抑制风电对电网影响的储能系统优化配置及控制研究

【摘要】：开发利用大规模再生能源为解决世界性的能源危机与环境污染问题开辟了新途径,对改善能源结构并保证国民经济可持续发展具有重要的战略意义。凤能是目前最具大规模商业化开发潜能的非水能可再生资源,风力发电联网运行是实现风能大规模开发利用的有效途径。但是,风电功率具有的波动性和间歇性对其接入电网带来了显著不利影响,使得大规模风电接入电网的能力受到限制。因此,在保证既有电网安全稳定运行的前提下,如何多接纳风电成为亟需解决的问题。 储能系统可以适时吸收释放功率,为平抑风电功率波动、提高风电接入电网的能力提供了有效的手段。目前储能系统成本昂贵,其充放电控制方式可显著影响其使用寿命,所以开展储能系统运行控制策略、容量配置和经济性评价方面的研究工作,具有重要的理论和应用价值。 本文首先分析了直驱永磁风电机组的主电路和控制系统的数学模型,构建了包含电池单元、双向斩波电路和并网逆变器的储能系统,根据系统需求设计了主电路参数,采用反馈线性化理论设计了并网变流器的功率解耦控制器,提高了系统运行效率和功率控制效果。 分析了单台风电机组-风电场输出功率的波动特性,从时域和频域两个角度对其历史数据进行了统计分析,揭示了风电功率波动特征,为确定风电场储能系统的安装位置、吞吐功率和容量需求以及爬坡率要求奠定了基础。 为降低风电功率的随机波动性对电网造成的不利影响,采用了低通滤波算法平滑并网风电场输出有功功率的风储联合运行控制策略。通过对比分析单独采用电池或超级电容器为储能单元的方案的利弊,提出了采用电池-超级电容器混合储能的方案,研究了两者的配比关系及其对平抑效果的影响。最后对比分析了上述三种方案的经济特性。 设计了电网低谷时段风电接纳容量算法,提出了在储能系统低谷时刻提高电网接纳风电容量的方法,分析了储能系统的经济效益。综合考虑储能系统的投资成本与经济效益,以储能系统的综合效益最大为目标,提出了一种用于松弛电网调峰能力,提高风电接纳规模的储能系统容量优化配置方法。 最后,利用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC开发了风储联合运行仿真平台,基于该平台验证了本文提出的并网变流器控制策略的有效性。开发了风储联合运行模拟物理平台,验证了本文提出的风储联合运行控制策略的合理性。 【关键词】：风电功率 储能系统 平抑波动 优化配置 控制策略
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM76
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-33
• 1.1 课题背景和意义12-13
• 1.2 大规模风电接入给电网安全运行带来的挑战13-16
• 1.2.1 风电发展态势13-15
• 1.2.2 大规模风电接入对电网安全运行的影响15-16
• 1.3 大规模储能的应用研究现状16-32
• 1.3.1 储能的技术和经济特性分析16-23
• 1.3.2 大规模储能系统在风电领域应用的研究现状23-32
• 1.4 本文主要工作32-33
• 第2章 风储联合运行数学模型33-47
• 2.1 永磁风力发电机组数学模型33-40
• 2.1.1 风力机数学模型33-34
• 2.1.2 永磁同步发电机数学模型34-35
• 2.1.3 背靠背变流器数学模型35-36
• 2.1.4 风力发电机组的控制系统36-40
• 2.2 储能系统的数学模型40-42
• 2.3 储能系统的控制器模型42-46
• 2.3.1 储能系统主电路参数设计方法42-44
• 2.3.2 储能并网变流器的控制策略44-46
• 2.4 本章小结46-47
• 第3章 风电功率波动特性分析47-60
• 3.1 风电功率波动的评价指标47-48
• 3.1.1 风电功率波动特性的特征描述47-48
• 3.1.2 行业标准对风电功率波动的要求48
• 3.2 基于实测数据的风电功率波动特性分析48-59
• 3.2.1 风电场基本信息分析48-52
• 3.2.2 风电功率波动特性分析52-59
• 3.3 本章小结59-60
• 第4章 平抑风电功率波动的储能系统容量配置及其经济性评价60-81
• 4.1 平抑风电功率波动的储能系统运行特性的评价60-68
• 4.1.1 基于低通滤波器的储能系统运行控制策略设计60-62
• 4.1.2 储能平抑风电功率波动的评价指标62-63
• 4.1.3 风电场风电功率波动平抑的算例分析63-68
• 4.2 不同储能方案下平抑风电功率波动的研究68-80
• 4.2.1 铅酸电池储能容量配置研究68-71
• 4.2.2 超级电容器储能容量配置研究71-73
• 4.2.3 混合储能容量配置研究73-80
• 4.3 本章小结80-81
• 第5章 松弛火电调峰约束的储能容量优化配置研究81-98
• 5.1 风电与电网负荷特性分析81-84
• 5.2 既有电网低谷时刻风电最大接纳能力计算84-85
• 5.3 储能提高风电接入容量的方法85-88
• 5.3.1 储能系统配置容量与电网提高的风电接纳空间的对应关系85-87
• 5.3.2 储能系统的经济效益分析87-88
• 5.3.3 考虑电网经济运行的储能系统容量优化配置88
• 5.4 算例分析88-96
• 5.5 本章小结96-98
• 第6章 风储联合运行数字物理模拟平台开发98-112
• 6.1 数字仿真系统开发98-106
• 6.1.1 数字仿真建模98-101
• 6.1.2 仿真算例及分析101-106
• 6.2 物理样机开发106-111
• 6.2.1 物理样机结构106-107
• 6.2.2 控制系统结构设计107-110
• 6.2.3 实验结果及分析110-111
• 6.3 本章小结111-112
• 第7章 结论与展望112-114
• 参考文献114-123
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果123-125
• 攻读博士学位期间参加的科研工作125-126
• 致谢126-127
• 作者简介127

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