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第1章 緒
1.1 課題的目的和意義

論

風能是一種清潔的永續(xù)能源，與傳統(tǒng)能源相比，風力發(fā)電不依賴外部能源， 沒有燃料價格風險，發(fā)電成本穩(wěn)定，也沒有碳排放等環(huán)境成本；此外，可利用 的風能在全球范圍內(nèi)分布都很廣泛。正是因為有這些獨特的優(yōu)勢，風力發(fā)電逐 漸成為許多國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。 風能是目前最具大規(guī)模開發(fā)利用潛力

的可再生能源，并且風力發(fā)電被認為 是我國能源和電力可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的最現(xiàn)實選擇。近5年，全世界風電裝機容量 和發(fā)電量的增速均超過30％，風電發(fā)達國家的風電量已超過國內(nèi)總發(fā)電量的 10%[1]。近年來，特別是《可再生能源法》實施以來，中國的風電產(chǎn)業(yè)和風電市 場發(fā)展十分迅速，截止到2008年底，裝機容量達到近1000萬千瓦，2010年很有 可能達到2500萬千瓦；國家制定的2020年風電裝機3000萬千瓦的目標，有可能 在2011年實現(xiàn)。因此，業(yè)內(nèi)人士普遍認為，2020年中國風電裝機的最保守估計 是8000萬千瓦，一般估計是1億千瓦，樂觀的估計為1.2億千瓦[2]。 風電場并網(wǎng)運行是實現(xiàn)風能大規(guī)模利用的有效方式，但風電場輸出功率取 決于風速，具有不可控和不可預期性。當電力系統(tǒng)中接納的風電機組容量超過 一定比例時，隨機波動的風電功率接入電網(wǎng)容易引起電網(wǎng)頻率波動，進而增加 電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)壓、運行調(diào)度等輔助服務負擔，造成電網(wǎng)運行成本的增加；當功 率波動超出電力系統(tǒng)調(diào)峰能力范圍時，還將進一步導致電力系統(tǒng)頻率越限，嚴 重威脅電力系統(tǒng)的安全運行。 平抑風電輸出功率波動的有效途徑是采用儲能系統(tǒng)，通過控制儲能系統(tǒng)與 風力發(fā)電的協(xié)調(diào)運行來平抑注入電網(wǎng)的功率波動，使風電場注入到電網(wǎng)的功率 能夠根據(jù)電力系統(tǒng)的運行要求而靈活控制。但由于大儲能系統(tǒng)成本昂貴，如何 利用有限容量儲能系統(tǒng)來優(yōu)化風電功率輸出、改善聯(lián)網(wǎng)運行性能是一項重要研 究課題。 本文針對以上問題研究了利用儲能系統(tǒng)平抑風電功率波動的柔性風力發(fā)電

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系統(tǒng)實現(xiàn)方法，對儲能系統(tǒng)如何配置、平抑控制策略如何設(shè)計、及儲能系統(tǒng)充 放電控制如何實現(xiàn)等問題進行了深入研究。研究成果對促進我國風電發(fā)展，提 高既有電力系統(tǒng)容許的風電并網(wǎng)規(guī)模，實現(xiàn)風能大規(guī)模開發(fā)利用具有重要的應 用價值。

1.2

課題研究現(xiàn)狀

1.2.1 風力發(fā)電機組的發(fā)展現(xiàn)狀
并網(wǎng)型風力發(fā)電機組從 20 世紀 80 年代中期開始逐步實現(xiàn)了商品化、產(chǎn)業(yè) 化。經(jīng)過近 20 年的發(fā)展，容量已從數(shù)千瓦級曾大到兆瓦級[3]。 風力發(fā)電機組的功能是將風中的動能轉(zhuǎn)化成機械能，再將機械能轉(zhuǎn)化成電 能，送到電網(wǎng)中，圖 1-1 為風力發(fā)電機系統(tǒng)的一般構(gòu)成[4]，主要包括風力機、齒 輪箱（可選） 、發(fā)電機、電能變換裝置（可選）等。

圖 1-1 風力發(fā)電系統(tǒng)的一般構(gòu)成

風力機是風力機是將風動能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置，根據(jù)槳葉是否可調(diào)節(jié)分 類，風力機可分為定槳距風力機和變槳距風力機和主動失速風力機三種。 1、定槳距風力機 定槳距風力發(fā)電機組的主要結(jié)構(gòu)特點是：槳葉與輪轂的連接是固定的，即 當風速變化時，槳葉的迎風角度不能隨之變化。定槳距風力機是根據(jù)風力機葉 片失速特性來調(diào)節(jié)風力機的輸出功率。當風速超過額定風速時，風力機葉片翼 型發(fā)生變化，使風力機風輪捕獲風能的能力下降，保證風力機輸出功率不隨風 速上升而增加，而使輸出功率不超過額定功率。

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2、變槳距風力機 變槳距風力發(fā)電機組是指整個葉片繞葉片中心軸旋轉(zhuǎn)，使葉片攻角在 一定范圍(一般 0°~90°)內(nèi)變化，以便調(diào)節(jié)輸出功率不超過設(shè)計容許值。 變槳距風力機是通過調(diào)節(jié)風力機槳距角來改變?nèi)~片的風能捕獲能力，進而 調(diào)節(jié)風力機的輸出功率。風力機啟動時，調(diào)節(jié)風力機的槳距角，限制風力機的 風能捕獲以維持風力機轉(zhuǎn)速恒定，為發(fā)電機組的軟并網(wǎng)創(chuàng)造條件。 當風速低于額定風速時，保持風力機槳距角恒定，通過發(fā)電機調(diào)速控制使 風力機運行于最佳葉尖速，維持風力機組在最佳風能捕獲效率下運行。 當風速高于額定風速時，調(diào)節(jié)風力機槳距角，使風輪葉片的失速效應加深， 從而限制風能的捕獲。 3、主動失速風力機 將定槳距失速調(diào)節(jié)型與變槳距調(diào)節(jié)型兩種風力發(fā)電機組相結(jié)合，充分吸取 了自動失速和槳距調(diào)節(jié)的優(yōu)點，槳葉采用失速特性，，調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用變槳距調(diào)節(jié)。 在低風速時，將槳葉節(jié)距調(diào)節(jié)到可獲取最大功率位置，槳距角調(diào)整優(yōu)化機組功 率的輸出；當風力機發(fā)出的功率超過額定功率后，槳葉節(jié)距主動向失速方向調(diào) 節(jié)，將功率調(diào)整在額定值以下，限制機組最大功率輸出，隨著風速的不斷變化， 槳葉僅需要微調(diào)維持失速狀態(tài)。制動剎車時，調(diào)節(jié)槳葉相當于氣動剎車，很大 程度上減少了機械剎車對傳動系統(tǒng)的沖擊。主動失速調(diào)節(jié)型的優(yōu)點是其繼承定 槳距失速型的特點，并在此基礎(chǔ)上進行變槳距調(diào)節(jié)，提高了機同頻率后并入電 網(wǎng)。機組在葉片設(shè)計上采用了變槳距結(jié)構(gòu)。 從今后的發(fā)展趨勢看，在大型風力發(fā)電機組中將普遍采用變槳距技術(shù)。 另外，根據(jù)圖 1-1 風力發(fā)電系統(tǒng)的一般構(gòu)成中各部件類型及組合的不同，目 前主要有以下三類風力發(fā)電系統(tǒng)： 1、恒速恒頻式風力發(fā)電系統(tǒng) 其特點是在有效風速范圍內(nèi)，發(fā)電機組產(chǎn)生的交流電能的頻率恒定，發(fā)電 機組的運行轉(zhuǎn)速變化范圍很小，近似恒定；通常該類風力發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電機 組為鼠籠式感應發(fā)電機組。 2、變速恒頻式風力發(fā)電系統(tǒng) 其特點是在有效風速范圍內(nèi)，發(fā)電機組定子發(fā)出的交流電能的頻率恒定，

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而發(fā)電機組的運行轉(zhuǎn)速變化；通常該類風力發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電機組為雙饋感應 式異步發(fā)電機組。 3、變速變頻式風力發(fā)電系統(tǒng) 其特點是在有效風速范圍內(nèi)，發(fā)電機組定子側(cè)產(chǎn)生的交流電能的頻率和發(fā) 電機組轉(zhuǎn)速都是變化的，因此，此類風力發(fā)電系統(tǒng)需要串聯(lián)電力變流裝置才能 實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)運行。通常該類風力發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電機組為永磁同步發(fā)電機組。 圖 1-2～圖 1-4 是幾種典型風力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖[5]。

圖 1-2 恒速恒頻式風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖 1-3 變速恒頻式風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖 1-4 變速變頻直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.2 風電大規(guī)模并網(wǎng)存在的問題及研究現(xiàn)狀
風力發(fā)電機是以風作為原動力，風的波動性和間歇性決定了風力發(fā)電機的 輸出特性也是波動和間歇的。當風電場容量較小時，這些特性對電力系統(tǒng)的影

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響并不顯著，但隨著風電場容量在系統(tǒng)中所占比例的增加，風電場對系統(tǒng)的影 響就會越來越顯著[6]。 1、對電網(wǎng)頻率的影響 風電場對系統(tǒng)頻率的影響取決于風電場容量占系統(tǒng)總?cè)萘康谋壤�。當風電 場容量在系統(tǒng)中所占的比例較大時，其輸出功率的波動性對電網(wǎng)頻率的影響會 比較顯著，將會影響到電網(wǎng)的電能質(zhì)量和系統(tǒng)中其他一些頻率敏感負荷的正常 工作。并且當功率波動超出電力系統(tǒng)調(diào)峰能力范圍時，還將進一步導致電力系 統(tǒng)頻率越限，嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全運行[7]。 2、對電網(wǎng)電壓的影響 風能資源豐富的地區(qū)人口稀少，負荷量小，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對薄弱，波動的風 電功率的注入改變了電網(wǎng)的潮流分布，對局部電網(wǎng)的節(jié)點電壓產(chǎn)生較大的影響， 主要有電壓波動和閃變。 風速變化、風機投切、風湍流等都會引起電壓波動和閃變，尤其是在較為 薄弱的電網(wǎng)，將導致突然的瞬間電壓跌落，致使電網(wǎng)電壓波動以及風力發(fā)電機 的頻繁掉線，從而會造成更大的電壓波動和電量損失[8]。 針對以上問題國內(nèi)外學者提出了多種解決方案： 文獻[9]針對風速的隨機性和間歇性對電力系統(tǒng)調(diào)度與控制帶來的困難，提 出一種風電系統(tǒng)有功調(diào)度的二層結(jié)構(gòu)調(diào)控策略，即在在線調(diào)度周期內(nèi)，借助系 統(tǒng)內(nèi)常規(guī)發(fā)電機組的配合對預調(diào)度周期內(nèi)的發(fā)電計劃進行再校正以及在自動控 制時間級內(nèi)通過與風電機組緊密關(guān)聯(lián)的自動發(fā)電控制機組的實時偏差調(diào)控對在 線調(diào)度計劃外的功率波動進行調(diào)整的策略。 文獻[10]基于電氣剖分原理提出了一種風電系統(tǒng)調(diào)度方法，該方法通過電氣 剖分尋找與風電場關(guān)系最緊密的常規(guī)機組，通過對這些機組進行輸出功率調(diào)整 來及時補償由風電場輸出功率波動引起的有功功率缺失（或過剩）。 文獻[11]在現(xiàn)有風電系統(tǒng)運行導則的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的配電系統(tǒng)風 電有功負荷分配方法，以使風電更好地配合系統(tǒng)運行。該方法以饋線終端為控 制單元，當系統(tǒng)頻率出現(xiàn)偏差時，由饋線終端制定負荷分配方案，并向配電饋 線中的各風電機組下發(fā)分配指令。 以上文獻均是從電網(wǎng)調(diào)度的角度，通過限制風電場有功出力或調(diào)整常規(guī)發(fā)

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  本文關(guān)鍵詞：利用儲能系統(tǒng)平抑風電功率波動的仿真研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。