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1、摘要基于超级电容器的串并联型储能系统可同时双向大范围快速调节有功功率和无功功率。为提高风力发电系统稳定性和改善电能质量，提出了一种将串并联型超级电容器储能系统应用于基于异步发电机的风力发电系统的新思路， 建立了基于等效电路的超级电容器储能系统的动态数学模型， 设计了相应的控制策略，并以随机风和电网大扰动为例，在Matlab 的Simulink 环境下对采用串并联型超级电容器储能系统对并网风力发电机组的电能质量和稳定性问题进行仿真。结果表明采用该控制策略的超级电容器储能系统可很好地改善并网风力发电机组的电能质量和稳定性。关键词：超级电容器；风力发电；串并联补偿；异步发电机AbstractBase
2、d on the series-parallel type of energy storage system,supercapacitor can quickly make a two way adjust to a wide range of active and reactive power at the same time.To improve the quality of power and the stability of the wind power system,a new idea that the series-parallel type of supercapacitor
3、energy storage system can be used in wind power generation system ,which is based on asynchronous generators,is come up with,and the dynamic mathematical model,based on the supercapacitor energy storage system of the equivalent circuit,has been established,the correspongding control strategy is desi
4、gned as well, and the random wind as well as large disturbances of power grid is made as an example. The simulation of the use of series-parallel type of supercapacitor energy storage system for wind turbine grid power quality and stability can be carried out in Matlabs Simulink environment.The resu
5、lts show that the control strategy using the supercapacitor energy storage system can greatly improve the quality and stability of the grid wind turbine power.Key words: Supercapacitor; Wind power; Series-parallel compensation; Asynchronous generators第1章 概 述1.1 课题的背景和意义由于风能为间歇性能源，作用在风力发电机转子上的转矩极不稳定，
6、若采用同步发电机，直接并网时其调速性能很难达到所要求的精度，并网后不进行有效控制，会发生无功振荡与失步等问题，在重载下尤为严重。而异步发电机对于并网没有严格的频率、相角的要求，容易并网；其制造容易，转子的机械强度高，不怕飞逸，起动方便，易于自动控制。许多风电场采用结构简单、并网方便的异步发电机直接和电网相连。异步发电机靠转差率调整负荷，发电机定子频率由电网频率决定，在运行过程中要吸收无功功率，如果系统无功不足或支撑能力不强，在电网故障影响下，系统母线电压下降，风电场输出的电磁功率减少，风电场中异步发电机可能因超速退出运行;若保护没有正常切除风电机组，则风电机组的机端电压无法重建，严重时将使得系
7、统特别是风电场附近母线电压持续下降不能恢复正常，产生电压崩溃。另一方面，由于风能为间歇性能源，风电机组有功功率的输出随着风速的变化而变化，风电机组不能提供持续稳定的有功功率输出，采用串联无源补偿装置可以维持风力发电电源接入点电压的稳定，但不能调节风电场输出的有功功率;而采用储能系统则可以同时控制风力发电电源接入点电压和风力发电输出的有功功率。储能系统不仅可用于电力调峰, 控制风力发电输出的有功功率，使风力发电单元作为调度机组单元运行，而且具备向电力系统提供频率控制、快速功率响应等辅助服务的能力。超级电容器储能技术有多种优点：较高的功率密度、合适的能量密度、很高的充放电速度、控制简单、转换效率高
8、、工作温度范围宽和无污染。这些特性使得超级电容器在短期大功率充放电应用中有着巨大的优势。美国加利福尼亚已采用额定功率45OkW的超级电容器储能系统平滑950kw风力发电系统的有功功率输出，显示出储能系统的快速功率吞吐能力和灵活的4象限调节能力。而4.5MVA用于电能质量控制的STATCOM/TUCAP超级电容器储能装置也正在研制中。目前，超级电容器储能装置大多采用并联方式接入电网，这种接入方式主要是考虑对风电场有功功率的调节，对电压持续下降情况下的无功调节能力不足，而串联补偿方式具有良好的电压调节能力。因此，若采用双变换器结构实现串并联补偿，则具有综合电能调节能力。1.2 国内外研究状况和进展
9、超级电容器储能系统(SCES)历经3代及数10年的发展，已形成电容量0.51000 F、工作电压12400 V、最大放电电流4002 000A的系列产品，储能系统的最大储能量达到了30MJ。在电力系统中多用于短时间、大功率的负载平滑和电能质量高峰值功率场合，在电压跌落和瞬态干扰期间提高供电水平。由于超级电容器的出色性能，引起世界各发达国家对超级电容器研究和开发的高度重视。国外研究超级电容器起步较早，技术相对比较成熟。它们均把超级电容器项目作为国家级的重点研究和开发项目，提出了近期和中长期发展计划。目前日本设立新电容器研究会，美国设立有Supercapacitor Symposium，每年定期召
10、开讨论会。日美政府都设有相关的开发机构，同时日本Panasonic、NEC等公司，俄国Econd公司、ELIT公司，美国Maxwell公司、Powerstor公司、Evans公司、Los Alamos National Lab、Pinnacle Research Institute，法国Acatel Alsthom(SAFT)公司，韩国NESS公司，澳大利亚Cap-XX公司等各大公司也投资于超级电容器的研究与开发。日本松下、EPCOS、NEC，美国Maxwell、Powerstor、Evans，法国SAFT，澳大利亚Cap-xx 和韩国NESS 等公司的产品，几乎占据了整个超级电容器市场。20
11、05 年，美国加利福尼亚州建造了1台450kW的超级电容器储能装置，用以减轻950kW风力发电机组向电网输送功率的波动。2005 年，由中国科学院电工所承担的“863”项目，完成了用于光伏发电系统的300Wh/1kW超级电容器储能系统的研究开发工作。我国对超级电容器的研究起步较晚，目前，中国科学院电工研究所、北京科技大学、北京理工大学、清华大学、哈尔滨工业大学、天津大学、解放军防化研究所、北京有色金属研究总院等科研院所已开始对超级电容器的材料、制造工艺、特殊应用等相关领域的研究工作。但从整体来说，我国对超级电容器生产和应用的水平还落后于世界先进水平。1.3 本文研究的主要内容储能技术为间歇性可
12、再生能源系统提供了能量缓冲、平衡和后备的手段，是改善间歇性可再生能源利用的有效途径，也是近年来国内外研究开发非常活跃的领域。在各种储能技术中，铅酸蓄电池虽然不是性能最优异的储能设备，但其技术成熟、可靠性高、成本较低；而作为新兴储能技术，超级电容器具有功率密度大、充电能量密度高的优点，适合大电流和短时间充放电的场合，且使用寿命长，不易老化；因此，本课题将主要围绕超级电容器储能技术在间歇性可再生能源发电系统的相关应用展开研究。本文提出利用串并联型超级电容器储能系统减小风电输出功率波动对电网的影响，在建立了基于双变换器的串并联补偿式超级电容器储能系统的数学模型的基础上，设计了控制器，基于Matlab/Simulink的仿真分析研究超级电容器储能系统对平滑风力发电系统的输出的影响及改善风力发电系统的稳定性和可靠性。整个论文大体分一下几个部分：1. 从风力发电系统的特性入手，分析风力发电系统并网对电网的影响，建立风力发电机组的模型；2. 在建立基于等效电路的超级电容器储能系统的动态数学模型的基础上，以控制功率为目的设计并联补偿控制策略，以维持电压恒定为目的设计串联补偿控制策略；3. 在Matlab环境下进行串并联型超级电容器储能系统SIMULINK仿真研究。
