（控制科学与工程专业论文）风力发电系统功率调节的研究.pdf

摘要 随着世界经济的发展，人类面临着日益严峻的环境问题和能源问题。工业 化带来了二氧化碳等大量的温室气体，使全球气候变暖，同时也消耗大量的煤、 石油、天然气等能源，而这些能源是不可再生的，用一点，少一点。面对这些 严峻的问题，人们把目光投向了清洁的、可再生的能源。清洁可再生能源不排 放温室气体，也不消耗煤、石油、天然气等一次性能源。 在上述背景下，风能作为一种具有悠久使用历史的清洁的、可再生的能源， 人们开始了对其新一轮的大规模丌发和利用。由于电力是现代社会的动力源泉， 将风能转化为电能的风力发电成为了开发风能的主要方式。我国有着丰富的风 能资源，据初步探明，陆地上可开发的风能资源即达2 5 3 亿千瓦，加上近海的 风能资源，全国可开发风能资源估计在1 0 亿千瓦以上。但是由于风速的随机性， 风力发电具有不稳定的特点，特别是随着大规模的风电并网，给整个电网的安 全稳定运行造成了极大的压力。如何保证在大规模的风电接入电网后使电力系 统能够稳定可靠的运行已成为目前电力工作者致力研究的一个主题。 风力发电分为恒速恒频和变速恒频两类。其中恒速恒频机组风能利用效率 低，不能调节有功和无功功率。变速恒频风力发电机组主要分为永磁直驱机组 和双馈感应型风力发电机组，能够实现对有功功率和无功功率的控制和调节， 实现最大功率跟踪，最大效率利用风能。本文对双馈感应风力发电系统进行了 特性分析和仿真验证。 风力发电系统的一个很重要的指标是低电压穿越( i 脉t ) 能力。当电网电 压跌落低于规定曲线后才允许风力发电机断开与电网的连接。这就要求，当电 网电压跌落时，风力发电系统要向电网提供无功功率。但是由于风力发电机组 及相应的变换器的容量有限，不能向电网提供大量的无功功率来抑制电压的跌 落。本文中通过将静止同步补偿器( s t a t c o m ) 接入风力发电系统，由静止同 步补偿器向电网侧输出无功功率来补偿网侧的电压跌落，降低了对风力发电机 组进行控制的复杂度，也提高了无功功率补偿的响应速度，弥补了风力发电机 组及其变换器容量的不足。 对于风力发电面临的另外的一个问题：其出力随风速的变化而变化，具有 不稳定的特点。本文中探讨了通过储能技术来对其输出功率进行调节的可行性。 文中以电池储能系统( b e s s ) 为对象，建立了电池储能系统的简化模型。基于 m a t l a b 仿真软件对储能系统接入风力发电系统建立了相应的仿真模型，对其 静动态特性进行了详细的分析，设计了相应的控制策略，对其进行仿真并对结 果进行了分析，分析表明储能技术可以很好地对风机输出功率的波动进行补偿， 提高了电力系统运行的稳定性。 另外，本文根据b e s s 储能系统的数学模型，应用滑模变结构控制理论对b e s s 储能系统进行控制，并设计了相应的滑动模态超平面以及变结构控制策略，结 果表明，本文采用的滑模变结构控制具有良好的动态响应和抗干扰性。 关键词：风力发电，双馈感应异步发电机，静止同步补偿器，电池储能，滑 模变结构控制 h a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h ew o r l d w i d ee c o n o m y , t h eh u m a na r ef a c i n gm o r e a n dm o r es e v e r ee n e r g yp r o b l e ma n de n v i r o n m e n tp r o b l e m t h eb u r n i n go ff o s s i lf u e l s s i n c et h ei n d u s t r i a lr e v o l u t i o nh a si n c r e a s e dt h el e v e l so fg r e e n h o u s eg a si nt h e a t m o s p h e r e ，s u c ha sc a r b o nd i o x i d e ，n i t r o u so x i d e b e c a u s eo ft h eg r e e n h o u s ee f f e c t ， o u rp l a n e ti sb e c o m i n gw a r m e ra n dw a r m e r i nt h em e a n t i m e ，t h ed e v e l o p m e n to f i n d u s t r yh a si n c r e a s e dt h ec o n s u m p t i o no fe n e r g yr e s o u r c e ，s u c ha sc o a l ，o i la n d n a t u r a lg a s ，b u tt h e s ee n e r g yr e s o u r c e sa r en o tr e n e w a b l e f a c i n gt h e s es e v e r e p r o b l e m s ，t h eh u m a na r et u r n i n gt h e i re y e st oc l e a n ，r e n e w a b l ee n e r g yr e s o u r c e s c o m p a r i n gt ot h ec o n v e n t i o n a le n e r g ys o u r c e s ，u s e so fc l e a n ，r e n e w a b l ee n e r g y r e s o u r c e sn e i t h e re m i tg r e e n h o u s eg a st ot h ea t m o s p h e r e , n o rc o n s u m ef o s s i lf u e l s a sak i n do fe n e r g ys o u r c e s ，w i n dp o w e ri sc l e a na n dr e n e w a b l ew h i c hh a sb e e n u s e df o rl o n gt i m e n o w a d a y s ，t h eh u m a na r es t a r t i n gan e wr o u n do fd e v e l o p m e n to f w i n dp o w e r b yr e a s o no ft h a te l e c t r i c i t yi st h em o s ti m p o r t a n tp o w e rs o u r c ei n m o d e r ns o c i e t y , t h em a i nw a yo fd e v e l o p i n gw i n dp o w e ri st r a n s f o r m i n gw i n dp o w e r t oe l e c t r i c i t y i no u rc o u n t r y , t h e r ea r ea b u n d a n tw i n dp o w e r r e s o u r c e a c c o r d i n gt ot h e p r e l i m i n a r yi n v e s t i g a t i o n t h ew i n dp o w e rr e s o u r c ei sa b o u t2 5 3x10 8k wo nt h e l a n d ，a d d i n gt h eo f f s h o r ew i n dp o w e rr e s o u r c e , t h et o t a lw i i l dp o w e rr e s o u r c et h a tc a n b eu s e di sa b o u tlox10 8k w b u td u et ot h a tt h ew i n ds p e e di ss t o c h a s t i c ，w i n d p o w e ri su n s t a b l e ，e s p e c i a l l yw i t ht h a tl a r g e - s c a l ew i n dp o w e ri sb e i n gc o n n e c t e dt o t h ep o w e r 鲥d ，t h ep o w e rs y s t e ms t a b i l i t yi su n d e rg r e a tp r e s s u r e h o wt oe n s u r et h a t t h ew h o l ep o w e rs y s t e mo p e r a t i o ni ss t a b l ea n dr e l i a b l ei sb e c o m i n ga ni m p o r t a n t i s s u ef o rp o w e rs y s t e mr e s e a r c h e r st o d a y - t h e r ea r et w ok i n d so fw i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m ，t h ef i x e d s p e e d c o n s t a n t f r e q u e n c y ( f s c f ) w i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e ma n dv a r i a n t - s p e e d c o n s t a n t - f r e q u e n c y ( v s c f ) w i n dp o w e rg e n e a r t i o ns y s t e m t h ef s c fw i n dp o w e r g e n e r a t i o ns y s t e mc a n ta d j u s ta c t i v ep o w e ra n dr e a c t i v ep o w e r , i t su t i l i z a t i o nr a t eo f w i n dp o w e ri sv e r yl o w t h ev s c fw i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mc o u l di m p l e m e n t a c t i v ep o w e ra n dr e a c t i v ep o w e rc o n t r o la n da d j u s t m e n t ，i t su t i l i z a t i o nr a t eo fw i n d p o w e r i sh i i g h t h e r ea r et w om a i nt y p e so fg e n e r a t o ro fv s c fw i n dp o w e rg e n e r a t i o n i l i s y s t e m ，d i r e c t l yd r i v e nw i n dt u r b i n ew i t hp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s g e n e r a t o r s ( d - p m s g ) a n dd o u b l yf e di n d u c t i o ng e n e r a t o r s ( d f i g ) ，b o t ho ft h e mc a n i m p l e m e n tt h ec o n t r o lo fa c t i v e a n dr e a c t i v ep o w e r , m a x i m u mp o w e rp o i n t t r a c k i n g ( m p p t ) a n dm a x i m u mu t i l i z a t i o nr a t eo fw i n dp o w e r i nt h i sp a p e r ，t h e a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ns t u d yo fd f i gc h a r a c t e r i s t i c sa r ei m p l e m e n t e d l o wv o l t a g er i d et h r o u g h ( l v r t ) c a p a b i l i t yi sv e r yi m p o r t a n tf o rw i n dp o w e r s y s t e m t h er e g u l a t i o n sr e q u i r et h a tt h ew i n dt u r b i n e - g e n e r a t o rk e e pc o n n e c t e dw i t h t h ep o w e r 鲥de v e ni nt h es i t u a t i o no fg r i dv o l t a g ed r o p s o ，i ti sr e q u i r e dt h a tt h e w i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mm u s to u t p u tr e a c t i v ep o w e rt ot h ep o w e r 酊di nt h e s i t u a t i o no fg r i dv o l t a g ed r o p b u t ，d u et ot h ec a p a c i t yo fw i n dt u r b i n e - g e n e r a t o ra n d c o r r e s p o n d i n gc o n v e r t e ri sl i m i t e d ，t h e yc a l l to u t p u tl a r g ea m o u n to fr e a c t i v ep o w e r t or e s t r a i nt h eg r i dv o l t a g ed r o p i nt h i sp a p e r , t h a ti n t e r c o n n e c t i n gt h es t a t i c s y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ( s t a t c o m ) w i t ht h ew i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mi s s t u d i e d t h er e a c t i v ep o w e ri so u t p u t e db yt h es t a t c o mt oc o m p e n s a t et h eg r i d v o l t a g ed r o p t h i sm e t h o dd e c r e a s e st h ec o m p l e x i t yo fc o n t r o l l i n g t h ew i n d t u r b i n e - g e n e r a t o r , a l s oi m p r o v e st h er e s p o n s et i m eo fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n a n dr e m e d yt h ed e f e c t st h a tt h ec a p a c i t yo fw i n dt u r b i n e - g e n e r a t o ra n dc o r r e s p o n d i n g c o n v e r t e ri sl i m i t e d t h eo t h e rp r o b l e mf o rw i n dp o w e rs y s t e mi st h a tt h ea c t i v ep o w e ro u t p u ti s u n s t a b l e ，o w i n gt ot h es t o c h a s t i cc h a r a c t e r i s t i c so fw i n ds p e e d i nt h i sp a p e r , i ti s r e s e a r c h e dp r e l i m i n a r i l yt oa d j u s tt h ep o w e ro u t p u to fw i n dp o w e rs y s t e mb ym e a n s o fe n e r g ys t o r a g es y s t e m ( e s s ) ，a n dt h eb a t t e r ye n e r g ys t o r a g es y s t e m ( b e s s ) i s s e l e c t e da sar e s e a r c ho b j e c t t h es i m p l i f i e dm o d e lo fb e s si se s t a b l i s h e d p r e l i m i n a r i l y , a n dt h ec o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i o nm o d e lo fw i n dp o w e rs y s t e m i n t e r c o n n e c t e dw i t hb e s si se s t a b l i s h e d ，t o o t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ew h o l es y s t e m i sa n a l y s e d ，a n dc o r r e s p o n d i n gc o n t r o lt h e o r yi sd e s i g n e d b ys i m u l a t i o na n da n a l y s i s ， i ti sp r o v e dt h a tb e s sc a nc o m p e n s a t et h eo u t p u tp o w e rf l u c t u a t i o no fw i n dp o w e r s y s t e m ，a n da l s oi m p r o v e t h es t a b i l i t yo ft h ep o w e rs y s t e mo p e r a t i o n a tl a s t ，a c c o r d i n gt ot h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fb e s s ，t h es l i d i n gm o d ev a r i a b l e s t r u c t u r ec o n t r o lt h e o r yi sa p p l i e di nt h eb e s sc o n t r 0 1 t h ec o r r e s p o n d i n gs l i d i n g m o d eh y p e r f a c ea n dv a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o ls t r a t e g yi sd e s i g n e d t h es i m u l a t i o n r e s u l t sp r o v et h a tt h es l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o lp o s s e s s e sb e t t e rd y n a m i c i v p e r f o r m a n c ea n dr o b u s t n e s sp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ： w i n dp o w e rs y s t e m ，d o u b l yf e di n d u c t i o ng e n e r a t o r s ( d f i g ) ，s t a t i c s y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ( s t a t c o m ) ，b a t t e r ye n e r g ys t o r a g es y s t e m ( b e s s ) ， s l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大 学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 犁翌全日期： 型：笸 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本 学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使 用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 甲手f 导师( 签名) ：厉影z 日期a 钟乡 武汉理t 大学硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 早在3 0 0 0 多年前，人类已经开始应用风能了。最初，人们利用风能推动风 车来取水和磨面。后来，随着工业革命的来临，煤、石油等能源开始被大规模 应用，通过燃烧煤、石油驱动内燃机和发电，给现代工业提供了稳定的动力支 撑，不稳定的风能开始退出历史的舞台。 2 0 世纪7 0 年代初，伴随着石油危机的发生，能源价格飞涨。人们开始又将 目光投向风能。这一次，人们把焦点放在将风能转化为电能而不是机械能上。 将风能转化为电能接入电网，从而为用户提供可靠的稳定的电力供应开始变成 广大电力工作者致力研究和实现的重点。 到2 0 世纪9 0 年代末，风能已经成为最重要的清洁能源之一。在2 0 世纪的 最后1 0 年，风电装机容量大约每3 年翻一番。风力发电的成本相比2 0 世纪8 0 年代下降了大约8 3 ，而且这个趋势还会继续下去。有专家预测，风电装机容 量以后依然会以约2 5 的速度增长，同时，成本以2 0 , - , 4 0 的速度下降【l 】。 进入2 l 世纪后，传统的化石能源在燃烧的过程中向大气排放大量的c 0 2 等 温室气体，全球变暖的趋势越来越明显。在这一新的历史背景下，风能作为一 种清洁的可再生能源，受到了人们越来越多的重视。 世界上，越来越多的国家将风电的开发利用摆上了重要的位置。其中，德 国一直引领着世界风电市场的发展，美国后来居上，其风电装机容量已经排到全 球第一位。德国在2 0 0 2 年新增的风电装机容量已经突破以往的记录，达到3 2 4 7 万千瓦，使全国风电容量增至1 2 0 0 万千瓦，相当于全国电力需求的4 7 。德国 制订了一个新的风电发展长远规划，设定到2 0 2 5 年风电至少占总用电量的2 5 ， 到2 0 5 0 年占总用电量的5 0 。丹麦和西班牙等其它欧洲国家的风电也在高速发 展，西班牙2 0 0 2 年新增装机容量达1 5 0 万千瓦，欲挑战德国争夺欧洲之冠的地 位。丹麦已经成功地用风电来满足国内1 8 的电力需求，是世界上风电贡献率 最高的国家。荷兰计划到2 0 1 1 年全国陆上风电装机容量达到4 0 g w ，海上风电 装机容量达到7 0 0 m w 2 1 。相比之下，我国风力发电起步较晚，在产业结构中， 7 4 是火电，2 0 多是水电，新能源只占到2 2 8 ，其中风电只占到0 8 。但是 武汉理工人学硕十学位论文 近年来风电发展迅猛，2 0 1 0 年风电装机容量已经超过了德国，跃居世界第二， 仅次于美国。 2 0 1 0 年的金融危机，促使各国大力推进新兴产业的发展，智能电网作为一 个新兴产业已成为世界电网发展的新趋势。针对我国传统电网所面临的问题， 我国提出了“转变电网发展方式，建设峰强智能电网“这一指导思想，这对于 调整电源结构、解决煤电运紧张的矛盾、加快新能源的发展，实现2 0 2 0 年的节 能减排目标具有十分重要的意义。风力发电具有清洁、可再生的特点，而且风 力资源丰富，对我国来说，据初步探明，陆地上可开发的风能资源即达2 5 3 亿 千瓦；加上近海的风能资源，全国可开发风能资源估计在l o 亿千瓦以上。根据 我国风电开发特点：大规模、高集中、远距离、高电压，国家已经制订了“建 设大基地，融入大电网的风电发展战略。同时，大规模的风电接入电网，对 现有的电力系统的控制和运行提出了更高的要求。总体来说，风电发展面临的 技术障碍有： 1 ) 风电并网：由于风速的随机变化，风电具有间歇性、随机性、可调度性 差的特点，这就不可避免地会导致对电网的冲击。目前，丹麦、德国的风电 容量在电网中的比重可以达到3 0 以上，而我国的电网比较薄弱，风电在局 部电网中的比重一般控制在1 2 以下，即使如此，仍然在一些地区出现了电 网崩溃事故。除了加强我国的电网建设外，要大力开展风电并网的研究。 2 ) 储能问题：如果风电的比重超过整个电力的1 0 ，需要进一步考虑储能 问题。 解决上述问题的本质是要保持电网发电、输电、供电的过程中有功功率和 无功功率的平衡。目前，我国双馈型和直驱型机组占风机总量的7 0 ，但由 于我国现行标准无强制型要求和成本较高等原因，这些风电机组基本没有配备 有功、无功调节和低电压穿越等功能；恒速感应型风电机组约占风机总量的 3 0 ，由于不具备有功和无功调节能力，欧洲很少在新建风电场采用。另外， 由于风电机组技术性能普遍不高，在系统发生小扰动时，风电机组自动脱网事 件时有发生。 1 2 静止同步补偿器及其在风力发电中的应用和研究现状 静止同步补偿器( s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ，s t a t c o m ) 是柔性交 流输电装置( f l e x i b l ea c t r a s m i s s i o ns y s t e m ，f a c t s ) 的一种。相比于传统的 武汉理t 大学硕十学位论文 无功补偿装置，如自动投切电容器组和s v c 等，具有响应时间快、不会引起谐 振短路、可以吸收无功功率、精确电压控制等优点。过去，风电在整个电网中 所占的比例比较小，大部分的电源仍然是采用的传统的能源，如火电、水电、 核电等可调度性较高的电源，因此不需要风电来为系统提供电压支撑，在系统 发生大的扰动时，风力发电机组可以马上脱离电网，等到电网恢复正常运行后， 风电机组再接入电网。随着风电接入电网的规模越来越大，为了保障整个电力 系统的稳定运行，对风电并网的要求开始受到人们的重视，其中，低电压穿越 能力( l o wv o l t a g er i d e t h r o u g h ，i ，、佩t ) 能力是一个很重要的指标。l v r t 要求 风力发电机组在网侧电压因故障发生跌落时，风力发电机组要继续保持接入电 网达到一定时间，而且要给网侧提供无功功率，抑制网侧电压的跌落。s t a t c o m 作为一种先进的无功补偿装置，研究s t a t c o m 对风力发电系统的无功补偿具 有重要的意义。 目前，国外在这方面已经做了一些研究，但是主要集中在理论分析上，在 实际工程应用中比较少。国内在这方面的研究还比较薄弱。 1 3 储能技术的基本概念 电能存储就是将电能转换成其它形式的能量存储起来，需要时再将其转换 成电能释放出去。由于电能是目前最便于生产、输送、分配和利用的一种能量 形式，所以在现代生产和生活中获得了广泛的应用。但与其它的能量形式相比， 电能不便于大规模存储，这就要求电能生产和消费之间必须保持瞬时的平衡， 否则将出现负载不能j 下常运行、供电系统不稳定等严重事故。储能技术能够解 决上述的电能供需之间的矛盾，储能技术的不断发展和应用，必将对现代化的 电能生产、输送、分配和利用产生深刻影响。对于目前国内外正在积极研究的 智能电网，储能技术更是其最重要的支撑技术之一。 储能的研究可以分为储能本体、能量转换系统和储能系统应用三个方面。 在分布式储能中，储能的本体包括蓄电池、飞轮、超级电容、超导磁储能 ( s m e s ) 。而大规模的储能则集中在抽水蓄能、压缩空气、基于氢的储能等。 能量转换系统是储能体与负载或电网的接口，控制充放电、充电速率等， 它在储能体与负荷或电网的接入中起着重要的作用。 储能技术的应用十分广泛，电力系统中的储能系统根据其应用情况可以分 武汉理t 大学硕十学位论文 为两类： ( 1 ) 大规模集中式储能系统：这类系统以能量转换和电力系统削峰填谷功能 为主，以实现电力系统的安全稳定运行。比如抽水蓄能、压缩空气储能。这类 系统主要在有水电站、核电站、大型风电场的电力系统中应用，具有调峰、填 谷、调频和事故备用等多种作用，具有运行灵活和反应快速的特点。这类储能 电站容量大，运行成本低。 ( 2 ) 大规模分布式储能系统：以平抑电源功率随机波动、维持局部电网或微 型电网安全稳定运行为主，经常与可再生能源( 如太阳能、风能等) 配合使用， 如蓄电池储能、飞轮储能、超导磁储能、超级电容器储能等，其规模一般较小， 具有布局灵活、单位投资较大、容量偏小等特点。建设地点一般靠近负荷中心。 1 4 储能技术在风力发电中的应用和研究现状 国内外大量的专家学者己展开了将储能技术和风力发电结合起来改善风力 发电的电力质量和其对电网冲击的研究。文献 4 1 】中b a b a kp a r k h i d e h 研究了电 池储能系统对风电场输出功率的改善，提出了一种将电池储能系统( b e s s ) 和 静止无功补偿器( s t a t c o m ) 相结合的结构( s t a t c o m b e s s ) ，并建立了相应 的详细数学模型，仿真实验表明该系统可以显著地改善风电场输出功率随风速 波动的缺点。文献 4 2 1 研究了s 仉盯c o m b e s s 储能系统对风力发电机轴系扭振 的抑制作用。仿真实验表明：当风力发电系统受到大的扰动时，s t a t c o m b e s s 储能系统能够有效地抑制风力发电机的轴系扭振。文献 4 3 研究了飞轮储能在风 力发电中的应用，通过将飞轮储能系统集成到风能转换系统中，显著地改善了 风力发电输出功率的波动。文献 4 4 】探讨了超导磁储能( s m e s ) 在风力发电中 的应用，建立了一个带风电场的孤立电力系统的模型，通过集成s m e s 储能系 统并在m a t l a b 中进行系统仿真验证了s m e s 储能系统在抑制风力发电系统的 频率波动的显著作用。 近几十年来，储能技术在风力发电中的实际应用也有了很大的发展。美国 v i s t a 公司将储能容量达2 7 7 k w h 的飞轮储能装置引入到了风力发电系统，起到 了全程调峰的作用。电池储能系统也己被用到风力发电系统中，在这方面，欧 洲、日本、美国已经有了一些成功的示范应用工程，2 0 0 6 年8 月，爱尔兰风电 场采用了容量达1 2 m w h 的全钒液流电池储能系统用于风储发电并网。2 0 0 3 年 4 武汉理l ：人学硕十学位论文 1 1 月，澳洲金岛风场将容量达2 0 0 k w * 8 h 的电池储能系统应用于风储柴联合发 电系统。2 0 0 6 年6 月，丹麦将1 5 k w 半8 h 的全钒液流电池储能系统用于风力储能 发电。2 0 0 1 年，日本住友电工将1 7 0 k w 1 m w h 的电池储能系通应用于同本北海 道的风储并用系统。2 0 1 0 年，美国能源部给夏威夷提供1 1 7 亿美元的贷款，资 助其兴建在科奥劳洛阿区卡胡库的3 0 兆瓦的风力发电设施以及与之相配套的一 个电池储能系统来为风力发电提供稳定的负荷。 目前，用于风力发电中的储能系统主要是电化学储能系统。近年来，我国 在这方面也在进行积极的研究。国家电网公司已经开始实施国家风光储输示范 项目，计划在河北省张家口市张北、尚义两县实施该项目建设，开发规模为风 电5 0 万k w 、太阳能光伏发电1 0 万k w 、化学储能9 1 1 万k w 。此外，国内已 有多家研究机构在研究电能储备系统，按储能的形式不同，适合风力发电系统、 有应用前景的储能方式主要可分为液流电池、锂电池、超级电容器、超导、压 缩空气储能等几种形式。 1 5 本文的研究内容 本文的研究内容正是基于前文所提出来的风力发电所遇到的一些问题所提 出来的，电力系统运行稳定的最本质的一个特点是：电力在发、输、配、用电 的过程中要保持有功功率和无功功率的平衡。通过将静止同步补偿器 ( s t a t c o m ) 和储能技术用于风力发电系统的并网，可以大幅改善风力发电出 力波动的问题。本研究旨在进行s t a t c o m 和电池储能系统( b e s s ) 应用于风 力发电并网的特性分析和相应的有效控制策略的理论研究。为此，本文将进行 如下工作： 详细综合分析双馈感应风力发电机的工作原理。建立感应电机和交直 交变流器的详细数学模型。并基于定子磁链定向以及有功功率和无功功 率解耦的方式设计双馈感应发电机的控制策略。在m a t l a b s i m u l i n l ( 中搭建了详细的仿真模型，并采用传统的p i 控制理论，对双馈感应风 力发电系统各项特性进行详细的仿真分析，并说明双馈感应风力发电系 统的内部工作过程。 为了提高风力发电系统的低电压穿越( i v r t ) 能力，本文将探讨将静 止同步补偿器用于风力发电系统无功补偿的可行性。综合分析静止无功 补偿器接入d f i g 风力发电系统的工作原理。针对三相系统及d q 轴解 武汉理r 人学硕十学位论文 耦分别建立了静止无功补偿器的详细数学模型。并根据其数学模型设计 以抑制母线电压跌落为控制目标，基于p i 控制器的控制策略。在 m a t l a b s i m u l i n k 中搭建相应的仿真模型，并对整个系统的各项特性 进行详细的仿真分析，并说明接入s t a t c o m 后的d f i g 风力发电系统 的工作过程。 以电池储能系统( b e s s ) 为研究对象，探讨将储能技术用于风力发电 并网的可行性。综合分析电池储能系统接入d f i g 风力发电系统的工作 原理，并建立b e s s 的详细数学模型。针对相应的数学模型，设计以抑 制d f i g 出力随风速变化而波动以及调节母线电压为控制目标，基于p i 控制器的控制策略。在m a t l a b s i m u l i n k 中搭建相应的数学模型，并 对整个系统的各项特性进行仿真验证，并说明接入b e s s 后的d f i g 风 力发电系统的工作过程。另外，探讨滑模变结构控制在b e s s 储能系统 中的应用，采用趋近律的理论和方法，设计相应的变结构控制器，并对 其动态特性和抗干扰性进行仿真研究。 6 武汉理i ：人学硕十学位论文 第2 章风力发电机的特性分析 本章将阐述风能的特性和风力发电机的基本工作原理，风力发电机的参数设 计方法。为了分析风力发电机的动静态特性和验证风力发电机的运行特性，本 章将基于仿真软件m a t l a b s i m u l i n k 建立风力发电机的详细装置模型和相应的 控制系统模型。 2 1 风能特性 地球的自转以及区域性太阳辐射热吸收不均使空气在全球范围内流动，从而 形成了风。风速随着时间和高度而随机变化。风吹动风轮从而使风能转化为机 械能。由于流经风轮的风速不可能为零，所以风轮不可能把风的动能全部转化 为机械能。也就是说只有风的一部分能量可能被吸收，成为桨叶的机械能。 1 9 2 6 年，德国物理学家a l b e r tb e t z 提出了风力发电中关于风能利用效率的 一条基本的理论，即贝兹理论：理想情况下风能所能转换为电能的极限比值为 1 6 2 7 ，约为0 5 9 。其推导过程如下：首先，单位时间内气体密度为p 的空气以 速度y 通过风力机截面积彳，则单位时间内，通过截面积4 的空气的质量为： m = p 木a 幸1 ，( 2 - 1 ) 设v 为风轮前方远处的风速，蜴为风吹过风轮后的风速。那么风轮所吸收的 风能为： = 1 2 ( m v l 2 - m v 2 2 ) ( 2 2 ) 设f 为风作用在风轮上的力，则风轮叶片吸收的风能也可以表示为： 形= f 宰v ( 2 3 ) 同时， f=mvrmy2(2-4) 由式( 2 1 ) 一( 2 4 ) 可得： v = 1 2 ( m + 屹)( 2 5 ) 由式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 5 ) 可得： 形= 1 4 , o a ( v i + v 2 ) ( h 2 - v 2 2 ) ( 2 6 ) 7 武汉理i ：人学硕十学位论文 通常m 是已知的，根据数学中函数极大值的原理，可知。当吃三h 3 时j 存在最大值： 。= 刍p 研 ( 2 - 7 ) 这个最大获取风能只有在理想的风轮机中才可能得到，将上式除以空气通 过扫掠面么所具有的动能，则可推得风力机的理论最大效率，即风能利用系数 形 c=io593pmax ( 2 8 ) 一o 5 p 彳v 1 3 u 。 l 二。o ， 0 5 9 3 即为b e t z 理论的极限值。但实际上，风力机的风能利用系数远达不到 0 5 9 3 。 风力机的风能利用系数c 。反映了风力机吸收利用风能的效率，它与风速、 风力机转速和风力机的参数如桨距角等有关系。这里，定义风力机的一个重要 的参数叶尖速比五，即叶片的叶尖线速度和风速之比。风能利用系数c 。既是叶 尖速比兄的函数( 表示为c ，( a ) ) ，同时也是桨距角的函数( 表示为c 。( ) ) 。 如果保持不变，风能利用系数c 。只与叶尖速比五有关，即在一定的风速时， 只在一个特定的旯值下，风能利用系数c 最大。 2 2 风力发电机的特性 2 2 1 风力发电机的分类 风力发电机组可以分为两大类：恒速恒频机组和变速恒频机组。风力发电 机并入电网运行时，要求风力发电的频率保持恒定为电网频率( 在我国，电网 频率为5 0 h z ) 。恒速恒频指在风力发电中控制发电机的转速不变，从而得到频率 恒定的电能；变速恒频指发电机的转速随风速变化而变化，通过一定的控制方 法来得到恒频的电能。 如今投入实际运行的恒速恒频机组主要分为2 类： 1 ) 一类采用鼠笼式异步发电机，如图2 1 所示。并网后，在电机机械特性 的稳定区内运行，异步发电机的转子速度需要高于同步转速。当风力机传给发 电机的机械功率随风速增加时，发电机的输出功率及其电磁转矩也相应增大。 一般情况下，当转子速度高于同步转速3 5 时达到最大值，若超过这个转速， 武汉理j j 人学硕十学位论文 异步发电机会进入不稳定区，产生的电磁转矩反而减小，导致转速迅速升高， 引起飞车。另外，异步发电机并网运行后，在向系统输出有功功率的同时，需 要从电网吸收无功功率来建立磁场，它不具有调节和维持机端电压的能力【3 1 。最 后，由于转子速度的变化范围比较小，而风速经常变化，显然，风能利用系数c 。 不能保持在最佳值。 软启动器 电容器组 图2 1 采用鼠笼式异步发电机的恒速恒频机组 2 ) 另一类采用绕线式异步感应发电机，如图2 2 所示。它的特点是，采用 了外接的可变转子电阻。这种结构最初是由丹麦的v e s t a s 公司提出来的，又称 o p t i s l i p 风力发电系统。通过电力电子变换器调节外接转子电阻的大小，可以改 变异步发电机的转差率s 。相比鼠笼式异步发电机，转差率s 的变化范围变大了， 可达0 - 1 0 。然而，这种系统仍然需要从电网吸收无功功率，另外，转差功率转 换成了外接转子电阻的热能损耗，没有被有效利用。 电容器组 图2 2 采用绕线式异步感应发电机的恒速恒频机组 投入实际运行的变速恒频机组也主要分为2 类： 1 ) 一类是绕线转子双馈感应发电机系统，如图2 3 所示。这类系统的特点 是：在绕线式异步发电机的转子上连接了个交直交( a c d c a c ) 的电力电 子变流器。该变流器能够实现转子和电网之间的双向能量流动，转子侧变换器 9 武汉理一r ：大学硕十学位论文 控制异步发电机，网侧变换器控制和电网的能量交换。双馈发电机本质上是同 步发电机，所以可以调节双馈发电机吸收的无功功率。另外，双馈发电机的转 速运行范围可以达到7 0 1 3 0 同步转速，即其转差率s 可以达到3 0 3 0 。 a c - d c o a c 变流器 绕线式感应电机 图2 3 绕线转子双馈感应发电机系统 2 ) 另一类是直驱型风力发电系统，如图2 4 所示。直驱型风力发电系统中， 风轮机与发电机( 永磁同步发电机或绕