飞轮随机扰动平衡的风能最大利用控制策略研究

【摘要】：在可再生能源发电产业中，风力发电无疑是解决当前世界能源危机和环境污染问题的最有效途径，也是当前分布式可再生能源发电中最具大规模开发条件的方式。但随着电网规模的不断扩大，风速的随机波动性对电网电能质量及可靠性的影响越来越突出，并且亟待解决。本文选择飞轮储能系统作为能量暂存的缓冲装置，在保证风能最大利用的基础上，对风力发电系统的随机扰动进行补偿，以减少风电波动对电网的影响。 首先，介绍了直驱式永磁风力发电机的结构及工作原理，建立了基于四种基本风速叠加的风速模型、风力机模型、传动系统模型及发电机模型，并通过仿真得到实际风速的模拟曲线以及额定风速下风力机的运行特性曲线。从提高风能利用率的角度出发，结合发电机的运行特点和工作模式，提出采用爬山法实现风电系统的最大风能跟踪控制。 然后，根据飞轮储能系统的工作原理和运行特点，选择永磁无刷直流电机作为飞轮电机，建立了飞轮储能系统的数学模型，并通过采用转速、电流双闭环控制对飞轮储能系统的充、放电过程进行仿真，仿真结果验证了其良好的动态特性。 其次，在独立运行的离网型风力发电系统的直流侧并入飞轮储能系统，通过对整个系统结构及工作原理的分析，对系统各部分分别采用直流环节电压控制、单位功率因数控制，并基于以上两种控制策略建立仿真模型，仿真结果表明：在外界风速扰动情况下，飞轮储能系统能够对风力发电的无序波动进行补偿，有效提高输出电能的质量。 最后，建立了采用双PWM控制策略的并网型直驱永磁风力发电系统模型，并将飞轮储能系统配置在双PWM的直流侧。在保证风能最大利用的基础上，对电机侧变流器、电网侧变流器及飞轮储能分别进行控制，在维持直流母线电压稳定的同时，实现了有功、无功功率的解耦控制.通过仿真验证了在风速变化情况下，飞轮储能系统能够有效平衡风电输出功率的波动，进而达到改善并网风电电能质量的目的。 【关键词】：飞轮储能 风力发电 最大风能利用 功率波动 稳定控制
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-15
• 1.1 研究背景及研究意义10-11
• 1.2 课题的国内外研究现状11-13
• 1.2.1 储能技术在风电中的研究现状11-12
• 1.2.2 飞轮储能系统在风电中的研究现状12-13
• 1.3 大规模风电机组并网运行亟待解决的问题13-14
• 1.4 本文的主要研究内容14-15
• 第2章 最大风能跟踪控制下风电系统的模型建立15-29
• 2.1 直驱永磁风力发电系统的结构及工作原理15-16
• 2.2 直驱永磁同步发电机模型16-25
• 2.2.1 风速模型16-18
• 2.2.2 风力机模型18-23
• 2.2.3 传动系统模型23
• 2.2.4 发电机模型23-25
• 2.2.5 桨距角控制25
• 2.3 直驱永磁发电机的最大风能跟踪运行25-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第3章 飞轮储能系统的数学模型及其充放电仿真控制29-38
• 3.1 飞轮储能系统的组成及工作原理29
• 3.2 飞轮储能系统的储能量29-30
• 3.3 飞轮储能的数学模型30-32
• 3.4 飞轮储能的充放电动态过程仿真分析32-37
• 3.4.1 充电过程仿真分析33-35
• 3.4.2 完整的充放电过程仿真分析35-37
• 3.5 本章小结37-38
• 第4章 直驱永磁风力发电机-飞轮储能耦合的平衡调控系统38-45
• 4.1 直驱永磁风力发电机-飞轮储能耦合系统的整体结构38-39
• 4.2 直驱永磁风力发电机-飞轮储能耦合系统的工作原理39
• 4.3 耦合系统的控制策略39-42
• 4.3.1 直流环节电压控制策略40-41
• 4.3.2 单位功率因数控制策略41-42
• 4.4 直驱永磁风力发电机-飞轮储能耦合系统的仿真分析42-44
• 4.5 本章小结44-45
• 第5章 响应系统功率动态需求的风电-飞轮储能并网系统研究45-55
• 5.1 飞轮储能在并网风电系统中的连接方式45-46
• 5.2 并网系统的控制策略46-51
• 5.2.1 风力发电机侧变流器的模型建立及其控制策略47-48
• 5.2.2 电网侧变流器的模型建立及其控制策略48-50
• 5.2.3 飞轮储能系统的控制策略50-51
• 5.3 基于飞轮储能的风电并网系统仿真分析51-54
• 5.4 本章小结54-55
• 结论55-56
• 参考文献56-60
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文60-61
• 致谢61

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