（电力系统及其自动化专业论文）风电机输出功率波动平抑控制的可行性研究.pdf

东北电力大学硕十学位论文 a b s t r a c t w i n de n e r g yh a sg r e a tv a l u ef o rb o t ht h e o r e t i c a la n da p p l i e dr e s e a r c ha m o n gt h e d e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no ft h er e n e w a b l ee n e r g y w i n dp o w e rh a sb e e nt h e p r a c t i c a lc h o i c e s f o rt h es u b s t a n t i a ld e v e l o p m e n to fn a t i o n a le l e c t r i cp o w e ra n d e n e r g y - l a r g eg r i d c o n n e c t e dw i n df a r mi st h ee f f e c t i v ew a yf o rt h eu t i l i z a t i o no fw i n d e n e r g yi nl a r g es c a l e t h e 诵n dp o w e r i sc h a n g e df o l l o w i n gt h e 晰n ds p e e d 、t h e r e f o r e t h el a r g ef l u c t u a t i n gw i n dp o w e ra r ef l o w i n gi n t ot h ep o w e rg r i d t h a tw i l lc a u s e s o m ea d v e r s ee f f e c tt ot h eo p e r a t i o na n ds t a b i l i t yo f p o w e rg r i d a st h er a t i n go f w i n d p o w e ri nt h ep o w e rn e t w o r kr i s e s ，t h ef l u c t u a t i n go fg r i d - c o n n e c t e dw i n dp o w e r s h o u l db eu r g e n t l yr e s o l v e d f i r s t l y , t h el a c ko ft h ec u r r e n tw i n dp o w e rs y s t e ma r eb r i e f l ya n a l y z e di nt h i s p a p e r , ak i n do ff l e x i b l ew i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e ma r ep r o p o s e d ，t h i ss y s t e mi s b a s eo nt h ed o u b l ef e dw i r l dp o w e rg e n e r a t o r sw i t ha p p r o p r i a t en a sb a t t e r ye n e r g y s t o r a g es y s t e mc o n f i g u r a t i o n s e c o n d l y , t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ed o u b l ef e dg e n e r a t o r sc o n t r 0 1 av e c t o rc o n t r o l m o d e lo fd o u b l ef e dg e n e r a t o ri se s t a b l i s h e di nt h i sp a p e r t h ec o n t r o lt a r g e t ，c o n t r o l m o d e la n dr e a l i z a t i o nm e t h o do fd o u b l ef e dg e n e r a t o r se x c i t a t i o nc o n t r o la l em a i n l y s t u d i e d i tc o n c l u d e st h a tu s i n gv e c t o rc o n t r o lc a nr e a l i z ed e e o u p l i n gc o n t r o lo f a c t i v e p o w e ra n dr e a c t i v ep o w e ro fd o u b l ef e dg e n e r a t o r ，m a x i m a lw i n de n e r g yc a nb e c a p t u r e dw h i l eo p e r a t i o n b e s i d e s ，ap o w e rc o n t r o lo ff o u r - q u a d r a n ti n v e r t e rm a t h e m a t i c a lm o d e l c o n s i d e r i n gt h ee n e r g ys t o r a g es y s t e mi se s t a b l i s h e d ，t h et h e o r yo ft h ee x a c t l i n e a r i z a t i o nv i af e e db a c ki sm a i n l ys t u d i e dt or e a l i z ed e c o u p l i n gc o n t r o lo fa c t i v e p o w e ra n dr e a c t i v ep o w e rc o n t r o l l e db yf o u r - q u a d r a n ti n v e r t e r u s i n gt h i sc o n t r o l m e t h o d ，s m o o t h i n gu pt h ef l u c t u a t i n gg r i d - c o n n e c t e dw i n dp o w e rc o n t r o lci sm a i n l y s t u d i e d l 卜 t h eg i v e r , f l e x i b l ew i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mo p e r a t i o ni ss i m u l a t e da n dt h e f e a s i b i l i t yo fs m o o t h i n gu pw i n dp o w e ro u t p u tf l u c t u a t i o ni sp r i m a r y d i s c u s s e di nt h i s p a p e l k e y w o r d s ：w i n dp o w e rg e n e r a l ：i o n ；d o u b i ef e d o u r r e n te x c i t a ti o n ： f o u r - 0 u a d r a n t p o w e rc o n t r oi g e n e r a t o r ； c o n v e r t e r ： a i t e r n a t i n g d e c o u p ii n g 论文原刨性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本入独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 论文作者签名： 蠡肇 日期： 墨尘2 年上月兰日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电 力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名： 导师签名： 蟑 至! 虽 日期：上早年三月日 醐：斗年土月早日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1课题的目的和意义 开发利用可再生能源为解决世界性能源与环境问题开辟了新的途径，对改 善能源结构，保证国民经济可持续发展具有重要的战略意义，已被列为国家中 长期( 2 0 0 6 2 0 2 0 ) 科技发展规划纲要第一重点发展领域的五大主题之- - ”。 风能是目前最具大规模开发利用潜力的可再生能源，并且风力发电被认为 是我国能源和电力可持续发展战略的最现实选择。近5 年，全世界风电装机容 量和发电量的增速均超过3 0 ，风电发达国家的风电量己超过国内总发电量的 1 0 ，截至2 0 0 5 年底，我国风电装机容量仅约为1 2 6 万k w ，不到全国总装机容量 ( 5 2 亿k w ) 的0 3 ，仅约占可利用风能总量( 约1 0 亿k w ) 的o 1 3 ，要实 现2 0 2 0 年规划装机容量2 0 0 0 万k w 的目标，每年需保持2 0 的平均增速f 1 ，2 l 。 风电场并网运行是实现风能大规模利用的有效方式，但风电场输出功率取 决于风速，具有不可控和不可预期性。当电力系统中接纳的风电机组容量超过 一定比例时，风电功率的波动将造成参与调频机组的运行成本的增加，并且当 功率波动超过电力系统调峰能力范围时，还将进一步导致电力系统频率越限， 严重威胁电力系统的安全运行；另外，风电场多数位于电网末端，而且风电机 组运行通常需要较强的无功支撑，所以风电场输出功率的波动还将造成风电场 接入点电压的明显变化，这既影响了电力系统的供电质量，又影响了风电场的 功率送出，严重时还可能导致电压稳定破坏的后果【3 ，4 1 。因此，风电场输出功率 的不可控是限制风电场并网规模的主要因素。 本文利用大规模储能技术以及电力电子控制技术，探讨一种风电输出功率 随机波动抑制的可行方案，使风电场不再是随机波动的“负”负载，而成为灵 活可控的电源，使风电机组由对电力系统运行的不利因素变为有利因素，给电 力系统提供改善性能的新的调控手段，从而将显具提高既有电力系统规模下的 风电场接纳能力，推动风力发电的大规模发展。 东北电力大学硕十学位论文 1 2风力发电技术 1 2 1 风力发电原理 风力发电1 5 j 是利用风能来发电，而风力发电机组是将风能转化为电能的机 械，主要包括风力机和发电机两大部分。风力机将吸收的风能转变为机械能， 再通过变速齿轮箱增速驱动发电机，将机械能转变成电能。风力发电系统简要 框图如图卜1 所示f 6 】。 风力机是将风动能转化为机械能的装置，由于流经风轮后，风速不可能为零， 因此风能不可能完全被利用，仅有一部分能量被吸收，风力机所吸收的功率只l 为： 1 只= 去c p 脚2 v 3 ( 1 - 1 ) 上 式( 卜1 ) 中p 、矗、c 。，v 分别为空气密度，风轮半径、风轮的功率利用系数， 风速。其中风轮的功率利用系数c 。与桨距角和叶尖速比( 风轮叶片的叶尖速 度与风速之比) z 有关，其理论最大值为0 5 9 3 。图卜2 为恒定时c 。与丑的 关系曲线，由图卜2 可知，对一任意风速，都有一最佳叶尖速比丸使c 。最大， 即风机转速需风速变化以实现最大风能捕获。 飞 桃械隧电能 图1 - 1 风力发电系统框图 第1 章绪论 图1 - 2 功率系数与叶尖速比的关系曲线图1 - 3 风力机的功率特性 1 2 2 风力机功率调节原理 风力机的功率调节特性如图1 - 3 所示，为使风力机在每一种风速下都有一 可能最大输出功率，风机转速需随风速的变化而变化，以实现最大风能如图中 曲线a 8 ；在转速达到最大值后，转速将不再继续增加，只能保持恒定转速运行， 即曲线b c ；当风速超过额定风速时，必须降低叶轮能量捕获，以保证风机和发 电机的运行安全。 根据风力机功率调节方式的不同，目前主要有定桨距、变桨距和主动失速 风力机l 卅。 1 定桨距风力机其功率调节是依赖于叶片的气动特性，所吸收的功率随 风速不断变化，当风速超过额定风速时，气流的攻角( 指风力机翼型的弦与气 流速度矢量的夹角) 增大到失速条件，使叶片的表面产生涡流，降低风能转换 效率，以限制功率并维持发电机输出功率恒定，这种功率调节方式简单，但风 力机输出功率波动大，叶片本身结构复杂，成型工艺难度较大，风机不易大型 化。现在国际上6 0 0 k w 以下的机组，大部分仍在使用该技术。 2 变桨距风力机( 在定桨距风力杌的基础上加装桨距调节环节) ：其功 率调节不完全依靠叶片的气动特性，主要依靠与叶片相匹配的叶片攻角的改变 来进行调节。在额定风速以下时，叶片攻角在0 度附近，变化范围很小，基本 上可看作是定桨距风力机组；在额定风速以上时，变桨距机构发挥作用，调整 叶片攻角，保证发电机的输出功率在允许范围内。其主要优点是，叶片受力较 小，可以做的比较轻巧、发电效率高，输出功率平稳。但是，这种系统的结构 3 一 东北电力大学硕十学位论文 比较复杂，故障率相对较高，并且由于风的随机性和间歇性特点，使风力机的 出力变化很大，机组的动态负荷增加，对电网的冲击增大。 3 主动失速调节在实际应用中，由于功率与风速的三次方成正比，风速 的较小变化将造成风能较大变化，风力机输出功率处于不断变化中。风速大幅 度频繁变化的状况出现时将引起风力机桨距调节机构频繁动作。风机桨距调节 机构对风速的反应有一定的延时，特别是在阵风出现时桨距调节机构来不及动 作而造成风机的瞬时过载。针对这一点，提出了主动失速调节技术，这种方法 是定桨距调节技术和变桨距调节技术两者的结合，即仍然发挥叶片的失速效应， 在失速点之前，也就是输出功率在额定功率以下对采用变桨距调节技术；输出 功率在额定功率以上时，即使桨距调节机构来不及动作，通过叶片的失速效应 也不会造成风力机的瞬时过载。主动失速调节技术的主要优点是输出功率变化 范围小，较为平稳。目前，国际上大于6 0 0 k w 的风电机组均采用此技术。 1 2 3 风力发电机 风力发电机主要有以下几种类型 9 , 1 0 l ： 1 异步发电机目前世界上大中型风力发电机组大部分都采用异步发电 机。它制造简单，并网容易，它的励磁可直接从电网得到，但是要消耗大量得 无功，往往需要进行无功补偿。 2 同步发电机近年来，风力发电系统的一个主要的技术进步是采用直接 连接的同步发电机来代替通过传动机构连接的异步发电机形式。绕线式同步电 机正是由于其自身的优点而被用于风力发电系统中。绕线式同步发电机的特点 是电机的转子是嵌入磁场中，并由采用直流励磁的绕组构成的。由于此种发电 机可工作在起动力矩大、频繁起动及换向的场合，并且当与功率变换器相联时 可以实现变速操作，因此适合于风力发电系统。此种风力发电机组具有噪声低、 电网电压闪变小及功率因素高等优点。 3 永磁发电机永磁式风力发电机是用永磁体代替了同步发电机的励磁线 圈。主要用于风一柴油或风一光互补发电。功率在3 6 、6 - l o k w 级。 4 双馈发电机采用异步或同步发电机、通过功率变换器并网运行的风力 发电系统，功率变换器一般在发电系统的主回路中，造成了变换器的成本过高， 一4 一 第1 章绪论 为了降低变换器的功率，双馈发电机开始应用于风力发电系统中。此种结构的 发电机是通过对其转差功率的控制，来实现发电机的双馈调速。由于控制的是 电机的转子电流或电压，控制功率仅为定子功率的几分之一，因此所需功率变 换器的功率较小。双馈发电机兼有异步电机和同步电机的共同优点，可在亚同 步、超同步等较宽范围实现最大风能捕获，同时可对有功功率和无功功率进行 独立控制，能吸收阵风能量，减少转矩脉动和输出功率的波动，无需电网无功 支撑，具有风速利用范围宽、功率因素高、控制灵活等诸多优点，代表着风力 发电技术的发展方向。 1 2 4 风电大规模并网亟待解决的问题 风电场并网运行是实现风能大规模利用的有效方式，而风电场输出功率取 决于风速，具有不可控性、不可预期性和随机波动特性。随机波动的风电功率 接入电网容易引起电网频率波动，进而增加电网调频、调压、运行调度等辅助 服务负担，造成电网运行成本的增加，而目前这些额外的运行成本仅由电网承 担，这是电网所不希望的。 另外，当电力系统中接纳的风电机组容量超过一定比例时，风电功率波动 将增加电网调频负担，并且当功率波动超出电力系统调峰能力范围时，还将进 一步导致电力系统频率越限，严重威胁电力系统的安全运行。此外，风电机组 容易受电网扰动而退出运行，当电网发生短路故障时，还将由于风电场退出运 行而增加电网有功缺额，进而恶化电网的稳定性【3 一。 从电网运行的现实及大规模开发风电的长远利益角度来讲，提高风电场输 出功率的可控性是目前风力发电技术的重要发展方向。 1 3 n a s 电池储能系统 实现大规模储能是改善电力系统运行性能的重要手段，是电力系统工作者 不懈追求的目标。比较现实可行的储能方式，包括抽水蓄能，还有各种电池储 能、飞轮储能、压缩空气储能、制氢储能、超导储能等。电池储能是目前应用 最便捷的储能方式，通常只适合小规模应用场合。但是随着科学技术的迸步， 最近在大容量电池储能方面有了很大的进展。比如n a s 电池，其功率容量己经 一5 一 东北电力大学硕f + 学位论文 达到兆瓦兆瓦时级的水平，并且具有响应快，效率高、寿命长、免维护等显著 优点。目前已被用于大规模负荷调峰控制、改善供电质量控制和弱电网的电压 调节控制等，以改善既有电力系统的运行性能 n a s 一经问世就引起了日本、北美。欧洲等地区研究机构和电力企业的浓厚 兴趣，特别是日本对其在电力系统中应用的研究上，走在世界的前列。n a s 电池 已被安装在变电站和城市负荷侧，用途包括负荷平抑( l l ) 、电能质量维护( p q ) 、 不问断电源( u p s ) 、应急电源( e p s ) 等( 表1 - 1 ) 1 1 1 ，负荷平抑是利用n a s 电池快 速的充放电响应来抑制负荷波动引起的功率变化，提高电网运行的稳定性和经 济性；电能质量维护是指当电网中出现电压、频率波动超过允许范围以及供电 中断等问题时，将负荷与出现电能质量的电网部分隔离，同时由n a s 电池向负 荷提供电压和功率支持；不间断电源和应急电源主要用于不允许停电的敏感负 荷。截至2 0 0 5 年，日本在国内已经安装n a s 电池总容量超过1 2 5 m w l l 2 】。 表1 - 1n a s 电池在日本的部分发展应用情况 额定功额定输出电 投运时间安装地点 用途 率( k w )能( k w h ) 1 9 9 5 1 2东京新能源公园 5 04 0 0 负荷平抑+ 风力发电 1 9 9 7 0 3t s u n a s h i m a 变电站6 0 0 0 4 8 0 0 0 负荷平抑 1 9 9 9 0 3 o h i t o 变电站 6 0 0 04 8 0 0 0 负荷平抑 2 0 0 0 1 1 j l l 崎电力储能测试设备 2 0 01 4 4 0 负荷平抑+ 应急电源 2 0 0 0 1 l t s u n a s h i m a 变电站 2 0 0 01 4 4 0 0 负荷平抑 2 0 0 1 0 3 s h i n a g a w a 变电站 2 0 0 01 4 4 0 0 负荷平抑 东京市政府k a s m 废水处理 2 0 0 1 1 21 0 0 0 7 2 0 0 负荷平抑+ 应急电源 厂 2 0 0 2 0 3富士施乐公司1 0 0 0 7 2 0 0 负荷平抑 2 0 0 2 0 4 横槟太平洋体育中心2 0 0 01 4 4 0 0 应急电源 在北美，n a s 电池也得到越来越多的应用。2 0 0 2 年9 月，美国电力公司采 用n g k 公司的n a s 电池模块和a b b 公司的p c s 系统研制了北美第一台n a s 电池 储能系统，该系统具有削峰( p s ) 和电能质量( p q ) 维护功能 1 3 i ( p s = 1 0 0 k w ，p q = 5 0 0 k w ) 。2 0 0 5 年9 月该公司和n g k 公司、s & c 电力公司达成协 议，分别采用两公司的功率模块和功率交换系统，在西弗吉尼亚州查尔顿郊区 第1 幸绪论 阿巴拉契亚电力公司的变电站建造1 2 姗7 2 m w h 的n a s 电池储能系统，用途为 削峰调节( e s ) ，该系统于2 0 0 6 年夏投入运行【l 。 克服风电场输出功率随机波动的有效途径是在风电场附近配套安装储能系 统，例如，在风电场附近建设抽水蓄能发电站，与风电场联合运行，可以平抑 风电场输出功率的随机波动【1 4 1 。但是，由于受到选址条件的限制，很难找到既 适合建风电场、又适合建抽水蓄能电站的厂址。而n a s 电池的出现，为大规模 储能提供了途径，国外n a s 电池在电力系统中的应用实例，也充分证明了n a s 电池在平抑功率波动，改善供电质量等方面的独特优势，因此将是风电场配置 储能系统的首选。 1 4本文的主要工作 本文从大力发展风力发电的背景出发，针对现有风电场输出功率波动的不 可控给电网运行带来一系列的负面影响进而限制了风电并网规模这一问题。研 究了利用n a s 电池储能系统来平抑风电输出功率随机波动的可行性。文章围绕 该问题开展研究工作。论文的主要研究内容包括以下几个方面： 1 柔性风力发电系统的构建本章分析了系统构建的期望特性，给出了由 双馈发电机组和n a s 电池储能构建的柔性风力发电系统可行方案，并初步探讨 了该系统方案的运行控制框架。 2 双馈感应风力发电机的优化运行控制双馈发电机是系统重要组成部 分，本章重点讨论了以最大风能捕获及发电机无功输出可调为目标优化运行控 制，研究了双馈发电机交流励磁控制策略和实现方法 3 风电机输出功率波动平抑控制此部分，首先重点研究了四象限运行变 流器的快速功率交换控制，之后根据平抑风电输出功率随机波动的要求设计了 储能系统功率交换控制方案，并进行了仿真研究。 一7 一 东北电力大学硕十学位论文 第2 章柔性风力发电系统的构建 2 1风力发电系统运行的期望特性 现在的风力发电系统主要存在以下缺陷： 首先表现在风能利用环节，目前部分风电场还存在大量恒速风力发电机组， 这种机组无法实现变速恒频运行，风能利用率低，而且运行时需要从系统中吸 收大量的无功，这对电网运行带来不利影响1 1 引。 其二，在并网运行环节，因为风电发电是将自然资源风能转变成电能，由 于风速的不可控，风电场并网运行的功率波动很大，这也会对电网运行的稳定 性及经济性带来负面影响。 针对以上两点，本文所构建的风力发电系统期望能有以下主要特性：( 1 ) 风力发电系统中的风力发电机组要能够实现变速恒频运行，从而实现对风能资 源的最大利用，而且运行时尽量减少对系统无功的依赖：( 2 ) 能够实现对风电 并网功率波动的平抑，在一定程度上实现风电场并网功率的可调度。 2 2柔性风力发电系统的构成 2 1 节中给出了理想风力发电系统运行的期望特性。考虑当前的技术水平， 针对运行特性的第一点要求，目前变速恒频风力发电机组已成为研究和运用的 热点，其中最具有代表性的是双馈感应式风力发电机，它可以根据风速的变化， 实现变速恒频运行，通过适当的控制还可以达到单位功率因数运行，无需电网 无功支持。 储能系统是实现对功率波动进行调控的最有效途径，通过储能系统快速吸 收“剩余能量”和补充“功率缺额”，来响应功率的波动，从而实现了功率的平 稳输出，如果储能容量足够大，还可实现功率的可调度。因此克服风电场输出 功率随机波动的有效途径是在风电场附近配套安装储能系统。n a s 电池，其功率 容量已达到兆瓦兆瓦时级水平，并且具有响应速度快、效率高、寿命长等显 - 8 - 第2 章具有平抑风力发电功串波动的系统构建 著优点。目前已被用于大规模负荷调峰控制、改善供电质量控制和弱电网的电 压调节控制等。所以针对理想风力发电系统运行特性第2 点的要求，n a s 电池储 能系统是一种现实的解决方案。 综合以上分析，本文构建风力发电系统期望能够体现理想风力发电系统的 有关特点，结合当前的风力发电技术和储能系统现状，平抑系统中的发电场将 由双馈感应式风力发电机组成，而n a s 电池则是储能方式的选择。理论上可行 的系统构成方案有：( 1 ) 在单台双馈发电机组的励磁直流环节配置n a s 电池储 能系统；( 2 ) 在风电场出口并网母线位置配置n a s 储能系统。 电 网 图2 - 3 由多台配备了n a s 储能的双馈发电机机组构成的风力发电系统示意图 东北电力大学硕十学位论文 器 巴g 乙瓯 v s c r v s c 。l 刊 + + i i t 蝴嚣 霪： i 。 蜀 y s c r v s c 。i 捌 图2 - 2 风电场出口并网母线位置配置n a s 储能的风力发电系统示意图 2 2 1 单台双馈发电机组配置n a s 电池储能 电 罔 此方案是在原双馈电机交流励磁背靠背变流器的中间直流环节添加了n a s 储能系统，其系统示意图如图2 - 1 。这种系统构成方案，以平抑和调控单台风电 机组的输出功率为目标，通过对风电场每一台机组输出功率的调控，从而实现 对整个风电场并网功率调控的效果。该方案充分利用了原有双馈电机的网侧变 流器v s c s ，省去了为n a s 储能系统专门配置功率交换控制器的环节。 2 2 2 风电场出口并网母线位置集中配置n a s 储能系统 这种方案不改变风电场现有的各机组现状，直接将储能系统配置在风电场 出口接入电网母线位置，采用一个独立的储能系统对整个风电场并网功率进行 控制和调节，系统组成方案如图2 _ 2 。 第2 章具有甲抑风力发电功率波动的系统构建 2 2 3 系统构成方案比较分析 比较图2 一l 和图2 2 可知，第一种方案从风电场的局部角度，即以较小的 储能容量平抑和控制单台风电机组的功率输出，从而实现对整个风电场并网功 率的平抑和控制的效果；第二种方案，以宏观的角度，采用集中配置储能系统 的方法，以到系统目标。从理论上讲，上面两种储能系统配置方案都能达到灵 活风力发电系统所提出的平抑和控制风电场并网功率的目标，但具体实现时方 案二将更具优势，下面进行简要分析： ( 1 ) 方案一在背靠背式直流环节添加储能环节，充分利用了既有资源，但需 要修改既有双馈发电机的励磁控制方案，这在理论上是可行的，但在实际操作 中需要机组生产厂商提供技术支持，而方案二是在不改变现有风电场设置的情 况下，而只需要外加一个相对独立的储能系统来达到平抑风电并网功率波动的 目标。 ( 2 ) 方案一立足于单台机组，这样n a s 电池配置容量就要比方案二中的集中 配置方案小很多。如果考虑到风电场中，经常出现风电机组停运或检修的实际 情况，那么方案一中的部分停运机组的储能容量将在运行中得不到充分的利用。 另外n a s 电池的具有易拆卸组装的优点，方案一中储能系统容量小的优势不大。 ( 3 ) 考虑到风电场有多台风电机组组成，而风电机组在风电场中的位置是不 同的，因此每台机组的输出风电功率的随机波动在同一时刻并不是同步的。图 2 3 ( a ) 为某一天单台风电机组的功率输出曲线，图2 - 3 ( b ) 为该天风电场中 4 台风电机组的功率输出曲线。由图可见由于风电场风电机组的分散性，各风电 机组的输出功率的此起彼伏，一定程度上削弱了风电场整体输出功率的波动， 这是方案一所没有考虑到的。 ( 4 ) 如果为风电场每台风电机组配置n a s 电池储能系统将会增加系统的维护 量，降低了系统的可靠性与经济性【1 6 1 。 东北电力大学硕十学位论文 _ 趟 粤 替 雷 趔 ：噩 糌 雷 a ) 单台机组实测输出功率曲线 时间s b ) 4 台机组实测输出功率曲线 图2 - 3 某风电场2 4 小时单台及多台机组实测输出功率曲线 综合以上几方面因素，本文选择了在整个风电场出口集中配置n a s 储能系 统的风力发电系统构建方案，运行控制也是基于此方案展开的。 2 3 系统运行控制框架 采用图2 - 2 这种风力发电系统构建方案，那么该系统的运行控制框架基本 由两部分组成：( 1 ) 双馈感应风力发电机的优化运行控制；( 2 ) 风电输出功率 随机波动的平抑控制。 第2 章只有平抑风力发电功牢波动的系统构建 关于系统中双馈感应风力发电机的优化运行控制，主要是控制双馈发电机 运行实现最大风能捕获控制和定子无功可调。此部分内容将在本文的第3 章作 重点阐述。 图2 - 4 ( a ) ，2 - 4 ( b ) 分别是风电场并网功率平抑和调控效果示意图： a ) 平抑风电场并网功率 b ) 调控风电场并网功率 ， 图2 - 4 风电场并网功率平抑和调控效果示意图( 只为风电场机组输出功率；只。为风 电场实际并网功率) 当只 k ，即只曲线位于只。曲线上方时，需要控制n a s 电池储能系统 快速吸收“剩余”功率。 当乞 ，即己曲线位于只。曲线下放时，控制n a s 电池储能系统快速补 充功率风电功率缺额 综上，要实现利用n a s 电池储能对风电场并网功率平抑或调控，其实质是 控制n a s 电池储能系统按照既定功率交换要求实现能量的存取。关于此部分控 制本文将在第4 章进行详细研究。 东北电力大学硕十学位论文 2 4 本章小结 本章分析给出了风力发电系统运行的期望特性，提出了由双馈感应式发电 机和n a s 电池储能系统构建的柔性风力发电系统方案。结合风电场实际和n a s 电池及控制器自身特点，指出在风电场接入电网侧并联n a s 电池储能系统较其 它方案具有优势，在此方案下，分析并给出了风力发电系统运行控制的基本框 架将由双馈感应发电机优化运行控制及风电输出功率随机波动的平抑控制两部 分构成。 第3 窜双馈感府风力发电机的优化运行拧制 第3 章双馈感应风力发电机的优化运行控制 本章详细介绍了双馈发电机原理及运行规律，建立了种适合双馈发电机 分析和控制的在两相同步旋转坐标系下的等值电路矢量控制模型，基于此模型， 重点研究了背靠背电压源四象限运行变流器交流励磁的双馈发电机的控制目 标、控制方式及其实现方法。其中电网侧变流器采用电网电压矢量定向控制技 术，保证电网电流的正弦性，转子侧p w m 变换器采用定子磁场定向技术，实现 最大风能捕获控制和定子无功可调，并对控制方法进行了仿真分析研究。 3 1双馈发电机 双馈发电机是本文所构建的柔性风力发电系统的重要组成部分，它具有变 速恒频运行的特点从而实现对风能最大利用，通过控制可以做到无需系统无功 的支撑等方面的优点。 3 1 1 双馈发电机原理 双馈发电机，它的结构类似于绕线式异步电机，旋转电机的定子和转子均 安放对称三相绕组，其定子与普通交流电机定子相似，定子绕组由具有固定频 率的对称三相电源激励。电机定转予极数相同。转子绕组由具有可调节频率的 对称三相电源激励。电机的转速由定转子之间的转差频率确定。电机的定转子 磁场是同步旋转的，因此它又具有类似同步电机的特性。双馈式风力发电机原 理结构如图3 一l 所示。 图3 - l 双馈感应风力发电机原理结构图 电 网 东北电力大学硕十学位论文 当发电机定子对称三相绕组由频率_ ，：的电网供电时，气隙中基波旋转磁场 的同步转速为啊，满足正= r 。码6 0 。转子由原动机带动以转速n r 旋转，而在 转子对称三相绕组中施以频率为职( j 为转差率) 的变频电源，在转子中产生三 相对称电流，它们产生的基波旋转磁势f 相对于转子而言以转差速度s 疗旋转， 相对于定子以同步转速旋转。转子磁势在气隙中建立的基波旋转磁场，在定子 绕组中产生感应电势( 频率为，：) ，该电势与外加至定子绕组中的电源电压共同 作用形成三相对称电流，由此产生的定子基波磁势只同样以同步转速旋转。定 转子磁势相对静止，在气隙中形成合成磁势f 卅，该磁势在气隙中产生合成磁场 。，分别与定转子绕组交链，在绕组中分别感应电势e 、e ( 频率为s f , ) 。 实质上，双馈电机与普通异步电机的工作原理是一致的。二者的区别在于普通 异步电机转子电流的频率取决于电机的转速，而双馈发电机转子绕组的频率由 外加交流励磁电源供电，其频率可以随之变化调节。因此，双馈发电机既具有 异步电机的工作原理，又具有同步电机的工作特性【l ”。 3 。1 2 双馈发电机等值电路及功率流向分析 双馈发电机定转子均为三相对称绕组，它均匀分布在电机圆周内，气隙均 匀，电路、磁路呈对称分布。现作如下假定：( 1 ) 只考虑定转子电流的基波分 量，忽略谐波分量；( 2 ) 只考虑定转子空间磁势基波分量；( 3 ) 忽略磁滞、涡 流损耗和铁耗；( 4 ) 变频电源可为转子提供能满足幅值、频率及功率因数要求 的电源，不计其阻抗与损耗。定子侧正方向按发电机惯例定义，转子侧正方向 按电动机惯例定义。与分析感应电机的方法类似，根据磁势与电势平衡原则， 将转子方各物理量折算至定子方，可得基本方程式如式( 3 1 ) ： 矿f = e 1 一，l ( 吒+ i x i ) 垒：啻：+ t ( 垒+ y x ：) jj 1 2 = i i + 1 m e l = e 2 e l = j i m x 。 ( 3 - 1 ) 第3 章双馈感应风力发屯机的优化运行挣制 由基本方程可得双馈发电机等值电吲1 8 1 如图3 - 2 所示 矿。! 雌套趣ll 誓 其中，矿。为定子电压；，。为定子电流；为定子电阻；工。为定子漏感抗；v 2 为折算后的转子电压；t 为折算后的转子电流；巧为折算后的转子电阻；x 2 为 折算后的转子漏感抗；j 。为激磁电流；为激磁电阻；k ，为激磁电抗；s 为转 差率；e le 2 为感应电势。另外，由于r 卅 瓦，故忽略 双馈发电机运行时，通过转子侧交换的功率为转差功率s f _ 当0 s 0 ，表示电磁功率一部分由转子方电源提供， 此时原动机提供的机械功率为( 1 - s ) e m ；当j )i辞限 东北屯力大学硕一 二学位论文 分析：0 5 秒后，发电机进入调速过程，此时风速为7 5 m s ，发电机参考 转速。，= 1 4 0 3 r p m ，转子侧变流器控制励磁电流的有功分量，让电磁转矩增大 到最大值不变，此时机械转矩将小于电磁转矩，从而使转速下降。经过0 3 秒 的调整，转速调节到参考转速，电磁转矩与机械转矩也达到平衡，进入稳态。 发电机转矩及转速波形如图3 一1 0 ，3 1 1 所示。稳态时发电处于发电机次同步运 行，转子侧馈入发电机有功功率。进入稳态时，相关波形如图3 一1 2 3 1 6 所示。 ( 2 ) 超同步运行仿真设置：0 - 0 5 s ，发电机以同步速起动运行；0 5 s 一3 s ， 切换到最大风能捕获跟踪控制模式，此时设定风速为9 m s 。定子无功指令 = 0 5 0 l e o ，o _ a t m o ，b u | i h 拄山j 舢且“l - -o _ - t 础山上u - - o _ “j j j j 饥【山_ - 吐 h 4 l a 。盛m f y 1 一”了一”：”一一” f j t 。o 再齑丽f i 茹菇r 葛f i 弱o 4 图3 1 7 发电机电磁转矩及机械转矩波形 i l | 一一。t j 一 二二：= 一、一。一1 + = ? 一2 + 一、 il卜一i lllt fff 0 m0 s 01 1 2 0 0 2 t s 3 0 0 图3 1 8 发电机实测转速与转速参考值波形 - 1 o k j ，一一 一f j ，_ ，。 一r _ _ 日z # _ 卜二：2 = = = 1 - = _ # ：。；= 二_ _ ；1 _ _ l j j _ 二_ 1 _ o d 二= t r “ 0 0 0 o _ 5 01 0 01 5 02 0 0 2 5 0 t , 0 0 图3 1 9 发电机定子功率、转子功率及机械功率波形 墨嘲棹 嚣毯罟喜糍 事斛薄 第3 帝双馈感戍风力发电机的优化运行 卒制 害 芒 督 限 招 雷 限 图3 2 0 发电机转子励磁电流波形 图3 2 】定子无功及参考设定波形 f； ，一、l l ： 、h 一i | 一 “h_ 图3 2 2 网侧变流器无功波形 分析：0 5 秒后，发电机进入调速过程，此时风速为9 m s ，发电机参考转 速c o r e r = 1 6 2 0 r p m ，发电机要加速运行维持电磁转矩为最小值不变即成为电动机 运行状态，机械力矩和定子吸收的电能都使转子加速运行，经过o 4 秒的调整， 转速调节到参考转速，转矩也达到平衡，进入稳态。发电机转矩及转速波形如 图3 1 7 ，3 1 8 所示。稳态时发电处于发电机超同步运行，发电机转差功率通过 转子馈入电网。稳态时，相关波形如图3 - 1 9 3 2 2 所示。 v ) i 蜡脚 东北屯力大学硕十学位论文 综合以上仿真可见，通过对双馈电机转子励磁的控制，实现了按照最大风 能捕获的调速运行，同时发电机和网侧变流器按控制要求都实现了发出无功功 率为0 ，保持恒功率因数为1 运行。网侧交流器实现了维持电容电压恒定的要 求，保证了转子侧交流器和网侧变流器之间有功功率平衡。 3 7本章小结 本章重点分析了双馈感应风力发电机的优化运行控制问题。采用矢量控制 的方法，建立了适合双馈发电机分析和控制的矢量模型。在此模型的基础上， 研究了实现最大风能捕获的系统控制方法，并采用矢量定向的控制技术，对双 馈发电机转子进行交流励磁控制，由此实现发电机定子输出的有功及无功功率 的解耦控制，最终可以使双馈感应风力发电机获得最大风能捕获的调速运行控 制。 第4 章风电机输功牢波动的甲抑撺制 第4 章风电机输出功率波动的平抑控制 风电输出功率随机波动的平抑是通过对n a s 电池储能系统的快速充放电控 制实现的，而四象限运行变流器功率控制是该控制实现的基础。 本章建立了计及储能系统的四象限运行变流器数学模型，对影响变流器的 稳态运行的有功功率、无功功率的参数因素进行了分析。并在该模型的基础上， 重点研究了快速调节四象限运行变流器的有功功率、无功功率控制方法。采用 基于砌轴分解的解耦控制的反馈精确线性化控制方法 2 5 3 0 ，对储能系统的功率 交换进行控制，从而实现对风电并网功率的有效平抑。 4 1 计及储能系统的四象限运行变流器数学模型与参数分析 数学建模是研究四象限运行变流器运行控制的基础，能够正确反映装置运 行的规律，对装置性能、参数分析和控制器设计都有着重要的作用。 卜 圈4 - l 三相全桥变流器运行示意图 四象限变流器可以等效为一个交流电压源，控制策略也就是控制各个时刻 的开关状态，以实现变流器输出不同的电压波形。 为了研究方便，以通过电抗器并联于电网的三相变流器为例，其直流侧接 入n a s 电池储能系统( 用一个带有内阻的直流源替代) ，这样变流器与电网之间 就可以构成四象限运行，可以吸收和发出任意有功功率、无功功率。图4 - 1 是 一种三相全桥变流器的运行示意图。 一己埠一tjll上t小 ；挚 c弄乎一 雨h 一生 一， 一 一 百一事 一茸 一一辛一 一；p虹卜ol 东北也力大学硕十学位论文 4 1 ，1 四象限运行变流器数学模型 如图4 一l 所示，图中三为交流侧串联电感，为直流侧电容电压，圪，圪，圪 为三相系统电压、屯，矗，f 。为三相输入电流、r 为串联损耗等效电阻，c 为直流 侧电容，f 0 为直流侧电流。关于四象限运行变流器在a b e 坐标下的模型在本文第 3 3 节有所介绍。( 3 - 1 0 ) 式就是四象限运行变流器在a b e 坐标下的数学模型，其 状态量为电感电流和电容电压、控制量为三相桥臂的开关状态函数。这个模型 一般应用于电流追踪控制。下面介绍一种计及储能系统的砌轴坐标下的变流器 模型，利用该模型易于实现有功无功功率的解耦控制。 砌轴坐标下的并网运行变流器等效电路图如图4 - 2 所示。 也，0 图4 - 2 由轴坐标下并网运行变流器等效电路图 ( 1 ) 对电感厶其中j = 阮，毛r 有： 工堕：u ，一酞一g j , i t 。6 设p a r k 变换矩阵为只对( 4 - 1 ) 进行p a r k 变换 上瞄( 脚一警刁= 必一心一r ( 四 最终有： 三丢眩，订一m 啦，一。】7 = ，】7 一【，r r 阮，汀 ( 2 ) 对电容c c d u a c = 乇一如d t u * ( 3 ) 不考虑变流器有功损耗，根据有功功率守佰有： ) ) ) ) 1 心 弋 q “ “