基于超导储能SMES的直驱型风电并网控制设计

摘要

近年来化石燃料短缺以及环境恶化等问题日益严重,取代化石燃料的清洁型能源的发展是非常必要的。风能是最有发展前景的清洁能源之一,在未来的国际能源格局中,风力发电具有相对重要的地位。在全球范围内大量建立了风电场,最近十年来大规模的风电场与电网相连进行并网运行已成为趋势。然而大量风力发电机联网将对电力系统的稳定性带来重大的影响。
　　目前储能技术在电网传输应用中得到了迅速的发展。超导储能通过超导线圈进行能量储存,并具有很高的效率,能够实现四象限运行,快速独立的与电网进行有功无功的交换。藉于这些特点,超导储能在众多储能技术中脱颖而出,是最具有发展潜力的储能技术之一。
　　本文将超导储能装置应用于风电并网系统的设计中,由于超导线圈中流通的是直流电流,而电网是交流系统,因而作为中间接口的功率转换装置设计变得尤为重要。
　　首先,建立了基于VSC的背靠背双PWM变流器,通过对机端变流器和网端变流器的独立控制,在Matlab/Simulink平台上搭建仿真模型,实现了机侧的最大功率捕获以及网侧输出的单位功率因数和对直流电压的控制。其次,研究了储能技术的发展情况,对各种储能装置的优缺点进行了对比,并将超导储能技术应用于电力系统中,利用间接Hamilton化理论构建系统的能量函数,得到满足Lyapunov意义下渐近稳定条件的控制律,通过Matlab编程证明控制策略的正确性。
　　最后,在前面所做工作的基础上,完成了基于超导储能SMES的直驱型风电并网设计。通过对超导储能用斩波器的工作原理分析,给出了在充放电和续流三种状态下统一的直流环节数学模型。构建系统的Hamilton能量函数,搭建了基于Matlab/Simulink的系统模型,通过对机侧变流器、网侧变流器和直流环节斩波器的协调控制,实现了对输出功率波动的平抑。

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第一章 绪论

1.1 风力发电

1.2 储能技术概述

1.3 Hamilton能量函数理论

1.4 本文研究内容及其章节安排

第二章 直驱型风电并网系统

2.1 PWM变流器

2.2 风电并网系统设计

2.3 机侧变流器控制策略及仿真分析

2.4 网侧变流器控制策略及仿真分析

2.5 直驱型并网变流器

2.6 本章小结

第三章 超导储能装置

3.1 超导储能SMES

3.2 基于微分方程构建Hamilton函数的分析力学方法

3.3 含SMES电力系统的广义耗散Hamilton实现

3.4 控制器设计

3.5 仿真算例

3.6 本章小结

第四章 超导储能装置在风电并网系统中的应用

4.1 风储联合系统

4.2 风电SMES并网系统

4.3 风电SMES并网系统模型及其控制策略

4.4 仿真

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 后续研究工作

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表的论文