超导磁储能系统在并网风电场的应用研究

摘要

风力发电作为最具有商业化发展前景的可再生能源发电在世界范围内得到了快速的发展。但是风能是一种具有随机性和间歇性的能源,因此风电场不能提供持续稳定的发电功率,发电可靠性较差,在其并网运行过程中将对系统潮流、无功电压、系统稳定性、电能质量等造成影响。另外我国目前已经在运行的风电机组大多数基于普通异步发电机组,运行中需要系统提供大量的无功支持。因此研究改善风电场的稳定性、抑制风电波动引起的功率波动和电压波动以及提高含风电系统的稳定性等问题成为目前风电并网运行中亟待解决的重要问题。本文对超导磁储能系统在并网风电场的应用进行了研究,主要内容如下：(1)对于目前世界上两种主要的风电机组类型：基于普通异步发电机的恒速风电机组与基于双馈感应发电机的变速风电机组进行了数学模型推导及建模分析。(2)采用开关函数方法分别建立了VSC型SMES和CSC型SMES较为精确的状态空间模型,得出SMES在同步旋转d-q坐标系下的暂态模型同时在DIgSILENT/PowerFactory软件仿真平台中搭建了仿真模型。(3)对SMES的控制原理进行了分析,提出了改善并网风电场暂态稳定性的超导储能系统控制策略,采用基于网侧电压定向的矢量控制方案并通过附加前馈项实现其解耦控制；设计了相应的控制器并在DIgSILENT/PowerFactory中实现,同时验证了所建SMES系统模型的正确性、控制策略的有效性。(4)基于实际地区电网,对含SMES的并网型风电场进行相应的仿真,验证了SMES应用于并网风电场平滑风电场有功功率波动、提高风电场暂态稳定性、改善风电场频率响应特性的作用。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 目前风电并网运行中存在的问题

1.2 超导储能系统特点及其应用研究现状

1.2.1 超导储能系统原理及构成

1.2.2 超导储能系统的特点

1.2.3 超导储能系统的应用研究现状

1.2.4 课题的来源及主要工作

1.3 小结

2 用于仿真分析的风电机组建模及风电场等值

2.1 引言

2.2 电力系统仿真软件—DIgSILENT/PowerFactory

2.3 风电机组概念

2.4 普通异步发电机模型

2.4.1 普通异步发电机动态模型

2.4.2 普通异步发电机静态模型

2.5 双馈感应发电机模型

2.5.1 双馈感应发电机动态模型

2.5.2 双馈感应发电机静态模型

2.6 空气动力学模型

2.7 轴系模型

2.8 基于普通异步机的恒速风电机组模型

2.9 基于双馈感应电机的变速风电机组模型

2.10 风电场等值模型

2.11 小结

3 超导磁储能装置建模

3.1 引言

3.2 数学模型及改进

3.2.1 模型分析

3.2.2 VSC型SMES数学模型

3.2.3 CSC型SMES数学模型

3.2.4 CSC型SMES和VSC型SMES的对比分析

3.3 基于DIgSILENT的SMES系统模型

3.4 小结

4 应用于风电场的超导储能装置控制器的研究

4.1 引言

4.2 控制策略

4.3 控制器的设计

4.4 瞬时功率的测量和三相CSC的PWM的实现

4.4.1 瞬时有功无功功率的测量

4.4.2 三相CSC的PWM控制

4.5 SMES控制系统仿真分析

4.6 小结

5 含SMES的并网风电场动态特性仿真研究

5.1 引言

5.2 仿真研究

5.2.1 SMES平滑并网风电场有功功率输出

5.2.2 SMES改善故障时并网风电场电压稳定性

5.2.3 SMES改善故障时并网风电场的频率响应特性

5.3 小结

6 结论及展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

攻读硕士期间参与项目