双馈风电机组与电池储能设备的有功功率协调控制研究

【摘要】：随着近年来煤炭、石油等常规能源的全面紧张，清洁环保的可再生能源得到了快速发展。作为目前最成熟的新能源技术，风力发电这样的零排放技术有着巨大而且持续的增长需求。由于风力发电取决于风能，而自然界中的风具有随机性与波动性，无法人为控制，因此风电场的有功功率输出波动较大。随着风电容量在电力系统中所占比例的快速增长，大规模风电并网对电力系统的电能质量和电网的安全稳定运行造成的不利影响也越来越明显。建立合理的风电场有功功率输出控制系统，处理好风电机组与储能设备的功率协调控制问题，可以充分发挥风电场的有功功率调节潜力，提高风电场有功出力的平稳性，降低风电场功率波动对电力系统带来的不利影响。 随着风机技术的发展，变速恒频技术是风力发电的发展趋势。在变速风机中，双馈异步发电机（DFIG）相比永磁同步风力发电机（PMSG）具有变频器体积小、重量轻、成本低的优点，成为目前新建风电场的主流机型。研究双馈机组成的风电场有功功率输出的控制问题，探讨如何将具体控制指令落实到各风电机组与储能设备对于大规模风电并网后的电网安全稳定运行具有现实意义。 论文在总结有关风电场有功功率控制研究成果的基础上，针对双馈机的转子转速可以在一定范围内进行快速变化、并且不会引起频率变化的特点，提出了利用风机转子动能平稳风电机组的有功功率输出波动的方法。文章依据各风电机组的实际运行状态对风电场中的风机进行实时分组，对同组风机进行统一的控制指令控制其运行。文中提出以风电场中所有风机的转子总动能最大化为目标的控制方法，以此由风电场控制系统对各风电机组有功功率输出进行优化分配，保证风电场的有功出力更加平稳。风电场控制系统利用粒子群算法对该优化分配方案进行实时计算，以保证分配方案能够满足风电场的实时变化速度并达到控制目标的要求。针对目前技术最成熟的电池储能的优点和局限性，提出了一种令转子动能与电池储能设备共同作用的协调控制方法，充分发挥了两者的优势，更好地达到了抑制风电场有功功率输出波动的目的。利用MATLAB/Simulink仿真平台，建立了双馈异步风力发电机组成的风电场的有功功率输出控制分配仿真模型。通过仿真分析得到的结果表明，本文提出的优化分配方法可以提高风电场的有功功率输出稳定性，具有实际应用价值。 【关键词】：风电场 双馈异步发电机 有功功率控制 转子动能 电池储能设备
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM614;TM761.2
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 1 绪论8-17
• 1.1 课题的背景和意义8-9
• 1.2 国内外风力发电发展状况9-12
• 1.2.1 世界风力发电市场的发展9-10
• 1.2.2 风力发电技术的发展趋势10-12
• 1.3 风力发电的关键问题与风电场有功功率控制策略12-15
• 1.3.1 风力发电系统的特点12-13
• 1.3.2 风电有功功率输出对电网的影响13-14
• 1.3.3 风电场的有功功率控制14-15
• 1.4 论文的主要工作15-17
• 2 双馈风电机组与储能设备17-27
• 2.1 风速与风机17-19
• 2.1.1 风速概率模型17
• 2.1.2 风机功率输出特性17-19
• 2.2 双馈异步风力发电机19-22
• 2.2.1 双馈异步发电机原理与特点19-21
• 2.2.2 双馈异步发电机变速原理21-22
• 2.3 双馈机组运行与控制22-24
• 2.4 储能技术简介24-26
• 2.5 本章小结26-27
• 3 风电场有功功率输出优化控制分配方法27-44
• 3.1 电网对风电场有功功率输出的限制27-29
• 3.1.1 风电场有功功率输出要求27-28
• 3.1.2 风电场有功功率限制模式28-29
• 3.2 风电场风机分组29-32
• 3.3 风电机组有功功率优化控制分配方法32-35
• 3.3.1 风电机组转子动能32-33
• 3.3.2 风电场控制方案与有功功率最优分配数学模型33-35
• 3.4 粒子群算法35-39
• 3.4.1 粒子群算法及其优缺点36-37
• 3.4.2 粒子群算法主要参数37-38
• 3.4.3 粒子群算法设计流程38-39
• 3.5 仿真算例39-43
• 3.6 本章小结43-44
• 4 风电机组与电池储能设备的有功功率协调控制方法44-56
• 4.1 含电池储能设备的风电场44-46
• 4.2 风机转子与电池储能设备的配合46-50
• 4.2.1 风速的分解46-48
• 4.2.2 转子动能与电池储能设备的协调控制方法48-50
• 4.3 算例仿真50-55
• 4.4 本章小结55-56
• 5 结论与展望56-58
• 致谢58-59
• 参考文献59-63
• 附录：作者在攻读学位期间发表的论文目录63

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