储能型风电场作为黑启动电源时储能系统的配置方法研究

摘要

水力发电厂因具有厂用电小、启动速度快等特点，成为电网黑启动电源的最佳选择。但我国内蒙古、西北等地区内水电厂较少，在发生停电事故后只能依靠主网的恢复，恢复时间较长。在这些地区风力发电是主要的发电形式，通过为风电场配置大容量电池储能系统，使其能够作为电网的黑启动电源，对于提高局域电网在故障后的恢复速度具有重要作用。储能系统作为储能型风电场的核心部分，能够实时消纳黑启动过程中风电场输出功率与需求功率的差额，保证启动过程的顺利进行。因此，深入研究储能系统的配置方法，并进一步研究储能型风电场功率协调控制策略来优化储能系统配置，有助于降低储能系统的配置成本，提升储能型风电场作为电网黑启动电源的经济可行性。 本文以呼伦贝尔电网为研究对象，对储能型风电场作为黑启动电源时储能系统的配置方法以及储能型风电场的功率协调控制策略进行了研究： （1）建立了双馈风电机组和电池储能系统的仿真模型：建立了风电机组在并网和空载运行工况下的数学模型，并利用隐式梯形法对数学模型进行离散化，基于离散化的模型搭建了风电机组的双工况仿真模型；通过分析电池储能系统的运行原理，建立了蓄电池的等效模型，并搭建了电池储能系统的仿真模型。 （2）提出了一种储能型风电场作为电网黑启动电源时储能系统的配置方法：分析了现有方案的不足及黑启动过程中影响储能系统配置的因素；确定了储能系统的接入方式和蓄电池类型；对电池模块额定容量最小值与功率极限、能量转换系统中变流器容量分别进行了配置，并采用线性加权和法构建了电池模块额定容量的双目标优化模型，以确定电池模块额定容量。通过算例仿真验证了所提配置方法能有效降低储能系统的配置成本，并探究了风电场输出功率对储能系统配置结果的影响。 （3）研究了储能型风电场黑启动火电机组过程中的功率协调控制策略：包含本地控制策略、风电场有功和无功协调控制器、协调控制器在黑启动各阶段间的过渡机制以及风电场功率输出极限计算模块，可以将储能系统的荷电状态维持在中间值附近以减小启动过程中储能系统内能量的波动范围，并将其无功输出调整为零。仿真表明，该协调控制策略能够进一步降低储能系统配置成本，并增大储能系统充放电能力和功率调节裕度。 通过本文所做研究，对储能型风电场作为黑启动电源时储能系统进行了配置，研究了协调控制策略以优化配置，提升了储能型风电场作黑启动电源的经济可行性。

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第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2.1 风电场和储能系统的控制技术

1.2.2 储能系统应用于风电时的配置方法

1.2.3 储能型风电场作为黑启动电源的研究现状

1.3 本文主要工作

第2章 双馈风电机组和电池储能系统的建模

2.1 引言

2.2 双馈风电机组的建模

2.2.1 风力机的数学模型

2.2.2 双馈发电机的数学模型

2.2.3 双馈风电机组的仿真模型

2.3 电池储能系统的建模

2.3.1 BESS的运行原理

2.3.2 蓄电池的等效模型

2.3.3 BESS的仿真模型

2.4 本章小结

第3章 电池储能系统的配置方法

3.1 引言

3.2 黑启动过程中影响BESS配置的因素分析

3.2.1 储能型风电场黑启动热电机组的方案

3.2.2 黑启动过程中影响BESS配置的因素分析

3.3.1 BESS接入方式及蓄电池选型

3.3.2 电池系统中电池模块额定容量的配置方法

3.3.3 电池模块的最大充放电功率及变流器容量的配置方法

3.4 算例仿真

3.5 本章小结

第4章 储能型风电场黑启动火电机组过程中的功率协调控制策略

4.1 引言

4.2 储能型风电场的本地控制策略

4.3 储能型风电场的功率协调控制策略

4.3.1 储能型风电场层有功协调控制器

4.3.2 储能型风电场层无功协调控制器

4.3.3 功率协调控制器在黑启动各阶段间的过渡机制

4.3.4 风电场有功与无功极限分析

4.4 仿真验证

4.5 本章小结

第5章 结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

攻读硕士学位期间参加的科研工作

致谢