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1、电气工程及其自动化毕业设计论文(本) 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，大力发展风力发电可以改善世界能源供给结构，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，不仅会危及到电网的安全稳定运行
2、，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
3、制策略 , , , . , . , , , , . , . . ,. , , , . , , , , . : ; ; ; 目录 第章绪论 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。我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，也是我国可持续发展的必经之
4、路。 在所有可再生能源中，风能占到了，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。在我国，近十多年来风力发电也获得了迅猛的发展，风电装机容量从年至年五年时间逐年翻倍，并达到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，到年底，我国全国风电总装机容量将超过。 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
5、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，但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。随着我国风电的迅猛发展，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
6、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可以很好解决风电功率波动性和间歇性的缺点，通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。这样不仅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，而且储能系统还可以提供一定的无功支持，改善风电的电能质量，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。 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，
7、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，尤其是随着我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，不仅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，进而对我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，可以有效的解决风电场输出功率波动性的缺点。通过给风电场配置一定容量的储能系统，可以极大改善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
8、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。 目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： 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，可以用以改善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。在改善电压稳定性问题方面，文献研究了超导磁储能在改善风电场电压稳定性的应用，超导磁储能系统可以在四象限运行，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
9、出和保持电压稳定的目的。文献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的电压波动，增强风电并网稳定性。文献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。文献研究了全钒液流电池储能系统在改善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。 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。利用储能系统可以改善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。文献利用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
10、场并网电压的恒定。文献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善输出电压的可靠性，降低电压暂降。文献利用超导磁储能系统四象限功率调节能力改善并网风电场运行特性，提高了风电场并网运行的电能质量。 本文的研究内容 从前文所述的文献中我们可以看出，储能技术对于增强并网稳定性和提高电能质量方面都有明显的效果，但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善效果，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，并且在风力发电系统中对该种储能技术进
11、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，并根据他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.创建出风机输出功率模型并根据创建的超级电容器模型，在平台上搭建 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。 第章双馈风力
12、发电机和储能系统 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（）系统和变速恒频（）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。所以，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。所以，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
13、可以安全稳定的运行，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，由于风力机的转速可以跟随风力机的变化由控制系统调节，所以，风力机可以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。所以说，风
14、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。通过桨距控制可以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，桨距控制系统可以充分发挥调节作用，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。 最后，通过风力机转速的调节就可以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。所以，变速恒频系统可以实现最大风能的捕获控制，提高发电机组的风能转换效率。 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目前的发展方向，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
15、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。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，因此，目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，它是目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。 双馈异步风力发电机原理及其特点 图双馈异步风力发电机结构图 图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
16、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，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： 风轮机可以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。此外，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。 通过对励磁电流幅值和相位的调节
17、，利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的独立控制。 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。 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。目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；变桨距的可以通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： 32 1v A C P p =
18、 （） 式中，P 为风轮机输出功率；p C 是风轮的功率系数，其最大值为59.0（贝兹极限），是风轮能达到的最大效率；A 为风轮扫风面积；为空气密度；v 为风速。 风力发电机性能可以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： g t p C v D P 328 1= （） 式中，P 为风力机的输出有功功率；为空气密度；D 是风轮机叶片直径；v 是风速；p C 为风轮机系数；t 是风机传动装置的机械效率；g 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，可以将该功率输出特性简化成如下的函数表达式： ?=00,0c r r r d d r d r c d w v v v
19、 P v v v v v v v P v v v v P （） 式（）中，w P 为风力发电机输出的有功功率；r P 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可以分为零出力、欠出力和额定出力 。双馈风力发电机简化输出功率风速特性曲线如下： 图 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。 储能系统 储能技术简介 目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。下面将重点研究目前使用较多和具有发展优势的几种储能方式。 、抽水蓄能