飞轮储能系统改善并网风电场稳定性的研究

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第24卷第3期电力科学与工程Vo1．24．No．32008年5月ElectricPowerScienceandEngineeringMay，20085飞轮储能系统改善并网风电场稳定性的研究阮军鹏，张建成，汪娟华(华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定071003)摘要：采用飞轮储能单元作为并网风电场的能量缓冲装置以稳定并网风电场的功率输出。建立了基于等效电路的飞轮储能系统的数学模型，并设计了以风力发电机输出有功功率和无功功率作为控制信号时的控制策略。最后以随机风波

2、动为例，对采用飞轮储能系统的并网风电场进行了仿真研究。结果表明，此方案能实现风电机组输出有功功率和无功功率的综合快速补偿，有效地改善并网风电场的电能质量和稳定性。关键词：风力发电；飞轮储能；功率补偿中图分类号：TM712文献标识码：A本文采用飞轮储能系统作为功率调节单元来实0引言现风电机组输出功率补偿的方法本方案能实现风电机组输出有功功率和无功功率的综合快速补偿，随着Mw级风电机组的研制成功，风力发电在可有效地改善并网风电场的电能质量和稳定性。电力系统中所占的比重将越来越大。如此大容量的风电机组接入电网，对电力系

3、统的电能质量、稳定性和1飞轮储能系统的结构和原理安全运行都将造成无法忽略的影响。而由于风能是一种间歇性能源，而且风速的变化具有随机性n，从而1．1飞轮储能系统的构成导致风电机组输出的有功和无功功率处于经常的波图1所示是一种飞轮和电机为一个整体的飞轮动之中，将其直接并网将会引起电网电能质量的下储能系统。飞轮储能系统是一种机电能量转换与储降，甚至危及电网的稳定运行。因此，研究并网风能装置，它突破了化学电池的局限，用物理方法实电场的运行特性以及如何改善其运行的稳定性是风现储能，其基本原理是在储能时，电能通过电力转力发电

4、技术中的重要问题。换器变换后驱动电机运行，电机带动飞轮加速转目前正在研究和应用的风力／柴油供电、风力／动，飞轮就以动能的形式把能量储存起来，从而完蓄电池储能供电等运行方式都存在一定问题：为了成电能到机械能转换的储存能量过程，能量储存在连续供电，柴油机必然要不停地运转，以应付由于高速旋转的飞轮体中；之后，电机维持一个恒定的负载增大或风力减小而引起的输出功率缺额，运行费用昂贵，甚至有可能超过节省燃料的费用。风电力转换器力／蓄电池储能供电方式中，由于蓄电池体积庞大电动／发电机且昂贵，充电／放电频繁故障率又非常地高，增加

5、真空室了系统运行的成本。正在研究的储能技术有超导储能技术、压缩空气储能技术、飞轮储能技术。超导飞轮本体亘卜一储能技术很有吸引力，但近期难以取得突破性进轴承展。飞轮储能技术被认为是近期最有希望和最有竞争力的新型储能技术口]。图1飞轮储能系统结构示意图收稿日期：2007—07—05．基金项目：国家自然科学基金资助项目(50677018)；华北电力大学重大项目预研基金作者简介：阮军鹏(1983一)，男，华北电力大学电气与电子工程学院硕士研究生．张建成(1965一)，男，华北电力大学电气与电子工程学院教授，维普资讯htt

6、p://www.cqvip.com6电力科学与工程2008生转速，直到接收到一个能量释放的控制信号；当释式中Ua，U，Ue为定子相绕组电压；fa，ib，fc为定子相能时，高速旋转的飞轮带动电机发电，从而完成机绕组电流；e。，e，ee为定子相绕组反电势；为每相械能到电能转换的释放能量过程。由此，整个飞轮绕组的自感；为每两相绕组间的互感。储能系统实现了电能的输入、储存和输出过程。由于三相绕组Y连接，且没有中线，~i,+ib+io=O，1．2飞轮电机的选择因而Mib+^织=一Mi,，则可以得到电压方程为飞轮储能系统的运

7、行特点以及对飞轮电机的要求主要有：(1)飞轮电机应具有可逆性，能运行于电动和发电两种工作状态；(2)电机易于高速运[兰]=[§兰三][]+[0苦[兰]+[兰]c2行；(3)能够适应大范围的速度变化；(4)要求电机有较大的输出转矩和输出功率；(5)要求电机反电势的表达式为∞(3)结构简单、运行可靠、易于维护等优点。本文选择转矩方程为=死+(4)了永磁无刷直流电机作为飞轮电机。式中为负载(即输出)转矩；为转动部分(包2系统结构括主转子、位置传感器转子和负载)的转动惯量；为粘滞系数；为转角。此外，与反电势系数采用飞轮功

8、率调节单元的风电场如图2所示。在数值上差一个常数，这里的表示符号未变。其中，风电机组主要由风轮机、齿轮箱、异步发3．2逆变器数学模型电机、并联电容器组等部分组成p。并联电容器分析三相PWM逆变电路的工作波形可知，各组的作用是为感应电机的起动和运行提供足够的相输出的电压分别为无功补偿，维持输出端电压的恒定。飞轮储能系1统通过双电压源逆变器接入异步发电机母线上，用=÷mUd。