基于混合储能技术的风电场功率平滑技术的研究.doc

密级：昵胨妒垦学科专业：电力系统及其自动化研究方向：电力系统分析与控制作者姓名：邓大龙指导教师：马幼捷教授 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得学位论文作者签名：郇大拓日学位论文版权使用授权书可以将学位论文的全部或部分内容编入艿难宦畚脑诮饷芎笫视帽臼谌得导师签名：弓勿浃炎签字日期：刀心旯耭日 甤， 目茏爸梅掷嗟难芯俊旌洗茏爸迷诜绲绯械挠玫难芯俊贚原理的风电功率平滑控制方法 第一章绪论第一章绪论网为核心的智能电网“琒现今，能够供我们用的能源主要是煤炭、天然气、石油等一些化石燃料，但是这些燃料是不可再生的，同时消耗量极大，也会造成大面积的空气污染，造成很多人类的疾病，因此，全世界的科学家们开始寻找新型的、清洁的能源来替代这种类型的能源，这样嗯，可以使得我们的生态更加的平衡，也能保证可持续的发展。可以再次生成的能源普通情况下所指的是在很自然的情况下能够一直持续所得的能源，这中能源有：大风、太阳光照的能源、各种生命物质以及海水能源等等。对于分布形式的产生电能的技术呢，它是采取了可以再次生成的能源和化学石料能源，用来产生电能的一种技术。其主要特点是可以即刻使用、可靠性高并且有很高的利用效率，这样就可以将分布式发电技术应用为补充模块或者单独供电模块。 行调峰等作用。储能装置可以很快地进行有功和无功的协调控制，从而保证系统功率平平滑风电外送功率很大幅度的抖动对普通电力网的作用，同时由于储能装置可以向电 大了。同时，一些在功率指标方面具有脉冲激动性质的装置或者设备也随之越来越多，。考虑到目前储能材料的成本还是国内外研究现状近几年，在分布式新型能源中广泛应用的储能技术按能量的存与放的关系主要分为三大类：机动装置蓄能、电和磁蓄能和化学装置蓄能。这一节将分别根据各种储能的特点分析其使用寿命、循环充放电次数、循环效率、能量密度和功率密度等指标，之后提出了一类新颖的存能量的设备或者装置，并对混合存能量装置比其他存能量装置的优点进行说明和分析。 超导磁贮存能量是运用了超导的线把电和磁的能量直接贮存的一种储能方式。当电 依照风力外送功率对频率波谱的情况，我们可以发现，风电产生的功率波动可以分 很大的贮存能量的设备的循环寿命的控制上有着很大的优势。文献提出了一种新类型的采用小波技术来分解的混合型贮存能量系统，来消除风电输出的功率的不平稳。首先对风电外送的功率用小波进行切割，通过分频得到较低频率下的不稳定信号和较高频率下的不稳定信号，然后依照贮存能量的设备的特征对不同频率下的不稳定信号来控制，建了功率平滑的模型，实验结果说明了，采用小波技术可以使储能设备的使用时间延长，尤其是蓄电池的寿命，和实际情况联系紧密。文献提出了精准对贮存能量的系统的补充或者释放电能进行控制，采用的是分层控制，通过搭建智能信号表，每时每文献将风力发电机和蓄电池储能装置合为一体，研究了双反馈型风机的定子磁通链的有功功率和无功功率的解耦控制以及四个象限的整流器的解耦控制。仿真实验表明，贮存能量的设备的稳定植入可以提升风电的平稳性。文献选取了永磁风机系统，采用混合类型的贮存能量的系统消除永磁风机输出到电网的功率的不平稳，这种控制方法除了解决波动还能解决风电的问题。仿真结果表明了这种控制手段的可操作性。文献采用的是超级电容贮存能量装置，这篇文献的新意在于在于在四个象限的整流器的直流端增加了一个超级电容系统，通过分析全功率类型的两个脉宽调制的交直交的控制手段及其整流器的解耦控制策略，消除了风电输送给电网的功率的不稳定。文献【】提出了用模糊算法来修正一阶滤波时间参数，来快速跟踪并网有功功率的参考值，从而算例，进行编程和算例分析。实验仿真结果表明从电网一段时间内的累积得失电总量和瞬时电能变化来看，储能容量的优化都有很明显的效果，满足总体的经济性和可靠性。文献采用蓄能电池和超级电容分别消除不同类型的功率不稳定，并计算功率不稳定的概率密度，再用最小二乘法拟合功率波动的概率密度函数，计算期望，最后对两种装置的容量大小进行定量。实验结果说明，其容量的最大数值的函数式子满足经济效益的指标。文献适用于大规模的风电场，根据从沿海地区的风电场数据采集，进行储能装置容量配比的分析，最后提出能量调度的方案，实现储能容量的优化。文献通过分析风场的风速模型，进而建立韦伯函数的分布模型，利用数学上的概率理论来分析计算储能装置的容量。实验仿真表明，输送给电网的功率波动满足国家的并网数值要求范 围。文献是基于概率论中的正态分布的储能容量计算方法，提出了一种全新的计算一阶滤波的时问常数的方法。实验表明，在容量选取满足最大函数的要求前提下，平滑效果可以达到风电并网的标准，并用数据加以证明。文献为了抑制可再生的能源给普通电力系统带来的冲击，采用了离散形式的的傅里叶变换方法先对可以再次生成的能源输出给电网的功率不稳定量值进行频率波动的分析，根据其频谱特征、充放电参数以法不仅可以输出给电网的功率平稳，而且电池的容量值也可以被控制在一个合格的标准本文主要章节及工作介绍考虑到风的特殊特点，具有不稳定性和间歇波动性，会造成风电输送给电网的功率波动，而传统的通过改变桨距角来调节有功功率的方法只能在一定程度上调节有功功率的输出，一旦遇到短时间内的大功率波动或者长时间累积的功率波动时，效果就不是很明显，而储能装置作为一种新兴的技术恰好可以很好滴地解决这个问题。论文主要以风电为研究背景，研究了蓄电池和超级电容两种贮存能量的装置组成的混合类型的储能系岢隽薙电输送功率波动的解决方法，最后对模糊逻辑进行简要的介绍。 根据风电输送到电网的功率不稳定的特点和实时的数据统计值，可以得出的结论抑，因为其具有很高的功率密度且响应速度和充放电速度都很快：第三种功率的波动频电池的贮存容量设计值应该为： 而混合类型储能系统中超级电容应消除的容量和体积比值为：量值为：混合型贮存能量系统需要平滑的功率总体数值为：础由以上定义，可以得出蓄能电池和电容相结合的混合型贮存能量设备的比能量衍野一陪一压根据蓄能电池和电容两种设备的贮存能量特性可是得到： 综上所述，可以得出以下结论：狤口狤由以上两个式子，可以得出两种混合储能装置的总的能量密度是稍微小于蓄电池的能力密度的，但是却远远大于超级电容器的能量密度；而混合类型的储能系统的总的功率密度值稍微小于超级电容的功率密度值，但是却远远大于蓄能电池的功率密度值。因此，可以证明蓄能电池和超电容相结合的混合型储能设备兼有高比功率和高比能量特征的贮存能量的装置。求，消除了风电输送到电网功率的波动，节约贮存能量设备整体的体积和价格。 该电路的左端为，右端为，则可以得到微分方程式为：扶以上的方程式得到方程所对应的传递函数式为：假设鲜阶;晃猻域内的表达式，则其对应的幅频特性应为以下两个幅频特性曲线如图所示： 考虑到风电系统输送到电网的功率中低频段的频率不稳定量的变化略慢的特征，且功率值的变化幅度很小，当这样的功率波动被回馈到常规电力系统电网时，由于其变化速度慢，可以有较长的时间对其进行响应。但是当高频率波动被和这种低频率波动合二为一时，就会使得整体的功率变化率增大，瞬时间内对电力系统的稳定性带来很大的冲击，所以，可以得出在消除风电输送到电网的功率波动值的目的是要消除高频段的频率波动并且还有减小其变化幅度，这样向普通电网供给平稳的有功值。这样的原理和信号电路中的低通滤波器的工作原理是类似的，低通滤波时对输入量进行处理，使得输出信号更加平滑，而本文中的混合储能系统是控制双向变换器的导通管来控制储能系统的充放电，进而改变输送到电网的功率值的大小，使得输送到电网的电能的质量不稳定的方法中来。在进行风电功率平滑的过程中，硎綪。捶绲绯涑龅挠泄剩瑈表示风 皌如果瓦和圪已知，则混合型贮存能量设备流动的功率值为：就有了智能性。模糊逻辑 扌璞豢刂屏恐档哪褪紽其算法功能主要靠软件来做到。 第三章基于混合储能技术的风电场功率平滑控制策略统、混合型贮存能量系统和普通电网。这其中的混合型系统由两向变流器和两个直流变用来消除主要的功率波动总值，其作用的功率值为。，而电容主要用来消除瞬时的大瑆。尸。 贮存能量设备的补充和释放电功率的定义式为：上式中巨A街种婺芰康纳璞冈诿唤谐浞诺缰暗某跏既萘恐担琍曲为两种 第三章基于混合储能技术的风电场功率平滑控制策略其中硎痉缒苤苯邮涑龅墓适琍萨表示经过储能装置作用后输入到电力系统超级电容搭配蓄能电池的混合型系统的协调控制手段如下：超级电容搭配蓄能电池的混合型系统交换的有功功率来消除风场实际的输出有功 为：毒装式中：最和为贮存能量设备的有功值上下限。当前贮存能量设备的核电状态隶属度函数如下： 第三章基于混合储能技术的风电场功率平滑控制策略得到毒罗的讨论域范围为唬琞。当贮存能量设备的隶属度电行为；反之当贮存能量的设照研究的特点来判断采取哪类函数类型作为隶属度函数，如三角函数类型或者梯形函数琋负小琙正小琍。 图有功修正值的隶属度函数图，弧一一一！一，一！薄， ：藤舞萋、表：呒虮结论为 第三章基于混合储能技术的风电场功率平滑控制策略模糊控制器的输入输出曲线，如图所示。条件结论毛为且芎：唰为 亏为且亏：唰为图捎玫诙槟：刂品蚴保：刂破鞯氖淙胧涑觥线仿真研究为了验证混合储能系统及模糊控制策略的有效性，本章利用巾的模糊控制 工具箱进行了模糊控制器的隶属度函数和模糊控制规则的设定，并在图风电直接输出有功值和并网功率设定值曲线晰诙史 一 图时间内蓄电池功率输出曲线 如图荆苌璞肝P钅艿绯兀傻缱刺踔瞪瓒奔涠挝 第三章基于混合储能技术的风电场功率平滑控制策略图畹绯豐：时荷电状态的变化曲线图畹绯豐：时荷电状态的变化曲线本章小结蓄电池搭配超级电容的混合型设备将电池和电容相结合，来调节风场的输出功率的不稳定，用以提高风电并网的电能质量。本章采用了模糊逻辑控制，在充分调动两种储能装置的各自特点的基础上，通过对两种装置的核电状态和有功功率值的控制，实现对输出有功功率参照值的修改，从而保护两种储能装置的使用寿命且规避了过度补充或者释放电能的问题，该方法具备很强的创新性和适用性。但是，以上的分析与讨论都是基于理想睛况，在现实情况下，必须还要考虑工矿和当采用两种混合装置的成本价格等经济性问题。故在下一章中，需要研究如何对混合型系统的总体容量值进行最优的分配与 第四章基于机会约束的混和储能容量配置方法取逻辑控制手段来每时每刻地采集功率对照值，这种方式可以使得贮存能量的设备不发生过充电和过释放的现象。文献采用智能神经算法来对混合型的储能系统进行控制，实验结果说明，采用该方法之后，系统的稳定性明显提升，且蓄能电池的使用时间变长。但值得指出的是，文献都是依据工作人员平时的经验值来对两种贮存能量设备进行定容，在这个过程中，没有涉及到容量值的定量计算。混合储能容量配置数学模型 优规划中的硬性条件，必须要屎希籔为满足折中条件的几率值；石，毒为机会规划目标函数；口为约束规划的区间范围。置的成本。上式中丘。A街种婺芰孔爸玫淖畛跏嫉娜萘颗渲弥担琍曲为两种储能装置的 可以看成是衡量平滑是否合格的指标。叩可以被表示为：卵睿当算法流程考虑到约束最优法则的建模方法的研究，本节采用的是常规的智能算法遗传算法来对模型进行成本的求解。遗传算法是以生物课程中的进化论为基础形成的一种仿照大自然的随机性的优化手段。它其实是一种效率很高且在整个范围内搜寻最优解的手段。在整个的搜寻过程中，该算法自身通过比较和之前值的优劣，把这些信息存储下来，然后自动进行搜索，以最后得到最优解而结束。其最优解即是全局范围内的一个最优种群。近些年来，遗传算法的使用范围越来越大，涉及到数学运算、电子信息与信号和自调节控制等等多个领域内。 图遗传算法流程图仿真研究参数设置的前提是，设定蓄能电池和超级电容的初始状态值都是；风电功率平抑范 工具包进行优化计算的，优化对象是蓄能电池和电容的容量值，在工具包中列写适应度投幡键增涩嫠图不同置信水平范围内混合型蓄能价格成本值 一。登：浚簂蓿弧韙妇。男璻踕葜菀唬鮩阩二叮甤“錳“琫。吐母疑强畆“膖】、。蟆篟矿唤小扒篿计算到第次时就截至了，即可得到最优的适应值和最优的迭代次数。图计算数与适应值关系曲线本章总结 本文首要提到了在目前的研究热点与未来的发展方向，主要围绕新型能源如何能够更加稳定可靠地并入普通电网的研究。考虑到风场本身具有的不稳定性和不平滑性的特点，当将大规模的风力接入电网以后，肯定会给电力系统造成很大的影响尤其是当风场输送到电网的功率发生突变的时候，更是影响巨大，这时候，储能设备就被使用起来用以消除风场输出有功的不稳定。根据经验数值可以得出，风能的功率不平稳主要为两种：短时间内瞬间功率波动和长时间范围内的稳定态功率波动，故选用蓄能电池和超级电容的混合型设备来共同消除这两种功率波动，分别采用其高比能量和高比功率的特征，而且还可以延长蓄能电池的使用时间。然而，考虑到储能装置的性能会被核电状态所影响，所以需要计算整个装置的容量值。而本文主要研究的就是这两方面，第一，如何消除功率的波动性；第二，如何对混合型系统的容量进行优化分配，下面两点即为研究内容和结果： 工作展望到了风场的主要变化趋势对有功功率的影响，而没有将其他能源考虑进去。由于目前的很多研究热点多集中在微电网上，所以系统和其他的发电单元就不能够被忽略，在今后的研究中，可以把多种小规模小容量的发电单元一起并入研究范围，考惫其容量优化分配的问题，以及相互之问如何进行协调转化的问题，这个问题也会在未来被提及甚至会被应用到实际，具有很好的发展前景。 ，：【】王文亮，秦明，刘卫大规模储能技术在风力发电中的应用研究【中国科学技术协