【正文】 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。 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(jī)勵磁背靠背變流器的直流環(huán)節(jié)加入儲能系統(tǒng)。（ 2）分布配置，在每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)的輸出 端配置儲能系統(tǒng)。 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。 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。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(jìn)行研究。 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。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）。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(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。 利用儲能系統(tǒng)優(yōu)化風(fēng)電運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。 保證風(fēng)電場持續(xù)可靠的供電。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(yùn)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(qiáng)風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。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 ?，F(xiàn)有風(fēng)電機(jī)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。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。由于大型風(fēng)電場大多處于我國西部電力負(fù)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(fù)荷中心。 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。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(jìn)一步的研究改善。目前超級電容已經(jīng)應(yīng)用于電動汽車儲能、大功率電機(jī) 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(jìn)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。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(hù)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。 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。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。目前國際上己經(jīng)有 Mw級 /Gwh 級超導(dǎo)儲能設(shè)備投入運(yùn)行。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。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。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(dá)到90%以上 [18]，循環(huán)壽命長、無污染、維護(hù)簡單、配置方案靈活易行。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。 飛輪儲能 飛輪儲能是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能存儲的一種儲能方法，在需要再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸出。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。 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。因此這一儲能方式對于電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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)。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(dá) 到 70%一 85%的利用效率。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。 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。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)簡化輸出功率 風(fēng)速特性曲線如下： 圖 風(fēng)機(jī)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(jī)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。 一般來說，在滿足實際工程要求的情況下，可以將該功率輸出特性簡化成如下的函數(shù)表達(dá)式： 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 8 ????????????????00,0crrrddrdrcdwvvvPvvvvv vvPvvvvP （ ） 式（ ）中， wP 為風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸 出的有功功率； rP 為風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的額定功率。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。目前大型風(fēng)電機(jī)組大多都采用水平軸風(fēng)機(jī)，其又可劃分為定槳距、變槳距兩種形式。 ③ 變頻器所需功率與風(fēng)力機(jī)容量比值較小，變頻器的體積減小，有利于風(fēng)力機(jī)成本的降低。此外，風(fēng)電機(jī)組控制更加方便和靈活，提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率。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)速下實現(xiàn)恒頻發(fā)電。 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理及其特點 圖 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖 圖 給出了雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。這些系統(tǒng)各有特點，且應(yīng)用于不同的場合。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 6 變速恒頻發(fā)電技術(shù) 上面分析可知，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是目前的發(fā)展方向，而變速恒頻系統(tǒng)又有多種不同的實現(xiàn)方案。 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)。在高風(fēng)速階段，槳距控制系統(tǒng)可以充分發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，保證風(fēng)力機(jī)的吸收功率在系統(tǒng)調(diào)節(jié)功率以內(nèi)。 其次，槳距控制系統(tǒng)簡單。而風(fēng)速突然下降的時候，變頻器控制系統(tǒng)又會控制高速風(fēng)力機(jī)釋放儲存的動能轉(zhuǎn)換為電能，并回饋給電網(wǎng)。此系統(tǒng)的主要優(yōu)點如下所述： 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)可以及時的吸收因為風(fēng)速突然增加而產(chǎn)生的巨大風(fēng)能。更重要的是，即使系統(tǒng)可以安全穩(wěn)定的運(yùn)行，也無法獲取最大的風(fēng)能，整個系統(tǒng)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率較低 由于恒速恒頻系統(tǒng)不能實現(xiàn)最大風(fēng)能的捕獲控制，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生。所以，要保證此系統(tǒng)能安全穩(wěn)定的運(yùn)行，風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械部件在設(shè)計和生產(chǎn)時都要做更多的考慮和保護(hù)措施。所以，風(fēng)速突變時，風(fēng)力機(jī)不能及時吸收產(chǎn)生的巨大風(fēng)能，而完全由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的各機(jī)械部件承受。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。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 4 4. 創(chuàng)建出風(fēng)機(jī)輸出功率模型并根據(jù)創(chuàng)建的超級電容器模型，在Matlab/Simulink 平臺上搭建超級電容器儲能仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明了超級電容器儲能的有效性，并改變電容器的相關(guān)參數(shù)觀察仿真波形進(jìn)行比較，最后選出合適的超級電容器參數(shù)。 2. 介紹了如今各種儲能技術(shù) 特點，并根據(jù)他們各自的優(yōu)缺點選出了一種適合安裝在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的儲能技術(shù)，即超級電容器儲能。文獻(xiàn) [15]利用超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)四象限功率調(diào)節(jié)能力改善并網(wǎng)風(fēng)電場運(yùn)行特性，提高了風(fēng)電場并網(wǎng) 運(yùn)行的電能質(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。 利用儲能系統(tǒng)提高電能質(zhì)量 風(fēng)電并網(wǎng)后對電能質(zhì)量的影響主要表現(xiàn)在電壓波動、電壓暫降以及波形畸變等方面。文獻(xiàn) [11]利用飛輪儲能系統(tǒng)來平滑風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動，具有充放電相應(yīng)速度快、無污染等優(yōu)點。在改善電壓穩(wěn)定性問題方面，文獻(xiàn) [9]研究了超導(dǎo)磁儲能在改善風(fēng)電場電壓穩(wěn)定性的應(yīng)用， 超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)可以在四象限運(yùn)行，調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)組并網(wǎng)的有功功率和無功功率，達(dá)東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 3 到平滑功率輸出和保持電壓穩(wěn)定的目的。 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。儲能系統(tǒng)能夠快速吸收和釋放能量，可以有效的解決風(fēng)電場輸出功率波動性的缺點。如果這些問題不能夠有效的解決，不僅會影響到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，而且會降低風(fēng)能的利用率，限制風(fēng)電場的規(guī)模，進(jìn)而對我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展造成巨大影響。因此儲能系統(tǒng)在風(fēng)電場的應(yīng)用具有十分重要的現(xiàn)實意義 [1][4]。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，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。特別的，當(dāng)大型并網(wǎng)風(fēng)電場功率波動超過電力系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻能力范圍時，將嚴(yán)重威脅到電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。 實現(xiàn)風(fēng)力資源大規(guī)模開發(fā)和利用最有效的方式是并網(wǎng)運(yùn)行，但是大型風(fēng)電場輸出功率的特性導(dǎo)致其并網(wǎng)后對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性和穩(wěn)定性造成諸多不利影響 。正因為這種不確定性和波動性，使得風(fēng)力發(fā)電和傳統(tǒng)常規(guī)能源發(fā)電具有很多不同點，其運(yùn)行工況更為復(fù)雜。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。我國可再生能源多種多樣、儲量豐富，未來將成為化石能源的替代品，在能源結(jié)構(gòu)中所占比重將不斷增加，雖然在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，以煤炭為主的化石能源仍將是我過的主流能源，但從長遠(yuǎn)發(fā)展、碳排放及能源安全等方面考慮，在合理開發(fā)、高效利用化石能源的同時，積極開發(fā)清潔的可再生能源，能夠有效應(yīng)對資 源短缺和環(huán)境污染的嚴(yán)峻局面，也是我國可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。 Super capacitor energy storage。s energy supply and ease the global energy shortage and environmental pollution problems, make an important contribution to the sustainable development of human society. However,with increasing scale of gridconnected wind farms, the effect of wind power randomness and volatility to power system bee more and more obviously. Largescale wind power bring a great impact on grid security, stability and dispatch , if these problems can not effectively addressed, it will not only endanger the safe and stable operation of the grid, but also limit largescale wind power developments. To stabilize the gridconnected wind farm output power fluctuations, reduce the adverse effects to power system. This paper purposes a new wind power generation system based on doublefed wind power generation and centralized configuration energy storage system. The strategy of stabilizing wind output power fluctuations, The energy storage princ