【正文】 給出了風(fēng)電場兩種儲能系統(tǒng)配置方案，集中式配置和分布式配置，并比較這兩種方式的各自優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合超級電容器儲能技術(shù)的特點(diǎn)，最后得出超 級電容器應(yīng)運(yùn)用于分布式儲能系統(tǒng)中。時間常數(shù) ? = 時的輸出功率的圖像比時間常數(shù) ? = 時的輸出功率的圖像更加平滑，平抑的效果更為明顯。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率模型仿真 本文第二章詳細(xì)介紹了雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的原理和風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率隨時間變化的曲線（如圖 所示），因此，我們根據(jù)式（ ）建立在該風(fēng)速下風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率的 simulink 仿真模型，如圖 所示。 圖 直流降壓電路仿真模型 仿真波形如圖 、圖 所示 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 29 圖 直流降壓斬波電路負(fù)載電壓 圖 直流降壓斬波電路負(fù)載電流 該模型仿真時間為 ，電路大約在 時達(dá)到穩(wěn)態(tài)，電網(wǎng)側(cè)開始向儲能電容器測充電。 Matlab 的圖形界面具有直觀簡單的特征，能夠描述許多用語言難以表達(dá)的信息，可以加快建模速度，提高仿真精度和仿真效率。從用戶新打開的設(shè)置參數(shù)對話框可以了解很多，一方面能夠清楚地看到模塊中每項(xiàng)默認(rèn)參數(shù)，另一方面按照系統(tǒng)要求來重新設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)。 （ 3） Simulink 提供了對子系統(tǒng)進(jìn)行封裝的功能 ,用戶可以自定義子系統(tǒng)的圖標(biāo)和設(shè)置參數(shù)對話框。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 25 Matlab 及 Simulink 的仿真基礎(chǔ) Simulink 于 20 世紀(jì) 90 年代初有 Mathworks 公司開發(fā)，是 Matlab 環(huán)境下對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的一個軟件包。將建立的超級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，通過對仿真的波形進(jìn)行分析，得出時間常數(shù) ? 與平抑功率波動的作用效果和對超級電容器容量要求的關(guān)系，最后針對本文的算例，給出了在本文的發(fā)電系統(tǒng)中時間常數(shù) ? 的最優(yōu)值，并東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 23 對此進(jìn)行驗(yàn)證。為使參數(shù)確定較為容易且不失儲能元件的充放電特性，本文中超級電容器組采用一階 RC 模 型，如圖 所示 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 21 圖 超級電容等效模型 根據(jù)圖 所設(shè)置的超級電容器模型，我們可建立式（ ）微分方程： xyy uudtduRC ?? （ ） 將式（ ）變換到 S 域可得其傳遞函數(shù)為： ssH ???11)( （ ） 將 fjs ?2? 代入式（ ）可得該傳遞函數(shù)幅頻特性和相頻特性分別為： 12 1)( ?? ??fjfH （ ） 2)2(11)( ??ffA ?? （ ） 該傳遞函數(shù)幅頻特性如圖 所示 圖 幅頻特性圖像 從該傳遞函數(shù)的幅頻特性可以看出，對于振幅相同的輸入信號，頻率越高的信號輸出的幅值 越小，即低頻率的信號比高頻率的信號更易通過，高頻率信號得東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 22 到大大的抑制。利用傅里葉變換可以將風(fēng)電功率波動分解為不同頻率范圍的波動，按變化的頻率范圍可分為三部分 [27] ：低頻區(qū)（ 及以下 ）、中頻區(qū)（ ~1HZ）及高頻區(qū)（ 1HZ 及以上 ）。 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 個部分組成 [23][26]。 將實(shí)際的風(fēng)機(jī)的輸出功率 P 與該段時間對應(yīng)的 refP 進(jìn)行比較，若 P refP ，則超級電容器應(yīng)工作在充電狀態(tài)，此時 1IGBT 導(dǎo)通， 2IGBT 關(guān)斷，電路為降壓電東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 18 路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)。變換器低壓側(cè)接超級電容，高壓側(cè)接風(fēng)力發(fā)電機(jī)直流側(cè)，如圖 所示。這種方式是從整個風(fēng)電場的角度出發(fā)，采用集中配置儲能系統(tǒng)來控制和調(diào)節(jié)風(fēng)電場的并網(wǎng)功率。（ 1）集中配置，在整個風(fēng)電場出口母線處集中安裝儲能系統(tǒng)。在儲能方式的選擇上，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。儲能系統(tǒng)能夠快速的吸收和釋放有功功率和無功功率，平滑風(fēng)電場輸出功率波動，改善系統(tǒng)的有功功率、無功功率的平衡，增強(qiáng)穩(wěn)定性。然而風(fēng)能是一種間歇性、隨機(jī)波動的能源，大型風(fēng)電場并網(wǎng)后，其輸出功率的波動將會給整個電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性帶來負(fù)面的影響。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，超級電容技術(shù)日趨成熟，己經(jīng)可以達(dá)到數(shù)百 kw 的輸出輸入能力。并且能量釋放速度快，功率密度都比較大。飛輪儲能技術(shù)的發(fā)展主要得益于材料科學(xué)的進(jìn)步和電力電子變流技術(shù)、電磁和超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)的發(fā)展。這一儲能方式多用于電能調(diào)度管理，儲存能量較大，可以滿足數(shù)小時至數(shù)天甚至更長時間的電網(wǎng)功率支撐，可以用來調(diào)峰填谷、高峰備用、調(diào)相調(diào)頻。根據(jù)上式可知，風(fēng)力發(fā)電機(jī)出力情況可以分為零出力、欠出力和額定出力 [17]。 ② 通過對勵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)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出有功功率和無功功率的獨(dú)立控制。例如，無刷雙饋風(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)、磁場調(diào)制時發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、開關(guān)磁阻式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、無刷爪極式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)等。所以說，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。在風(fēng)速頻繁變化的風(fēng)電場中，風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械部件會疲勞損壞甚至不能使用。 本文的研究內(nèi)容 從前文所述的文獻(xiàn)中我們可以看出，儲能技術(shù)對于增強(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能技術(shù)作用后對于風(fēng)力發(fā)電的改善效果，而在實(shí)際運(yùn)用中，我們需要分析比較各種儲能技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及它們各自的適用范圍，從各個方面分析比較，選出合適的儲能技術(shù)，并且在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中對該種儲能技術(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。文獻(xiàn) [10]研究了超級電容器儲能系統(tǒng)在提高風(fēng)電場并網(wǎng)穩(wěn)定性的應(yīng)用，仿真結(jié)果表明，超級電容儲能能夠較好的減小風(fēng)電并網(wǎng) PCC 的電壓波動，增強(qiáng)風(fēng)電并網(wǎng)穩(wěn)定性。 課題研究現(xiàn)狀 風(fēng)電功率輸出由于受天氣和地理?xiàng)l件的影響具有很大的波動性和隨機(jī)性，在風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行時，風(fēng)電功率的這種特性將會給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量造成很大的影響，尤其是隨著我國風(fēng)電并網(wǎng)的規(guī)?？焖僭鲩L，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。根據(jù)實(shí)際風(fēng)電場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)電場的輸出功率往往具有很大的波動性，其在一分鐘的間隔內(nèi)功率輸出變化最大可達(dá) 60%的風(fēng)電場裝機(jī)容量。 Power fluctuations。然而，隨著并網(wǎng)風(fēng)電場規(guī)模的不斷增大，風(fēng)電功率的隨機(jī)性和波動性對電力系統(tǒng)的影響越來越明顯。 關(guān)鍵詞 風(fēng)力發(fā)電；功率波動；超級電容儲能 ； 控制策略 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 II Abstract With the global energy and environment issues have bee increasingly prominent,wind power as a cleanamp。在我國，近十多年來風(fēng)力發(fā)電也獲得了迅猛的發(fā)展，風(fēng)電裝機(jī)容量從 2021 年至 2021 年五年時間逐年翻倍，并達(dá)到41830MW 而超越美國成為世界第一風(fēng)電大國，中國可再生能源協(xié)會根據(jù)當(dāng)前風(fēng)電發(fā)展趨勢預(yù)測，到 2020 年底，我國全國風(fēng)電總裝機(jī)容量將超過 30GW。在風(fēng)電場配置一定容量的儲能系統(tǒng)可以很好解決風(fēng)電功率波動性和間歇性的缺點(diǎn)，通過控制儲能系統(tǒng)和風(fēng)電場的協(xié)調(diào)運(yùn)行來調(diào)節(jié)風(fēng)電場注入電力系統(tǒng)的功率波動， 使風(fēng)電場注入電力系統(tǒng)的功率波動滿足系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。 目前國內(nèi)外對于儲能技術(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方面：一是利用儲能系統(tǒng)增強(qiáng)風(fēng)電并網(wǎng)穩(wěn)定性；二是利用儲能系統(tǒng)提高電能質(zhì)量。文獻(xiàn) [13]利用 BESSSTATCOM 集成單元快速調(diào)節(jié)風(fēng)電場輸出有功功率和無功功率，維持風(fēng)電場并網(wǎng)電壓的恒定。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。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)可以及時的吸收因?yàn)轱L(fēng)速突然增加而產(chǎn)生的巨大風(fēng)能。 最后，通過風(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)。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。風(fēng)機(jī)從風(fēng)中吸收的能量可用下式表示： 321 vACPp ?? （ ） 式中， P 為風(fēng)輪機(jī)輸出功率； pC 是風(fēng)輪的功率系數(shù)，其最大值為 （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。下面將重點(diǎn)研究目前使用較多和具有發(fā)展優(yōu)勢的幾種儲能方式。在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電過程中，使用壓縮空氣可以節(jié)省 40%的燃?xì)?[18]，減少排放。隨著飛輪的大型化和高速度發(fā)展趨勢，未來飛輪儲能方式有著廣闊的發(fā)展空間。 超級電容器儲能 超級電容器又叫做 電化學(xué)雙層電容器，功率密度高 ,能夠提供強(qiáng)大的脈沖功率，充電時電極表面處于理想極化狀態(tài)，電荷吸引電解質(zhì)溶液中的異性離子覆于電極表面形成雙電荷層，構(gòu)成雙電層電容。 放電深度更深、循環(huán)壽命長、系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)，己經(jīng)顯現(xiàn)出未來應(yīng)用的巨大優(yōu)勢。此外，風(fēng)電場通過儲能系統(tǒng)進(jìn)行儲存轉(zhuǎn)換，不僅可以提高風(fēng)電場輸出電能的質(zhì)量，而且可以增加風(fēng)電場運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)而提高風(fēng)電場在電力市場的競爭力，促進(jìn)我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)快速發(fā)展 。特別是在我國電力市場實(shí)施峰谷電價的情況下，利用儲能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場電能在時間軸上的平移，優(yōu)化風(fēng)電場運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。 為了研究的方便，忽略其他影響風(fēng)電機(jī)組的功率輸出的因素 ，給出了雙饋機(jī)風(fēng)速 功率輸出的簡化函數(shù)關(guān)系，忽略尾流效應(yīng)等因素，將風(fēng)電場總的輸出功率等效為單臺風(fēng)電機(jī)組的輸出功率。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，所以無需為連接儲能系統(tǒng)而額外的配置功率變換器，但此時會改變網(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。 雙向直流變換器控制模型 為了實(shí)現(xiàn)能量在超級電容和電機(jī)直流側(cè)的雙向流動，需要配置雙向直流變換器。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 所示。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 19 第 4 章 超級電容器儲能原理及建模 風(fēng)力機(jī)建模 風(fēng)力機(jī)作為能量轉(zhuǎn)換的重要部件，是整個發(fā)電系統(tǒng)需要首先考慮的部分。 wrV 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： ???????????????2m a x21212m a x1)1(0ttVttttt ttVttVrrwr （ ） 其中， maxrV 表示漸變風(fēng)峰值， 1t 和 2t 則分別表示漸變風(fēng)的起始時間和終止時東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 20 間。超級電容在風(fēng)力發(fā)電、電動汽車及軌道交通等方面具有廣泛的應(yīng)用前景 [28] 。 由式（ ）和（ ）得出儲能系統(tǒng)所需要吞吐的功率： wb PssP ????1 （ ） 由 風(fēng)電功率波動平抑目標(biāo)可知，儲能系統(tǒng)需要對風(fēng)電功率波動中頻區(qū)的部分分量進(jìn)行平抑，因此，超級電容器儲能系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的截止頻率 cf 應(yīng)取 ~1HZ，當(dāng) cf = 時， ?? ；當(dāng) cf =1HZ 時， ?? 。 (2)運(yùn)算法則 (3)建模和仿真 (4)數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)研究和可 視化 (5)科學(xué)工程圖形 (6)應(yīng)用程序開發(fā)，包括創(chuàng)建圖形用戶接口。除包括輸入信號源（ Sources）模塊庫、輸出接收（ Sinks）模塊庫、連續(xù)（ Continuous）系統(tǒng)模塊庫、離散（ Discrete）系統(tǒng)模塊庫、數(shù)學(xué)運(yùn)算（ Math Operations）模塊庫等許多標(biāo)準(zhǔn)模塊外，用戶還可以自定義和創(chuàng)建模塊。 （ 3）根據(jù)系統(tǒng)圖所要求的參數(shù)來改變繪制模型窗口中模塊的參數(shù)。在 Matlab 軟件中，提供了power2sys 函數(shù)作為短路模型的結(jié)構(gòu)分析函數(shù)，可以利用 power2sys 函數(shù)將電力系統(tǒng)的電路圖模型向狀態(tài)方程模型和傳遞函數(shù)模型進(jìn)行變換。 buck 降壓電路仿真分析 當(dāng)雙向直流電路工作在 buck 狀態(tài)時，超級電容器處于充 電狀態(tài)，此時我們可以將電容儲能元件等效為負(fù)載，而將電網(wǎng)直流側(cè)等效為直流電源，電路工作情況類似于降壓斬波電路，下面我們對降壓斬波電路進(jìn)行 simulink 仿真分析。仿真時間設(shè)置為 s12 ，仿真的結(jié)果如圖 所示。如圖 所示。因此，我們在選擇電容器的時間常數(shù) ? 時，需要綜合考慮。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 37 參 考 文 獻(xiàn) [1] 杜