續(xù)可靠的供電。當(dāng)外界

64、環(huán)境或者條件發(fā)生較快變化時(shí)，風(fēng)電場往往不能穩(wěn)定的輸出電能，此時(shí)儲能系統(tǒng)存儲的電能可以起到一定的功率支撐作用，用以保證對電網(wǎng)持續(xù)、可靠的供電。</p><p>　　3、利用儲能系統(tǒng)優(yōu)化風(fēng)電運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。儲能系統(tǒng)能夠有效的解決風(fēng)力發(fā)電波動(dòng)性對電力系統(tǒng)備用容量增加的要求，改善電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。特別是在我國電力市場實(shí)施峰谷電價(jià)的情況下，利用儲能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場電能在時(shí)間軸上的平移，優(yōu)化風(fēng)電場運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。</p>

65、<p>　　2.2.3 適用于風(fēng)力發(fā)電儲能的技術(shù)及特點(diǎn)</p><p>　　在各種儲能技術(shù)具有不同的特性，使用的場合也不同。用于電力系統(tǒng)儲能的裝置根據(jù)其作用不同可大致歸為三類：穩(wěn)定電能質(zhì)量（秒級或更少，保證電能質(zhì)量穩(wěn)定）；平滑功率（秒級至分鐘級，保證連續(xù)可靠的功率輸出）；能量調(diào)度和管理（數(shù)分鐘到小時(shí)甚至更長，實(shí)現(xiàn)削峰填谷，能量備用）。在儲能方式的選擇上，除了根據(jù)能量功率特點(diǎn)是否適合外，還要考慮的重要

66、因素就是成本。</p><p>　　為了解決風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率因自然條件變化而發(fā)生波動(dòng)的問題，需要結(jié)合風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特性選擇合適的儲能方式，這里我們要考慮用于平滑功率輸出、能夠協(xié)助電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)一定規(guī)模能量調(diào)度的儲能方式。因此總體考慮能夠滿足風(fēng)電場需求，而且不受環(huán)境因素制約，能夠靈活方便的安裝調(diào)試。通過對之前各種儲能技術(shù)的了解，超級電容儲能具有能量密度高、循環(huán)壽命長、能量損失小等優(yōu)點(diǎn)，因此本文選擇超級電容器儲能模型進(jìn)

67、行研究。</p><p><b>　　2.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首先介紹了雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理及其特點(diǎn)，給出了雙饋發(fā)電機(jī)簡化功率輸出函數(shù)關(guān)系；其次介紹了各種儲能技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)以及在電力系統(tǒng)應(yīng)用情況，最后根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的要求選擇合適的儲能方式進(jìn)行研究，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：</p><p>　　1、雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有轉(zhuǎn)速范

68、圍大，響應(yīng)速度快，風(fēng)能捕獲效率高，有功功率和無功功率控制靈活，運(yùn)行成本低等各種優(yōu)點(diǎn)，使其成為現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電的主流機(jī)型。</p><p>　　2、為了研究的方便，忽略其他影響風(fēng)電機(jī)組的功率輸出的因素，給出了雙饋機(jī)風(fēng)速-功率輸出的簡化函數(shù)關(guān)系，忽略尾流效應(yīng)等因素，將風(fēng)電場總的輸出功率等效為單臺風(fēng)電機(jī)組的輸出功率。</p><p>　　3、結(jié)合各種儲能技術(shù)的特點(diǎn)及風(fēng)力發(fā)電的需求，本文采用超級電容器

69、儲能技術(shù)對下文仿真模型進(jìn)行研究。</p><p>　　第3章 風(fēng)電場儲能系統(tǒng)配置方式</p><p>　　3.1 配置方式分類</p><p>　　給風(fēng)電場配置一定規(guī)模的儲能系統(tǒng)可以平抑風(fēng)電場輸出功率的波動(dòng)，儲能系統(tǒng)的配置方式通常有 2 種。（1）集中配置，在整個(gè)風(fēng)電場出口母線處集中安裝儲能系統(tǒng)。（2）分布配置，在每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁直流環(huán)節(jié)單獨(dú)配置儲能系統(tǒng)或者是在

70、每臺雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出端配置儲能系統(tǒng)。圖3.1和3.2分別給出了這兩種種儲能配置方式的示意圖。</p><p>　　圖3.1 分布儲能配置方式</p><p>　　圖3.2 集中儲能配置方式</p><p>　　方式（1）是在原有的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁背靠背變流器的直流環(huán)節(jié)加入儲能系統(tǒng)。該配置方式以調(diào)節(jié)單臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率為目標(biāo)，通過對風(fēng)電場各臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出

71、功率進(jìn)行平抑，從而達(dá)到對整個(gè)風(fēng)電場輸出功率的平抑。該方式由于利用了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)原有的網(wǎng)側(cè)變流器，所以無需為連接儲能系統(tǒng)而額外的配置功率變換器，但此時(shí)會改變網(wǎng)側(cè)變流器原有的控制方式，增大了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制復(fù)雜度和可靠度。給雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)配置儲能系統(tǒng)還有另外一種方式，即在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出端利用 AC/DC 變換器連接儲能系統(tǒng)，通過對AC/DC 變換器的功率解耦控制實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電機(jī)的輸出功率的平滑控制，此方式由于加裝了額外的 AC/DC

72、功率變換器，因此無需改變雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制方式，采用了獨(dú)立的儲能控制系統(tǒng)，控制更加方便和靈活。</p><p>　　方式（2）是在風(fēng)電場出口母線處，配置一個(gè)獨(dú)立的儲能系統(tǒng)對整個(gè)風(fēng)電場的輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。這種方式是從整個(gè)風(fēng)電場的角度出發(fā)，采用集中配置儲能系統(tǒng)來控制和調(diào)節(jié)風(fēng)電場的并網(wǎng)功率。從理論上分析，以上兩種儲能系統(tǒng)配置方式均可以實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電場輸出功率的控制和調(diào)節(jié)，但是我們由第二章的分析可知，由于超級電

73、容器隨著容量的增加成本較高，且集中式儲能需要儲能元件具有一定的容量，因此，超級電容器儲能技術(shù)多用于分布式儲能方式。</p><p>　　3.2 分布式儲能方式</p><p>　　目前主流的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)和直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在兩側(cè)變流器之間都含有直流環(huán)節(jié)，因此可以將超級電容器通過雙向直流變換器連接在直流母線上。當(dāng)風(fēng)速下降輸出功率不足以滿足電網(wǎng)恒功要求時(shí)，儲能系統(tǒng)向直流側(cè)輸出功率，然后經(jīng)網(wǎng)側(cè)變流

74、器輸送給電網(wǎng)，使功率保守恒定，實(shí)現(xiàn)功率的平滑輸出；當(dāng)風(fēng)速上升時(shí)，風(fēng)力機(jī)吸收的功率超過了電網(wǎng)恒功的需求，可以將多余的能量傳送到直流側(cè)，由儲能系統(tǒng)吸收，即實(shí)現(xiàn)了恒功率輸出，又節(jié)約了能源。這就是儲能系統(tǒng)并聯(lián)在直流側(cè)的工作原理。</p><p>　　3.2.1 雙向直流變換器控制模型</p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)能量在超級電容和電機(jī)直流側(cè)的雙向流動(dòng)，需要配置雙向直流變換器。目前各類雙向直流變換器拓

75、撲結(jié)構(gòu)繁多，依據(jù)其是否隔離分為隔離型和非隔離型兩種，非隔離型的器件較少，控制結(jié)構(gòu)簡單，比較適合超級電容儲能系統(tǒng)。這里選擇應(yīng)用較為廣泛的雙向buck/boost直流變換器。變換器低壓側(cè)接超級電容，高壓側(cè)接風(fēng)力發(fā)電機(jī)直流側(cè)，如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)直流側(cè)并聯(lián)超級電容</p><p>　　Buck/boost雙向直流變換器由boost升壓電路和buck降壓電

76、流反并聯(lián)而成，下面分別討論電感電流連續(xù)時(shí)的工作過程。</p><p>　　在boost工作模式下，gl與g2開關(guān)狀態(tài)相反，gl等效為二極管，拓?fù)淙缦聢D3.4所示。</p><p>　　圖3.4 boost升壓電路拓補(bǔ)</p><p>　　在boost升壓模式下，g2在導(dǎo)通時(shí)，電源E向電感L充電，，電容給R供電，電壓下降；當(dāng)g2關(guān)斷時(shí)，，L對充電，電壓上升。</

77、p><p>　　在buck工作模式下，g2等效為二極管，當(dāng)g1導(dǎo)通時(shí)，，電感L反向充電；當(dāng)gl關(guān)斷時(shí)二極管D續(xù)流，為0。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3.5所示。</p><p>　　圖3.5 buck降壓電路拓補(bǔ)</p><p>　　3.2.2 雙向直流變換器平均功率控制策略</p><p>　　由于風(fēng)速的不穩(wěn)定性，因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率也在不斷變化，這里儲能

78、裝置的充放電狀態(tài)的控制需要依靠Buck/boost雙向直流變換器的兩個(gè)IGBT的觸發(fā)信號來實(shí)現(xiàn)，而控制兩個(gè)IGBT觸發(fā)器的觸發(fā)信號要與風(fēng)力發(fā)電機(jī)在該時(shí)刻的輸出功率來決定，在這里提出一種基于分段平均功率比較控制的控制策略：</p><p>　　在平均功率控制策略中，我們將一段時(shí)間內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率分解為幾個(gè)不同的時(shí)間段，分別求出每個(gè)時(shí)間段內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率的平均值作為該時(shí)段風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率參考值，再分

79、別將每一時(shí)刻的輸出功率與進(jìn)行比較，確定兩個(gè)IGBT觸發(fā)器的導(dǎo)通與關(guān)斷，以下是該種平均功率控制策略的具體步驟：</p><p>　　1、設(shè)置比較步長，其中為仿真時(shí)間，即將給定的仿真時(shí)間分成相等的個(gè)小區(qū)間。</p><p>　　2、計(jì)算該區(qū)間內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率的平均值作為每一區(qū)間段的參考功率，即。</p><p>　　3、將實(shí)際的風(fēng)機(jī)的輸出功率與該段時(shí)間對應(yīng)的進(jìn)行比較

80、，若>，則超級電容器應(yīng)工作在充電狀態(tài)，此時(shí)導(dǎo)通，關(guān)斷，電路為降壓電路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)。</p><p>　　4、若<，則超級電容器應(yīng)工作在放電狀態(tài)，此時(shí)導(dǎo)通，關(guān)斷，電路為升壓電路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)。</p><p>　　5、當(dāng)IGBT的控制信號發(fā)生后，繼續(xù)載入下一時(shí)刻實(shí)際輸出功率的值，并判斷該輸出功率的時(shí)間是否仍在上一功率參考值的區(qū)間內(nèi)。若是，則不改變的值并進(jìn)行比較，若不是，則返回步驟（2）重新

81、進(jìn)行的計(jì)算與設(shè)定。</p><p>　　以上控制策略原理是將整個(gè)時(shí)間段的輸出功率分成若干的等時(shí)間區(qū)間，并通過比較每一時(shí)刻的實(shí)際輸出功率與該時(shí)刻對應(yīng)的輸出功率的參考值來確定雙向直流變換器的工作狀態(tài)，既能保證兩個(gè)IGBT導(dǎo)通關(guān)斷的可靠性，又能保證輸出功率的平滑性與連續(xù)性，因此可以用于儲能裝置接入風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中。</p><p>　　第4章 超級電容器儲能原理及建模</p>

82、<p><b>　　4.1 風(fēng)力機(jī)建模</b></p><p>　　風(fēng)力機(jī)作為能量轉(zhuǎn)換的重要部件，是整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)需要首先考慮的部分。而風(fēng)力機(jī)是靠吸收自然界的風(fēng)能來驅(qū)動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作的。因此，在建立風(fēng)力機(jī)模型之前木文首先建立模擬自然風(fēng)的風(fēng)速模型。</p><p>　　4.1.1 風(fēng)速數(shù)學(xué)模型</p><p>　　為了盡可能的描述自然風(fēng)

83、的的特點(diǎn)，一般認(rèn)為自然風(fēng)由基本風(fēng)、陣風(fēng)、階躍風(fēng)以及隨機(jī)風(fēng)4個(gè)部分組成[23]-[26]。可用如下公式表示：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　上式中各分量含義如下：</p><p>　　為基本風(fēng)，描述風(fēng)場的平均風(fēng)速，決定了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)額定輸出功率的大小。風(fēng)電場測風(fēng)所得的威布爾分布參數(shù)可以近似確定它的大小，一般認(rèn)

84、為基本風(fēng)不隨時(shí)間變化，仿真中取常數(shù)。</p><p>　　為陣風(fēng)，描述風(fēng)速躍升或驟降的特性。通常，用它來測試整個(gè)系統(tǒng)在風(fēng)速大范圍變化時(shí)的動(dòng)態(tài)特性，其數(shù)學(xué)模型為：</p><p><b>　　（4.2）</b></p><p>　　上式中，和分別表示陣風(fēng)的起始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間，表示陣風(fēng)的最大風(fēng)速。</p><p>　　為漸變

85、風(fēng)，模擬具有線性特性的風(fēng)速，其數(shù)學(xué)模型為：</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　其中，表示漸變風(fēng)峰值，和則分別表示漸變風(fēng)的起始時(shí)間和終止時(shí)間。</p><p>　　為隨機(jī)風(fēng)，描述風(fēng)速的隨機(jī)性，通常用隨機(jī)噪聲來模擬隨機(jī)風(fēng)成份。</p><p>　　4.2 超級電容器平抑功率波動(dòng)模型</

86、p><p>　　4.2.1 風(fēng)電功率波動(dòng)平抑目標(biāo)</p><p>　　風(fēng)電功率波動(dòng)是由風(fēng)速的隨機(jī)變化引起的，其廣泛分布在頻域的各個(gè)頻段中，不同頻率的功率波動(dòng)在并網(wǎng)后對電力系統(tǒng)的影響程度也不相同，因此分析風(fēng)電功率波動(dòng)的頻率特性，得出對電力系統(tǒng)影響較為嚴(yán)重的功率頻段，進(jìn)而確定儲能系統(tǒng)需要平抑的控制目標(biāo)。利用傅里葉變換可以將風(fēng)電功率波動(dòng)分解為不同頻率范圍的波動(dòng)，按變化的頻率范圍可分為三部分[27]

87、：低頻區(qū)（0.01HZ及以下）、中頻區(qū)（0.01HZ~1HZ）及高頻區(qū)（1HZ及以上）。對于風(fēng)電功率中的高頻區(qū)這部分的分量可以被風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的慣量吸收；風(fēng)電功率的中頻分量由于功率變化較大，短時(shí)間內(nèi)會對電網(wǎng)造成嚴(yán)重沖擊，給電力系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來隱患；低頻分量，由于其波動(dòng)比較緩慢，功率變化率較小，注入電網(wǎng)時(shí)，電力系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）可以進(jìn)行一定程度的響應(yīng)，但是考慮到傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的爬坡速度和電力系統(tǒng)有限的備用容量，有必要對風(fēng)電功率波動(dòng)中

88、頻區(qū)的部分分量進(jìn)行平抑。</p><p>　　4.2.2 超級電容器模型及平抑方法</p><p>　　超級電容器是根據(jù)電化學(xué)雙電層理論研制而成的一種具有超級儲電能力的理想二次電源，可提供強(qiáng)大的脈沖功率，近年來引起了國內(nèi)外專家的廣泛關(guān)注。與蓄電池不同，超級電容器的充放電過程無化學(xué)反應(yīng)，只存在物理反應(yīng)，因此其性能相對而言較為穩(wěn)定。超級電容能夠快速釋放出極高的脈沖功率，充電迅速、無記憶效應(yīng)，其

89、充放電循環(huán)壽命在十萬次以上，對環(huán)境無污染；存在的主要缺點(diǎn)是能量密度低，且成本高。超級電容在風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車及軌道交通等方面具有廣泛的應(yīng)用前景[28] 。</p><p>　　超級電容是一個(gè)非線性系統(tǒng)，很難建立能夠準(zhǔn)確描述其特性的模型。目前適用于超級電容的模型有：經(jīng)典模型、一階RC模型、三支路模型以及基于阻抗特性的模型等[29] 。為使參數(shù)確定較為容易且不失儲能元件的充放電特性，本文中超級電容器組采用一階RC模型

90、，如圖4.1所示</p><p>　　圖4.1 超級電容等效模型</p><p>　　根據(jù)圖4.1所設(shè)置的超級電容器模型，我們可建立式（4.4）微分方程：</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　將式（4.4）變換到S域可得其傳遞函數(shù)為：</p><p><b&g

91、t;　?。?.5）</b></p><p>　　將代入式（4.5）可得該傳遞函數(shù)幅頻特性和相頻特性分別為：</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　該傳遞函數(shù)幅頻特性如圖4.2所示</p><

92、p>　　圖4.2 幅頻特性圖像</p><p>　　從該傳遞函數(shù)的幅頻特性可以看出，對于振幅相同的輸入信號，頻率越高的信號輸出的幅值越小，即低頻率的信號比高頻率的信號更易通過，高頻率信號得到大大的抑制。圖4.2中，為截止頻率，越小，時(shí)間常數(shù)越大，經(jīng)處理后的信號頻率越低，信號越平滑。</p><p>　　平抑風(fēng)電場功率波動(dòng)的目標(biāo)是剔除風(fēng)電場輸出功率短期的波動(dòng)，減小風(fēng)電場注入電網(wǎng)功率的變

93、化率，為電網(wǎng)提供更為穩(wěn)定的功率輸出。這與信號處理中的濾波原理類似，低通濾波器通過對輸入信號的幅值進(jìn)行加減處理，使輸出信號變的更加平滑，而儲能系統(tǒng)是通過其充放電來改變風(fēng)電場輸出功率的幅值，使得注入電網(wǎng)的功率更加平穩(wěn)，因此可以將經(jīng)平滑后注入電網(wǎng)的功率設(shè)計(jì)為[29]：</p><p><b>　?。?.8）</b></p><p>　　式中，，為截止頻率。</p>

94、;<p>　　在不考慮本地負(fù)荷的情況下，由功率平衡可知，整個(gè)風(fēng)電場系統(tǒng)的功率關(guān)系為：</p><p><b>　　（4.9）</b></p><p>　　式中，為儲能系統(tǒng)吞吐的功率，為發(fā)出功率，為吸收功率。</p><p>　　由式（4.8）和（4.9）得出儲能系統(tǒng)所需要吞吐的功率：</p><p><

95、;b>　?。?.10）</b></p><p>　　由4.2.1風(fēng)電功率波動(dòng)平抑目標(biāo)可知，儲能系統(tǒng)需要對風(fēng)電功率波動(dòng)中頻區(qū)的部分分量進(jìn)行平抑，因此，超級電容器儲能系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的截止頻率應(yīng)取0.01HZ~1HZ，當(dāng)=0.01HZ時(shí)，0.0628；當(dāng)=1HZ時(shí)，6.28。下面我們用該常數(shù)對超級電容器平抑功率波動(dòng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。</p><p><b>　　4.3 本

96、章小結(jié)</b></p><p>　　本章結(jié)合超級電容器特點(diǎn)，介紹了超級電容器的工作原理，并根據(jù)超級電容器的工作原理建立了超級電容器的一階RC模型，求出其傳遞函數(shù)。將建立的超級電容器模型加到模擬出的風(fēng)力發(fā)電機(jī)中進(jìn)行仿真，通過對仿真的波形進(jìn)行分析，得出時(shí)間常數(shù)與平抑功率波動(dòng)的作用效果和對超級電容器容量要求的關(guān)系，最后針對本文的算例，給出了在本文的發(fā)電系統(tǒng)中時(shí)間常數(shù)的最優(yōu)值，并對此進(jìn)行驗(yàn)證。從本章的仿真波形

97、來看，可以證明超級電容器儲能技術(shù)在平抑功率波動(dòng)方面就有良好的效果。</p><p>　　第5章 超級電容器在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用仿真</p><p>　　5.1 仿真內(nèi)容概述</p><p>　　本章將在前面章節(jié)介紹的基礎(chǔ)上對算例進(jìn)行仿真分析，主要根據(jù)第三章介紹的buck/boost雙向直流電路建立仿真模型，分別分析buck/boost雙向直流電路工作在boost升壓

98、狀態(tài)和buck降壓狀態(tài)時(shí)的等效電路，并建立相應(yīng)的仿真模型觀察其在兩種工作狀態(tài)時(shí)的電壓電流的變化；根據(jù)第二章介紹的雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理及功率曲線，建立風(fēng)速模型和風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型，模擬其輸出功率；根據(jù)第四章介紹的超級電容器的模型，對超級電容器接入風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行仿真，并根據(jù)該案例的仿真圖像對超級電容器的容量參數(shù)進(jìn)行分析。</p><p>　　5.2 Matlab仿真軟件的概述</p><p&g

99、t;　　Matlab是一門準(zhǔn)確度特別高的科學(xué)技術(shù)的計(jì)算機(jī)語言課程，它將數(shù)字計(jì)算、可視化和編程結(jié)合起來放在一個(gè)特別方便應(yīng)用的平臺中。在上面的平臺中，使用者能夠用平常容易認(rèn)識的數(shù)學(xué)符號用另一種方式表示出問題的提出和解決，Matlab仿真軟件的有下面幾種典型的使用模式：</p><p>　　(1)數(shù)學(xué)的各種計(jì)算。</p><p><b>　　(2)運(yùn)算法則</b></

100、p><p><b>　　(3)建模和仿真</b></p><p>　　(4)數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)研究和可視化</p><p><b>　　(5)科學(xué)工程圖形</b></p><p>　　(6)應(yīng)用程序開發(fā)，包括創(chuàng)建圖形用戶接口。</p><p>　　能夠準(zhǔn)確、快速的解決具有特定應(yīng)用問題

101、的程序組是Matlab的一個(gè)非常重要的特征之一，意思就是指TOOLBOX （工具箱），這些工具箱包括：信號處理方面的工具箱、控制系統(tǒng)方面的工具箱、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方面的工具箱、模糊邏輯方面的工具箱、Simulink方面的工具箱、通信方面的工具箱和數(shù)據(jù)采集方面的工具箱等許多專用工具箱，這款軟件主要由MATLAB主程序、Simulink動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真和MATLAB工具箱三大部分組成。MATLAB軟件明顯的特點(diǎn)有編程效率快、計(jì)算能力強(qiáng)、使用簡單。<

102、;/p><p>　　5.2.1 Matlab及Simulink的仿真基礎(chǔ)</p><p>　　Simulink于20世紀(jì)90年代初有Mathworks公司開發(fā)，是Matlab環(huán)境下對動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包。Simulink給用戶提供清晰的圖形界面，用戶很方便的拿鼠標(biāo)來進(jìn)行操作，標(biāo)準(zhǔn)模塊可以從模塊庫中被調(diào)用出來，將需要的標(biāo)準(zhǔn)模塊準(zhǔn)確的連接起來就可以構(gòu)成用戶所希望的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，

103、雙擊每個(gè)模塊找到各自的參數(shù)對話框圖來設(shè)置系統(tǒng)中每個(gè)模塊的參數(shù)。設(shè)置完系統(tǒng)中所有的模塊參數(shù)以后，一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型就建立起來了。假如其中一個(gè)模塊沒來的急進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，這種情況就說明此時(shí)這個(gè)系統(tǒng)中的這個(gè)模塊使用的參數(shù)是Simulink中原先給這這個(gè)模塊設(shè)置的參數(shù)，即為默認(rèn)參數(shù)值。</p><p>　　Simulink模塊庫中有非常豐富的模塊。除包括輸入信號源（Sources）模塊庫、輸出接收（Sinks）模塊庫、連續(xù)（

104、Continuous）系統(tǒng)模塊庫、離散（Discrete）系統(tǒng)模塊庫、數(shù)學(xué)運(yùn)算（Math Operations）模塊庫等許多標(biāo)準(zhǔn)模塊外，用戶還可以自定義和創(chuàng)建模塊。</p><p>　　Simulink仿真模型的基本特點(diǎn)可歸納如下：</p><p>　?。?） Simulink里提供了許多Scope (示波器)的接收模塊,這里用Simulink進(jìn)行仿真,具有像做實(shí)驗(yàn)一般的圖形化顯示效果。&

105、lt;/p><p>　?。?） Simulink的模型具有層次性,通過底層子系統(tǒng)可以構(gòu)建上層母系統(tǒng)。</p><p>　?。?）Simulink提供了對子系統(tǒng)進(jìn)行封裝的功能,用戶可以自定義子系統(tǒng)的圖標(biāo)和設(shè)置參數(shù)對話框。</p><p>　　啟動(dòng)Simulink后，建模仿真就可以在Simulink中實(shí)現(xiàn)。Simulink建模仿真的主要步驟包括：</p>&

106、lt;p>　?。?）首先將一個(gè)空白的Simulink預(yù)設(shè)窗口打開。</p><p>　?。?）開始對于Simulink模塊庫界面進(jìn)行瀏覽，對于系統(tǒng)中所需要的模塊應(yīng)該從模塊庫中用鼠標(biāo)拖放到編輯窗中相應(yīng)的位置。完整的操作過程是：將鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)選中系統(tǒng)中所需要的模塊，隨后將那個(gè)模塊拖動(dòng)至需要?jiǎng)?chuàng)建仿真模型的窗口里，最后將鼠標(biāo)松開，此時(shí)創(chuàng)建仿真模型的窗口中就出現(xiàn)了系統(tǒng)所必須的模塊。</p><p&g

107、t;　?。?）根據(jù)系統(tǒng)圖所要求的參數(shù)來改變繪制模型窗口中模塊的參數(shù)。在MATLAB軟件中的Simulink平臺下繪制模塊圖,如果不改變參數(shù)的話，此處系統(tǒng)中繪出的模塊只能是默認(rèn)的參數(shù)，為了使用戶的特定需求得到滿足，此時(shí)必須重新設(shè)置模塊的參數(shù)。當(dāng)用戶重新設(shè)置模塊參數(shù)時(shí)，首先用鼠標(biāo)左鍵對模塊進(jìn)行雙擊，將模塊的參數(shù)對話框快速的打開。從用戶新打開的設(shè)置參數(shù)對話框可以了解很多，一方面能夠清楚地看到模塊中每項(xiàng)默認(rèn)參數(shù)，另一方面按照系統(tǒng)要求來重新設(shè)置各