毕业设计-新能源分布式发电储能系统相关基础研究-能量管理策略.doc

新能源分布式发电储能系统相关基础研究- 能量管理策略研究）摘要以风力发电、太阳能光伏发电为代表的间歇性可再生能源发电系统的功率输出存在不连续，不稳定，随气候变化而变化的特点，新能源在电网中比重的增加的今天，会对同步系统产生许多负面影响。储能技术为间歇性可再生能源系统提供了能量缓冲、平衡和后备的手段，是改善间歇性可再生能源利用的有效途径。在各种储能技术中，铅酸蓄电池依靠其技术成熟、可靠性高、成本较低；超级电容器具有功率密度大、充电能量密度高的优点，适合大电流和短时间充放电的场合；本文将主要围绕铅酸蓄电池储能技术和超级电容器储能技术在间歇性可再生能源发电系统的相关应用展开研究。在分析电压源电子电力变换器蓄电池储能系统基本原理的基础上，建立其数学模型，为实现风电机组有功功率输出和稳定性控制的提高，提出控制策略。在串并联型超级电容器储能系统原理上，建立其数学模型，提出串联和并联补偿控制器调节风电场输出功率不稳定问题。仿真结果表明可以提高风电机在网络故障的稳定性。关键词：风力发电；储能技术；超级电容器；控制策略；新能源ABSTRACTWith wind power, solar photovoltaic power generation as a representative of intermittent renewable energy power system of power output existence, unstable, with discontinuous characteristics of climate change and change in power grid, new energy resources, increase the proportion of synchronization systems today will produce many negative impacts.Storage technology for intermittent renewable energy system provides the energy buffer, balance and backup means, improve intermittent renewable energy use in an effective way.In various storage technology, depending on its mature technology of lead-acid batteries, high reliability and low cost; Super capacitors have power densities, charging the advantages of higher energy density, suitable for large current and short time charge-discharge circumstance; This paper will focus on lead-acid battery energy storage technology and super capacitor storage technology in intermittent renewable power generation system on the related applications.On the analysis of the voltage source electronic power converter battery energy storage system, based on the basic principle of establishing its mathematical model for the realization of the wind generator active power output and stability control, this paper puts forward the improving control strategy. In parallel connection type supercapacitor energy storage system in principle, establishment of the math model, and puts forward some series and parallel compensating controller adjust wind farm output power unstable problem. Simulation results show that the network can improve the wind electrical fault stability.Keywrds:Wind Power；Energy Storage; Supercapacitor; Control Strategy; New energy.目录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1 课题研究背景11.2 可再生能源发电概述21.2.1 全球可再生能源概况21.2.2 中国可再生能源概况21.3 微网的研究现状31.3.1 概述31.3.2 北美的微网研究31.3.3 欧盟的微网研究31.3.4 日本的微网研究41.4 储能系统的研究现状41.5 论文的主要工作与章节安排62 大规模间歇性可再生能源发电系统的建模82.1 引言82.2 大规模间歇性可再生能源井网面临的主要挑战82.3 风力发电系统的特性分析92.4 恒速恒频风力发电系统的建模与仿真92.4.1 风电机组动力系统数学模型92.4.2 异步发电机数学模型102.4.3 风电场等值112.4.4 算例仿真与分析112.5 光伏发电系统的特性分析122.6 单相户用光伏发电系统的建模与仿真132.6.1 光伏电池的建模132.6.2 单相逆变器的控制策略133 储能元件的特性分析及其等效模型143.1 引言143.1.1 常用的储能电池143.2 铅酸电池储能原理143.2.1 储能电池的应用前景153.3 铅酸电池的建模153.3.1 铅酸电池的等效电路模型163.4 超级电容器的特性分析183.4.1 超级电容器的分类：193.4.2 超级电容器主要优点：203.4.3 超级电容器的应用203.5 双电层超级电容器的等效电路模型213.6 小结224 双向DC/DC变换器及控制234.1 引言234.2 三全桥DC/DC变换器拓扑234.2.1 三全桥主电路拓扑结构234.2.2 变换器等效电路244.2.3 三全桥DC/DC变换器能量流动和控制方式264.3 DC/DC变换器的控制策略274.3.1 TAB变换器电流内环解耦设计284.3.2 电流内环调节器设计294.4 小结315 储能系统的能量管理策略与实现325.1 引言325.2 串并联型储能系统工作原理325.3 串并联型超级电容器储能系统的数学模型335.4 变换器的控制345.4.1 并联补偿变换器的控制345.4.2 串联补偿变换器的控制355.5 系统仿真与分析355.5.1 储能系统稳定性的提高375.6 本章小结386 总结与展望396.1 总结396.2 有待进一步开展的研究工作39致谢40参考文献41IV1 绪论1.1 课题研究背景人类社会的存在和发展离不开能源，随着社会、经济的发展，全球能源的需求量必然继续增加，伴随着化石能源的大量使用，环境污染和能源枯竭将会严重影响社会的发展。随着世界能源危机的日益严重以及公众对于改善生态环境要求的日益高涨，能源获取更多的注意力集中在可再生能源的开发与利用上。在可再生能源当中，太阳能和风能是目前应用比较广泛的两种新能源。太阳能、风能与其它常规能源相比在利用上有多个优点-：如取之不尽，用之不竭；就地可取，不需要运输；分布广泛，分散使用，不污染环境，不破坏生态；周而复始，可以再生等，尽管它们在利用上有以上的优点，同时也存在以下的弊端：如能量密度低，随天气和气候变化出现间隙性、随机性等不稳定现象，因此在大规模开发利用风、光等新能源还有很多的问题需要研究。现阶段对风、光发电的研究主要集中在底层发电设备的研制与控制、系统仿真、单独风力发电或单独光伏发电的控制。当然这有市场的，也有技术的原因造成的结果。随着储能技术的发展，特别是大容量，高性价比的储能电池的出现将打破这个现象。风光储的发电模式将成为新能源利用的最有效模式。合理的能量管理控制系统不仅能够提高发电系统的安全性、稳定性，保证系统运行的经济性，而且能够充分保护发电设备，延长设备寿命，使风光储互补发电成为一种稳定可靠的绿色能源。 分布式电源及储能装置等新能源设备大量接入，是“低碳”经济发展模式下配网发展的必然之路，我国配电网建设相对落后，配网的发展进程与其需求相比存在较大的差距。当前的配电网络，无论在一次结构还是二次监控等方面，对上述新能源设备的接入还缺乏系统的考虑，基本不具备相关技术条件或缺少技术手段全面评估上述新设备大规模接入对电网的影响。为此，有必要尽快体系化地开展新能源设备仿真技术研究，为解决未来配电网的发展提供技术支撑平台。开展新能源设备物理建模技术研究，重点研究光伏发电、风力发电、储能设备等元件级建模技术研究，基于实际物理模型或实际装置端口特性为大型智能配电网的建立奠定理论与实践基础，为深入研究新能源接入对系统的影响提供技术支持。1.2 可再生能源发电概述 能源是经济和社会发展的重要物质基础。自工业革命以来全球煤炭、石油、天然气等化石能源资源消耗迅速，生态环境不断恶化，特别是温室气体排放导致日益严峻的全球气候变化，人类社会的可持续发展受到严重威胁。可再生能源包括水能、生物质能、风能、太阳能、地热能和海洋能等，资源潜力大，环境污染低，可永续利用，是有利于人与自然和谐发展的重要能源。上世纪70年代以来，可持续发展思想逐步成为国际社会共识，可再生能源开发利用受到世界各国高度重视，各国将开发利用可再生能源作为能源战略的重要组成部分，提出了明确的可再生能源发展目标，制定了鼓励可再生能源发展的法律和政策，可再生能源得到迅速发展。 1.2.1 全球可再生能源概况2005 年，全球可再生能源市场增长迅猛。据估计，全球大水电新增装机1200 万-1400 万千瓦，中国新增700 万千瓦位居首位，巴西和印度分别以2.4GW 和1.3GW 的新增装机容量列第二和第三位。不计算大水电，2005 年全球可再生能源发电总装机容量已上升至1.82 亿千瓦(182GW)，比2004年（1.6 亿千瓦, 160GW）增加了2200 万千瓦（排名前六位的国家分别是中国（4200万千瓦）、德国（2300 万千瓦）、美国（2300 万千瓦）、西班牙（1200 万千瓦）、印度（700 万千瓦）和日本（600 万千瓦）。印度可再生能源装机容量首次超过了日本。发展中国家的可再生能源装机容量从7000万千瓦上升到了8000 万千瓦，以中国（主要是小水电）和印度（风能）的增长最多，占全球装机总量的比例与2004 年持平，保持在44%左右。如果将大水电计算在内，2005 年可再生能源发电装机容量达到了9.3 亿千瓦(930GW)。 1.2.2 中国可再生能源概况 中国除了水能的可开发装机容量和年发电量均居世界首位之外，太阳能、风能和生物质能等各种可再生能源资源也都非常丰富。中国太阳能较丰富的区域占国土面积的23以上，年辐射量超过6000MJ，每年地表吸收的太阳能大约相当于1.7万亿tce的能量；风能资源量约为32亿kW，初步估算可开发利用的风能资源约10亿kW，按德国、西班牙，丹麦等风电发展迅速的国家的经验进行类比分析，中国可供开发的风能资源量可能超过30亿kW；海洋能资源技术上可利用的资源量估计约为4亿-5亿kW；地热资源的远景储量为1353亿tce，探明储量为31.6亿tce；现有生物质能源包括：秸秆、薪柴、有机垃圾和工业有机废物等，资源总量达7亿tce，通过品种改良和扩大种植，生物能的资源量可以在此水平再翻一番。总之中国可再生能源资源丰富，具有大规模开发的资源条件和技术潜力，可以为未来社会和经济发展提供足够的能源，开发利用可再生能源大有可为。 2006年底，中国可再生能源年利用量总计为2亿吨标准煤，（不包括传统方式利用的生物质能），约占中国一次能源消费总量的8%，比2005年上升了0.5个百分点，这为2010年可再生能源占全国一次性能源10%的目标迈出了坚实的一步。1.3 微网的研究现状1.3.1 概述 随着经济的高速发展和能耗的日益增加，各国的电力工业面临着一系列前所未有的严峻挑战：能源危机、系统老化、污染问题、一次能源匮乏、能源利用率低以及用户对电能质量的要求高等。微网在DGS 的高效应用以及灵活、智能控制方面表现出极大的潜能和优势，成为很多发达国家发展电力行业、解决能源问题的主要战略之一。目前，北美、欧盟、日本等已加快进行微网的研究和调试，并根据各自的能源政策和电力系统的现有状况，提出了具有不同特色的微网概念和发展规划。1.3.2 北美的微网研究 CERTS 最早提出微网的概念，其也是所有微网概念中最具代表性的一个。CERTS 对微网的主要思想和关键技术问题进行了详细地概述，说明CERTS微网有静态开关和自治微型电源2 个主要部件，并系统阐述了微网的结构、控制方式、继电保护以及经济性评价等相关问题。目前，美国CERTS 微网的初步理论和方法已在美国电力公司Walnut 微网测试基地得到了成功验证。由美国北部电力系统承接的Mad River 微网是美国第一个微网示范性工程，微网的建模和仿真方法、保护和控制策略以及经济效益在此工程中得到了验证，关于微网的管理条例和法规得到了完善，因此Mad River 微网成为美国微网工程的成功范例。同时美国能源部制订了“Grid 2030”发展战略，即以微网形式整合和利用微型分布式发电系统的阶段性计划，详细阐述了今后微网的发展规划。此外，加拿大BC 和Quebec两家水电公司已经开始开展微网示范性工程的建设，测试微网的主动孤网运行状况，旨在通过合理地安置独立发电装置改善用户侧供电可靠性。1.3.3 欧盟的微网研究 从电力市场自身需求、电能安全供给以及环境保护等方面综合考虑，欧洲在2005 年提出了“智能电网”的计划，并在2006 年出台了该计划的技术实现方案。作为欧洲2020 年及后续电力的发展目标，该计划指出未来欧洲电网应具有灵活、可接入、可靠和经济等特点。为此，欧洲提出要充分使用DGS、智能技术、先进的电力电子技术等实现集中式供电与分布式发电的高效整合，积极鼓励独立运营商和发电商参与电力市场交易，快速推进电网技术的发展。微网必将成为欧洲未来电网发展的重要组成部分。 目前，欧盟主要资助和推进“Microgrids”和“More Microgrids”2 个微网项目，通过拓展和发展微网概念，增加微型发电装置的渗透率，初步形成微网的运行、控制、保护、安全以及通信等基本理论，希腊、德国、西班牙等国家建立了不同规模的微网实验室。德国太阳能研究所建成的微网实验室的规模最大，容量达到200kVA，该研究所还在其实验平台上设计安装了简单的能量管理系统。 欧盟对微网的研究主要集中在可再生微型发电系统的控制策略和微网的规划、多微网管理运行优化工具的研发和技术、商业化规范的制定、示范性微网测试平台的推广、电力系统运行性能的综合评估等，这些可为DGS 和可再生能源系统大规模并入微网以及传统电网向智能电网过渡提供条件。1.3.4 日本的微网研究 日本根据本国资源日益缺乏、负荷需求增长迅速的发展现状，开展了微网的研究。目前，日本已在国内建立了多个微网工程。近年来，可再生能源和新能源一直是日本电力行业关注的重点之一，新能源与工业技术发展组织大力支持一系列微网示范性工程，并鼓励可再生和分布式发电技术在微网的应用。日本在微网的网架拓扑结构、微网集成控制、热电冷综合利用等方面开展了一系列研究，为DGS 和基于可再生电源的大规模独立系统的应用提供了较为广阔的发展空间。1.4 储能系统的研究现状 新能源风、光发电有着巨大的优势，当然由于受到气候条件等影响，使其发电输出功率出现间隙性和波动性。要平抑功率对并网潮流的影响，储能技术是解决太阳能、风能发电能源需要解决的关键技术。“电能利用和电能储存技术”已被列为我国电网前瞻性关键技术之一，以确保互联大电网安全，提高系统动态稳定性，改善区域供电品质和绿色能源电力输出特性。 储能技术在电力系统中的运用主要有以下几个方面：首先，它可以调节电力生产中的峰谷差；其次，储能技术提高电力系统供电的可靠性，在系统因故障停电时，储能设备可以起暂时供电的作用，避免突然停电带来的麻烦和损失；再次，储能装置可以提高系统的稳定性，在电力系统受到大的扰动时，例如短路等事故时，储能装置可以在瞬时吸收或释放能量，使系统中的调节装置有时间进行调整，避免系统失稳；最后，它是风力发电、太阳能光伏发电或热发电等可再生能源发电设备中必不可少的装备，有了储能装置的配合，这些不稳定的发电设备才有可能向用户稳定地供电。电力系统的储能装置除了抽水储能电站和小规模的电池储能外，还有许多基于其他原理的储能装置正在研究，下面就对各种储能方式进行概括的介绍：（1）水储能电站抽水储能电站是当前唯一能大规模解决电力系统峰谷困难的一种途径。它需要高低两个水库，并安装能双向运转的电动水泵机组即水轮发电机组。这种方案的优点是：技术上成熟可靠，其容量可以做得很大，仅受到水库库容的限制。缺点首先是建造受到地理条件的限制，必须有合适的高低两个水库。另外，在抽水和发电两个过程中都有相当数量的能量是损失掉的。还有一个缺点是这种抽水储能电站受地理条件限制，一般都远离负荷中心，不但有输电损耗，而且当系统出现重大事故而不能工作时，它也将失去作用。（2）飞轮储能它的具体设想是：在谷值负荷时，将多余电力输入电机，使其驱动飞轮加速，这大概需要几个小时，例如从午夜到清晨，然后飞轮保持在高速下转动，到出现峰值负荷时，让飞轮驱动电机作为发电机运行，使飞轮的动能变成电能供给电网。在这一过程中飞轮转速下降，直到它的最高转速的一半左右。由于采用变速恒频的电力电子技术，输出电能的频率可保持不变。飞轮储能的一个突出优点就是几乎不需要运行维护、设备寿命长且对环境没有不良的影响。飞轮具有优秀的循环使用以及负荷跟踪性能，它可以用于那些在时间和容量方面介于短时储能应用和长时间储能应用之间的应用场合。（3）可充电电池储能电池有多种类型：铅酸电池是人们最熟悉的一种可充电电池。现在密封型免维护的铅酸电池已成为这类电池的主流。碱性电池中的镉镍电池现在已被镍氢电池逐步取代。碱性电源比起铅酸电池有容量大，结构坚固，充放循环次数多等优点，但其价格也贵得多。这就限制了在能源领域中的应用。另一类性能优异的电池是锂离子二次电池。它彻底解决了充放电的记忆效应，大大方便了使用，在制造过程中基本上避免了对环境的污染，有绿色电池之称。主要缺点是价格太贵，目前它主要用于通信和信息设备中，但由于它的高储能密度，很有可能用在电动汽车等交通工具中。如果能进一步提高储能密度并降低成本，那么它将很有希望用于供电设备的储能中。（3）超导储能磁场储能就是在电感线圈中充入电流而储存电能。磁场储能中又以超导线圈储能最优。由于超导线圈在运行时没有电阻，因此它的储能效率很高。同时它的电流密度远高于常规线圈，可以做到很高的储能密度。另外它可以用极快的速度存入和放出电能，适合于在瞬变状态下，例如电力系统的暂态过程下使用。它的缺点一是需要深冷设备，即使是高温超导线圈也要在液氮温度下运行。另外它与传统的储能设备相比，能量密度还是太小。在大电流运行下它的电磁力对线圈本身所受应力也是一个问题。因此目前它的主要用途还在于改善电力系统的动态稳定性，以充分发挥它的快速响应的优点。（4）超级电容器储能所谓超级电容器就是有超大电容量的电容器，它的电介质具有极高的介电常数，因此可以在较小体积小制成以法拉为单位的电容器，比一般电容量大了几个数量级。电容器储能同样具有快速充放电能的优点，甚至比超导线圈更快。它不需要复杂的深冷设备这些都是它的优点。但超级电容器的电介质耐压很低，制成的电容器一般仅有几伏耐压。由于它的工作电压低，所以在实际使用中必须将多个电容器串联使用。这就要求增加充放电的控制回路，使每个电容器能工作在最佳条件下。1.5 论文的主要工作与章节安排 目前国内外已经开始进行储能系统在风、光等新能源分布式发电系统中的应用研究。国内外文献中介绍了现代电力系统中的各种新能源和储能技术;研究了基于超导储能、飞轮储能、超级电容器、蓄电池等单一储能装置以及基于超导储能和二次电池储能的混合储能系统、基于压缩空气储能和超级电容器储能的混合储能系统在可再生能源系统应用的情况，如实现电能质量控制、平滑可再生能源系统有功输出的波动、实现最大功率跟踪、提高可再生能源系统稳定性等等。但目前对储能系统在风、光等新能源分布式发电系统中的应用研究主要侧重于其实现方案上，比如:电路拓扑结构等，并且，在这方面取得了非常显著的进展。储能系统应用于可再生能源电力系统后的行为和控制问题方面的研究工作还比较初步，具体表现在以下几个方面：（1）对储能系统的数学建模缺乏深入研究，未建立起一套完整的储能系统数学模型。（2）对储能系统应用于含可再生能源电网后的控制策略研究不多。（3）对储能系统应用于含可再生能源电网后，究竟能实现哪些功能的实质性研究不 多。（4）所提出的各种拓扑结构，与电力系统的实际存在一定的差距。（5）对用于含可再生能源电网的储能系统容量及功率优化研究不多风光互补发电系统。因此，今后这一领域应重点解决包括提出更接近电力系统实际(电压等级、容量等级、工作方式，等等)的储能系统的拓扑结构，建立储能系统的数学模型，研究储能系统应用于可再生能源电力系统的控制等问题。因此，结合电力电子技术和风、光发电功率预测技术，以数字/物理混合建模模拟新能源分布式发电功率潮流输出，以背靠背双向变流器模拟蓄电池、超级电容器等储能元件构成的储能系统，实时平抑电网波动，稳定电网有功、无功潮流，确保系统平稳工作是本论文的研究重点。本文着重研究储能系统在含有风、光等间歇性可再生能源发电与微网中的构建及控制。 研究将储能元件采用电力电子技术相结合后所组成储能系统的结构、模型及相应的控制策略;研究并联型及串并联型储能系统在优化间歇性可再生能源发电系统的有功功率输出、改善其稳定性的作用。 第2章从间歇性可再生能源发电系统的特性入手，分析大规模间歇性可再生能源发电系统并网对电网的影响，建立风力发电机组和光伏发电系统的模型，为后续仿真研究奠定基础。 第3章分析铅酸蓄电池和超级电容器特性。并在分析对比这两种储能元件的等效电路模型的基础上，确定本文仿真分析所采用储能元件模型。 第4章DC/DC变换器作为一种新型的电力电子变换装置，可以实现各种储能元件，发电设备的优势互补，更大限度的发挥储能装置，将对DC/DC变换器做简单介绍。第5章 针对风电功率间歇性的特点，对储能系统在风电场的应用进行研究。建立串并联补偿式储能系统的数学模型和控制器并仿真分析，仿真表明，储能系统不仅可以平滑风电场的有功功率输出，还可以提高风电机组的稳定水平。第6章 总结全文，并展望值得进一步开展的工作。 2 大规模间歇性可再生能源发电系统的建模2.1 引言 2006年可再生能源法的实施，标志着我国的可再生能源发展进入了新的历史阶段。在各种可再生能源发电系统中，风力发电和光伏发电是开发应用较多的两种可再生能源发电形式。不同于水电、生物质发电，风力发电和光伏发电的出力与气候条件强相关。因此，风力发电和光伏发电具有随机性和间歇性的特点，而这一特点有可能会对电网造成一定的影响，有必要对其建模，分析其特性。2.2 大规模间歇性可再生能源井网面临的主要挑战 风能、太阳能等可再生能源存在不连续，不稳定，低密度，随时间、季节以及气候变化而变化等缺点，采用这些能源的发电设备并网后会对系统造成一定的影响。以风能为例。风能是一种清洁能源，但由于风力随自然条件变化影响，风速与风向发生不断的、随机的变化，因而造成风力发电出力的随机性和间歇性。与此相反的是电网必须按照发、供、用同时完成的客观规律，连续、安全、可靠、稳定的向客户提供频率、电压合格的优质的电力。因此，风电发展必须高度重视对电网安全、优质、经济运行带来的影响。风电场并网具有以下特点:(l)小型风电场并网主要可能会导致局部地区的电能质量下降，如谐波、闪变、电压和无功管理难度增加等问题。(2)大中型风电场一般直接接入输电网。在这种情况下，电网对风电的要求已经从电能质量进一步发展到暂态稳定、事故后自动恢复、调频调压、直接调度等能力。风本身具有不可控，不可调的特征，因此风电场难以参加系统调控，另一方面，目前我国主流的风力发电机一异步发电机并网运行依赖电网的电压和频率，当电网电压和频率不正常，超过一定幅度发电机必须脱网，从而加剧了电网不正常。由于电能的特殊性，发电、输电、配电与用电必须同时完成，这就要求系统始终要处于动态的平衡状态中，瞬时的不平衡就可能导致安全稳定问题。目前，许多风电场开始采用基于电力电子技术的风力发电机组，而这些机组在电网故障时受低电压穿越能力 高电压穿越能力 以及零电压穿越能力 限制将自动脱网，导致电网运行状况恶化。当具备快速调节能力的发电机组大量并网后，有可能发生功率振荡问题。 因此，建立合理的风电机组、光伏系统模型，研究如何改以风电、光伏发电为代表的间歇性可再生能源发电系统的发电稳定性、抑制间歇性可再生能源发电系统发电引起的电能质量问题以及如何提高含间歇性可再生能源发电系统的稳定性问题是间歇性可再生能源发电系统并网运行中的重要问题。如果具有有效的有功和无功控制手段，快速的跟踪间歇性可再生能源发电系统的功率，就有可能使得不可调度的间歇性可再生能源发电系统单元能够作为可调度机组单元运行。2.3 风力发电系统的特性分析 到2008年底，全球的风电装机己经超过了121GW，全球电力供应的1.5%来自于风力发电。风电累计装机容量居前五位的国家依次是:美国(25.17GW)、德国(23.9GW)、西班牙(16.74Gw)、中国(12.2lGw)和印度(9.587Gw)。 风力发电的过程是:自然风吹转叶片，带动轮毅转动，将风能转变为机械能，然后通过传动机构(包括传动轴、齿轮箱)将机械能送至发电机转子，带动着发电机转子旋转发电，实现机械能向电能的转换，最后风电机组的输出功率通过变电站注入电网。 在过去的20多年里，从采用恒速恒频 的风力发电机组发展到采用变速恒频 的风力发电机组，风力发电在可靠性、效率、技术水平、性能价格比、电能质量以及无功控制等关键技术领域都取得了突破，己具备向电力系统提供一定辅助服务的能力。风电机组恒速恒频和变速恒频方式下所采用的发电机类型和电路拓扑结构有所不同。由于同步机并网比较困难，恒速恒频方式下一般采用鼠笼式异步发电机，典型电路拓扑结构。当风机带动异步发电机的转子达到或者接近同步转速时，通过晶闸管控制的软并网装置将发电机接入电网，并网冲击电流较大。此后异步电机的转速基本保持恒定，此方式需要电容无功补偿装置。这种风电机组的优点在于控制电路简单。 变速恒频一般采用交流励磁的双馈发电机、同步发电机、永磁同步发电机或异步发电机，相应的电路拓扑。系统运行时，不同的风速下，发电机转子变速运行，可以提高风能的利用率，风电机组送入电网的电压频率恒定。 基于双馈异步发电机的变速恒频风电机组。通过控制双馈异步发电机转子侧励磁电流的频率可调节转速，这样在负载突然变化时可以迅速改变电机的转速，充分利用转子的动能放和吸收负荷，对电网的扰动远比常规电机小;另外，通过调节转子励磁电流的幅值和相位，可以调节双馈异步发电机输出的有功功率和无功功率。2.4 恒速恒频风力发电系统的建模与仿真2.4.1 风电机组动力系统数学模型 风力发电机组的动力系统包括风机、轮毅、齿轮箱和连轴器,其数学模 (2.1) （2.2） （2.3） 式 (2.1）(2.3)中:为风机叶片产生的转矩;为空气密度;R是风轮半径;v为作用于风轮机的风速;R为叶尖速比，即叶片线速度与风速的比值。为风机机械角速度。、为叶片额定机械角速度:凡为风力发电机组输出的额定功率;几为轮毅输出转矩;几为轮毅惯性时间常数;几为齿轮箱输出侧的转矩:t，t为齿轮箱的惯性时间常数;吼是风力机的功率系数，表示风电机组利用风能的效率，反映风轮机叶片捕获风能的能力，是叶尖速比义和浆距角刀的非线性函数，其拟合函数为: (2.4) 式中：;为拟合函数的相应系数。2.4.2 异步发电机数学模型异步发电机采用忽略定子绕组暂态过程的机电暂态模型 即 (2.5) 式中:为发电机的暂态电势;和分别为异步发电机定子的电压、电流和电阻;，为定子漏抗，为励磁电抗;:，为发电机的暂态电抗；为转子漏抗;为转子绕组电阻;为转子惯性时间常数;s为异步发电机的滑差，;为定子开路时转子回路的时间常数，.2.4.3 风电场等值 在动态仿真计算中为了减少计算量，将风电场内的风力发电机组等值为一台机，目前有很多种等值的方法，本论文着重研究风电出力的波动特性，因此，弱化风电场中各个风电机组的差异，采取的等值原则是: a.额定容量相等。等效额定容量:是所有风电机组额定容量之和，是第 i 台风电机组的额定容量，即: (2.6) b.注入电网的功率相等。是所有风电机组注入功率之和，只是第i台风 电机的注入功率，即: (2.7)2.4.4 算例仿真与分析 在 Matlab/simulink环境中建立了仿真平台，仿真计算中不考虑风电场各台风电机组地理位置对风速的影响，且设定风电场由同一机型的167台单机容量为600kw的异步风力发电机组组成，风电场总装机100MW，通过双回输电线与电网相连，与接入系统连接的简化单线图和有关参数。 风力机参数:=10，风力机额定风速:14m/ s，风力机拟合函数系数至的数值分别是:=0.44，=125，=0，=0，=6.94，=16.5，以及=一0.002。异步发电机参数(以额定容量6ookw为基准的表么值):=0.0064;=0.0842;=4.5291；0.124；=0.0089;=0.2855。风电机组按有功出力的30%进行电容补偿。 假设风速波动，仿真结果见图2.1，图2.2。 图2.1为风电场有功出力波形图，图2.2为风电场连接点的电压波形。由图2.1可知:风电机组的出力随风速的变化而变化，相应的风电场的连接点的电压也会随之波动。 图2.1风电场有功波形图2.2连接点的电压波形 仿真结果表明，有功功率输出随着风速的变化而变化，发电机组连接处的母线电压也随着波动。 2.5 光伏发电系统的特性分析 太阳能光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用光伏电池将光能直接转化为电能光伏发电系统主要由光伏电池板、控制器和电力电子变换器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以，光伏发电系统可长时间稳定运行、可靠性高、安装维护简便。 光伏发电系统中的电力电子变换器是将光伏电池发出的直流电转化为和电网电压同频、同相的交流电，从而向负载供电。按照应用的方式和领域，光伏并网逆变器可以分为图2.3所示的四种结构:l)面向大型光伏电站的集中型结构，如图 2.3(a)所示，多组串联的光伏方阵通过二极管并联在逆变器的直流输入端，再通过逆变器转换成交流电接入三相交流电网;2)面向光伏模组级的支路型结构，如图2.3(b)所示，将光伏模块串联起来，通过单相逆变器逆变接入单相低压电网，这种系统非常适合于城市分布式发电和家庭户用光伏系统并网发电，也是市场上广泛应用的光伏系统;3)面向中大型光伏电站的多支路型结构，如图2.3(c)所示，将光伏模块串联后，通过各自的直流变换器并联在逆变器的直流侧，形成多个支路式，并由并网逆变器接入单相或三相电网，多支路型结构可以很容易的构成兆瓦级大型并网光伏电站;3)面向小型应用场合的模块集成型结构，如图2.3(d)所示，单个光伏模块经逆变器接入单相交流电网，这种结构被认为是未来并网逆变器的发展方向之一。 图2.3光伏并网逆变器结构 光伏并网系统的逆变器的输出电压幅值自动被钳位为接入侧电网电压，通过采用锁相环技术实现光伏并网系统输出电流与接入侧电网电压的同相位，即保证系统输出的功率因数为1。2.6 单相户用光伏发电系统的建模与仿真2.6.1 光伏电池的建模 光伏电池的等效电路模型如图2.4 图2.4光伏电池等效电路模型2.6.2 单相逆变器的控制策略 本文采用维持逆变器直流侧电压恒定为单相逆变器的控制策略，具体见图2.5所示。图2.5单相逆变器控制策略 3 储能元件的特性分析及其等效模型3.1 引言 将储能设备用于可再生能源系统功率优化输出及稳定控制，就有可能采用小容量的储能，通过快速的电能存取，实现较大的功率调节，快速地吸收“剩余能量”或补充“功率缺额”，从而提高可再生能源系统的运行稳定性，提高电能质量，增强系统的供电可靠性，实现快速功率响应、黑启动等。而铅酸蓄电池是蓄电池中最成熟的技术，超级电容器则具有功率密度大的特点。因此，本文主要考虑铅酸蓄电池和超级电容器的建模。 3.1.1 常用的储能电池 由于全球化石能源的紧张，风能、太阳能等新能源分布式发电得到的大幅度利用，但风、光等新能源的间隙性和随机性等使得发电的不稳定等缺点正成为阻碍其深度发展的重要障碍，发电功率难