【正文】 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 37 參 考 文 獻(xiàn) [1] 杜松懷，溫步壕，蔣傳文 .電力市場 .北京：中國電力出版社 [J], ~22. [2] Shuttleworth G,Williams I. Allocation Transmission Losses： Methods and Criteria. A Submission to the DICG Prepared by NERA. London： 1999. [3] Mutale J， Strbac G, Curcic S， et al. Allocation of Losses in Distribution Systems with Embedded Generation. IEEE Proc on Genre， Transmamp。 分析了超級電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電路結(jié)構(gòu)，即雙向 buck/boost 直流變換器，介紹了該變換器工作在不同狀態(tài)時(shí)的電路結(jié)構(gòu)，并提出了基于定時(shí)間平均功率比較的直流變換器控制策略。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 36 結(jié) 論 本文針對 風(fēng)電場輸出功率隨機(jī)性和波動(dòng)性問題，研究了利用儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑風(fēng)電功率波動(dòng)的新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，對儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)電場配置方式、儲(chǔ)能技術(shù)的選取、風(fēng)電場功率波動(dòng)平抑策略、儲(chǔ)能技術(shù)中相關(guān)參數(shù)的選取等問題進(jìn)行了深入的研究，主要研究內(nèi)容和結(jié)論總結(jié)如下： 介紹了現(xiàn)如今使用的各種儲(chǔ)能技術(shù)，并分析各種儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合風(fēng)電場輸出功率的特性，最后選用超級電容器儲(chǔ)能技術(shù)對風(fēng)電場的電能質(zhì)量進(jìn)行改善。因此，我們在選擇電容器的時(shí)間常數(shù) ? 時(shí)，需要綜合考慮。即時(shí)間常數(shù) ? 越大，流入儲(chǔ)能元件中的功率越多。即時(shí)間常數(shù) ? 越大，輸出功率平抑的作用效果越明顯。將經(jīng)過儲(chǔ)能元件平抑后的輸出 功率波形和未加儲(chǔ)能元件時(shí)的輸出功率波形進(jìn)行比較，結(jié)果如圖 所示： 圖 經(jīng)儲(chǔ)能元件平抑后輸出功率仿真圖像 此時(shí)，對應(yīng)的 ? 的值為 和 時(shí)，對應(yīng)的超級電容器在平抑功率波動(dòng)時(shí)的吞吐功率的功率變化曲線仿真圖像如圖 所示： 圖 儲(chǔ)能元件吞吐功率仿真圖像 比較圖 和圖 ，我們可以得到如下結(jié)論： 對于平抑輸出功率波動(dòng)而言，超級電容器能夠平抑輸出功率的波動(dòng)，但是它的作用效果與其電容器的時(shí)間常數(shù)有關(guān)。如圖 所示。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 32 圖 風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率 simulink 仿真模型 圖 顯示，該風(fēng)力發(fā)電機(jī)在 12s 的仿真時(shí)間里，完整的集合了零出力、欠出力和額定出力三種風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，符合風(fēng)力機(jī)的輸出特點(diǎn)，下文我們將使用超級電容器儲(chǔ)能技術(shù)對該風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率進(jìn)行平抑仿真。 圖 風(fēng)力發(fā)電機(jī) simulink 仿真模型 在上述風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型中，本文設(shè)置風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定功率為 kw300 ，風(fēng)機(jī)切入 風(fēng)速、切出風(fēng)速分別為 sm/10 、 sm/20 。基本風(fēng)速在 sm/8 ，有風(fēng)速的躍升和驟降，也有風(fēng)速隨機(jī)變化的特點(diǎn)。仿真時(shí)間設(shè)置為 s12 ，仿真的結(jié)果如圖 所示。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 30 風(fēng)速模型仿真 我們由前文 可知，自然界的風(fēng)主要由自然風(fēng)由基本風(fēng)、陣風(fēng)、階躍風(fēng)以及隨機(jī)風(fēng) 4 個(gè)部分組成，且風(fēng)速的形式可以由式（ ） ~（ ）所表示，因此，我們可以根據(jù)上述式子，在 simulink 中搭建如下仿真模型，如圖 所示： 圖 風(fēng)速 simulink 仿真模型 在上述的風(fēng)速仿真實(shí)驗(yàn)中，本文設(shè)置基本風(fēng)速為 sm/8 ，陣風(fēng)的起始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間分別為 s3 和 s6 ，漸變風(fēng)的起始終止時(shí)間則分別為 s4 和 s11 ，峰值為sm/10 。 當(dāng) IGBT 管導(dǎo)通時(shí)，直流電流源給 RL負(fù)載供電，負(fù)載側(cè)電壓升高；當(dāng) IGBT管斷開時(shí)，直流電源側(cè)斷路，負(fù)載側(cè)的 RL 負(fù)載和反電動(dòng)勢通過續(xù)流二極管向外放電，是負(fù)載側(cè)的電壓降低，從圖中的仿真圖像可以看出，負(fù)載側(cè)電壓的有效值比直流電源電壓低，因此該電路為降壓電路。開關(guān)采用 IGBT 為模型，驅(qū)動(dòng)信號頻率為 1000Hz，占空比為 70%。 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(shí)，超級電容器處于充 電狀態(tài)，此時(shí)我們可以將電容儲(chǔ)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。 圖 直流升壓斬波電路仿真模型 仿真波形如圖 、圖 所示 圖 直流升壓斬波電路負(fù)載電壓 圖 直流升壓斬波電路負(fù)載電流 該模型仿真時(shí)間為 ，電路大約在 時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，儲(chǔ)能電容器開始向東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 28 電網(wǎng)直流側(cè)供電。 雙向直流變換器的 simulink 仿真 在 Matlab 中采用 simulink 仿真軟件對雙向直流變換電路進(jìn)行仿真，這里我們分別模擬 boost 升壓電路和 buck 降壓電路的運(yùn)行特性 boost 升壓電路仿真分析 當(dāng)雙向直流電路工作在 boost 狀態(tài)時(shí)，超級電容器處于放電狀態(tài)，此時(shí)我們可 以將電容儲(chǔ)能元件等效為直流電源，而將電網(wǎng)直流側(cè)等效為負(fù)載，電路工作情況類似于升壓斬波電路，下面我們對升壓斬波電路進(jìn)行 simulink 仿真分析。電力系統(tǒng)仿真工具箱包括電源模塊、電力元件模塊庫、電力電子 元器件模塊庫、電動(dòng)機(jī)模塊庫、測量模塊庫、應(yīng)用模塊庫、特別模塊庫以及電氣系統(tǒng)仿真分析的圖形用戶接口。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。 Simulink 在電力系統(tǒng)的建模與仿真應(yīng)用 電力系統(tǒng)一般由發(fā)電機(jī)、變 壓器、電力線路和電力負(fù)荷構(gòu)成。 （ 4）根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)模型的要求，對于各個(gè)模塊框圖按要求適當(dāng)?shù)倪B接起來。當(dāng)用戶重新設(shè)置模塊參數(shù)時(shí)，首先用鼠標(biāo)左鍵對模塊進(jìn)行雙擊，將 模塊的參數(shù)對話框快速的打開。 （ 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)。 （ 2）開始對于 Simulink 模塊庫界面進(jìn)行瀏覽，對于系統(tǒng)中所需 要的模塊應(yīng)該從模塊庫中用鼠標(biāo)拖放到編輯窗中相應(yīng)的位置。 啟動(dòng) Simulink 后，建模仿真就可以在 Simulink 中實(shí)現(xiàn)。 （ 2） Simulink 的模型具有層次性 ,通過底層子系統(tǒng)可以構(gòu)建上層母系統(tǒng)。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。假 如其中一個(gè)模塊沒來的急進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，這種情況就說明此時(shí)這個(gè)系統(tǒng)中的這個(gè)模塊使用的參數(shù)是Simulink 中原先給這這個(gè)模塊設(shè)置的參數(shù)，即為默認(rèn)參數(shù)值。 Simulink 給用戶提供清晰的圖形界面，用戶很方便的拿鼠標(biāo)來進(jìn)行操作，標(biāo)準(zhǔn)模塊可以從模塊庫中被調(diào)用出來，將需要的標(biāo)準(zhǔn)模塊準(zhǔn)確的連接起來就可以構(gòu)成用戶所希望的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，雙擊每個(gè)模塊找到各自的參數(shù)對話框圖來設(shè)置系統(tǒng)中每個(gè)模塊的參數(shù)。 MATLAB 軟件明顯的特點(diǎn)有編程效 率快、計(jì)算能力強(qiáng)、使用簡單。 (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。 Matlab仿真軟件的概述 Matlab 是一門準(zhǔn)確度特別高的科學(xué)技術(shù)的計(jì)算機(jī)語言課程，它將數(shù)字計(jì)算、可視化和編程結(jié)合起來放在一個(gè)特別方便應(yīng)用的平臺(tái)中。從本章 的仿真波形來看，可以證明超級電容器儲(chǔ)能技術(shù)在平抑功率波動(dòng)方面就有良好的效果。 本章小結(jié) 本章結(jié)合超級電容器特點(diǎn)，介紹了超級電容器的工作原理，并根據(jù)超級電容器的工作原理建立了超級電容器的一階 RC 模型，求出其傳遞函數(shù)。 由式（ ）和（ ）得出儲(chǔ)能系統(tǒng)所需要吞吐的功率： wb PssP ????1 （ ） 由 風(fēng)電功率波動(dòng)平抑目標(biāo)可知，儲(chǔ)能系統(tǒng)需要對風(fēng)電功率波動(dòng)中頻區(qū)的部分分量進(jìn)行平抑，因此，超級電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的截止頻率 cf 應(yīng)取 ~1HZ，當(dāng) cf = 時(shí)， ?? ；當(dāng) cf =1HZ 時(shí)， ?? 。這與信號處理中的濾波原理類似，低通濾波器通過對輸入信號的幅值進(jìn)行加減處理，使輸出信號變的更加平滑，而儲(chǔ)能 系統(tǒng)是通過其充放電來改變風(fēng)電場輸出功率的幅值，使得注入電網(wǎng)的功率更加平穩(wěn)，因此可以將經(jīng)平滑后注入電網(wǎng)的功率 0P 設(shè)計(jì)為 [29]： wPsP ???110 （ ） 式中，cf?? 21? ， cf 為截止頻率。圖 中，??21?cf為截止頻率， cf 越小，時(shí)間常數(shù) ? 越大，經(jīng)處理后的信號頻率越低，信號越平滑。目前適用于超級電容的模型有：經(jīng)典模型、一階 RC 模型、三支路模型以及基于阻抗特性的模型等 [29] 。超級電容在風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車及軌道交通等方面具有廣泛的應(yīng)用前景 [28] 。與蓄電池不同，超級電容器的充放電過程 無化學(xué)反應(yīng)，只存在物理反應(yīng)，因此其性能相對而言較為穩(wěn)定。對于風(fēng)電功率中的高頻區(qū)這部分的分量可以被風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的慣量吸收；風(fēng)電功率 的中頻分量由于功率變化較大，短時(shí)間內(nèi)會(huì)對電網(wǎng)造成嚴(yán)重沖擊，給電力系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來隱患；低頻分量，由于其波動(dòng)比較緩慢，功率變化率較小，注入電網(wǎng)時(shí)，電力系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)電控制（ AGC）可以進(jìn)行一定程度的響應(yīng)，但是考慮到傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的爬坡速度和電力系統(tǒng)有限的備用容量，有必要對風(fēng)電功率波動(dòng)中頻區(qū)的部分分量進(jìn)行平抑。 超級電容器平抑功率波動(dòng)模型 風(fēng)電功率波動(dòng)平抑目標(biāo) 風(fēng)電功率波動(dòng)是由風(fēng)速的隨機(jī)變化引起的，其廣泛分布在頻域的各個(gè)頻段中，不同頻率的功率波動(dòng)在并網(wǎng)后對電力系統(tǒng)的影響程度也不相同，因此分析風(fēng)電功率波動(dòng)的頻率特性，得出對電力系統(tǒng)影響較為嚴(yán)重的功率頻段，進(jìn)而確定儲(chǔ)能系統(tǒng)需要平抑的控制目標(biāo)。 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(shí)間和終止時(shí)東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 20 間。 wgV 為陣風(fēng)，描述風(fēng)速躍升或驟降的特性。可用如下公式表示： wnwrwgwbw VVVVV ???? （ ） 上式中各分量含義如下： wbV 為基本風(fēng)，描述風(fēng)場的平均風(fēng)速，決定了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)額定輸出功率的大小。因此，在建立風(fēng)力機(jī)模型之前木文首先建立模擬自然風(fēng)的 風(fēng)速模型。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 19 第 4 章 超級電容器儲(chǔ)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(gè)發(fā)電系統(tǒng)需要首先考慮的部分。若是，則不改變 refP的值并進(jìn)行比較，若不是，則返回步驟（ 2）重新進(jìn)行 refP 的計(jì) 算與設(shè)定。 若 P refP ，則超級電容器應(yīng)工作在放電狀態(tài)，此時(shí) 2IGBT 導(dǎo)通， 1IGBT 關(guān)斷，電路為升壓電路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)。 計(jì)算該區(qū)間內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率的平均值作為每一區(qū)間段的參考功率，即 ? ?? sttref dttPP )(。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 boost 升壓電路拓補(bǔ) 在 boost 升壓模式下， g2 在導(dǎo)通時(shí)，電源 E 向電感 L 充電， 00?i ，電容 dcC給 R 供電， 0U 電壓下降；當(dāng) g2 關(guān)斷時(shí)， 10 ii ? ， L 對 dcC 充電， 0U 電壓上升。 圖 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(shí)的工作過程。東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 16 這里選擇應(yīng)用較為廣泛的雙向 buck/boost 直流變換器。 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(dòng)，需要配置雙向直流變換器。當(dāng)風(fēng)速下降輸出功率不足以滿足電網(wǎng)恒功要求時(shí)，儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)功率的平滑輸出；當(dāng)風(fēng) 速上升時(shí)，風(fēng)力機(jī)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(chǔ)能系統(tǒng)吸收，即實(shí)現(xiàn)了恒功率輸出，又節(jié)約了能源。從理論上分 析，以上兩種儲(chǔ)能系統(tǒng)配置方式均可以實(shí)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(chǔ)能需要儲(chǔ)能元件具有一定的容量，因此，超級電容器儲(chǔ)能技術(shù)多用于分布式儲(chǔ)能方式。 方式（ 2）是在風(fēng)電場出口母線處，配置一個(gè)獨(dú)立的儲(chǔ)能系統(tǒng)對整個(gè)風(fēng)電場的輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。該方式由于利用了雙饋風(fēng)