风力发电用储能系统的优化配置及其仿真研究

华中科技大学

硕士学位论文

风力发电用储能系统的优化配置及其仿真研究

姓名：张琳

申请学位级别：硕士

专业：电气工程

指导教师：唐跃进

2011-05

摘 要

随着环境压力不断增加，新能源发电技术得到了广泛的发展和应用，其中风力发电技术在近几年发展尤为迅速。但由于自然风具有波动性与间歇性的特点，使得风电场输出功率不稳定。随着电力系统中风电装机容量的不断增加，由并网风电场带来的危害不容忽视。超导磁储能装置具有快速的响应速度和四象限独立控制有功功率和无功功率输出的特性，能有效增强风电场稳定性，克服自然风波动带来的危害。蓄电池储能装置存储容量大，技术成熟且价格低廉，能够有效增强电力系统供电可靠性，克服自然风间歇性带来的危害。

本文主要对超导磁储能装置增强风电场稳定性、蓄电池储能装置增强风电场供电可靠性进行了研究，并运用遗传算法优化设计了蓄电池储能装置的容量。通过仿真分析验证了有效性。

论文首先研究了风电并网存在的主要问题及储能装置在风电场中的应用现状，分析了储能装置增强风电场稳定性和供电可靠性的原理。在此基础上搭建了超导磁储能装置和蓄电池储能装置的数学模型，并运用遗传算法，以经济性指标为目标函数，给出了以求解蓄电池装置容量的适应度函数。

最后，在Matlab平台下，搭建了含风电场的电力系统模型，仿真分析了超导磁储能装置对于抑制风电场并网瞬间功率波动、风电场输出功率波动和风电机组三相短路故障的作用。利用Matlab遗传算法工具箱，对蓄电池储能装置容量进行了优化配置，仿真分析验证了蓄电池在增强风电场供电可靠性和增加经济效益方面的作用。

关键词：风力发电超导磁储能蓄电池储能遗传算法

ABSTRACT

There has been a widely development in the application of renewable energy sources with the increasing of environmental pressure. And the development of wind power has rapidly progressed over the last decade. But the wind farm outputs unstable power because of the fluctuation of the wind. With the growth of the installed power of wind energy plants,it takes more adverse effects to the power system. SMES responses speedly and can control the output of active power and reactive power independently. It will improves the stability of wind farm and overcome the harmness caused by the wind fluctuation. Battery has large capacity and low price. It has the ability to improve the reliability of the power system caused by the wind intermittence.

Firstly, this paper studies the problems of wind power integration into electricity system and the application status of the energy storage module in wind power and analyse the effects of the energy storage module to enhance the wind power supply reliability and operation stability. Then, we build the mathematical model of SMES and Battery and find the best battery capacity by GA.

Finally, we build the model of wind power system in the Matlab platform, simulite and analysis the effects of SMES to inhibit wind fluctuation and enhance the transient stability of the wind form. Then we optimize and design the capacity of Battery by Matlab Gatool, check the simulation results of the battery to the improvement of power supply reliability and economic benefits in wind power system.

Keywords: Wind Power SMES Battery Storage Genetic algorithm

独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

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1 绪论

本章主要介绍了课题的来源背景和研究意义，风力发电快速发展带来的主要问题是风电并网问题，在风电并网问题中最关键的是分析解决风电场对系统运行稳定性和供电可靠性的影响。储能装置应用于风电场能够有效解决风电并网引起的电力系统运行稳定性和供电可靠性问题。本章阐述了储能装置在风电场中的应用现状及储能装置优化配置的研究概述，最后介绍了论文研究内容和各章节布局安排。

1.1 研究背景

在21世纪，社会发展对电力系统提出了许多新的要求。从社会背景变化来说，环境问题、产业结构变化、能源消费结构的变化、信息化社会、生活方式的变化、能源资源、分散电源、能源产业间的竞争等问题将对电力工业的发展产生深刻影响[1]。进入新世纪以来，发展低碳经济、实现可持续发展、建设生态文明，成为人类社会普遍共识[2]。世界能源发展格局发生了重大而深刻的变化，其中以风力发电为代表的清洁能源发展迅猛。在世界范围内，截止到2006年末，风电装机容量已经超过了74GW，年增长率超过了24%（2002年~2006年），到2010年上半年世界风机装机容量达到了175GW。而在我国，风力发电总装机容量从2000年的35万千瓦增长到2009年的1500万千瓦，平均年增长率超过70%。

由于风能具有波动性、间歇性的特点，风电场输出功率会呈现出波动性和间歇性，当系统并网风电机容量不高时，可以通过调节常规发电机来实现对风电场输出波动性和间歇性的抑制和补偿。但随着风电装机容量在电力系统中占有比例的不断增加，风力发电对电力系统运行稳定性和供电可靠性的影响也越加明显。风能的不确定性和风电机组并网运行特性会影响电能质量，主要表现在电压波动、电压闪变和电压偏差等方面。当风电机组切入、切出时，也会对电网造成瞬间的冲击。根据国家电网发布的《国家电网公司促进风电发展白皮书》，到2015年我国将消纳风电9000万千瓦，而现实情况是我国现在大约有三分之一的风电场并没有实现并网发

电，风电场不能挂网运行不仅不会增加发电量，而且会造成巨大的经济浪费，对整个风电行业会造成严重的损害。中国作为风电的装机大国尚未成为真正的风电使用大国。可见风电并网难题已经成为制约风电健康发展的瓶颈问题。从现阶段情况看，风电有功功率即负荷调节问题是制约风电接入电网的主要因素，是首先面临必须要解决的问题。

要想实现风电并网，消除并网风电对电力系统的不利影响，除了需要建设配套的强大输电网、完善风电并网标准之外，储能技术在大规模风电场并网中得到了广泛的应用[3~6]。充放电速度快、反应灵敏的储能装置可以用来调压、调相和调频，增强风电场系统运行稳定性，保证风电电能质量。容量密度大的储能装置可以用于电网调峰。当某个时间段内风力资源丰富，而电网用电需求处于低谷时，可以利用大容量储能装置消峰填谷，将“过剩”的电能存储起来，在电网负荷高峰期将电能平稳的释放出来，提高风能的利用效率。同时考虑到储能装置经济成本的限制，我们在向电力系统加入储能装置的时候需要限定储能装置的容量，关于储能系统的优化配置问题需要进一步分析研究。

1.2 储能系统在风电场中应用现状

1.2.1 储能技术

目前，电能存储方式主要可分为机械储能、电磁储能和电化学储能。机械储能主要包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能等；电磁储能包括超导磁储能和超级电容器储能等；电化学储能主要有铅酸蓄电池、液流电池、钠硫电池等。由于风电场系统的复杂性和对储能装置需求的多样性，没有哪种储能技术可以同时满足电力系统的所有需求，所以需要将多种储能技术配合使用，来满足系统需求。

在机械储能中，只有抽水蓄能技术相当成熟，但由于地理资源的限制，其应用范围受到制约。在风电场应用研究中，超导磁储能和蓄电池储能成为研究重点。本文中选取了响应速度快的超导磁储能装置和存储容量大的蓄电池储能装置应用于含风电场的电力系统。

1.2.2 超导磁储能技术和电池储能技术

（1）超导磁储能

超导磁储能装置SMES

（），可利用超导磁体将电磁能存储起来，需要时将电磁能返回电网。超导磁储能装置，由超导磁体、低温系统、磁体保护系统、功率调节系统和监测系统等部分组成，其中超导磁体是SMES的核心部件。图1-1为超导磁储能系统主电路图。与其他储能技术相比超导磁储能技术有其独特的优点：1）能量密度高，约108 J/m3，可建成大容量系统；

2）转化效率高，可达95%以上；

3）通过变流器实现与电网连接，响应速度快，约为几毫秒至几十毫秒。能快速实现有功功率、无功功率独立控制，对电网电压和频率进行调节；

4）装置建造不受地点限制，安全无污染，使用寿命长。

图1-1超导磁储能系统主电路图

图1-2 35kJ/7.5kW直接冷却高温超导SMES系统外观图

20世纪90年代以来，低温超导磁储能在提高电能质量方面的功能被高度重视，但低温超导磁储能装置冷却成本高，低温系统技术难度大，不利于SMES广泛应用。近年来高温超导材料的研发取得较大进展，Bi系高温超导带材以实现商品化，其性能已基本达到电力应用的要求，高温超导SMES的研究受到重视[7,8]。华中科技大学超导中心在国家863计划支持下，研制出电力系统稳定用直接冷却高温超导SMES样机[9]，这也是我国第一台直接冷却高温超导SMES样机（如图1-2所示）。

（2）电池储能技术

电池储能装置主要包含铅酸蓄电池、钠硫电池、液流电池和锂离子电池。铅酸蓄电池作为电力系负荷均衡的储能电源，已经得到了广泛的应用，在产量和产值方面稳居各种化学电源之首。技术成熟，可大批量生产，成本低廉是铅酸蓄电池相比于其他电池储能技术最大的优势[10]。而钠硫电池、液流电池则具有更好的应用前景，在充放电特性方面各类蓄电池具有相似之处，本文中我们选取铅酸蓄电池作为研究对象，研究分析其增强风电场供电可靠性的作用。

铅酸蓄电池正极为二氧化铅，负极为海绵状铅，以密度为1.28~1.32g/ml的硫酸溶液作为电解液。蓄电池放电时，正负极活性物质分别与硫酸发生化学反应，生成硫酸铅，产生电能。充电时，正极处的硫酸铅重新转化为二氧化铅，负极处的硫酸铅重新转化为铅，铅酸蓄电池以这种方式不断的进行充放电循环。在风力发电系统中常用的铅酸蓄电池有：起动型富液式蓄电池、开口式富液蓄电池、胶体式阀控蓄电池等。富液式蓄电池在使用过程中需要不断补水维护，并对环境产生污染。而阀控式铅酸蓄电池采用特定隔板技术，使充放电过程中的副反应得到了抑制，避免了环境污染和加水维护等措施，成为风力发电用蓄电池的首选。

铅酸蓄电池优点：

1）自放电小，在25℃下自放电率小于2%/月；

2）高低温性能好，可在-40℃~50℃范围内使用，结构紧凑，密封良好，抗振动，大电流性能好；

3）回收利用效率高，原材料价格低廉，技术成熟；

4）化学能与电能间转换效率较高、容量大、循环寿命长、端电压高。

1.3 储能系统优化配置研究概述

对于特定的含风电场电力系统，我们需要对储能装置的容量进行优化配置，来实现储能装置的高效利用。由于遗传算法直接对结构对象进行操作，不存在求导和对函数连续性的限定，具有更好的全局寻优能力。同时，采用概率化的寻优方法，能自动获取和指导优化空间等特点。在许多工程实践中已经证明了遗传算法的有效性，本文中采取遗传算法来优化配置储能装置。

运用遗传算法对系统中的储能装置进行优化配置方面的研究工作并不是很多，而对于FACTS装置安装地点优化的研究较为深入。所以我们可以借鉴前人对FACTS装置的优化方法来实现本课题中储能装置的优化配置。国内外对于该方面的主要研究成果如下：

2005年中国电科院在解决风电场并网运行存在的电压稳定问题时，提出了应用遗传算法确定风电场并网点处无功补偿容器的分组和控制方法，实现全局寻优，减少了计算量[11] 。文中提到的潮流计算中风电场的处理方法以及异步风电机组的功率特性曲线等问题值得我们借鉴。

2007年国内学者以布尔津风电—水电网络为具体研究对象，采用遗传算法对风电系统临界稳定容量进行优化配置，建立了基于遗传算法优化的数学模型，构造了带有惩罚项的适应度函数，确定了该电网的风电穿越功率的上限[12]。

2010 年北京应用超导实验室研究分析SMES安装地点对于增强电力系统电压稳定性方面的作用。研究采用遗传算法对SMES安装地点进行优化，电压稳定参数被用作遗传算法的适应度函数。最终优化结果通过了一个十四节点电力系统进行了验证[13]。

2005年英国曼彻斯特大学利用遗传算法对输电网中静态无功补偿器安装地点进行优化配置，实现了增加输电网输电容量，减少总投资的目的。同时该优化还增加了系统的小干扰稳定性[14]。

2006年日本京都大学对含有火电厂，水电厂及风电厂的混合电力系统中的微型SMES装置运用遗传算法进行了优化配置，采用反应同步发电机功角差的函数作为

适应度函数，分析了在不同安装方式下SMES装置对维持同步发电机同步的作用。并将结果同禁忌搜索优化结果进行了对比，在不同数量SMES的情况下，分别得出了优化结果[15]。

1.4 本文主要工作

综上所述，本文主要对储能装置在风电场中的优化配置进行探索研究及仿真验证，研究工作集中在风电场储能系统优化配置的研究现状分析，储能装置增强风电场运行稳定性和供电可靠性方法研究，采用遗传算法进行储能装置的优化配置，以及风电场中储能系统优化配置的仿真分析四个方面。

（1）风电场储能系统优化配置的研究现状分析

该部分主要介绍了风电发展现状及存在的主要问题，储能系统在风电场中应用现状和储能系统优化配置的研究现状，分析对比了各种储能装置的优缺点，得出储能装置优化配置的必要性。

（2）储能装置增强风电场运行稳定性和供电可靠性方法研究

介绍了电力系统运行稳定性及供电可靠性的基础知识，分别研究了SMES增强风电场运行稳定性的方法和蓄电池储能装置增强风电场供电可靠性的方法。建立SMES的数学模型和蓄电池数学模型，在Matlab中搭建了仿真分析用的SMES相量模型，并对储能装置的控制策略进行说明。

（3）采用遗传算法进行储能装置的优化配置

介绍遗传算法的特性、基本原理和解题过程，运用Matlab遗传算法工具箱进行编程，针对蓄电池增强风电场供电可靠性，确定了经济性指标的适应度函数。求解出满足目标函数的最佳蓄电池容量。

（4）风电场中储能装置优化配置的仿真分析

对SMES增强风电场运行稳定性进行仿真分析，验证了SMES在抑制风电场输出功率波动、风电场并网瞬时功率冲击以及增强风电场暂态稳定性方面的有效性；对含风电场电力系统的供电可靠性进行仿真分析，验证了蓄电池在增强风电场供电可靠性方面的作用。

本论文的章节具体安排如下：

第1章概述了风力发电发展迅猛趋势，说明了由此导致的风电并网难题，在此基础上阐述了储能技术发展现状，引出将储能技术运用到解决风电并网问题。介绍了储能装置优化配置方面的研究现状。

第2章阐述了储能装置在解决风电并网问题方面的研究现状，分别介绍了SMES增强风电场运行稳定性和蓄电池储能装置增强风电场供电可靠性的方法。详细说明了SMES数学模型和蓄电池的数学模型，搭建了Matlab中仿真分析用SMES 相量模型。

第3章介绍了遗传算法的基本原理、算法特点和解题步骤。运用Matlab遗传算法工具箱进行编程，确定了蓄电池容量优化的适应度函数和约束函数，对蓄电池容量的进行了优化计算。

第4章利用Matlab中Simulink仿真平台，对SMES抑制风电场输出功率波动、风电场并网瞬时功率冲击以及风电场短路故障进行了仿真分析，验证了SMES增强并网风电场运行稳定性方面的作用。对蓄电池增强风电场供电可靠性进行仿真分析，验证说明了蓄电池在增加风电场供电可靠性方面的作用。优化得出最佳的蓄电池装机容量值，并给出蓄电池装机容量和供电可靠性指标的关系曲线。

第5章对全文进行了总结，提出了下一阶段的工作计划。

2 储能装置增强风电场稳定性和可靠性的方法研究

2.1 引言

电力系统运行稳定性和供电可靠性是衡量一个电力系统的重要指标，由于大规模风电场的并网运行，使得电力系统运行稳定性和供电可靠性受到了影响。利用储能技术能够为电力系统提供快速的有功支撑，增强电网调频、调峰能力。因此，对于含大规模风电场的发电系统，配备动态响应特性好、寿命长、可靠性高的储能装置，能够有效解决风力发电引起的间歇性和波动性问题，增强电力系统运行稳定性和供电可靠性，大幅提高电网接纳风力发电的能力，促进风力发电的开发和利用。

本章首先介绍了电力系统运行稳定性和供电可靠性的基础理论，然后分别说明分析了超导磁储能增强风电场运行稳定性的机理、蓄电池增强风电场供电可靠性的方法。同时建立了SMES数学模型和蓄电池的数学模型，在Matlab Simulink中搭建了SMES仿真的相量模型。

2.2 电力系统运行稳定性和可靠性基础

2.2.1 电力系统运行稳定性

（1）电力系统运行稳定性定义及影响因素

电力系统运行稳定性，是指系统中同步发电机处于同步运行状态，在该状态下，所有并联运行的同步发电机具有相同的电角速度，且表征运行状态的参数值接近于不变。系统中同步发电机处于同步状态是电力系统正常运行的重要标志。

影响电力系统运行稳定性的因素主要有下列几种[16]：

1）电力系统中长距离大功率的电力输送，在输送功率接近输送上限值后，电力系统中出现的微小扰动会引起功率、电压、电流等运行参数的振荡和剧烈变化现象，使电力系统失去稳定性；

2）由于电力系统中个别元件发生故障引起的较大扰动，会导致运行参数剧烈变化和振荡现象；

3）运行人员进行切除发电机、输电线路等正常操作时，也可能使电力系统的稳定运行受到破坏。

（2）提高电力系统运行稳定性措施

根据电力系统的实际运行经验可知，提升电力系统功率极限、减小发电机相对运动的振荡幅度、抑制自发振荡的产生是提高电力系统稳定性的一般原则[17]。根据上述原则，可采取下述措施提高电力系统运行稳定性：

1）通过改善电力系统基本元件（包括发电机及其励磁系统、原动机及调节系统、输电线路、变压器、开关设备等）的特性和参数，提高电力系统稳定性。

2）通过装设附加装置提高电力系统运行稳定性。常用的方法有：输电线路串联电容补偿、输电线路并联电抗补偿、输电线路设置开关站、发电机电气制动及变压器中性点经小电阻接地。

3）通过改善电力系统运行方式提高电力系统运行稳定性。常用方法有：制定合理的电力系统运行参数值、合理选择电力系统运行接线、切除部分发电机及部分负荷以及高压直流输电功率的快速调节。

2.2.2 电力系统可靠性

电力系统可靠性是指电网在各种运行条件下，向用户连续提供一定质量要求电能的能力，电力系统可靠性主要包括充裕度和安全性两个方面[18]。充裕度（adequacy），也被称为静态可靠性，是指在考虑系统元件的计划停运及合理的期望非计划停运条件下，电力系统维持连续供给用户总的电力需求和总的电能量的能力。安全性（security），也被称为动态可靠性，是指电力系统在受到突然短路或未预料的失去系统元件等突发情况引起的扰动时，能不间断地向用户提供电能的能力。

为了增强电力系统供电可靠性，我们需要保证电力系统的充裕度，增加必要的备用发电装置；增强电力系统运行稳定性，尽量避免停电事故的发生；保持电力系统完整性，限制故障的扩大，减小停电范围，保证停电后系统快速恢复。

在本文中，为了定量分析含风电场电力系统的供电可靠性，说明蓄电池储能装

置对于增强风电场供电可靠性方面的作用，我们定义了两个可靠性指标，分别是失负荷小时数和失负荷能量数。失负荷小时数（HLOL），表示在一年时间段内，发电系统供电量不能满足用户负载需求量的小时数，其单位是h/Year。失负荷能量数（ELOL），表示在一年时间段内，由于发电系统供电量不足，导致丢失的用户负载的能量数，其单位是kWh/Year。

2.3 超导磁储能装置增强风电场稳定性方法研究

2.3.1 SMES增强风电场稳定性方法

随着我国风力发电的快速发展，风电在整个电力系统中的比重逐渐增加，关于利用SMES增强风电场运行稳定性方法的研究也取得了许多研究成果。此节对SMES增强风电场运行稳定性的方法进行了分析说明。

（1）运用SMES稳定风电场功率输出

由于风速的波动性使得风电机组输出功率不稳定，如何平抑风电功率波动成为风力发电技术中的重要问题，在这方面的研究主要集中在两个方面。

SMES能够快速响应系统的功率变化，运用SMES这一特性阻尼系统功率振荡成为重要研究内容。为了方便说明SMES稳定风力发电机组功率输出特性，可建立如图2-1所示的含风力发电机的单机无穷大系统，SMES接在风电机低压侧。文献[19]建立了含SMES的单机无穷大系统的菲利普斯-海芙蓉模型，导出了含SMES电力系统总的电磁转矩表达式，从物理机理上说明了SMES能够抑制风力发电引起的功率波动。

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图2-1 含风力发电机的单机无穷大系统

由于双馈感应风力发电机（DFIG）允许原动机在一定范围内变速运行，提高了机组运行效率，成为我国大规模风力发电中的主力机型。但双馈风力发电机在并网运行时会带来功率波动，电压闪变等问题。通过SMES与DFIG励磁系统相结合（如图2-3所示），发电机可以根据风力机转速变化调节励磁电流的大小和频率，从而能够有效的降低双馈风力发电机输出功率的波动，提高并网运行的稳定性，同时增加风电场及整个电力系统运行稳定性[20]。

图2-2 SMES与DFIG励磁系统结合图

（2）运用SMES增强风电场暂态稳定性

运用SMES增强风电场暂态稳定性的研究多数停留在数字仿真方面，在风电场发生三相短路故障的时候，通过对SMES的合理控制，可以有效的增加系统的极限切除时间，加快电压及功率的恢复过程，增强了风电场的暂态稳定性[21,22]。

2.3.2 SMES增强系统稳定性机理

在2.3.1节中，我们从多个方面说明分析了SMES增强风电场稳定性的研究工

作。本节将会分析说明SMES增强电力系统暂态稳定性的机理。

在电力系统发生大扰动后，原动机输入机械功率与发电机输出电磁功率的差额

是导致系统暂态稳定性被破坏的根本原因。而SMES装置具有储能密度高、响应速度快的特点，通过有效的控制，可以与电力系统进行四象限内有功功率和无功功率的快速补偿。通过适当的控制，可以有效的减小大扰动产生的功率差额，从而增强电力系统的暂态稳定性。文献[23]采用了一种基于能量函数分析电力系统暂态稳定性的方法，可以实现定量的电力系统暂态稳定性分析。文献[24]通过分析接入SMES 后系统的功角特性，说明SMES对于增强电力系统稳定性的机理。本小节从等面积定则方面入手，分析说明SMES增强电力系统暂态稳定性。

如图2-3所示，在稳定运行情况下，原动机输出机械功率P T=P0，发电机功率

δ。短路瞬间，发电机功率特性曲线特性曲线为P1，对应工作点为a，对应功角为

为P3，对应工作点为b。此时原动机由于惯性作用，输出功率P T保持不变，于是出V=P T- P3b>0，发电机转子加速，功角δ增大。当功角增大至cδ时切除现过剩功率P

故障，发电机功率特性曲线为P2，对应工作点为e。此时P2e > P T，发电机转子开始减速，但功角继续扩大，直至到达工作点f处，此时发电机恢复至同步转速，功δ，此时电磁功率P2f > P T，发电机转子持续减速，功角δ不断减小，角达到最大值max

发电机工作点将沿着功率特性曲线P2向点e，k移动，最终振荡不断衰减，发电机会在工作点k达到新的稳定状态。

k

图2-3 转子相对运动及面积定则

由等面积定则可知，图示阴影面积A abcd 为加速面积，A defg 为减速面积，要想系统具有暂态稳定性，需要减速面积大于加速面积。根据这一理论，通过对SMES 进行适当的控制，在原动机输出功率大于发电机电磁功率时，放出部分电磁功率，而在原动机输出功率小于发电机电磁功率时，吸收部分电磁功率。可以实现缩小减速面积，增加加速面积的效果，从而从根本上增强了电力系统的暂态稳定性。

2.3.3 SMES 数学模型

按照SMES 接入电力系统时采用的变流拓扑结构，可将SMES 分为电压源型SMES 和电流源型SMES 。在本质上，SMES 都是通过调节与系统之间的有功电流和无功电流来实现与系统之间功率交换的。因而SMES 在理论上可以等效为接入系统的可控电流源，并通过对可控电流源的控制，实现有功电流和无功电流的输入输出。

在SMES 电磁暂态分析中，一般采用等效的二阶动态模型[25-27]：

111222

1111S S S S P P u T T Q Q u T T ?=?+????=?+??g g （2-1） 式（2-1）中，Ps 和S Q 分别表示SMES 向系统中注入的有功功率和无功功率，

1u 、2u 为 SMES 的控制量，分别控制SMES 向系统注入的有功功率和无功功率，1T 、2T 为SMES 的惯性时间常数，由系统的具体参数决定。而在仿真电路中SMES 功率

模型可用一阶延迟环节表示[28-31]，如式（2-2）所示：

.11Q P S set S set P Q K K P P Q Q T S T S

==++ （2-2） 式（2-2）中，P K 、Q K 分别表示有功功率和无功功率响应的增益系数，P T 、Q T 表示对应的延时。set P 、set Q 分别表示SMES 有功功率、无功功率控制控制输入量。

S P 、S Q 表示SMES 与系统有功功率、无功功率交换量。

图2-4 SMES 相量模型及参数设置

图2-5 SMES 内部模块组成图

在Matlab 软件SIMUlINK 平台下，搭建了SMES 的相量模型，其模型外观图和参数设置选项如图2-4所示。SMES 相量模块主要由控制输出模块、信息处理显示模块和等效电流源模块三部分组成（如图2-5所示）。在电磁暂态仿真过程中，通过设定SMES 额定容量、最大交换功率、响应时间及频率很相关参数，可以比较逼真的模仿SMES 动作特性。该模块通过有功功率、无功功率控制输入量set P 、set Q 以及采集到的储能外部电压电流信号，通过控制输出模块，计算出等效的控制电流信号，然后输入至等效电流源模块，向电力系统中输出对应的有功电流和无功电流。

2.3.4 SMES 控制系统设计

（1）SMES 控制策略

SMES 具有快速响应的特性，其中SMES 控制策略是影响其动作时间的关键，选择合理的控制系统成为研究SMES 增强风电场运行稳定性的重要课题。控制系统主要作用是提取系统状态信息，根据控制目标控制SMES 的功率流动。SMES 控制系统可分为上层控制和下层控制两个部分（如图2-6所示）。其中上层控制用于提供内环控制器所需的有功功率和无功功率控制的参考量SET P 、SET Q ，上层控制由系统特性要求和SMES 本身特性确定，根据不同控制目标可有多个控制器组成。底层控制器接收上层控制器提供的功率参考值，产生出脉冲序列，完成内部控制，输出相应电流的大小和相位。对应于2.3.3节确定的SMES 相量模型，我们只需要确定内环控制器所需要的有功功率和无功功率控制的参考量SET P 、SET Q 即可，所以涉及的控制策略为上层控制策略。

图2-6 控制系统框图

目前关于SMES 的控制策略的研究主要有：PID 控制、反馈线性化控制、非线性PID 控制、鲁棒控制、自适应控制、模糊逻辑控制和人工神经网络控制。其中PID 控制时电力系统中最常用的控制方式，具有理论完善、调整方便和易于工程实现的优点。其包含比例、积分微分等典型控制模块，能够有效改善系统稳定性能，提高系统动态性能。本文选取PID 控制，对SMES 增强风电场运行稳定性进行控制。

（2）SMES 控制系统

图2-7 SMES 控制系统

含风电场的电力系统中，采用电压偏差量U V 作为SMES 控制器控制信号能够充分发挥超导磁储能装置的有功功率和无功功率综合调节能力，既能满足增强风电场暂态稳定性的要求，又能够在风速波动时降低对风电场对电网的冲击。本文中设计的SMES 控制框图如2-7所示。以超导磁储能装置安装地点的电压偏差量U V 作为控制信号，经过有功功率控制器和无功功率控制器求出系统所需得到的补偿量SET P 、Q SET ，经过功率解耦控制，分别控制SMES 输出实际补偿的有功功率P SEMS 和无功功率Q SMES 。有功功率控制器和无功功率控制器均采用带惯性环节的比例控制，对应传递函数表达式为：

,11PP PQ SET SET P Q K K P U Q U T S T S

==++V V （2-3）

风力发电系统建模与仿真

风力发电系统建模与仿真 摘要：风力发电作为一种清洁的可再生能源利用方式，近年来在世界范围内获得了飞速的发展。本文基于风力机发电建立模型，主要完成了以下工作：（1）基于风资源特点，建立了以风频、风速模型为基础的风力发电理论基础； （2）运用叶素理论，建立了变桨距风力机机理模型； （3）分析了变速恒频风力发电机的运行区域与变桨距控制的原理与方法，并给出了机组的仿真模型，为风力发电软件仿真奠定了基础； （4）搭建了一套基于PSCAD/EMTDC仿真软件的风力发电系统控制模型以及完整的风力发电样例系统模型，并且已初步实现风力机特性模拟功能。 关键词：风力发电；风频；风速；风力机；变桨距；建模与仿真 1 风资源及风力发电的基本原理 1.1 风资源概述 （1）风能的基本情况[1] 风的形成乃是空气流动的结果。风向和风速是两个描述风的重要参数。风向是指风吹来的方向，如果风是从东方吹来就称为东风。风速是表示风移动的速度即单位时间内空气流动所经过的距离。 风速是指某一高度连续10min所测得各瞬时风速的平均值。一般以草地上空10m高处的10min内风速的平均值为参考。风玫瑰图是一个给定地点一段时间内的风向分布图。通过它可以得知当地的主导风向。 风能的特点主要有：能量密度低、不稳定性、分布不均匀、可再生、须在有风地带、无污染、分布广泛、可分散利用、另外不须能源运输、可和其它能源相互转换等。 （2）风能资源的估算 风能的大小实际就是气流流过的动能，因此可以推导出气流在单位时间内垂直流过单位截面积的风能，即风能密度，表示如下： 3 ω= (1-1) 5.0vρ 式中, ω——风能密度(2 W)，是描述一个地方风能潜力的最方便最有价值的量； /m ρ——空气密度(3 kg)； /m

双馈式风力发电机剖析

双馈式风力发电机 【摘要】随着地球能源的日益紧缺，环境污染的日益加重，风能作为可再生绿色能源越来越被人们重视，风力发电技术成为世界各国研究的重点。变速恒频发电技术是一种新型风力发电技术，其主要优点在于风轮以变速运行。通过调节发电机转子电流的大小、频率和相位，从而实现转速的调节。而其中双馈发电机构成的风力发电系统已经成为目前国际上风力发电的必然趋势。 关键词：风能风力发电变速恒频双馈式发电机 一、风力发电 风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。 风力发电：把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。 风力发电在芬兰、丹麦等国家很流行；中国也在西部地区大力提倡。我国的风力资源极为丰富，绝大多数地区的平均风速都在每秒3米以上，特别是东北、西北、西南高原和沿海岛屿，平均风速更大；有的地方，一年三分之一以上的时间都是大风天。在这些地区，发展风力发电是很有前途的。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。 风力发电的原理：是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13~25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证稳定使用。 风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分。 风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由两只(或更多只)螺旋桨形的叶轮组成。当风吹向浆叶时，桨叶上产生气动力驱动风轮转动。桨叶的材料要求强度高、重量轻，目前多用玻璃钢或其它复合材料(如碳纤维)来制造。（现在还有一些垂直风轮，s型旋转叶片等，其作用也与常规螺旋桨型叶片相同）

液压储能在风力发电中的应用

液压储能在风力发电中的应用 摘要：为实现风力发电系统稳定、持续地供电，必须在系统中配备合适的储能装置。储能装置的作用是将风能首先转化为液压能，运用液压储能元件来进行风能的存储，并以液压蓄能器作为储能装置。液压储能系统不但可以促进电网安全稳定运行，还可以节省了电网建设的投资，对风力发电的发展有着重要意义。 关键字：液压储能、风力发电、蓄能器 1.1风力发电概述 21世纪是高效、洁净、安全、经济可持续利用能源的时代，世界各国都在向此方向发展，都把能源的利用作为科研领域的关键予以关注。受1973年世界范围内的石油危机和空气动力学理论的发展的影响，在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风力以其自身独有的优点，作为新能源的一部分有了新的快速的发展。 风力发电，就是把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。具体的说，就是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。我国世界上风力资源较为丰富的国家之一，全国可利用的风能约为2.5亿kW。风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力，其次，用风力发电，可减少常规能源的消耗，从而减少有害气体的排放，对环境保护和生态平衡，改善能源结构具有重要意义。 1.2风力发电与储能技术 风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分

风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分（大型风力发电站基本上没有尾舵，一般只有小型才会拥有尾舵）。 由于风轮的转速比较低，而且风力的大小和方向经常变化着，这又使转速不稳定；所以，在带动发电机之前，还必须附加一个把转速提高到发电机额定转速的齿轮变速箱，再加一个调速机构使转速保持稳定，然后再联接到发电机上。为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率，还需在风轮的后面装一个类似风向标的尾舵。

故障电网下双馈风电系统运行技术研究综述_年珩

第35卷第16期中国电机工程学报V ol.35 No.16 Aug. 20, 2015 4184 2015年8月20日Proceedings of the CSEE ?2015 Chin.Soc.for Elec.Eng. DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.16.022 文章编号：0258-8013 (2015) 16-4184-14 中图分类号：TM 315 故障电网下双馈风电系统运行技术研究综述 年珩，程鹏，贺益康 (浙江大学电气工程学院，浙江省杭州市 310027) Review on Operation Techniques for DFIG-based Wind Energy Conversion Systems Under Network Faults NIAN Heng, CHENG Peng, HE Yikang (College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China) ABSTRACT: Recently, grid-connected operations of doubly fed induction generators (DFIG) based wind energy conversion systems (WECS) under fault grids, especially the conditions of voltage dips and swells, negative sequence disturbances and harmonic distortions, have been the hot spot issues. From the viewpoint of grid codes and reliable operations, focused on the uninterrupted operation, the network support and the friendly connection, the key operation techniques of DFIG system were discussed under severe faults for a short time and light ones for a long time. Besides, the current investigation situation on the DFIG system was introduced, and then, the research tendency of DFIG system control considering the grid faults and disturbances was presented. KEY WORDS: doubly fed induction generator (DFIG); fault grid; abrupt voltage changes; negative sequence voltage disturbance; harmonic distortion; grid code 摘要：近年来，双馈感应风力发电系统在故障电网特别是电压骤变、负序扰动、谐波畸变下的运行控制技术，已成为风力发电系统中的研究热点。该文从各国风电并网规范、风机高效并网运行角度出发，列举了双馈风电机组在不脱网运行技术、电网支撑能力和友好并网技术等领域的关注焦点，探讨了电网短时严重故障和长期轻微故障中双馈风电机组运行的关键问题与核心技术，比较了现有双馈风电系统的控制方案，并预测了其发展趋势，给出了潜在的研究方向。 关键词：双馈感应风力发电机；故障电网；电压骤变；负序扰动；谐波畸变；并网规范 0 引言 随着风力发电技术及风电装备制造水平的快速发展，风能已经成为最具规模化应用前景和商业化开发潜力的可再生能源。根据我国于2012年发 基金项目：国家自然科学基金项目(51277159)。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51277159).布的《可再生能源“十二五”规划》的总体目标，到2015年，各类可再生能源在能源消费中的比重要达到9.5%以上，其中累计并网运行风电容量达1亿kW，海上风电为500万kW[1]。因此，促进风电产业科学发展、实现风电场的合理布局已成为我国保障能源安全和优化能源结构的重要抉择。然而，受限于可再生能源开发密集区与用电负荷中心区域的逆向分布特点，导致了处于电网末端大型风电场的电能需通过高压远距离输电走廊才能送达负荷中心[2]，这种风电能量的大规模集中输送方式易造成风电机组并网运行安全故障。近年来，甘肃玉门风电场、宁夏贺兰山风电场等大规模风电场脱网事故，暴露了大型风电场的集中接入方式给电力系统安全、稳定、高效运行带来的冲击与挑战[3-4]。 为提升电网对风电的接纳能力、规范风电机组并网运行方式，世界各国纷纷制定出台了相应的风电并网接入导则，对风电机组运行的安全性、稳定性提出了严格要求[5-8]，主要体现在以下方面：1）风电系统应能有效抵御电压骤变、负序扰动、谐波畸变等各类短时及长期电网故障；2）风电机组应为电网提供必要的电压、频率支持，增强电网稳定性。我国立足于本国电网结构、可再生能源配比等实际情况，在广泛征求风电设备制造商、风电场运营商等各方面意见的基础上，于2012年颁布实施了《风电场接入电力系统技术规定》，要求风电机组在20%的机端电压条件下实现不脱网连续运行至少625ms，同时能承受长期2%的电压不平衡度、短时4%的电压不平衡度以及4%的并网电压谐波畸变率，并为故障电网提供无功电流支持[5]。可以预见，在不久的将来，风电机组将由原来单纯自身保护的受端系统，逐渐转变为含有辅助服务功

风力发电机文献综述

毕业设计文献综述 题目：立轴风力发电机 学生姓名：李春鹏学号：090501224 专业：机械设计制造及其自动化 指导教师：刘恩福 2013年2月27日

一、摘要 风能利用技术的快速发展已使风能成为目前最重要的一种可再生资源。现有的风能转化系统大部分将风能通过风力机装置转化为机械能，然后通过电机转化为电能，通常风力机按风轮旋转轴在空间的方向，分为水平轴风力机（HorizontalAxis Wind Turbine简称为HAWT）和立轴风力机（Vertical Axis Wind Turbine简称为VAWT）两大类，达里厄型（Darrieus）风力机为立轴风力机的典型机型。立轴风力机由于其结构和气动性能的独特优势，越来越被人们重视。变速风力机可以在很大的风速范围内工作，而且能最大限度的捕获风能，提高风力发电机的效率，而成为当前该领域的研究热点。本文以大型变速立轴风力机为研究对象，风力机为典型的达里厄型风力机，直接驱动永磁同步电机发电。通过建立风力机气动性能评估模型、传动系统模型、电机以及控制系统的模型，并在MATLAB/SIMULINK进行仿真模拟，得到风力机在各种工况下的运行情况，并实现了最大风能追踪的算法。 变速风力发电机提高了风能利用率，但增加了控制系统的难度，本文对最大风能追踪策略的理论进行分析研究。分析了达里厄型风力机的气动性能评估模型，该模型是基于叶素动量理论的双多流管模型，考虑了达里厄型风力机旋转时叶片对风轮下盘面流动干涉的特性，以及翼型动态失速、气动阻力的影响，对1MW达里厄型风力机进行计算分析，得到了该风力机的气动性能，如风力机在各风速下的气动转矩与转速的关系，以及在各风速下的气动功率与转速的关系，为仿真模拟提供基础。根据仿真的需要分别建立了风力机传动系统模型、永磁同步电机模型、最大功率跟踪算法等模型。永磁同步发电机在同步旋转轴下建立，并对同步电机的解耦控制做了分析，最大功率跟踪算法采用尖速比控制方法。最后在MATLAB/SIMULINK中且搭建了整个系统的仿真模型，对1MW 达里厄型风力机低风速气动、高风速刹车、额定风速下变风速运行等工况进行了仿真模拟。通过模拟得到风力机在各种工况下的运行情况，实现了最大风能追踪的算法，采用尖速比的控制方法追踪最大风能的效果显著，为进一步立轴风力发电机控制系统的设计提供依据。 ABSTRACT The rapid progress on wind energy conversion technology has made wind energy tobe one of the most important renewable and sustainable energy.Current wind energy conversion system translates the wind energy to mechanical energy by wind turbine,and then converts it to electricity by generator.According to the direction of the revolving shaft in space,wind turbine includes two types,one is horizontal axis wind turbine(HAWT for short),and the other is vertical axis wind turbine(VAWT for short),thevertical axis wind turbine is famous for Darrieus type.There has been growing attention to vertical axis wind turbine for its unique structural and aerodynamic advantages.As variable speed wind turbine works at larger ranger of wind speed,utilizes much more wind energy,Improve the efficiency of wind turbines.So it has become the hot topic in the field.This paper is basic on large variable speed vertical axis wind turbine.The wind turbine is Darrieus type,and it dives permanent magnet synchronous generator directly.Through establishment of aerodynamic performance evaluation model,dive-train model,generator and control system model,and simulating of the wind turbine system model in MATLAB/SIMULINK,we can obtain the performance of wind turbine in a variety of conditions,and achieve the algorithm of Maximum Power Point Tracking. Although variable speed wind turbine Improve the efficiency it Increase the difficulty of the control system.The Maximum Power Point Tracking control Strategy theory is analyzed in this paper.The aerodynamic performance evaluation model is established,it's the double-disk multiple stream-tube model in the framework of blade element momentum theory,the airfoil dynamic stall effect and aerodynamic losses were included.we obtained the aerodynamic performance by calculating for the1MW Darrieus vertical axis wind turbine,such as the relationship between aerodynamic torque and rotating speed at different wind speed,the relationship between aerodynamic power and rotating speed at different wind

变速恒频双馈风力发电机的主要优点和基本原理

变速恒频双馈风力发电机的原理和优点研究 变速恒频发电技术 变速恒频发电技术是一种新型风力发电技术，其主要优点在于风轮以变速运行。这一调速系统和变桨距调节技术环节结合起来，就构成了变速恒频风力发电系统。其调节方法是：起动时通过调节桨距控制发电机转速；并网后在额定风速以下，调节发电机的转矩使转速跟随风速变化，保持最佳叶尖速比以获得最大风能；在额定风速以上，采用失速与桨距双重调节、减少桨距调节的频繁动作，限制风力机获取的能量，保证发电机功率输出的稳定性和良好的动态特性，提高传动系统的柔性。上述方式目前被公认为最优化的调节方式，也是未来风电技术发展的主要方向。其主要优点是可大范围调节转速，使风能利用系数保持在最佳值；能吸收和存储阵风能量，减少阵风冲击对风力发电机产生的疲劳损坏、机械应力和转矩脉动，延长机组寿命，减小噪声；还可控制有功功率和无功功率，改善电能质量。尽管变速系统与恒速系统相比，风电转换装置中的电力电子部分比较复杂和昂贵，但成本在大型风力发电机组中所占比例并不大，因而大力发展变速恒频技术将是今后风力发电的必然趋势。 目前，采用变速恒频技术的风力发电机组，由于采用不同类型的发电机，并辅之相关的电力电子变流装置，配合发电机进行功率控制，就构成了形式多样的变速恒频风力发电系统。主要有以下几类：鼠笼型异步发电机变速恒频风力发电系统、绕线式异步发电机变速恒频风力发电系统、同步发电机变速恒频风力发电系统、双馈发电机变速恒频风力发电系统。其中，由双馈发电机构成的变速恒频控制方案是在转子电路实现的，采用双馈发电方式，突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念，使原动机转速不受发电机输出频率限制，而发电机输出电压和电流的频率、幅值和相位也不受转子速度和瞬时位置的影响，变机电系统之间的刚性连接为柔性连接。基于诸多优点，由双馈发电机构成的变速恒频风力发电系统已经成为目前国际上风力发电方面的研究热点和必然的发展趋势。

探析储能技术在风力发电系统中的运用

探析储能技术在风力发电系统中的运用 随着社会的不断进步，用电需求也在不断增加。在经过多年发展之后，我国目前已经在电力领域取得了国际领先的优势，能够为公众提供更加安全稳定的电能。在经过几十年的技术积累之后，风力发电已经逐渐呈现在公众面前，能够以更低的成本发出更加高质量的电能，极大的减小对环境的破坏。风电属于清洁可再生能源，在实际应用中可以结合储能技术发挥出更大的作用。文章将对储能技术的原理以及特点进行说明，并且阐述储能技术在风力发电中的应用前景。 标签：储能技术；风力发电；应用 Abstract：With the continuous progress of society，the demand for electricity is also increasing. After years of development，China has made a leading international advantage in the field of electric power，and can provide more safe and stable electricity for the public. After decades of technology accumulation，wind power generation has been gradually presented to the public，which can generate higher quality electricity at a lower cost and greatly reduce the damage to the environment. Wind power is a kind of clean and renewable energy，which can be combined with energy storage technology to play a greater role in practical applications. The paper will explain the principle and characteristics of energy storage technology，and describe the application prospect of energy storage technology in wind power generation. Keywords：energy storage technology；wind power generation；application 随着我国对环境的保护不断重视，国家对新能源的研究投入也越来越大，并且提出了新能源振兴计划，其中风力发电因其污染小、可再生性强等特点尤其被大家关注。风力发电涉及到多方面的专业技术，要将储能技术引入到风力发电系统中，以此来更好的提高电能的质量。当前风力发电已经获得了一些应用，并且正朝着提高风电场输出功率的方向发展，预计在2020年左右，风力发电将会在我国总体发电容量中占有较大的份额。 1 储能技术的分类和特性 1.1 飞轮储能系统 飞轮储能的主要原理是利用电动機带动飞轮高速旋转，将电能转化成动能储存起来，在需要的时候再用飞轮带动发电机发电的储能方式。目前通过超导磁悬浮技术能够有效降低损耗，采用复合材料能够提高储能密度，降低系统体积和重量。飞轮储能系统中需要使用到许多性能优秀的材料技术以及电力电子变流技术，在实际应用中能量转化过程有所消耗，最终使得整个飞轮储能系统的转化效率一般在90%左右。这种储能系统具有无污染、充放电次数无限以及维修便利的优势，已经得到了很多应用。在后来的研究中发现，在飞轮储能系统中使用积木

风电研究背景综述

随着经济高速发展对电能依赖程度的加剧，电力系统的规模不断增大，结构日趋复杂。电能生产、传输与消费环节之间的强耦合性使得针对局部扰动的不恰当处置可导致影响范围扩大，甚至诱发恶性连锁反应，酿成大面积停电事故。近年来，由于可再生能源发电大规模接入电力系统以及强随机、突发性极端自然灾害的频发，发生这种大面积停电的风险还有逐步增大的趋势。自2003年美加大停电之后，发生在我国和巴拉圭、巴西、日本、印度等国的大面积停电事故已经充分说明：大停电是现代电力系统必须面对的严重威胁[1]。在加强电网建设和管理的同时，研究大停电事故后局部孤立系统的快速恢复，对减少事故带来的经济损失和社会动荡具有极其重要的意义。 作为系统恢复的核心环节,网架重构的主要任务是高效利用系统中有限的启动功率，通过优化骨干机组及关键线路的投运顺序，争取在尽可能短的时间内最大化系统的有功出力,减小重要负荷的停电损失。就大系统的总体重构策略而言，主要分为子系统内的串行恢复和不同子系统间的并行恢复，通过二者的协调配合保证全网恢复的同步[2-4]。作为子系统内重构过程的基础，事故后的机组恢复顺序优化问题率先受到国内外研究者的关注。20世纪90年代，基于知识库的专家系统、层次分析等定性分析与定量求解相结合的方法已被相继用来制定机组恢复方案[5，6]。为了提高方案的客观适用性，文献[7]将机组顺序优化等效为多约束条件的背包问题，采用数据包络分析模型和回溯算法进行定量求解。文献[8]进一步引入二进制和线性决策变量，将问题简化为混合整数线性优化问题，可求得所有机组初始启动顺序的最优解。顺利重建网架不仅需要合理安排机组的恢复顺序，还需要关注送电路径的优化。文献[9-11]利用复杂网络的拓扑特性指导网架重建过程中关键线路的筛选。文献[12]将机组启动时间限制引入恢复路径的优化过程。文献[13]将送电路径优化与节点重要性评价进行解耦，提出针对网络重构过程的通用送电路径优化模型。由于机组和线路的投运在网架重构的主要阶段彼此交织、相互影响,为了将二者的优化过程统一起来，文献[14]采用改进支路权值后的综合优先级指标，以恢复时间最短为目标优化发电机的启动顺序。文献[15]采用计及恢复机组发电容量和线路相对重要程度的机组恢复效益指标确定最优重构网络。文献[16]提出了基于改进节点重要度和恢复路径评价方法的多目标双层重构优化模

风能与储能技术

风能与储能技术 风电是我国唯一已经被大规模开发利用的可再生能源。2010年底，我国风电装机总容量达到4473.3万千瓦，超过美国成为世界第一，风电并网容量也达到了2956万千瓦，十二五末总装机容量达到1亿千瓦。但是由于风力发电固有的间歇性和波动性，风电大规模接入电网必然会使电网的可靠性降低，从而影响电网的调度和运行方式，现阶段的情况是风电场的建设速度已经超出了电网的接受能力，出现了一些风电场弃风，因此如何让电网大规模的接受风电成为我国风电发展的关键因素。使用储能技术以抵消风电的间歇性与波动性是一种有效的方法。 一、能源发展趋势 人类的能源利用从最初的薪柴时代到后来的煤炭时代，再到现在的油气时代的演变，总量不断增长，同时能源结构也在不断变化。而每次生产力的巨大飞跃都和是能源的变迁离不开，可以说能源极大地推动了人类经济社会的发展。但是，伴随着人口的剧烈增长，而传统的化石能源是有限的，以至于现在人类经济和社会发展受能源的制约越来越明显。众所周知，我们现在消耗的，主要是地球上千万年来存储下来的化石能源，是不可再生的能源，而且正面临耗竭的危机，下图是传统化石能源开发利用的年限,由图1可以看出油气的使用年限为40-60年。 图1 BP 2011世界化石能源开采年限统计 如今谁也无法否认高油价时代已经到来，而传统化石能源给中国带来的污染问题更已让中国经济的发展蒙上了另一层阴影。中国经济如果无法摆脱高能耗高

污染的惯性，那么未来之路将充满变数。正是在这样的背景下，通过风能、生物 质能、太阳能等绿色能源来解决问题已成为中国经济发展不可避免的现实，同时 国家也在加快智能电网建设。 二、新能源发展迅速 相比与传统的化石能源，新能源具有绿色无污染的特点，所以世界各国都在 大力发展清洁的新能源技术。特别是近年来新能源的发展十分迅速。 来自《BP2011世界能源统计年鉴》的信息表明，2010年世界消费的能源强 劲增长，其中新能源较常规化石能源更是实现了大幅增长，生物燃料增长了 13.8%，，风能发电量持续强劲增长（+22.7%），而风能增长由中国和美国带动， 两者风能发电量增长总和差不多占全球增长的70%，在此带动下用于发电的可再 生能源总体增长15.5%，如下图2，这些类型的可再生能源占全球能源消费的比 例从2000年的0.6%上升至1.8%。 图2 2010年世界消费的各种能源增长率 三、风能 当前全球风电发展迅速，据资料显示，全球风电总装机自1997年至2008 年，年均增长30%，而中国同期增长更快，约50%（表1），尤其是近期，增长 更快，仅仅内蒙地区，2010年底总装机量就达到1000万千瓦。 表1 1997-2008全球和中国风电装机容量演变表（单位GW） 年份1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 全球总装机容量7.6 10.2 13.6 17.4 23.9 31.1 39.4 47.6 59.1 74.2 93.9 120.8 新装机容量 1.5 2.5 3.4 3.8 6.5 7.3 8.1 8.2 11.5 15.2 19.9 27.1 中国 总装机容量0.17 0.22 0.27 0.34 0.10 0.47 0.67 0.76 1.26 2.6 5.9 12.21 新装机容量0.11 0.06 0.04 0.08 0.06 0.07 0.19 0.20 0.50 1.34 3.30 3.6 作为风力发电行业最权威的中文媒体期刊《风能世界》杂志预测：到2020 年风能将成为世界最重要的能源力量。

风力发电的发展现状与关键技术综述

12 用资源，建立统一的中小企业外部诚信信息发布平台；配合银行部门加大对中小企业进行信用评级，评价结果作为中小企业贷款时商业银行认可的信用标准和必备条件，以期降低融资成本，缩短放贷时间。 3.6　打造良好金融环境 营造“守信光荣、失信可耻”的道德氛围，大力宣传一批诚实守信的中小企业典型，同时强化公正执法环境，执法部门应加大对逃、赖、废金融债务行为的惩罚力度，为金融环境提供强大的法治保障。参考文献 [1] 白金花．中小企业融资渠道拓展探析[J]．中国高新技术企业，2010，（34）． [2] 宋德荣．我国中小企业融资问题研究[D]．中国海洋大学， 2010． [3] 姚益龙．中小企业融资问题研究[M]．北京：经济管理出 版社，2012． 作者简介：殷慧琴（1974-），女，江西吉水人，供职于江西省吉水县统计局。 （责任编辑：王书柏） 随着世界经济的不断发展和科学技术水平的不断提高，人类的生活水平也随之提高。经济发展、科学进步、人们生活水平的提高，都需要能源的大力支持，这也导致全球能源消耗的快速增长。根据相关数据显示，到2020年全球的能源消耗将再增长50%～100%。由此可以看出，能源的消耗造成的气体对地球的温室效应的影响也在不断扩大，为人类带来严重后果。 针对这一现象，人们也陷入了深思：如何才能建立一个可持续发展的社会环境？因此，节约能源也成为了各国关注的话题。人们逐步将眼光转向了清洁发电的方法。 在清洁发电的方法中，风力发电无论从技术层面，还是实际操作方面，都是最成熟的发电方法之一。相对于消耗煤炭和石油的老旧方式，风力发电既不消耗任何能源，又能减排二氧化碳等污染物，净化空气。同时，风力发电在新能源领域中，不仅可以调整电力工业结构，也是极具商业开发规模的发电方式。因此，许多国家已将风电发展作为国家可持续发展的重头戏。 1　风电发展历史与现状 第一台风力发电机的雏形形成于丹麦，虽然是电力方面的重大发展，但因技术的不完善、经济支 风力发电的发展现状与关键技术研究综述 王海峰 （广东电网公司湛江供电局，广东 湛江 524005） 摘要： 文章主要论述了国内外风电最新的发展现状和风力发电的关键技术最新研究进展，并对风电技术中的功率控制技术和风电功率预测做了重点论述。另外，在其中简要介绍了全球风电的发展概况、中国风能资源分布情况等相关内容。文章有助于对风电发展全面了解和深入掌握。关键词： 风力发电；风电技术；功率控制；风电功率预测中图分类号： TM614 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）33-0012-03 2012年第33/36期（总第240/243期）NO.33/36.2012 （CumulativetyNO.240/243）

风力发电机状态监测与故障诊断技术综述

风力发电机状态监测与故障诊断技术综述 摘要：随着信息技术发展速度的不断加快，信息技术的应用范围也开始变得越 来越广了，在新能源领域信息技术得到了非常好的应用，风力发电技术作为新能 源领域中的一个非常重要的组成部分，其的故障诊断技术和发电机状态监督在风 力发电运行过程中发挥的作用是非常重要的。本文就风力发电机故障诊断技术和 状态监督进行分析，希望能够在一定程度上促进我国风力发电行业的发展。 关键词：风力发电；发电机；状态监测；故障诊断；机械故障；电气故障； 振动故障 目前我国风力发电技术在发展过程中仍旧存在着很多的问题，其中对风力发 电影响最大的就是风力发电机故障诊断技术和状态监测这两个问题。要想让风力 发电产业得到更加快速的发展，故障诊断监测系统必须要对发电机各个零件的运 行状态进行实时监督，只有这样才能够及时的根据风力发电机的电压、温度、震 动来对发电机的状况进行准确的诊断，才能够在发电机出现问题的第一时间就能 够及时的找到解决办法，我国风力发电机的运行效率才能够得到提升。 １风力发电机常见运行故障监测及诊断 双馈风力发电机常见运行故障可分为机械故障和电气故障２类：机械故障包 括发电机振动过大、轴承故障、轴系不对中故障、转子质量不平衡故障、机座松动、转子偏心故障等；电气故障包括线圈短路、绝缘损坏、气隙不均衡、三相不 平衡等。 1.1机械故障信号监测与诊断 通常可通过监测发电机的振动、温度、转速等信号诊断发电机轴承故障、轴 系不对中、转子质量不平衡、机座松动、转子偏心等机械故障。 一旦发电机在运行的过程中出现故障的化，我们可以通过发电机输出的电流、功率、电压等的不同频率来对发电机的故障进行分析。如果是发电机的轴承出现 问题的话，那么番点击在进行运行的过程中就非常出现高频率的震动，一般情况 下发动机出现故障的高频率震动，是发动机正常震动的一千多倍，如果发动机故 障过于严重的话，那么发动机的震动可能就会变得更严重，这个时候故障诊断系 统就可以通过振动传感器来获取外界的信号，才能够及时的发动机的故障机进行 处理。 1.2电气故障信号监测与诊断 如果是发动机电气出现问题的话，那么故障检测系统在对发电机进行检测的 过程中，就可以通过对发电机定子线圈的电压、温度等来对发电机的故障进行判断，能够引起发电机电气出现故障的原因主要有相间短路、匝间短路、和层间短 路等，因此一旦发现是翻地啊你电气出现故障的化，就会重点对发电机进行短路 检测。在进行故障诊断的过程中，我们可以通过发电机的电压和电流、转子扭矩 来对发电机的运行状态进行测量。 如果通过检测我们发现时由于相间短路的原因导致发电机再出现故障问题的话，我们就可以发现发电机的温度和电磁场都会发生非常大的变化，故障的特征 也会随着时间的增加而变得特别明显。要想快速的检测出发电机出现故障的原因，我们科技直接对发电机的振动、温度和电流进行采集，这样就能够在最短的时间 之内诊断出发电机短路故障了。相间短路一般主要包括三相短路、单相短路、两

风力发电系统建模与仿真

风力发电系统建模与仿真

风力发电系统建模与仿真 摘要：风力发电作为一种清洁的可再生能源利用方式，近年来在世界范围内获得了飞速的发展。本文基于风力机发电建立模型，主要完成了以下工作：（1）基于风资源特点，建立了以风频、风速模型为基础的风力发电理论基 础； （2）运用叶素理论，建立了变桨距风力机机理模型； （3）分析了变速恒频风力发电机的运行区域与变桨距控制的原理与方法，并给出了机组的仿真模型，为风力发电软件仿真奠定了基础； （4）搭建了一套基于PSCAD/EMTDC仿真软件的风力发电系统控制模型以及 完整的风力发电样例系统模型，并且已初步实现风力机特性模拟功能。 关键词：风力发电；风频；风速；风力机；变桨距；建模与仿真 1 风资源及风力发电的基本原理 1.1 风资源概述 （1）风能的基本情况[1] 风的形成乃是空气流动的结果。风向和风速是两个描述风的重要参数。风向是指风吹来的方向，如果风是从东方吹来就称为东风。风速是表示风移动的速度即单位时间内空气流动所经过的距离。 风速是指某一高度连续10min所测得各瞬时风速的平均值。一般以草地上空10m高处的10min内风速的平均值为参考。风玫瑰图是一个给定地点一段时间内的风向分布图。通过它可以得知当地的主导风向。 风能的特点主要有：能量密度低、不稳定性、分布不均匀、可再生、须在有风地带、无污染、分布广泛、可分散利用、另外不须能源运输、可和其它能源相互转换等。 （2）风能资源的估算 风能的大小实际就是气流流过的动能，因此可以推导出气流在单位时间内垂直流过单位截面积的风能，即风能密度，表示如下： 3 ω= (1-1) 5.0vρ 式中, ω——风能密度(2 W)，是描述一个地方风能潜力 /m 的最方便最有价值的量；

双馈异步风力发电机(讲)

1.引言： 风力发电机组主要包括变频器，控制器，齿轮箱（视机型而定），发电机，主轴承，叶片等等部件，在这些部件中发电机目前国产化程度最高，它的价格约占机组的10%左右。发电机主要包 括2种机型：永磁同步发电机和异步发电机。永磁同步发电机低速运行时，不需要庞大的齿轮箱，但是机组体积和重量都很大，1.5MW 的永磁直驱发电机机舱会达到5米，整个重量达80吨。同时，永磁直驱发电机的单价较贵，技术复杂，制造困难，但是这种机型的优点是少了个齿轮箱，也就少了个故障点。异步发电机是由风机拖动齿轮箱，再带动异步发电机运行，因为叶片速度很低，齿轮箱可以变速100倍，以让风机在1500RPMF运行，目前流行的是双馈异步发电机，主要有1.25MV Y 1.5MV y 2MW三种机型，异步发电机的机组单价低，1KW大概需6000元左右，而且技术成熟，国产化高。 2.双馈异步发电机的原理： 所谓双馈，可以理解为定子、转子同时可以发出电能, 发电机原理理论上说只要有动力带动电动机，在电动机的定子侧就能直接发出电能。现代变速双馈风力发电机的工作原理就是通过叶轮将风能转变为机械转矩（即风轮转动惯量），通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网。如果超过发电机同步转速，转子也处于发电状态，通过变流器向电网馈电。双馈发电机正是由叶片通过齿轮箱

变速，带动电机高速旋转，同时转子接变频器，通过变频器PW M控制以达到定子侧输出相对完美正弦波，同时在额定转速下，转子侧也能同时发出电流，以达到最大利用风能效果。通俗的讲，就是要变频器控制转子电流，反馈到定子上面，保证定子发出相对完美的正弦无谐波电能，同时在额定转速下，转子也能发出功率出来。有个大致感觉是 1.5MW 发电机的定子发电量大概1200KV，转子大约300KV，转子侧发出的功率要在30%以下，总之越少越好这样可以让变频器功率小点。 3.双馈异步发电机的设计难点： 结构设计难点：因机舱封闭体积，风机运行环境非常恶劣，需要气温-30?55度之间正常运行，希望电机尺寸尽量小，风机对发电机重量有严格要求，部分厂家对转子转动惯量也有要求。发电机需要高速运行，但振速要小，通常要小于 2.8mm/s。此外对于水冷的电机入水温度较高，需要考虑维修和维护问题！比如轴承自动加油等！还有就是，整个发电机是倾斜运行的，大概4?5度的倾斜角度，这个在结构设计时候需要考虑??大家看到发电机的轴承就知道了。 电气设计难点：风机需要效率97%以上，由于转子绕组接变频 器，接变频器就会引发谐波电流，会引起铜耗，铁耗等！此外 定子转子承受很大冲击电压，提高绕组温升问题是优先考虑， 转子电流非常大，上千安培，滑环设计也是难点！电机会有轴 电流，需要考虑绝缘问题！同时高空运行需要防雷处理！转子 绕组线规非常大，成型困难！尽量控制转子输出功率尽量小于 30%，以缩小变频器的功率。

海上风力发电技术综述

海上风力发电技术综述 1概况风力发电是世界上发展最快的绿色能源技术，在陆地风电场建设快速发展的同时，人们已经注意到陆地风能利用所受到的一些限制，如占地面积大、噪声污染等问题。由于海上丰富的风能资源和当今技术的可行性，海洋将成为一个迅速发展的风电市场。欧美海上风电场已处于大规模开发的前夕。我国东部沿海水深50 m以的海域面积辽阔，而且距离电力负荷中心（沿海经济发达电力紧缺区）很近，随着海上风电场技术的发展成熟，风电必将会成为我国东部沿海地区可持续发展的重要能源来源。 海上风电场的风速高于陆地风电场的风速，但海上风电场与电网联接的成本比陆地风电场要高，综合来看，海上风电场的成本和陆地风电场基本相同。 海上风电场的发电成本与经济规模有关，包括海上风机的单机容量和每个风电场机组的台数。铺设150MW海上风电场用的海底电缆与100MW的差不多，机组的大规模生产和采用钢结构基础可降低成本。目前海上风电场的最佳规模为120～150MW。在海上风电场的总投资中，风电机组占51%、基础16%、电气接入系统19%、其他14%。丹麦电力公司对海上风电场发电成本的研究表明，用国际能源局（IEA）标准方法，按目前的技术水平和20年设计寿命计算，估测的发电成本是0.36丹麦克朗（人民币0.42元或0.05美元）/kWh。如果寿命按25年计算，还可减少9%。 海上风电场的开发主要集中在欧美地区，其发展大致可分为5个不同时期： ①1977～1988年，欧洲对国家级海上风电场的资源和技术进行研究；② 1990～1998年，进行欧洲级海上风电场研究，并开始实施第1批示计划；③ 1991～1998 年，开发中型海上风电场；④ 1999～2005年，开发大型海上风电场和研制大型风力机；⑤ 2005年以后，开发大型风力机海上风电场。 2海上风环境 一般说来海上年平均风速明显大于陆地，研究表明，离岸10km的海上风速比岸上高25%以上。 2 1 风速剖面图海面的粗糙度要较陆地小的多，因此风速在海平面随高度变化增加很快，通常在安装风机所关注的高度上，风速变化梯度已经很小了。因此通过增加塔高的方法增加风能的捕获在某种程度上不如陆地有效。由于海上风边界层低，所以海面上塔高可以降低。陆地与海上风速剖面比较如图1所示。