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利用储能系统平抑风电功率波动的仿真研究

发布时间:2016-12-16 16:41  文章来源:笔耕文化传播

  本文关键词:利用储能系统平抑风电功率波动的仿真研究,由笔耕文化传播整理发布。


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第1章 绪
1.1 课题的目的和意义



风能是一种清洁的永续能源,与传统能源相比,风力发电不依赖外部能源, 没有燃料价格风险,发电成本稳定,也没有碳排放等环境成本;此外,可利用 的风能在全球范围内分布都很广泛。正是因为有这些独特的优势,风力发电逐 渐成为许多国家可持续发展战略的重要组成部分。 风能是目前最具大规模开发利用潜力

的可再生能源,并且风力发电被认为 是我国能源和电力可持续发展战略的最现实选择。近5年,全世界风电装机容量 和发电量的增速均超过30%,风电发达国家的风电量已超过国内总发电量的 10%[1]。近年来,特别是《可再生能源法》实施以来,中国的风电产业和风电市 场发展十分迅速,截止到2008年底,装机容量达到近1000万千瓦,2010年很有 可能达到2500万千瓦;国家制定的2020年风电装机3000万千瓦的目标,有可能 在2011年实现。因此,业内人士普遍认为,2020年中国风电装机的最保守估计 是8000万千瓦,一般估计是1亿千瓦,乐观的估计为1.2亿千瓦[2]。 风电场并网运行是实现风能大规模利用的有效方式,但风电场输出功率取 决于风速,具有不可控和不可预期性。当电力系统中接纳的风电机组容量超过 一定比例时,随机波动的风电功率接入电网容易引起电网频率波动,进而增加 电网调频、调压、运行调度等辅助服务负担,造成电网运行成本的增加;当功 率波动超出电力系统调峰能力范围时,还将进一步导致电力系统频率越限,严 重威胁电力系统的安全运行。 平抑风电输出功率波动的有效途径是采用储能系统,通过控制储能系统与 风力发电的协调运行来平抑注入电网的功率波动,使风电场注入到电网的功率 能够根据电力系统的运行要求而灵活控制。但由于大储能系统成本昂贵,如何 利用有限容量储能系统来优化风电功率输出、改善联网运行性能是一项重要研 究课题。 本文针对以上问题研究了利用储能系统平抑风电功率波动的柔性风力发电

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系统实现方法,对储能系统如何配置、平抑控制策略如何设计、及储能系统充 放电控制如何实现等问题进行了深入研究。研究成果对促进我国风电发展,提 高既有电力系统容许的风电并网规模,实现风能大规模开发利用具有重要的应 用价值。

1.2

课题研究现状

1.2.1 风力发电机组的发展现状
并网型风力发电机组从 20 世纪 80 年代中期开始逐步实现了商品化、产业 化。经过近 20 年的发展,容量已从数千瓦级曾大到兆瓦级[3]。 风力发电机组的功能是将风中的动能转化成机械能,再将机械能转化成电 能,送到电网中,图 1-1 为风力发电机系统的一般构成[4],主要包括风力机、齿 轮箱(可选) 、发电机、电能变换装置(可选)等。

图 1-1 风力发电系统的一般构成

风力机是风力机是将风动能转化为机械能的装置,根据桨叶是否可调节分 类,风力机可分为定桨距风力机和变桨距风力机和主动失速风力机三种。 1、定桨距风力机 定桨距风力发电机组的主要结构特点是:桨叶与轮毂的连接是固定的,即 当风速变化时,桨叶的迎风角度不能随之变化。定桨距风力机是根据风力机叶 片失速特性来调节风力机的输出功率。当风速超过额定风速时,风力机叶片翼 型发生变化,使风力机风轮捕获风能的能力下降,保证风力机输出功率不随风 速上升而增加,而使输出功率不超过额定功率。

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2、变桨距风力机 变桨距风力发电机组是指整个叶片绕叶片中心轴旋转,使叶片攻角在 一定范围(一般 0°~90°)内变化,以便调节输出功率不超过设计容许值。 变桨距风力机是通过调节风力机桨距角来改变叶片的风能捕获能力,进而 调节风力机的输出功率。风力机启动时,调节风力机的桨距角,限制风力机的 风能捕获以维持风力机转速恒定,为发电机组的软并网创造条件。 当风速低于额定风速时,保持风力机桨距角恒定,通过发电机调速控制使 风力机运行于最佳叶尖速,维持风力机组在最佳风能捕获效率下运行。 当风速高于额定风速时,调节风力机桨距角,使风轮叶片的失速效应加深, 从而限制风能的捕获。 3、主动失速风力机 将定桨距失速调节型与变桨距调节型两种风力发电机组相结合,充分吸取 了自动失速和桨距调节的优点,桨叶采用失速特性,,调节系统采用变桨距调节。 在低风速时,将桨叶节距调节到可获取最大功率位置,桨距角调整优化机组功 率的输出;当风力机发出的功率超过额定功率后,桨叶节距主动向失速方向调 节,将功率调整在额定值以下,限制机组最大功率输出,随着风速的不断变化, 桨叶仅需要微调维持失速状态。制动刹车时,调节桨叶相当于气动刹车,很大 程度上减少了机械刹车对传动系统的冲击。主动失速调节型的优点是其继承定 桨距失速型的特点,并在此基础上进行变桨距调节,提高了机同频率后并入电 网。机组在叶片设计上采用了变桨距结构。 从今后的发展趋势看,在大型风力发电机组中将普遍采用变桨距技术。 另外,根据图 1-1 风力发电系统的一般构成中各部件类型及组合的不同,目 前主要有以下三类风力发电系统: 1、恒速恒频式风力发电系统 其特点是在有效风速范围内,发电机组产生的交流电能的频率恒定,发电 机组的运行转速变化范围很小,近似恒定;通常该类风力发电系统中的发电机 组为鼠笼式感应发电机组。 2、变速恒频式风力发电系统 其特点是在有效风速范围内,发电机组定子发出的交流电能的频率恒定,

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而发电机组的运行转速变化;通常该类风力发电系统中的发电机组为双馈感应 式异步发电机组。 3、变速变频式风力发电系统 其特点是在有效风速范围内,发电机组定子侧产生的交流电能的频率和发 电机组转速都是变化的,因此,此类风力发电系统需要串联电力变流装置才能 实现联网运行。通常该类风力发电系统中的发电机组为永磁同步发电机组。 图 1-2~图 1-4 是几种典型风力发电系统的结构示意图[5]。

图 1-2 恒速恒频式风力发电系统结构示意图

图 1-3 变速恒频式风力发电系统结构示意图

图 1-4 变速变频直驱式风力发电系统结构示意图

1.2.2 风电大规模并网存在的问题及研究现状
风力发电机是以风作为原动力,风的波动性和间歇性决定了风力发电机的 输出特性也是波动和间歇的。当风电场容量较小时,这些特性对电力系统的影

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响并不显著,但随着风电场容量在系统中所占比例的增加,风电场对系统的影 响就会越来越显著[6]。 1、对电网频率的影响 风电场对系统频率的影响取决于风电场容量占系统总容量的比例。当风电 场容量在系统中所占的比例较大时,其输出功率的波动性对电网频率的影响会 比较显著,将会影响到电网的电能质量和系统中其他一些频率敏感负荷的正常 工作。并且当功率波动超出电力系统调峰能力范围时,还将进一步导致电力系 统频率越限,严重威胁电力系统的安全运行[7]。 2、对电网电压的影响 风能资源丰富的地区人口稀少,负荷量小,电网结构相对薄弱,波动的风 电功率的注入改变了电网的潮流分布,对局部电网的节点电压产生较大的影响, 主要有电压波动和闪变。 风速变化、风机投切、风湍流等都会引起电压波动和闪变,尤其是在较为 薄弱的电网,将导致突然的瞬间电压跌落,致使电网电压波动以及风力发电机 的频繁掉线,从而会造成更大的电压波动和电量损失[8]。 针对以上问题国内外学者提出了多种解决方案: 文献[9]针对风速的随机性和间歇性对电力系统调度与控制带来的困难,提 出一种风电系统有功调度的二层结构调控策略,即在在线调度周期内,借助系 统内常规发电机组的配合对预调度周期内的发电计划进行再校正以及在自动控 制时间级内通过与风电机组紧密关联的自动发电控制机组的实时偏差调控对在 线调度计划外的功率波动进行调整的策略。 文献[10]基于电气剖分原理提出了一种风电系统调度方法,该方法通过电气 剖分寻找与风电场关系最紧密的常规机组,通过对这些机组进行输出功率调整 来及时补偿由风电场输出功率波动引起的有功功率缺失(或过剩)。 文献[11]在现有风电系统运行导则的基础上,提出了一种新型的配电系统风 电有功负荷分配方法,以使风电更好地配合系统运行。该方法以馈线终端为控 制单元,当系统频率出现偏差时,由馈线终端制定负荷分配方案,并向配电馈 线中的各风电机组下发分配指令。 以上文献均是从电网调度的角度,通过限制风电场有功出力或调整常规发

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