電氣工程及其自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)論文資料

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)論文姓 名：馮琦 學(xué) 號(hào)：1009310217學(xué)院：電氣工程學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化題 目 超級(jí)電容器儲(chǔ)能平抑風(fēng)電場(chǎng)功率波動(dòng)的仿真研究指導(dǎo)教師：李衛(wèi)國(guó)2014年6 月隨著全球能源和環(huán)境問(wèn)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(wèn)題，為人類社會(huì)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(chǎng)規(guī)模的不斷增大，風(fēng)電功率的隨機(jī)性和波動(dòng)性對(duì)電力系統(tǒng)的影響越 來(lái)越明顯。大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后對(duì)電網(wǎng)安全性、穩(wěn)定性以及調(diào)度帶來(lái)很大的影響， 如果這些問(wèn)題得不到有效的解決， 不僅會(huì)危及到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，

2、 而且會(huì)制 約風(fēng)力發(fā)電大規(guī)模的發(fā)展。本文以平抑并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率波動(dòng)，減小風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)不利影響 為目的，提出了一種以超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)為基礎(chǔ)， 分布配置儲(chǔ)能系統(tǒng)的新型風(fēng)力 發(fā)電系統(tǒng)方案，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率波動(dòng)平抑策略， 儲(chǔ)能原理及儲(chǔ)能元件參數(shù)進(jìn)行 研究。首先，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率特性和儲(chǔ)能技術(shù)特點(diǎn)， 選出采用超級(jí)電容器儲(chǔ)能， 繼而提出一種以平均功率為參考的雙向變流器控制策略。然后根據(jù)超級(jí)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(chǔ)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(jí)電容器儲(chǔ)能對(duì)于平抑 功率波動(dòng)具有顯著的作用效果。關(guān)鍵詞 風(fēng)力發(fā)電；功率波動(dòng)；超

3、級(jí)電容儲(chǔ)能；控制策略AbstractWith the global energy and environment issues have become increasingly prominen t,w ind power as a clea n&ren ewable en ergy, its global reserves is extremely rich, wind power can improve the structure of worlds energy supply and ease the global energy shortage and environmental po

4、llution problems, make an important con tributi on to the susta in able developme nt of huma n society. However,with in creas ing scale of grid-c onn ected wind farms, the effect of wind power randomn ess and volatility to power system become more and more obviously. Large-scale wind power bring a g

5、reat impact on grid security, stability and dispatch , if these problems can not effectively addressed, it will not only endan ger the safe and stable operati on of the grid, but also limit large-scale wind power developme nts.To stabilize the grid-connected wind farm output power fluctuations, redu

6、ce the adverse effects to power system. This paper purposes a new wind power gen erati on system based on double-fed wind power generation and centralized configuration en ergy storage system. The strategy of stabiliz ing wind output power fluctuati ons, The energy storage principle and the energy s

7、torage component parameters were studied.First of all, based on the characteristics of wind power output characteristics and en ergy storage tech no logy, selected using the super capacitor en ergy storage, and the n put forward a kind of average power as the referenee of the bidirectional converter

8、 control strategy. Then according to the principle of the super capacitor are simulated, found that the capacitor time con sta nt and smooth effect and the relati on ship betwee n the energy storage capacity, Combined with the text of the output waveform, determine the optimal time constant, and ver

9、ify the super capacitor energy storage has sig nifica nt effect to restrain the power fluctuati ons.Keywords: Wind power generation; Power fluctuations; Super capacitor energy storage; The control strategy目錄摘要 IAbstract II第1章緒論 11.1課題背景及意義11.2 課題研究現(xiàn)狀 21.2.1 利用儲(chǔ)能系統(tǒng)增強(qiáng)風(fēng)電并網(wǎng)穩(wěn)定性 21.2.2利用儲(chǔ)能系統(tǒng)提高電能質(zhì)量 31.3 本文

10、的研究?jī)?nèi)容 3第2章雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能系統(tǒng) 52.1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本運(yùn)行方式 52.1.1 變速恒頻發(fā)電技術(shù) 62.1.2雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理及其特點(diǎn) 62.1.3雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率輸出曲線 72.2儲(chǔ)能系統(tǒng) 82.2.1儲(chǔ)能技術(shù)簡(jiǎn)介82.2.2儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)電場(chǎng)的應(yīng)用 112.2.3適用于風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能的技術(shù)及特點(diǎn) 122.3本章小結(jié) 12第3章 風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)配置方式 143.1配置方式分類 143.2分布式儲(chǔ)能方式 153.2.1 雙向直流變換器控制模型 153.2.2雙向直流變換器平均功率控制策略 17第4章 超級(jí)電容器儲(chǔ)能原理及建模 194.1風(fēng)力機(jī)建模 194.1.1 風(fēng)速數(shù)學(xué)模

11、型 194.2超級(jí)電容器平抑功率波動(dòng)模型 204.2.1 風(fēng)電功率波動(dòng)平抑目標(biāo) 204.2.2超級(jí)電容器模型及平抑方法204.3本章小結(jié) 22第5章 超級(jí)電容器在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用仿真 245.1仿真內(nèi)容概述 245.2 Matlab仿真軟件的概述 245.2.1 Matlab 及 Simulink 的仿真基礎(chǔ)255.2.2 Simuli nk在電力系統(tǒng)的建模與仿真應(yīng)用 265.3雙向直流變換器的simulink仿真 265.3.1 boost 升壓電路仿真分析 265.3.2 buck 降壓電路仿真分析 285.4風(fēng)速模型仿真 305.5風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率模型仿真 315.6超級(jí)電容器平抑功率

12、波動(dòng)仿真 32結(jié)論 36參考文獻(xiàn) 37致謝 40第1章緒論1.1課題背景及意義可再生能源，顧名思義，指的是與化石能源相對(duì)應(yīng)、能夠永續(xù)利用的能源， 如核能、太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、地?zé)崮堋⒊毕艿?。我?guó)可再生能源多種多樣、 儲(chǔ)量豐富，未來(lái)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(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，以煤炭為主的化石能源仍將是我過(guò)的主流能源，但 從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展、碳排放及能源安全等方面考慮，在合理開(kāi)發(fā)、高效利用化石能源的 同時(shí)，積極開(kāi)發(fā)清潔的可再生能源，能夠有效應(yīng)對(duì)資源短缺和環(huán)境污染的嚴(yán)峻局 面，也是我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。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

13、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(shì)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(guó)，近十多年來(lái)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，并達(dá)到 41830MV而超越美國(guó)成為世界第一風(fēng)電大國(guó)，中國(guó)可再生能源協(xié)會(huì)根據(jù)當(dāng)前風(fēng)電 發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)，到2020年底，我國(guó)全國(guó)風(fēng)電總裝機(jī)容量將超過(guò) 30GW/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(chǎng)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

14、和傳統(tǒng)常規(guī)能源發(fā)電具有很多不同點(diǎn)，其運(yùn)行工況更為復(fù)雜。根據(jù) 實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)電場(chǎng)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%勺風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量。實(shí)現(xiàn)風(fēng)力資源大規(guī)模開(kāi)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(chǎng) 輸出功率的特性導(dǎo)致其并網(wǎng)后對(duì)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(guó)風(fēng)電的迅猛發(fā)展，各種大型風(fēng)電場(chǎng)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(guò)一定的百分比之后， 風(fēng)電功率的隨機(jī)波動(dòng)將會(huì)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(chǎng)功率 波動(dòng)超過(guò)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

15、運(yùn)行。 因此，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定 對(duì)大型并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的波動(dòng)范圍進(jìn)行了明確的限制。在風(fēng)電場(chǎng)配置一定容量的儲(chǔ)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(guò)控制儲(chǔ)能系統(tǒng)和風(fēng)電場(chǎng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)電 場(chǎng)注入電力系統(tǒng)的功率波動(dòng)，使風(fēng)電場(chǎng)注入電力系統(tǒng)的功率波動(dòng)滿足系統(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(chǎng)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(duì)電力系統(tǒng)造成的影響，而且儲(chǔ)能系統(tǒng)還可以提供一定的無(wú)功支持，改 善風(fēng)電的電能質(zhì)量，使風(fēng)電場(chǎng)成為可調(diào)度的電源。因此儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)電場(chǎng)的應(yīng)用 具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義-01.2 課題研究現(xiàn)狀風(fēng)電功率輸出由于受天氣和地理?xiàng)l件的影響具有很大

16、的波動(dòng)性和隨機(jī)性，在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，風(fēng)電功率的這種特性將會(huì)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(guó)風(fēng)電并網(wǎng)的規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)， 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(wèn)題不能夠有效的解決， 不僅會(huì)影響到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，而且會(huì)降低風(fēng)能的利用率，限制風(fēng)電場(chǎng) 的規(guī)模，進(jìn)而對(duì)我國(guó)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(chǔ) 能技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，儲(chǔ)能系統(tǒng)已經(jīng)越來(lái)越多的應(yīng)用于電力系統(tǒng)的各個(gè)方 面。儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠快速吸收和釋放能量， 可以有效的解決風(fēng)電場(chǎng)輸出功率波動(dòng)性 的缺點(diǎn)。通過(guò)給風(fēng)電場(chǎng)配置一定容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)， 可以極大改善風(fēng)電場(chǎng)輸出功率

17、 的可控性，提高風(fēng)電場(chǎng)電能質(zhì)量，增強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的可靠性，減小并網(wǎng)風(fēng)電 場(chǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的不良影響，優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)增強(qiáng)風(fēng)電并網(wǎng)穩(wěn)定性；二是利用儲(chǔ)能系統(tǒng)提高電能質(zhì)量。 具體介紹如下：1.2.1 利用儲(chǔ)能系統(tǒng)增強(qiáng)風(fēng)電并網(wǎng)穩(wěn)定性增強(qiáng)風(fēng)電并網(wǎng)穩(wěn)定性的根本方法就是減小風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)功率的波動(dòng)，提高系統(tǒng)功率的平衡度，儲(chǔ)能系統(tǒng)具有快速吞吐有功功率和無(wú)功功率的特點(diǎn)，可以用以改善風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的有功功率、無(wú)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(wèn)題方面，文獻(xiàn)9研究了超導(dǎo)磁儲(chǔ)能在改善風(fēng)電場(chǎng)電壓穩(wěn)定性的應(yīng)用，超 導(dǎo)磁儲(chǔ)

18、能系統(tǒng)可以在四象限運(yùn)行， 調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)組并網(wǎng)的有功功率和無(wú)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(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)在 提高風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)穩(wěn)定性的應(yīng)用，仿真結(jié)果表明，超級(jí)電容儲(chǔ)能能夠較好的減小風(fēng) 電并網(wǎng)PCC勺電壓波動(dòng)，增強(qiáng)風(fēng)電并網(wǎng)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)11利用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)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(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)12研究了全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在改善并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)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。1.2.2利用儲(chǔ)能系統(tǒng)提高電能質(zhì)量風(fēng)電并網(wǎng)后對(duì)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(chǔ)能系統(tǒng)可以改善并網(wǎng)風(fēng)

19、電場(chǎng)的電能質(zhì)量，提高風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電力系統(tǒng) 輸出電能質(zhì)量。文獻(xiàn)13利用BESS-STATCOM成單元快速調(diào)節(jié)風(fēng)電場(chǎng)輸出有功 功率和無(wú)功功率，維持風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)電壓的恒定。文獻(xiàn)14利用超級(jí)電容串并聯(lián)混 合型儲(chǔ)能系統(tǒng)風(fēng)電場(chǎng)電能質(zhì)量，其中并聯(lián)超級(jí)電容用于平滑風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的波 動(dòng)，串聯(lián)超級(jí)電容儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)四象限功率調(diào)節(jié)能力改善并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行特性，提高了風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的電能質(zhì)量。1.3 本文的研究?jī)?nèi)容從前文所述的文獻(xiàn)中我們可以看出，儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)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研究的是某一種儲(chǔ)能技術(shù)作 用后對(duì)于風(fēng)力發(fā)電的

20、改善效果，而在實(shí)際運(yùn)用中，我們需要分析比較各種儲(chǔ)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(chǔ)能技術(shù), 并且在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中對(duì)該種儲(chǔ)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：1. 簡(jiǎn)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。2. 介紹了如今各種儲(chǔ)能技術(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(chǔ)能技術(shù)，即超級(jí)電容器儲(chǔ)能。3. 根據(jù)超級(jí)電容器儲(chǔ)能的原理建立超級(jí)電容器模型，并提出一種決定超級(jí)電容器工作在充電狀態(tài)還是放電狀態(tài)的控制策略。4. 創(chuàng)建出風(fēng)機(jī)輸出功率模型并根據(jù)創(chuàng)建的超級(jí)電容器模型，在 Mat

21、lab/Simulink平臺(tái)上搭建超級(jí)電容器儲(chǔ)能仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明了超級(jí)電容器儲(chǔ)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(jí)電容器參數(shù)。第2章雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能系統(tǒng)2.1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本運(yùn)行方式風(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、 幅值和相位與電網(wǎng)電壓、電流矢量一致。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(chǎng)中，

22、風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械部件會(huì)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(wú)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(wèn)題。此系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)如下所述：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。

23、這樣風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械部件就不會(huì)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(huì)控制高速風(fēng)力機(jī)釋放儲(chǔ)存的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，并回饋給電網(wǎng)。所以說(shuō)，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。其次，槳距控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單。通過(guò)槳距控制可以減少風(fēng)速突然變化時(shí)風(fēng)力機(jī)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。最后，通過(guò)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

24、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。2.1.1變速恒頻發(fā)電技術(shù)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(wú)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(chǎng)調(diào)制時(shí)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、 開(kāi)關(guān)磁阻式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、無(wú)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(chǎng)合。但 是由于無(wú)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)之一就是繞線轉(zhuǎn)子式雙饋風(fēng) 力發(fā)電系統(tǒng)，國(guó)際上已經(jīng)出現(xiàn)了兆瓦級(jí)大功率的雙饋型發(fā)電系統(tǒng)， 技

25、術(shù)相對(duì)成熟， 因此，它是目前風(fēng)電場(chǎng)最常見(jiàn)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。2.1.2雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理及其特點(diǎn)A圖2.1雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖圖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)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(guò)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(jiǎn)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(lái)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

26、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: 風(fēng)輪機(jī)可以在一定風(fēng)速變化范圍內(nèi)運(yùn)行，無(wú)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。 通過(guò)對(duì)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(duì)風(fēng)力發(fā)電 機(jī)組輸出有功功率和無(wú)功功率的獨(dú)立控制。 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。2.1.3雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率輸出曲線風(fēng)輪機(jī)是用來(lái)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

27、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)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(jiǎn)單可靠； 變槳距的可以通過(guò)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(duì)較高。風(fēng)機(jī)從風(fēng)中吸收的能量可用下式表示：1 3P= CpAh3（ 2.1）2 P式中，P為風(fēng)輪機(jī)輸出功率；Cp是風(fēng)輪的功率系數(shù)，其最大值為0.59 （貝 茲極限），是風(fēng)輪能達(dá)到的最大效率； A為風(fēng)輪掃風(fēng)面積；為空氣密度；v為 風(fēng)速。是一個(gè)風(fēng)速與有功的（2.2）D是風(fēng)輪機(jī)葉片直徑；風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能可以用它的功率輸出特性曲線來(lái)反映,關(guān)系式：P

28、= 1 -?D2v3Cp t g 8 P g式中，P為風(fēng)力機(jī)的輸出有功功率；為空氣密度;v是風(fēng)速；Cp為風(fēng)輪機(jī)系數(shù)；t是風(fēng)機(jī)傳動(dòng)裝置的機(jī)械效率；g是發(fā)電機(jī)的機(jī)械效率。一般來(lái)說(shuō)，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(jiǎn)化成如下的函數(shù)表達(dá)式：0V 蘭 Vd,VVcor r V Vd PWw 二 PrVd : V _ VrVr VdIPrVr 200007080ms15min電磁儲(chǔ)能超導(dǎo)儲(chǔ)能0.551000008095mss超級(jí)電容儲(chǔ)能2.5151000007080ms60min電化學(xué)儲(chǔ)能鉛酸電池305050010006070msh鈉硫電池15024025007080sh全釩液流電池752

29、00130008595sh222儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)電場(chǎng)的應(yīng)用隨著我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的迅速發(fā)展，許多大型風(fēng)電場(chǎng)先后建成。由于大型風(fēng)電場(chǎng) 大多處于我國(guó)西部電力負(fù)荷較小的區(qū)域，因此大型風(fēng)電場(chǎng)必須將富余的電能通過(guò) 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)的能源， 大型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后，其輸出功率的波動(dòng)將會(huì)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(lái)負(fù)面的影響。特別是當(dāng)風(fēng)電所占比重過(guò)大時(shí)，會(huì)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(chǎng)接入電網(wǎng)比重的方式將會(huì)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(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)節(jié)大型并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的功

30、率輸出，為電網(wǎng)提供穩(wěn)定可靠的電能。儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用于平滑風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的波動(dòng)， 使得風(fēng)電場(chǎng)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(chǎng)通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行儲(chǔ)存轉(zhuǎn)換， 不僅可以提高風(fēng)電場(chǎng)輸出 電能的質(zhì)量，而且可以增加風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益， 進(jìn)而提高風(fēng)電場(chǎng)在電力市場(chǎng) 的競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)我國(guó)風(fēng)力發(fā)電事業(yè)快速發(fā)展。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(chǎng)配置一定容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)， 將對(duì)風(fēng)電場(chǎng)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)

31、在以下幾個(gè)方面1、增強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠快速的吸收和釋放有功功 率和無(wú)功功率，平滑風(fēng)電場(chǎng)輸出功率波動(dòng)， 改善系統(tǒng)的有功功率、無(wú)功功率的平 衡，增強(qiáng)穩(wěn)定性。2、保證風(fēng)電場(chǎng)持續(xù)可靠的供電。當(dāng)外界環(huán)境或者條件發(fā)生較快變化時(shí)，風(fēng) 電場(chǎng)往往不能穩(wěn)定的輸出電能，此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)的電能可以起到一定的功率支 撐作用，用以保證對(duì)電網(wǎng)持續(xù)、可靠的供電。3、利用儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化風(fēng)電運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠有效的解決風(fēng)力發(fā)電波動(dòng)性對(duì)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(guó)電力市場(chǎng)實(shí)施峰谷電價(jià)的情況下，禾U用儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)電能在時(shí)間軸上的平 移，優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。2.2.3

32、適用于風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能的技術(shù)及特點(diǎn)在各種儲(chǔ)能技術(shù)具有不同的特性，使用的場(chǎng)合也不同。用于電力系統(tǒng)儲(chǔ)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(jí)或更少， 保證電能質(zhì) 量穩(wěn)定）；平滑功率（秒級(jí)至分鐘級(jí)，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(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)削峰填谷，能量備用）。在儲(chǔ)能方式的選擇上， 除了根據(jù)能量功率特點(diǎn)是否適合外，還要考慮的重要因素就是成本。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(wèn)題，需要結(jié)合風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特性選擇合適的儲(chǔ)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(chǔ)能方式。因此總體考慮能夠滿足風(fēng)電場(chǎng)需求，而且

33、不受環(huán)境因素制約， 能夠靈活方便的安裝調(diào)試。通過(guò)對(duì)之前各種 儲(chǔ)能技術(shù)的了解，超級(jí)電容儲(chǔ)能具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、能量損失小等優(yōu)點(diǎn)，因此本文選擇超級(jí)電容器儲(chǔ)能模型進(jìn)行研究。2.3本章小結(jié)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(jiǎn) 化功率輸出函數(shù)關(guān)系；其次介紹了各種儲(chǔ)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(chǔ)能方式進(jìn)行研究，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：1、雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有轉(zhuǎn)速范圍大，響應(yīng)速度快，風(fēng)能捕獲效率咼，有功功率和無(wú)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。2、為了研究的方便，忽略其他影響風(fēng)電機(jī)組的功率輸

34、出的因素，給出了雙 饋機(jī)風(fēng)速-功率輸出的簡(jiǎn)化函數(shù)關(guān)系，忽略尾流效應(yīng)等因素，將風(fēng)電場(chǎng)總的輸出 功率等效為單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的輸出功率。3、結(jié)合各種儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)及風(fēng)力發(fā)電的需求，本文采用超級(jí)電容器儲(chǔ)能 技術(shù)對(duì)下文仿真模型進(jìn)行研究。第3章風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)配置方式3.1配置方式分類給風(fēng)電場(chǎng)配置一定規(guī)模的儲(chǔ)能系統(tǒng)可以平抑風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的波動(dòng)，儲(chǔ)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(chǎng)出口母線處集中安裝 儲(chǔ)能系統(tǒng)。（2）分布配置，在每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁直流環(huán)節(jié)單獨(dú)配置儲(chǔ)能系統(tǒng)或 者是在每臺(tái)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出端配置儲(chǔ)能系統(tǒng)。圖3.1和3.2分別給出了這 兩種種儲(chǔ)能配置方式的示意圖圖3.2集中儲(chǔ)能配

35、置方式方式（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(chǔ) 能系統(tǒng)。該配置方式以調(diào)節(jié)單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率為目標(biāo)，通過(guò)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)各臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率進(jìn)行平抑，從而達(dá)到對(duì)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)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(wú)需為連接儲(chǔ)能系統(tǒng)而額外的配置功率變換器，但此時(shí)會(huì)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(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)，通過(guò)對(duì) AC/DC變換器的功率解耦控制實(shí)現(xiàn)對(duì)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/D

36、C功率變換器，因此無(wú)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(chǔ)能控制系統(tǒng)，控制更加方便和靈活。方式（2）是在風(fēng)電場(chǎng)出口母線處，配置一個(gè)獨(dú)立的儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng) 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(chǎng)的角度出發(fā)， 采用集中配 置儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)控制和調(diào)節(jié)風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)功率。從理論上分析，以上兩種儲(chǔ)能系統(tǒng) 配置方式均可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)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(jí)電容器隨著容量的增加成本較高， 且集中式儲(chǔ)能需要儲(chǔ)能元件具 有一定的容量，因此，超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)多用于分布式儲(chǔ)能方式。3.2分布式儲(chǔ)能方式目前主流的雙饋風(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

37、都含有直 流環(huán)節(jié)，因此可以將超級(jí)電容器通過(guò)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(chǔ)能系統(tǒng)向直流側(cè)輸出功率，然后經(jīng) 網(wǎng)側(cè)變流器輸送給電網(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(guò)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(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)并聯(lián)在直 流側(cè)的工作原理。3.2.1雙向直流變換器控制模型為了實(shí)現(xiàn)能量在超級(jí)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?fù)浣Y(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)

38、構(gòu)簡(jiǎn)單，比較適合超級(jí)電容儲(chǔ)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(jí)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。超級(jí)龜 容器組圖3.3雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)直流側(cè)并聯(lián)超級(jí)電容Buck/boost雙向直流變換器由boost升壓電路和buck降壓電流反并聯(lián)而成， 下面分別討論電感電流連續(xù)時(shí)的工作過(guò)程。在boost工作模式下，gl與g2開(kāi)關(guān)狀態(tài)相反，gl等效為二極管，拓?fù)淙缦?圖3.4所示。k*=LCdc-Uoio圖3.4 boost升壓電路拓補(bǔ)在boost升壓模式下，g2在導(dǎo)通時(shí)，電源E向電感L充電，i=0，電容Cdc給R供電，Uo電壓下降；當(dāng)g2關(guān)斷時(shí)，

39、i=ii，L對(duì)Cdc充電，Uo電壓上升。在buck工作模式下，g2等效為二極管，當(dāng)g1導(dǎo)通時(shí)，io =ii，電感L反向充電；當(dāng)gl關(guān)斷時(shí)二極管D續(xù)流，io為0。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3.5所示。io fCdcUo圖3.5 buck降壓電路拓補(bǔ)3.2.2雙向直流變換器平均功率控制策略由于風(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(chǔ)能裝置的充放電狀態(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(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而控制兩個(gè)IGBT觸發(fā)器的觸發(fā)信號(hào)要與風(fēng)力發(fā)電機(jī)在該時(shí)刻的 輸出功率來(lái)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：在平均功率控制策略中，我們將一段時(shí)間

40、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Ref，再分別將每一時(shí)刻的輸出功率與 Ref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：1、設(shè)置比較步長(zhǎng)s二丄，其中t為仿真時(shí)間，即將給定的仿真時(shí)間分成相等n的n個(gè)小區(qū)間。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，t七即 Pyf = t P(t)dt。3、將實(shí)際的風(fēng)機(jī)的輸出功率P與該段時(shí)間對(duì)應(yīng)的Pref進(jìn)行比較，若P Pref，則超級(jí)電容器應(yīng)工作在充電狀態(tài)，此時(shí)IGBT1導(dǎo)通，IGBT2關(guān)斷，

41、電路為降壓電 路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)。4、 若PvPref，則超級(jí)電容器應(yīng)工作在放電狀態(tài)，此時(shí)IGBT2導(dǎo)通，IGBT,關(guān) 斷，電路為升壓電路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)。5、當(dāng)IGBT的控制信號(hào)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 Pref的區(qū)間內(nèi)。若是，則不改變Pref 的值并進(jìn)行比較，若不是，則返回步驟（2）重新進(jìn)行Pref的計(jì)算與設(shè)定。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(guò)比較每一時(shí)刻的實(shí)際輸出功率與該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的輸出功率的參考值來(lái)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

42、可以用于儲(chǔ)能裝置接入風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中。第4章超級(jí)電容器儲(chǔ)能原理及建模4.1風(fēng)力機(jī)建模風(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(lái)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。4.1.1風(fēng)速數(shù)學(xué)模型為了盡可能的描述自然風(fēng)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)部分組成曲回?？捎萌缦鹿奖硎荆?4.1)上式中各分量含義如下:Vwb為基本風(fēng)，描述風(fēng)場(chǎng)的平均風(fēng)速，決定了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)額定輸出功率的般認(rèn)為基本大小。風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)所得的威布爾分布參數(shù)可以近似確定它的大小, 風(fēng)不隨時(shí)間變化，仿真中

43、取常數(shù)。Vwg為陣風(fēng)，描述風(fēng)速躍升或驟降的特性。通常，用它來(lái)測(cè)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:t : t1,t t1 t21v2gma-皿十t1 t : t1 - t2(4.2)上式中，1和t2分別表示陣風(fēng)的起始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間，Vgmax表示陣風(fēng)的最大風(fēng)速。Vwr為漸變風(fēng)，模擬具有線性特性的風(fēng)速，其數(shù)學(xué)模型為:t1 : tV V= rWr max (1 _t1r maxtT)l2t1 : t : t2t t2其中，Vrmax表示漸變風(fēng)峰值,(4.3)t1和t2則分別表示漸變風(fēng)的起始時(shí)間和終止時(shí)Vwn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(lái)模擬隨機(jī)風(fēng)成份。4.2超級(jí)電容

44、器平抑功率波動(dòng)模型421風(fēng)電功率波動(dòng)平抑目標(biāo)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(duì)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(duì)電力系統(tǒng)影響較為嚴(yán)重的功率頻段，進(jìn)而確定儲(chǔ)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:低頻區(qū)（0.01HZ及以下）、 中頻區(qū)（0.01HZ1HZ）及高頻區(qū)（1HZ及以上）。對(duì)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(huì)對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重沖擊， 給電力

45、系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來(lái)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(duì)風(fēng)電功率波動(dòng)中頻區(qū)的部分分量進(jìn)行平抑。4.2.2超級(jí)電容器模型及平抑方法超級(jí)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(jí)儲(chǔ)電能力的 理想二次電源，可提供強(qiáng)大的脈沖功率，近年來(lái)引起了國(guó)內(nèi)外專家的廣泛關(guān)注。 與蓄電池不同，超級(jí)電容器的充放電過(guò)程無(wú)化學(xué)反應(yīng)，只存在物理反應(yīng)，因此其 性能相對(duì)而言較為穩(wěn)定。超級(jí)電容能夠快速釋放出極高的脈沖功率，充電迅速、 無(wú)記憶效應(yīng)，其充放電循環(huán)壽命在十萬(wàn)次以上

46、，對(duì)環(huán)境無(wú)污染；存在的主要缺點(diǎn)是能量密度低，且成本高。超級(jí)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。超級(jí)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(jí)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(chǔ)能元件的充放電特性，本文中 超級(jí)電容器組采用一階 RC莫型，如圖4.1所示+Ux圖4.1超級(jí)電容等效模型根據(jù)圖4.1所設(shè)置的超級(jí)電容器模型，我們可建立式（4.4）微分方程：dUyRCUy =Ux（ 4.4）dt將式（4.4）變換到S域可得其傳遞函數(shù)為：1H（s）（ 4.5）1十可s將s二j2

47、二f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：H(f)A j1+(2f)2(4.6)(4.7)j2f +1頻率越高的從該傳遞函數(shù)的幅頻特性可以看出，對(duì)于振幅相同的輸入信號(hào), 信號(hào)輸出的幅值越小，即低頻率的信號(hào)比高頻率的信號(hào)更易通過(guò)， 高頻率信號(hào)得1到大大的抑制。圖4.2中，仁二為截止頻率，fc越小，時(shí)間常數(shù).越大，經(jīng)2恥處理后的信號(hào)頻率越低，信號(hào)越平滑。平抑風(fēng)電場(chǎng)功率波動(dòng)的目標(biāo)是剔除風(fēng)電場(chǎng)輸出功率短期的波動(dòng)， 減小風(fēng)電場(chǎng) 注入電網(wǎng)功率的變化率，為電網(wǎng)提供更為穩(wěn)定的功率輸出。 這與信號(hào)處理中的濾 波原理類似，低通濾波器通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)的幅值進(jìn)行加減處理， 使輸出信號(hào)變的 更加平滑，而

48、儲(chǔ)能系統(tǒng)是通過(guò)其充放電來(lái)改變風(fēng)電場(chǎng)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 P0設(shè)計(jì)為29:1PoPw（ 4.8）1 s1式中， 一，fc為截止頻率。2兀fc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(chǎng)系統(tǒng)的功率關(guān)系 為：Pw - P0 Pb（ 4.9）式中，Pb為儲(chǔ)能系統(tǒng)吞吐的功率，Pb 0為發(fā)出功率，R：0為吸收功率。由式（4.8）和（4.9）得出儲(chǔ)能系統(tǒng)所需要吞吐的功率：sPb =Pw（ 4.10）1 s由4.2.1風(fēng)電功率波動(dòng)平抑目標(biāo)可知，儲(chǔ)能系統(tǒng)需要對(duì)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(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的截止頻率fc

49、應(yīng)取 0.01HZ1HZ，當(dāng) fc=0.01HZ 時(shí)，0.0628； 當(dāng) fc=1HZ 時(shí)， 6.28。下面我們用該常數(shù)對(duì)超級(jí)電容器平抑功率波動(dòng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。4.3本章小結(jié)本章結(jié)合超級(jí)電容器特點(diǎn)，介紹了超級(jí)電容器的工作原理，并根據(jù)超級(jí)電容 器的工作原理建立了超級(jí)電容器的一階 RC模型，求出其傳遞函數(shù)。將建立的超 級(jí)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(guò)對(duì)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(duì)超級(jí)電容器容量要求的關(guān) 系，最后針對(duì)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(duì)此進(jìn)行驗(yàn)證。從本章的仿真波形來(lái)看，可以證明超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)在平抑功 率波動(dòng)方面就有良好的效果。第5章超級(jí)電容器在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用仿真5.1仿真內(nèi)容概述本章將在前面章節(jié)介紹的基礎(chǔ)上對(duì)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(jí)電容器的模型，對(duì)超級(jí)電容器接入風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行仿真，