超级电容器储能平抑风电场功率波动的仿真研究

...wd......wd......wd...超级电容器储能平抑风电场功率波动的仿真研究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，大力开展风力发电可以改善世界能源供应构造，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开展做出重要奉献。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，而且会制约风力发电大规模的开展。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根基，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展研究。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展仿真，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AbstractWiththeglobalenergyandenvironmentissueshavebecomeincreasinglyprominent,windpowerasaclean&renewableenergy,itsglobalreservesisextremelyrich,windpowercanimprovethestructureofworld'senergysupplyandeasetheglobalenergyshortageandenvironmentalpollutionproblems,makeanimportantcontributiontothesustainabledevelopmentofhumansociety.However,withincreasingscaleofgrid-connectedwindfarms,theeffectofwindpowerrandomnessandvolatilitytopowersystembecomemoreandmoreobviously.Large-scalewindpowerbringagreatimpactongridsecurity,stabilityanddispatch,iftheseproblemscannoteffectivelyaddressed,itwillnotonlyendangerthesafeandstableoperationofthegrid,butalsolimitlarge-scalewindpowerdevelopments.Tostabilizethegrid-connectedwindfarmoutputpowerfluctuations,reducetheadverseeffectstopowersystem.Thispaperpurposesanewwindpowergenerationsystembasedondouble-fedwindpowergenerationandcentralizedconfigurationenergystoragesystem.Thestrategyofstabilizingwindoutputpowerfluctuations,Theenergystorageprincipleandtheenergystoragecomponentparameterswerestudied.Firstofall,basedonthecharacteristicsofwindpoweroutputcharacteristicsandenergystoragetechnology,selectedusingthesupercapacitorenergystorage,andthenputforwardakindofaveragepowerasthereferenceofthebidirectionalconvertercontrolstrategy.Thenaccordingtotheprincipleofthesupercapacitoraresimulated,foundthatthecapacitortimeconstantandsmootheffectandtherelationshipbetweentheenergystoragecapacity,Combinedwiththetextoftheoutputwaveform,determinetheoptimaltimeconstant,andverifythesupercapacitorenergystoragehassignificanteffecttorestrainthepowerfluctuations.Keywords:Windpowergeneration;Powerfluctuations;Supercapacitorenergystorage;Thecontrolstrategy目录摘要IAbstractII第1章绪论11.1课题背景及意义11.2课题研究现状21.2.1利用储能系统增强风电并网稳定性21.2.2利用储能系统提高电能质量31.3本文的研究内容3第2章双馈风力发电机和储能系统52.1风力发电系统的根本运行方式52.1.1变速恒频发电技术62.1.2双馈异步风力发电机原理及其特点62.1.3双馈风力发电机功率输出曲线72.2储能系统82.2.1储能技术简介82.2.2储能技术在风电场的应用112.2.3适用于风力发电储能的技术及特点122.3本章小结12第3章风电场储能系统配置方式143.1配置方式分类143.2分布式储能方式153.2.1双向直流变换器控制模型153.2.2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194.1风力机建模194.1.1风速数学模型194.2超级电容器平抑功率波动模型204.2.1风电功率波动平抑目标204.2.2超级电容器模型及平抑方法204.3本章小结22第5章超级电容器在风力发电中的应用仿真245.1仿真内容概述245.2Matlab仿真软件的概述245.2.1Matlab及Simulink的仿真根基255.2.2Simulink在电力系统的建模与仿真应用265.3双向直流变换器的simulink仿真265.3.1boost升压电路仿真分析265.3.2buck降压电路仿真分析285.4风速模型仿真305.5风力发电机输出功率模型仿真315.6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。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，在能源构造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，但从长远开展、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，也是我国可持续开展的必经之路。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开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开展，风电装机容量从2005年至2010年五年时间逐年翻倍，并到达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开展趋势预测，到2020年底，我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历，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，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开展，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本钱。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展了明确的限制。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[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，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开展造成巨大影响。随着电力电子技术和储能技术的不断开展和成熟，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：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，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[9]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，到达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，仿真结果说明，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。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[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善输出电压的可靠性，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。1.3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，但是前述论文中大局部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，我们需要分析比拟各种储能技术的优缺点及它们各自的适用范围，从各个方面分析比拟，选出适宜的储能技术，并且在风力发电系统中对该种储能技术进展调试，因此，在本文中涉及到的工作主要有：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。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。根据超级电容器储能的原理建设超级电容器模型，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。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展仿真，仿真结果说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展比拟，最后选出适宜的超级电容器参数。第2章双馈风力发电机和储能系统2.1风力发电系统的根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。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、制造本钱也相应的加大。更重要的是，即使系统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0。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正确的叶尖速比上，也就保证了最正确风能利用系数。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。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目前的开展方向，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。但是由于无刷发电机系统设计比拟复杂，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。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[16]：①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。②通过对励磁电流幅值和相位的调节，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。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，有利于风力机本钱的降低。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。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，但构造太复杂，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〕，是风轮能到达的最大效率；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：〔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，可以将该功率输出特性简化成如下的函数表达式：〔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一样，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开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。这一过程是先将充裕电力转化为水的势能，在用电顶峰时将储存的这局部势能再转化为电能的方法,就目前技术水平可以到达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，可以满足数小时至数天甚至更长时间的电网功率支撑，可以用来调峰填谷、顶峰备用、调相调频。因此这一储能方式对于电力系统稳定运行可以起到重要的作用，目前这一储能方式在很多国家都有应。但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，而且初期投资本钱较高,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，使用压缩空气可以节省40%的燃气[18]，减少排放。目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，而且受地理环境条件制约，目前仅有少数兴旺国家有应用。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。飞轮储能技术的开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开展。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可以满足MW级功率输出数小时，因此可以用于电网调峰、功率平滑、频率控制、不连续电源等用途，值得称道的是它的转换效率可以到达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开展趋势，未来飞轮储能方式有着广阔的开展空间。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。并且能量释放速度快，功率密度都比拟大。目前国际上己经有Mw级/Gwh级超导储能设备投入运行。它可以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，但是大容量储能的本钱比拟高。随着该技术研究进一步的深入，其性能将更加完善并且本钱也进一步降低，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，充电时电极外表处于理想极化状态，电荷吸引电解质溶液中的异性离子覆于电极外表形成双电荷层，构成双电层电容。由于电极的特殊构造以及微小的层间距，使得电极外表积大大增加，所以电容量也变得很大。超级电容不仅能量密度高，而且循环寿命长、能量损失小、转换过程中没有经过其他能量形式，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。经过几十年的开展，超级电容技术日趋成熟，己经可以到达数百kw的输出输入能力。目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展改善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，比方铅酸蓄电池、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，但是传统电池的性能和寿命还是有待于进一步的研究改善。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0.5~1.560~701~24h压缩空气储能30~6040~501~24h飞轮储能10~30>2000070~80ms~15min电磁储能超导储能0.5~5>10000080~95ms~s超级电容储能2.5~15>10000070~80ms~60min电化学储能铅酸电池30~50500~100060~70ms~h钠硫电池150~240250070~80s~h全钒液流电池75~2001300085~95s~h2.2.2储能技术在风电场的应用随着我国风力发电的迅速开展，许多大型风电场先后建成。由于大型风电场大多处于我国西部电力负荷较小的区域，因此大型风电场必须将充裕的电能通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，阻碍风力发电的开展。现有风电机组的功率调节技术和能力有限，因此最好的方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。储能系统不仅可以应用于平滑风电场输出功率的波动，使得风电场可以作为可调度的机组运行，而且可以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。此外，风电场通过储能系统进展储存转换，不仅可以提高风电场输出电能的质量，而且可以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，促进我国风力发电事业快速开展。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，并且风力发电很难跟踪负荷的变化。所以，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，其主要表达在以下几个方面[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，改善系统的有功功率、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可以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，改善电网运行的经济性。特别是在我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本钱。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适宜的储能方式，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。通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展研究。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适宜的储能方式进展研究，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，运行本钱低等各种优点，使其成为现有风力发电的主流机型。2、为了研究的方便，忽略其他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展研究。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可以平抑风电场输出功率的波动，储能系统的配置方式通常有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参加储能系统。该配置方式以调节单台风力发电机的输出功率为目标，通过对风电场各台风力发电机的输出功率进展平抑，从而到达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，所以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，通过对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构造和控制方式，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展调节和控制。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可以实现对风电场输出功率的控制和调节，但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本钱较高，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分布式储能方式目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缺乏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，可以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。目前各类双向直流变换器拓扑构造繁多，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，控制构造简单，比拟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，拓扑如以下列图3.4所示。图3.4boost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3.5buck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拟控制的控制策略：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展比拟，确定两个IGBT触发器的导通与关断，以下是该种平均功率控制策略的具体步骤：1、设置比拟步长，其中为仿真时间，即将给定的仿真时间分成相等的个小区间。2、计算该区间内风力发电机输出功率的平均值作为每一区间段的参考功率，即。3、将实际的风机的输出功率与该段时间对应的进展比拟，假设>，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、假设<，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的控制信号发生后，继续载入下一时刻实际输出功率的值，并判断该输出功率的时间是否仍在上一功率参考值的区间内。假设是，则不改变的值并进展比拟，假设不是，则返回步骤〔2〕重新进展的计算与设定。以上控制策略原理是将整个时间段的输出功率分成假设干的等时间区间，并通过比拟每一时刻的实际输出功率与该时刻对应的输出功率的参考值来确定双向直流变换器的工作状态，既能保证两个IGBT导通关断的可靠性，又能保证输出功率的平滑性与连续性，因此可以用于储能装置接入风力发电的系统构造中。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的重要部件，是整个发电系统需要首先考虑的局部。而风力机是靠吸收自然界的风能来驱动风力发电机工作的。因此，在建设风力机模型之前木文首先建设模拟自然风的风速模型。4.1.1风速数学模型为了尽可能的描述自然风的的特点，一般认为自然风由根本风、阵风、阶跃风以及随机风4个局部组成[23]-[26]。可用如下公式表示：〔4.1〕上式中各分量含义如下：为根本风，描述风场的平均风速，决定了风力发电系统额定输出功率的大小。风电场测风所得的威布尔分布参数可以近似确定它的大小，一般认为根本风不随时间变化，仿真中取常数。为阵风，描述风速跃升或骤降的特性。通常，用它来测试整个系统在风速大范围变化时的动态特性，其数学模型为：〔4.2〕上式中，和分别表示阵风的起始时间和持续时间，表示阵风的最大风速。为渐变风，模拟具有线性特性的风速，其数学模型为：〔4.3〕其中，表示渐变风峰值，和则分别表示渐变风的起始时间和终止时间。为随机风，描述风速的随机性，通常用随机噪声来模拟随机风成份。4.2超级电容器平抑功率波动模型4.2.1风电功率波动平抑目标风电功率波动是由风速的随机变化引起的，其广泛分布在频域的各个频段中，不同频率的功率波动在并网后对电力系统的影响程度也不一样，因此分析风电功率波动的频率特性，得出对电力系统影响较为严重的功率频段，进而确定储能系统需要平抑的控制目标。利用傅里叶变换可以将风电功率波动分解为不同频率范围的波动，按变化的频率范围可分为三局部[27]：低频区〔0.01HZ及以下〕、中频区〔0.01HZ~1HZ〕及高频区〔1HZ及以上〕。对于风电功率中的高频区这局部的分量可以被风力发电机转子的惯量吸收；风电功率的中频分量由于功率变化较大，短时间内会对电网造成严重冲击，给电力系统安全运行带来隐患；低频分量，由于其波动比拟缓慢，功率变化率较小，注入电网时，电力系统自动发电控制〔AGC〕可以进展一定程度的响应，但是考虑到传统发电机组的爬坡速度和电力系统有限的备用容量，有必要对风电功率波动中频区的局局部量进展平抑。4.2.2超级电容器模型及平抑方法超级电容器是根据电化学双电层理论研制而成的一种具有超级储电能力的理想二次电源，可提供强大的脉冲功率，近年来引起了国内外专家的广泛关注。与蓄电池不同，超级电容器的充放电过程无化学反响，只存在物理反响，因此其性能相对而言较为稳定。超级电容能够快速释放出极高的脉冲功率，充电迅速、无记忆效应，其充放电循环寿命在十万次以上，对环境无污染；存在的主要缺点是能量密度低，且本钱高。超级电容在风力发电、电动汽车及轨道交通等方面具有广泛的应用前景[28]。超级电容是一个非线性系统，很难建设能够准确描述其特性的模型。目前适用于超级电容的模型有：经典模型、一阶RC模型、三支路模型以及基于阻抗特性的模型等[29]。为使参数确定较为容易且不失储能元件的充放电特性，本文中超级电容器组采用一阶RC模型，如图4.1所示图4.1超级电容等效模型根据图4.1所设置的超级电容器模型，我们可建设式〔4.4〕微分方程：〔4.4〕将式〔4.4〕变换到S域可得其传递函数为：〔4.5〕将代入式〔4.5〕可得该传递函数幅频特性和相频特性分别为：〔4.6〕〔4.7〕该传递函数幅频特性如图4.2所示图4.2幅频特性图像从该传递函数的幅频特性可以看出，对于振幅一样的输入信号，频率越高的信号输出的幅值越小，即低频率的信号比高频率的信号更易通过，高频率信号得到大大的抑制。图4.2中，为截止频率，越小，时间常数越大，经处理后的信号频率越低，信号越平滑。平抑风电场功率波动的目标是剔除风电场输出功率短期的波动，减小风电场注入电网功率的变化率，为电网提供更为稳定的功率输出。这与信号处理中的滤波原理类似，低通滤波器通过对输入信号的幅值进展加减处理，使输出信号变的更加平滑，而储能系统是通过其充放电来改变风电场输出功率的幅值，使得注入电网的功率更加平稳，因此可以将经平滑后注入电网的功率设计为[29]：〔4.8〕式中，，为截止频率。在不考虑本地负荷的情况下，由功率平衡可知，整个风电场系统的功率关系为：〔4.9〕式中，为储能系统吞吐的功率，为发出功率，为吸收功率。由式〔4.8〕和〔4.9〕得出储能系统所需要吞吐的功率：〔4.10〕由4.2.1风电功率波动平抑目标可知，储能系统需要对风电功率波动中频区的局局部量进展平抑，因此，超级电容器储能系统的传递函数的截止频率应取0.01HZ~1HZ，当=0.01HZ时，0.0628；当=1HZ时，6.28。下面我们用该常数对超级电容器平抑功率波动进展仿真验证。4.3本章小结本章结合超级电容器特点，介绍了超级电容器的工作原理，并根据超级电容器的工作原理建设了超级电容器的一阶RC模型，求出其传递函数。将建设的超级电容器模型加到模拟出的风力发电机中进展仿真，通过对仿真的波形进展分析，得出时间常数与平抑功率波动的作用效果和对超级电容器容量要求的关系，最后针对本文的算例，给出了在本文的发电系统中时间常数的最优值，并对此进展验证。从本章的仿真波形来看，可以证明超级电容器储能技术在平抑功率波动方面就有良好的效果。第5章超级电容器在风力发电中的应用仿真5.1仿真内容概述本章将在前面章节介绍的根基上对算例进展仿真分析，主要根据第三章介绍的buck/boost双向直流电路建设仿真模型，分别分析buck/boost双向直流电路工作在boost升压状态和buck降压状态时的等效电路，并建设相应的仿真模型观察其在两种工作状态时的电压电流的变化；根据第二章介绍的双馈感应风力发电机的工作原理及功率曲线，建设风速模型和风力发电机模型，模拟其输出功率；根据第四章介绍的超级电容器的模型，对超级电容器接入风力发电机进展仿真，并根据该案例的仿真图像对超级电容器的容量参数进展分析。5.2Matlab仿真软件的概述Matlab是一门准确度特别高的科学技术的计算机语言课程，它将数字计算、可视化和编程结合起来放在一个特别方便应用的平台中。在上面的平台中，使用者能够用平常容易认识的数学符号用另一种方式表示出问题的提出和解决，Matlab仿真软件的有下面几种典型的使用模式：(1)数学的各种计算。(2)运算法则(3)建模和仿真(4)数据分析、数据研究和可视化(5)科学工程图形(6)应用程序开发，包括创立图形用户接口。能够准确、快速的解决具有特定应用问题的程序组是Matlab的一个非常重要的特征之一，意思就是指TOOLBOX〔工具箱〕，这些工具箱包括：信号处理方面的工具箱、控制系统方面的工具箱、神经网络方面的工具箱、模糊逻辑方面的工具箱、Simulink方面的工具箱、通信方面的工具箱和数据采集方面的工具箱等许多专用工具箱，这款软件主要由MATLAB主程序、Simulink动态系统仿真和MATLAB工具箱三大局部组成。MATLAB软件明显的特点有编程效率快、计算能力强、使用简单。5.2.1Matlab及Simulink的仿真根基Simulink于20世纪90年代初有Mathworks公司开发，是Matlab环境下对动态系统进展建模、仿真和分析的一个软件包。Simulink给用户提供清晰的图形界面，用户很方便的拿鼠标来进展操作，标准模块可以从模块库中被调用出来，将需要的标准模块准确的连接起来就可以构成用户所希望的动态系统模型，双击每个模块找到各自的参数对话框图来设置系统中每个模块的参数。设置完系统中所有的模块参数以后，一个动态系统模型就建设起来了。假设其中一个模块没来的急进展参数设置，这种情况就说明此时这个系统中的这个模块使用的参数是Simulink中原先给这这个模块设置的参数，即为默认参数值。Simulink模块库中有非常丰富的模块。除包括输入信号源〔Sources〕模块库、输出接收〔Sinks〕模块库、连续〔Continuous〕系统模块库、离散〔Discrete〕系统模块库、数学运算〔MathOperations〕模块库等许多标准模块外，用户还可以自定义和创立模块。Simulink仿真模型的根本特点可归纳如下：〔1〕Simulink里提供了许多Scope(示波器)的接收模块,这里用Simulink进展仿真,具有像做实验一般的图形化显示效果。〔2〕Simulink的模型具有层次性,通过底层子系统可以构建上层母系统。〔3〕 Simulink提供了对子系统进展封装的功能,用户可以自定义子系统的图标和设置参数对话框。启动Simulink后，建模仿真就可以在Simulink中实现。Simulink建模仿真的主要步骤包括：〔1〕首先将一个空白的Simulink预设窗口翻开。〔2〕开场对于Simulink模块库界面进展浏览，对于系统中所需要的模块应该从模块库中用鼠标拖放到编辑窗中相应的位置。完整的操作过程是：将鼠标左键点选中系统中所需要的模块，随后将那个模块拖动至需要创立仿真模型的窗口里，最后将鼠标松开，此时创立仿真模型的窗口中就出现了系统所必须的模块。〔3〕根据系统图所要求的参数来改变绘制模型窗口中模块的参数。在MATLAB软件中的Simulink平台下绘制模块图,如果不改变参数的话，此处系统中绘出的模块只能是默认的参数，为了使用户的特定需求得到满足，此时必须重新设置模块的参数。当用户重新设置模块参数时，首先用鼠标左键对模块进展双击，将模块的参数对话框快速的翻开。从用户新翻开的设置参数对话框可以了解很多，一方面能够清楚地看到模块中每项默认参数，另一方面按照系统要求来重新设置各项参数。〔4〕根据实际系统模型的要求，对于各个模块框图按要求适当的连接起来。〔5〕将需要输出的变量与示波器连接起来，用菜单或者选择命令窗口中的开场键开场仿真，当仿真完毕后，点开示波器仔细的观察仿真结果，看是否与理论上相一致，如果不一致的话,马上停顿仿真，检查各个模块参数设置是否正确。5.2.2Simulink在电力系统的建模与仿真应用电力系统一般由发电机、变压器、电力线路和电力负荷构成。电力系统的数学模型一般是由电力系统器件的数学模型组合构成。在Matlab软件中，提供了power2sys函数作为短路模型的构造分析函数，可以利用power2sys函数将电力系统的电路图模型向状态方程模型和传递函数模型进展变换。电力专家们在SimPowerSystems中的奉献在于构建电力系统分析用到的上百个交互式库函数，如用Matlab语言编制的*.mdl文件，将电力系统分析模块与Matlab/Simulink连接起来。电力系统仿真工具箱包括电源模块、电力元件模块库、电力电子元器件模块库、电动机模块库、测量模块库、应用模块库、特别模块库以及电气系统仿真分析的图形用户接口。Matlab的图形界面具有直观简单的特征，能够描述许多用语言难以表达的信息，可以加快建模速度，提高仿真精度和仿真效率。5.3双向直流变换器的simulink仿真在Matlab中采用simulink仿真软件对双向直流变换电路进展仿真，这里我们分别模拟boost升压电路和buck降压电路的运行特性5.3.1boost升压电路仿真分析当双向直流电路工作在boost状态时，超级电容器处于放电状态，此时我们可以将电容储能元件等效为直流电源，而将电网直流侧等效为负载，电路工作情况类似于升压斩波电路，下面我们对升压斩波电路进展simulink仿真分析。直流升压斩波电路仿真模型如图5.1所示，直流电源电压为100V，负载为带有电容滤波的电阻负载，电阻为25，滤波电容为100，开关管采用IGBT为模型，驱动信号频率为1000Hz，占空比为70%。图5.1直流升压斩波电路仿真模型仿真波形如图5.2、图5.3所示图5.2直流升压斩波电路负载电压图5.3直流升压斩波电路负载电流该模型仿真时间为0.03s，电路大约在0.01s时到达稳态，储能电容器开场向电网直流侧供电。当IGBT管关断时，直流电源通过二极管给负载供电，负载电压开场升高；当IGBT管导通时，直流电源侧被短路，只通过电感L流通，而负载侧的RC负载进入放电状态，从图中的仿真图像可以看出负载侧的电压的有效值比直流侧的电压高，因此叫升压电路，其中，负载侧电压的有效值应为：〔5.1〕在上述式子中，为IGBT管触发信号的周期，为占空比。5.3.2buck降压电路仿真分析当双向直流电路工作在buck状态时，超级电容器处于充电状态，此时我们可以将电容储能元件等效为负载，而将电网直流侧等效为直流电源，电路工作情况类似于降压斩波电路，下面我们对降压斩波电路进展simulink仿真分析。直流降压斩波电路仿真模型如图5.4所示，直流电源电压为200V，负载为电阻电感反电动势负载，电阻为2，电感为5，反电动势为80V。开关采用IGBT为模型，驱动信号频率为1000Hz，占空比为70%。图5.4直流降压电路仿真模型仿真波形如图5.5、图5.6所示图5.5直流降压斩波电路负载电压图5.6直流降压斩波电路负载电流该模型仿真时间为0.02s，电路大约在0.01s时到达稳态，电网侧开场向储能电容器测充电。当IGBT管导通时，直流电流源给RL负载供电，负载侧电压升高；当IGBT管断开时，直流电源侧断路，负载侧的RL负载和反电动势通过续流二极管向外放电，是负载侧的电压降低，从图中的仿真图像可以看出，负载侧电压的有效值比直流电源电压低，因此该电路为降压电路。其中，负载侧的有效值为：〔5.2〕在上述式子中，为IGBT管触发信号的周期，为占空比。5.4风速模型仿真我们由