基于新能源发电储能系统的研究

基于新能源发电储能系统的研究

赵欣

国家电投集团山西新能源有限公司  山西太原 030006

摘要：本文以超级电容储能设备在新能源领域中的应用为基础，对串联、并联两种类型的超级电容储能系统进行了研究。首先讨论了系统所设计的储能系统的工作原理，提出了一种新型的串并联储能系统，它不仅能够补偿风力发电的无功，而且还能够保持电源电压的稳定。

关键词：新能源；超级电容；储能装置；Slinulink;电压波动

目前，很多风力发电厂都采用异步发电机，将其与电网相连，异步发电机的工作原理是调节转速，从而调节电压，异步发电机主要作用是吸收无功功率。当吸收的无功不能满足需求时，电网就会发生故障，导致系统总线电压不能保持在正常范围内，甚至会降低，从而导致风力发电的异步发电机失效，而在没有任何防护措施的情况下，风电场附近的母线电压就会崩溃。通常，利用并联补偿技术将超电容储能设备接入电网，通过并联补偿可以有效地调整风电机组的有功，但并联补偿对电网的无功调整效果不大，特别是在电压不断降低时。因此，采用双逆变器的结构，实现了对电力的全面调整。利用串联并联超级电容储能系统来控制风电场的输出功率，使之保持在一个相对稳定的状态。本文首先建立了一种基于串联-并联补偿的超级电容储能系统的数学模型，并基于此模型，对其进行了相应的设计，通过Matlab/Sulink的模拟，对其性能进行了分析，为进一步提高系统的稳定性和可靠性提供了依据。

1串并联型储能系统工作原理

在串联并联储能系统中，逆变器I要经过过电感、电容滤波、并联，因此称为并联式逆变器。逆变器II通过电感、电容和变压器的输出电压串接在系统和负荷电压和之间，称为串行补偿逆变器。并联补偿是指对电网的有功和无功进行调节，以达到均衡，其主要作用是调节电网中的电流。串联补偿的作用就是调节电网电压，使电网变得更加平稳，从而产生电压暂时下降，其主要作用是调节接入电网的电压。采用上述的补偿方式，能够有效地保持电压的稳定。采用串并联储能系统，采用并联补偿方式，对风电场的无功进行了补偿，保证了电网的供电电压稳定，从而有效地抑制了风电场的电压暂降。

2串并联型超级电容器储能系统的数学模型

为了使直流侧的超级电容器与交流网络之间进行能量交换，必须增加一台逆变器。由于逆变器切换的速度很快，因此可以忽略该变化量的变化过程，从而简化了变换器的建模。由于三相电流的总和为0，从而忽略了三相电流，从而进一步简化了数学模型。通过对低频交流电路的数学模型进行了相应的简化，得到了以下几个数学公式:

3变换器的控制

3.1并联补偿变换器的控制

图1是采用风电场出线的有功、无功功率为控制信号的并联补偿控制系统，以确保风电机组的安全运行。从图1中可以看到，电源环路是外环，而d轴控制的信号是有功功率偏差△P，由有功功率控制器产生d轴所需的电流控制信号,外环q轴要控制的信号是无功功率偏差△Q,q轴期望电流控制信号内环是交流输入电流，经过取样，经过坐标转换，形成d、q轴的分量，同参考值、同进行做差比较，进而求的电流偏差量，通过控制器进行调节即可得到参考波信号。

图1并联补偿控制系统图

3.2串联补偿变换器的控制

串联补偿是通过引入一个电压源来调整线路的电压。本论文采用了风力发电机的机端电压作为控制信号。

4系统仿真与分析

本文利用Matlab/Slinulink进行模拟，通过异步风电系统连接到配电网络的终端，对风电机组进行电容补偿，其补偿值不能超过30%，在串并联型超级电容器储能系统的安装过程中，需要综合考虑的因素很多。以下对应地设置异步风电系统的各项参数：500kVA额定容量;690 V作为基准值；定子电阻为0.012P.U.;定子的泄漏抗0.22P.U.;转子线圈的电阻为0.016P.U.。惯性系数J=187 kg.m2。超级电容储能设备参数：DC电压UC=187 V；标称功率P=100千瓦，图3是模拟用的风信号，以模拟时间的平均值为预测风速，并确定超级电容储能系统的基准值。从控制效果来看，仿真结果表明，该方法可以得到很好的控制，从而有效地改善了风电机组的稳定性。

5结论

目前，风电机组通常采用并联的形式与电网连接。采用并联补偿方法，可以有效地调整风电场的有功功率，但是在无功调整方面却没有很好的效果。本文将串并联超级电容储能系统用于基于异步发电机的风电机组，实现了串联补偿与并联补偿。串联补偿是将电压分量值注入到系统中，以补偿系统的电压起伏，从而避免了系统再次出现电源电压跌落。本文分别设计了基于超电容储能系统的有功功率偏差和无功功率偏差作为控制信号的有功功率调节器和无功功率控制器。并提出了一种利用串行补偿变换器进行控制的方法，该控制信号是在超级电容储能系统中设置的。通过Matlabe/Simulink软件对其进行了仿真，结果显示，该方法能有效地改善风力发电系统的稳定性。

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