【文章內(nèi)容簡介】 ??????????00,0crrrddrdrcdwvvvPvvvvv vvPvvvvP （ ） 式（ ）中， wP 為風(fēng)力發(fā)電機輸 出的有功功率； rP 為風(fēng)力發(fā)電機輸出的額定功率。根據(jù)上式可知，風(fēng)力發(fā)電機出力情況可以分為零出力、欠出力和額定出力 [17]。雙饋風(fēng)力發(fā)電機簡化輸出功率 風(fēng)速特性曲線如下： 圖 風(fēng)機輸出功率特性曲線 風(fēng)電場一般占地面積較大，各臺風(fēng)力發(fā)電機工況也不一樣，再加上風(fēng)電場內(nèi)部尾流效應(yīng)作用，都會對風(fēng)電場輸出功率產(chǎn)生影響。本研究假設(shè)風(fēng)電場內(nèi)所有風(fēng)電機組的工況相同，同時不考慮尾流效應(yīng)的影響，將所有風(fēng)電機組的輸出功率相加作為整個風(fēng)電場的輸出功率。 儲能系統(tǒng) 儲能技術(shù)簡介 目前主要的儲能方式有物理儲能、電化學(xué)儲能、電磁儲能和相變儲。其中，物理儲能方式可以分為抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等；電磁儲能方式主要是超導(dǎo)儲能；電化學(xué)儲能設(shè)備有超級電容、各類蓄電池、化學(xué)電池、燃料電池、鋰離子電池、鈉硫電池和液流電池等；相變儲能主要是冰蓄冷儲能。下面將重點研究目前使用較多和具有發(fā)展優(yōu)勢的幾種儲能方式。 抽水蓄能 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 9 抽水蓄能是將下游水泵入上游水庫中，需要時再放水發(fā)。這一過程是先將富余電力轉(zhuǎn)化為水的勢能，在用電高峰時將儲存的這部分勢能再轉(zhuǎn)化為電能的方法 ,就目前技術(shù)水平可以達 到 70%一 85%的利用效率。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。因此這一儲能方式對于電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行可以起到重要的作用，目前這一儲能方式在很多國家都有應(yīng)。但是抽水蓄能電站的建設(shè)必須依賴必要的地理條件，不是所有地區(qū)都適合建設(shè)，而且初期投資成本較高 ,建設(shè)周期較長，這些因素都影響著抽水蓄能的應(yīng)用。 壓縮空氣儲能 壓縮空氣儲能是用電能將空氣壓縮儲存在高壓的密閉裝置里，需要的時候再釋放。壓縮空氣協(xié)助推動燃氣輪機發(fā)電，一 般空氣存儲設(shè)施都在地下。在燃氣輪機發(fā)電過程中，使用壓縮空氣可以節(jié)省 40%的燃氣 [18]，減少排放。目前這種儲能方式功率密度較高，其安全可靠性較高，可以用于峰谷調(diào)節(jié)，平衡負荷；但是其能量密度較低，而且受地理環(huán)境條件制約，目前僅有少數(shù)發(fā)達國家有應(yīng)用。 飛輪儲能 飛輪儲能是將電能轉(zhuǎn)化為機械能存儲的一種儲能方法，在需要再將機械能轉(zhuǎn)化為電能輸出。飛輪儲能技術(shù)的發(fā)展主要得益于材料科學(xué)的進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。這一儲能方式的原理是在電能富裕時由電能驅(qū)動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能變?yōu)轱w輪的動能。由 于使用了磁懸浮軸承，使飛輪旋轉(zhuǎn)時的損耗極低；當(dāng)需要電能輸出時在由飛輪驅(qū)動發(fā)電機輸出有功。飛輪的功率密度和能量密度可以滿足 MW 級功率輸出數(shù)小時，因此可以用于電網(wǎng)調(diào)峰、功率平滑、頻率控制、不間斷電源等用途，值得稱道的是它的轉(zhuǎn)換效率可以達到90%以上 [18]，循環(huán)壽命長、無污染、維護簡單、配置方案靈活易行。因此飛輪儲能技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注和研究，許多公司也推出了系列產(chǎn)品。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。 電磁儲能技術(shù) 電磁儲能的主要形式是超導(dǎo)儲能，這種儲能方式利用超導(dǎo)體制 成的線圈存儲磁場能量，需要能量輸出時直接由磁能轉(zhuǎn)換為電能輸出。這一儲能方法的轉(zhuǎn)換過程只有電能和磁能的直接變換，因此能量損耗非常低，這個儲能系統(tǒng)的能量利用東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 10 效率非常高。并且能量釋放速度快，功率密度都比較大。目前國際上己經(jīng)有 Mw級 /Gwh 級超導(dǎo)儲能設(shè)備投入運行。它可以為電網(wǎng)提供電壓支撐、頻率調(diào)節(jié)、功率平衡、穩(wěn)定電網(wǎng)系統(tǒng)等作用。超導(dǎo)儲能有著良好的性能特點和轉(zhuǎn)化效率，但是大容量儲能的成本比較高。隨著該技術(shù)研究進一步的深入，其性能將更加完善并且成本也進一步降低，會有更好的應(yīng)用前景。 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。由于電極的特殊結(jié)構(gòu)以及微小的層間距，使得電極表面積大大增加，所以電容量也變得很大。超級電容不僅能量密度高，而且循環(huán)壽命長、能量損失小、轉(zhuǎn)換過程中沒有經(jīng)過其他能量形式，可靠性高、維護量小，這些優(yōu)點使得超級電容的應(yīng)用和研究已經(jīng)非常廣泛。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，超級電容技術(shù)日趨成熟，己經(jīng)可以達到數(shù)百 kw 的輸出輸入能力。目前超級電容已經(jīng)應(yīng)用于電動汽車儲能、大功率電機 啟動支撐與再生制動儲能等方面，并且電力系統(tǒng)領(lǐng)域也在進行改善電能質(zhì)量提高可再生能源供電可靠性等方面的研究。 電池儲能 電池儲能已經(jīng)存在了很長時間，比如鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰電池等這些電池形式都是我們身邊常見的。雖然電池的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，但是傳統(tǒng)電池的性能和壽命還是有待于進一步的研究改善。最近幾年出現(xiàn)的新型電池吸引了大量關(guān)注，鈉硫電池和釩流電池最為代表具有較大的能量密度和功率密度 。 放電深度更深、循環(huán)壽命長、系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率高等特點，己經(jīng)顯現(xiàn)出未來應(yīng)用的巨大優(yōu)勢。 表 常見儲能技術(shù)及其應(yīng)用方向 分類 儲能技術(shù) 比能量（ Whkg） 循環(huán)次數(shù) 效率（ %） 響應(yīng)時間 機械儲能 抽水蓄能 ~ 60~70 1~24h 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 11 壓縮空氣儲能 30~60 40~50 1~24h 飛輪儲能 10~30 20210 70~80 ms~15min 電磁儲能 超導(dǎo)儲能 ~5 100000 80~95 ms~s 超級電容儲能 ~15 100000 70~80 ms~60min 電化學(xué)儲能 鉛酸電池 30~50 500~1000 60~70 ms~h 鈉硫電池 150~240 2500 70~80 s~h 全釩液流電池 75~200 13000 85~95 s~h 儲能技術(shù)在風(fēng)電場的應(yīng)用 隨著我國風(fēng)力發(fā)電的迅速發(fā)展，許多大型風(fēng)電場先后建成。由于大型風(fēng)電場大多處于我國西部電力負荷較小的區(qū)域，因此大型風(fēng)電場必須將富余的電能通過電網(wǎng)輸送到東部沿海用電的負荷中心。然而風(fēng)能是一種間歇性、隨機波動的能源，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)運行的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性帶來負面的影響。特別是當(dāng)風(fēng)電所占比重過大時，會使電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻壓力增大。如果采取限制 風(fēng)電場接入電網(wǎng)比重的方式將會極大的減小風(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能系統(tǒng)調(diào)節(jié)大型并網(wǎng)風(fēng)電場的功率輸出，為電網(wǎng)提供穩(wěn)定可靠的電能。 儲能系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用于平滑風(fēng)電場輸出功率的波動，使得風(fēng)電場可以作為可調(diào)度的機組運行，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)電場通過儲能系統(tǒng)進行儲存轉(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)電場運行的經(jīng)濟效益，進而提高風(fēng)電場在電力市場的競爭力，促進我國風(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)電很難跟蹤負荷的變化。所以，如果在風(fēng)電場配置一定容量的儲能系統(tǒng)，將對風(fēng)電場并網(wǎng)運行的穩(wěn)定性起到非常重要的作用，其主要體現(xiàn)在以下幾個方面 [19][21]： 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 12 增強風(fēng)電場并網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。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，增強穩(wěn)定性。 保證風(fēng)電場持續(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，風(fēng)電場往往不能穩(wěn)定的輸出 電能，此時儲能系統(tǒng)存儲的電能可以起到一定的功率支撐作用，用以保證對電網(wǎng)持續(xù)、可靠的供電。 利用儲能系統(tǒng)優(yōu)化風(fēng)電運行經(jīng)濟性。儲能系統(tǒng)能夠有效的解決風(fēng)力發(fā)電波動性對電力系統(tǒng)備用容量增加的要求，改善電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性。特別是在我國電力市場實施峰谷電價的情況下，利用儲能系統(tǒng)實現(xiàn)風(fēng)電場電能在時間軸上的平移，優(yōu)化風(fēng)電場運行的經(jīng)濟性。 適用于風(fēng)力發(fā)電儲能的技術(shù)及特點 在各種儲能技術(shù)具有不同的特性，使用的場合也不同。用于電力系統(tǒng)儲能的裝置根據(jù)其作用不同可大致歸為三類：穩(wěn)定電能質(zhì)量（秒級或更少，保證電能質(zhì)量穩(wěn)定 ）；平滑功率（秒級至分鐘級，保證連續(xù)可靠的功率輸出）；能量調(diào)度和管理（數(shù)分鐘到小時甚至更長，實現(xiàn)削峰填谷，能量備用）。在儲能方式的選擇上，除了根據(jù)能量功率特點是否適合外，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)生波動的問題，需要結(jié)合風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特性選擇合適的儲能方式，這里我們要考慮用于平滑功率輸出、能夠協(xié)助電網(wǎng)實現(xiàn)一定規(guī)模能量調(diào)度的儲能方式。因此總體考慮能夠滿足風(fēng)電場需求，而且不受環(huán)境因素制約，能夠靈活方便的安裝調(diào)試。通過對之前各種儲能技術(shù)的了解，超級電容儲能具有能量密 度高、循環(huán)壽命長、能量損失小等優(yōu)點，因此本文選擇超級電容器儲能模型進行研究。 本章小結(jié) 本章首先介紹了雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機的原理及其特點，給出了雙饋發(fā)電機簡化功率輸出函數(shù)關(guān)系；其次介紹了各種儲能技術(shù)的優(yōu)缺點以及在電力系統(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能方式進行研究，得到以下幾點結(jié)論： 雙饋風(fēng)力發(fā)電機具有轉(zhuǎn)速范圍大，響應(yīng)速度快，風(fēng)能捕獲效率高，有功東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 13 功率和無功功率控制靈活，運行成本低等各種優(yōu)點，使其成為現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電的主流機型。 為了研究的方便，忽略其他影響風(fēng)電機組的功率輸出的因素 ，給出了雙饋機風(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)電機組的輸出功率。 結(jié)合各種儲能技術(shù)的特點及風(fēng)力發(fā)電的需求，本文采用超級電容器儲能技術(shù)對下文仿真模型進行研究。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 14 第 3 章 風(fēng)電場儲能系統(tǒng)配置方式 配置方式分類 給風(fēng)電場配置一定規(guī)模的儲能系統(tǒng)可以平抑風(fēng)電場輸出功率的波動，儲能系統(tǒng)的配置方式通常有 2 種。（ 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)。（ 2）分布配置，在每臺風(fēng)力發(fā)電機勵磁直流環(huán)節(jié)單獨配置儲能系統(tǒng)或者是在每臺雙饋風(fēng)力發(fā)電機的輸出 端配置儲能系統(tǒng)。圖 和 分別給出了這兩種種儲能配置方式的示意圖。 圖 分布儲能配置方式 圖 集中儲能配置方式 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 15 方式（ 1）是在原有的雙饋風(fēng)力發(fā)電機勵磁背靠背變流器的直流環(huán)節(jié)加入儲能系統(tǒng)。該配置方式以調(diào)節(jié)單臺風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率為目標，通過對風(fēng)電場各臺風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率進行平抑，從而達到對整個風(fēng)電場輸出功率的平抑。該方式由于利用了雙饋風(fēng)力發(fā)電機原有的網(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)電機的控制復(fù)雜度和可 靠度。給雙饋風(fēng)力發(fā)電機配置儲能系統(tǒng)還有另外一種方式，即在雙饋風(fēng)力發(fā)電機輸出端利用 AC/DC 變換器連接儲能系統(tǒng)，通過對AC/DC 變換器的功率解耦控制實現(xiàn)對風(fēng)電機的輸出功率的平滑控制，此方式由于加裝了額外的 AC/DC 功率變換器，因此無需改變雙饋風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)和控制方式，采用了獨立的儲能控制系統(tǒng)，控制更加方便和靈活。 方式（ 2）是在風(fēng)電場出口母線處，配置一個獨立的儲能系統(tǒng)對整個風(fēng)電場的輸出功率進行調(diào)節(jié)和控制。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。從理論上分 析，以上兩種儲能系統(tǒng)配置方式均可以實現(xiàn)對風(fēng)電場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，由于超級電容器隨著容量的增加成本較高，且集中式儲能需要儲能元件具有一定的容量，因此，超級電容器儲能技術(shù)多用于分布式儲能方式。 分布式儲能方式 目前主流的雙饋風(fēng)力發(fā)電機和直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機在兩側(cè)變流器之間都含有直流環(huán)節(jié)，因此可以將超級電容器通過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，儲能系統(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，實現(xiàn)功率的平滑輸出；當(dāng)風(fēng) 速上升時，風(fēng)力機吸收的功率超過了電網(wǎng)恒功的需求，可以將多余的能量傳送到直流側(cè)，由儲能系統(tǒng)吸收，即實現(xiàn)了恒功率輸出，又節(jié)約了能源。這就是儲能系統(tǒng)并聯(lián)在直流側(cè)的工作原理。 雙向直流變換器控制模型 為了實現(xiàn)能量在超級電容和電機直流側(cè)的雙向流動，需要配置雙向直流變換器。目前各類雙向直流變換器拓撲結(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)構(gòu)簡單，比較適合超級電容儲能系統(tǒng)。東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 16 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)接超級電容，高壓側(cè)接風(fēng)力發(fā)電機直流側(cè)，如圖 所示。 圖 雙饋風(fēng)力發(fā)電機直流側(cè)并聯(lián)超級電容 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)時的工作過程。 在 boost 工作模式下， gl 與 g2 開關(guān)狀態(tài)相反， gl 等效為二極管，拓撲如下圖 所示。 圖 boost 升壓電路拓補 在 boost 升壓模