混合储能系统在含风电电网中的应用研究

【摘要】：我国目前的电力供应仍以火电和水电为主,风电、光伏等规模非常小,电力能源结构极不合理。为此,国家提出了发展新能源发电,鼓励可再生等清洁能源综合利用的政策。而合理并有效地利用可再生能源是今解决当前能源危机、优化能源结构、实现能源可持续发展的紧迫任务,具有十分重要的战略意义。在可再生能源中,风力发电是当今技术最为成熟的发电方式,风电并网运行是风能大规模开发利用的最有效方式。风电接入电网后,由于风电的不确定性、波动性等特点,对电网的运行与控制产生诸多不利影响。因此,开展风电并网运行与平稳控制的研究势在必行。本文基于混合储能技术,对含风电电网的运行与控制问题进行了深入的研究。在详细分析风速、风机及变流器模型的基础上,建立了电压源型双PWM变流器在三相ABC静止坐标系和两相dq同步旋转坐标系下的数学模型,提出了双馈感应电机(DFIG)矢量控制策略。转子侧变流器(RSC)采用定子磁链定向的转子电流控制策略,网侧变流器(GSC)采用定子电压定向的控制策略,通过仿真验证了对转子侧和网侧变流器采用的控制策略所获得的控制性能。分析了超级电容与蓄电池的储能特性,建立了各自的模型。构建了由超级电容器经DC/DC变流器与蓄电池并联组成的混合储能系统并建立其数学模型,对其结构特点以及运行机理进行了理论分析。通过仿真与实验,验证了由超级电容与蓄电池所组成的混合储能系统具有的高功率密度、高能量密度以及使用寿命长等特点。对电网发生故障及转子撬棒保护投入期间DFIG的暂态运行特性进行了分析,提出了电网在故障情况下DFIG低电压穿越控制策略。分析了转子撬棒保护电阻对转子电流及变流器直流母线电压的影响,给出了转子撬棒保护电阻的选取原则。通过仿真,分析了转子撬棒保护在不同撬棒电阻、不同电压跌落深度、不同的撬棒保护投入时间对DFIG暂态行为的影响。针对电网电压跌落深度的不同,对风机及变流器采取了不同的保护策略。当小值电压跌落时,主要依靠改进对转子侧变流器的控制来提高其低电压穿越能力；而当大值电压跌落时,依靠超级电容器并结合转子撬棒保护来提高风机的低电压穿越能力。建立了计及混合储能平抑风光功率波动的微电网运行优化的数学模型,模型中以微电网运行成本最小为目标,目标函数中包含了燃料费用、排污惩罚费用和运行维护费用等。在优化算例中采用了改进的微分进化算法对目标函数进行了优化。算例结果验证了所建立模型的可行性和有效性。建立了包含风电机组的发电成本和汽轮机阀点效应成本的多目标优化调度模型,采用改进的微分进化算法进行了求解。通过对含有风电机组和混合储能系统的IEEE-30节点系统的算例分析表明：风电场的输出功率波动性在优化后得到明显改善,进而削弱了风电场随机特性对电力系统稳定运行的影响,提高了风电场的可调度性。 【关键词】：混合储能 风力发电 双馈感应电机(DFIG) 低电压穿越(LVRT) 微电网 变流器 经济调度
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-15
• 第1章 绪论15-40
• 1.1 课题研究的背景和意义15-16
• 1.2 风力发电研究现状16-21
• 1.2.1 国外风电发展现状16-19
• 1.2.2 国内风电发展现状19-21
• 1.3 风电对电力系统的影响21-24
• 1.3.1 风电接入系统对电能质量的影响21-23
• 1.3.2 风电接入系统对调度的影响23-24
• 1.4 风电场低电压穿越能力研究24-26
• 1.5 储能系统的研究现状及应用26-39
• 1.5.1 储能方式及储能系统的研究现状26-33
• 1.5.2 混合储能技术的研究现状33-36
• 1.5.3 储能系统在风电场中的应用36-39
• 1.6 本文的主要工作39-40
• 第2章 双馈感应风电机组建模及矢量控制策略研究40-70
• 2.1 引言40
• 2.2 风速及风力机数学模型40-45
• 2.2.1 风速模型40-42
• 2.2.2 风力机模型42-45
• 2.3 风力发电机数学模型45-53
• 2.3.1 风力发电机类型45-47
• 2.3.2 双馈感应电机模型47-53
• 2.4 PWM变流器数学模型53-58
• 2.4.1 网侧变流器数学模型53-56
• 2.4.2 双向DC-DC变流器数学模型56-58
• 2.5 双馈感应电机矢量控制策略的研究58-65
• 2.5.1 转子侧变流器矢量控制58-64
• 2.5.2 网侧变流器矢量控制64-65
• 2.6 仿真验证65-68
• 2.6.1 转子侧变流器矢量控制仿真验证66-68
• 2.6.2 网侧变流器矢量控制验证68
• 2.7 本章小结68-70
• 第3章 混合储能系统建模及储能特性分析70-86
• 3.1 引言70
• 3.2 蓄电池特性及模型70-73
• 3.2.1 蓄电池特性参数70-72
• 3.2.2 蓄电池模型72-73
• 3.3 超级电容器模型及充放电控制73-76
• 3.3.1 复杂网络模型73
• 3.3.2 简化网络模型73-75
• 3.3.3 超级电容器充放电控制75-76
• 3.4 混合储能系统模型76-78
• 3.5 混合储能系统储能特性研究78-84
• 3.5.1 混合储能特性分析78-80
• 3.5.2 混合储能特性仿真验证80-83
• 3.5.3 混合储能特性实验验证83-84
• 3.6 本章小结84-86
• 第4章 基于超级电容储能的DFIG低电压穿越研究86-115
• 4.1 引言86-87
• 4.2 电压跌落期间DFIG的暂态特性分析87-93
• 4.2.1 对称三相短路故障下DFIG的暂态特性88-91
• 4.2.2 不对称短路故障下DFIG的暂态特性91-93
• 4.3 基于撬棒Crowbar的保护方案93-105
• 4.3.1 转子侧变流器保护93-95
• 4.3.2 网侧变流器保护95-96
• 4.3.3 转子撬棒保护电阻值的选择96-105
• 4.4 仿真验证105-114
• 4.4.1 基于矢量控制的DFIG低电压穿越特性105-110
• 4.4.2 基于超级电容器的DFIG低电压穿越特性110-114
• 4.5 本章小结114-115
• 第5章 计及混合储能系统的含风电微电网运行优化115-137
• 5.1 引言115-116
• 5.2 微电网关键技术及风光功率波动116-122
• 5.2.1 微电网的运行控制方法116-118
• 5.2.2 微电网运行方式118
• 5.2.3 微电网能量管理系统118-119
• 5.2.4 风光功率波动119-122
• 5.3 基于平抑风光功率波动的混合储能系统数学模型122-123
• 5.4 优化模型的建立及优化算法123-129
• 5.4.1 目标函数123-124
• 5.4.2 各分布式电源费用计算模型124
• 5.4.3 约束条件124-125
• 5.4.4 优化算法125-129
• 5.5 算例分析129-135
• 5.5.1 算例数据129-131
• 5.5.2 算法参数选择131-132
• 5.5.3 算例结果分析132-135
• 5.6 本章小结135-137
• 第6章 计及储能系统的含风电电网经济调度137-146
• 6.1 引言137-138
• 6.2 优化调度模型138-139
• 6.2.1 目标函数138
• 6.2.2 约束条件138-139
• 6.3 基于改进微分算法的含风电系统优化调度139-141
• 6.3.1 改进微分进化算法求解步骤139-140
• 6.3.2 改进微分进化算法求解流程140-141
• 6.4 算例分析141-145
• 6.5 本章小结145-146
• 第7章 结论与展望146-148
• 7.1 结论146-147
• 7.2 未来工作展望147-148
• 参考文献148-159
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果159-161
• 攻读博士学位期间参加的科研工作161-162
• 致谢162-163
• 作者简介163

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