储能装置提高风电系统暂态稳定特性的仿真研究Simulation Study of Using Energy Storage Device to Improve Wind Power System Transient Stability 摘 要风能是21世纪最重要的新能源之一，虽然存在着出力间歇性和不确定性等不利因素，但是风能清洁，无污染的特点顺应了时代对环保的要求。因此风力发电得到了各国政府的大力支持。风电受自然条件的约束很大，由于风力的不可调节导致风电出力存在很大的随机性，因此随着风电装机容量的持续增加，电网将不得不面对大规模风电接入与不断提高电网运行安全水平要求之间的矛盾。相关研究表明，储能技术将是解决这个矛盾的重要手段之一。本文首先综述了国内外风力发电的研究成果和储能技术的研究现状。接着基于理论推导建立了储能装置的功率注入模型，在此基础上，基于电力系统综合分析程序(PSASP）的用户自定义模型开发工具，开发了适用于PSASP的储能装置功率注入模型。然后通过建立的含风电电力系统的PSASP仿真模型，研究了风力扰动对系统暂态特性的影响。最后，利用所建立的储能装置功率注入模型，进行了储能装置提高风电系统暂态稳定特性的仿真研究，研究结果证明了储能装置用于提高系统暂态稳定特性的可行性。关键词：风力发电系统；储能装置；PSASP仿真，暂态稳定性ABSTRCTWind power is the 21st century the most important new energy, although there is one of output intermittent and uncertainty characteristics of such negative, but wind clean, pollution-free characteristics with The Times for environmental requirements. Wind power by the constraints of natural conditions, due to the large wind cant regulate lead to wind power output is much randomn储能装置. The wind power generating capacity continues to increase of large scale wind power has to face penetration and continuously improve the test of the operation level of the power grid, and the application of storage technology solve this dilemma is one of the effective methods. This paper firstly reviewed the research achievements of wind power and storage technology research status quo. Then based on theoretical derivation established energy storage device into the power of this model, based on power system based on comprehensive analysis program (PSASP) as the user-defined model development tools developed applies to the energy storage device power PSASP inject model. Then through the establishment of wind power system containing PSASP simulation model to study the wind disturbance, the influence of system transient characteristics. Finally, the established energy storage device into models of power energy storage device improve wind power system transient stability properties of the simulation results prove the energy storage devices are used to improve system transient stability properties of feasibility. Keywords: Power system simulation; Energy storage device ；Power System Analysis Software Package；Transient stability 目 录摘 要4ABSTRCT5第一章 绪论11.1课题的背景和意义11.2 储能装置在国内外的研究状况11.2.1 国外的研究状况11.2.2 国内的研究状况2第二章 风电系统的基本概述32.1风电系统的概述32.2风电系统的简单仿真模型42.2.1 PSASP仿真系统简介42.2.2 风力发电机模型及其概况52.2.3简单含风机系统的建模9第三章 储能装置介绍及原理163.1储能装置简介163.2 各种储能系统的特点173.3应用储能装置抑制系统不稳定原理分析19第四章 储能元件的用户自定义模型模型设计244.1储能装置的控制器设计244.1.1 控制信号、反馈信号的选取244.1.2 控制策略254.2 储能装置的功率注入模型264.2.1 PSASP的用户自定义模型简介274.2.2 储能装置的功率注入模型284.3 仿真分析294.3.1 仿真模型的建立294.3.2 仿真结果与分析31第五章 结论与展望375.1 本文结论375.2 展望37参考文献39致谢41 第一章 绪论1.1课题的背景和意义我国风电发展迅速，大规模风电并网势在必行，随着风电占电网的比重越来越大，风电对电网的影响将会逐渐显示出来。由于风电场对无功功率的需求，因此风电场对电压稳定的影响较为突出；在有功调整方面，随着风电占全网的比例的不断增大，风电场对电网频率的影响也越来越大；而且由于风电出力具有较强的间歇性和波动性，风电并网将引起电压的波动和闪变问题。在电源出力可调的条件下，系统运行人员根据预测负荷制定发电计划，目前短期负荷预测已经具有非常高的精度，但是风电电源出力基本不可调而且短期预测精度还远远没有达到工程实际的要求，因此系统风电渗透率的高低对发电计划的制定影响巨大。风电场加入储能装置后，风电场的总输出功率是风机总输出功率和储能装置输出功率之和，储能装置的输出功率要起到平抑风电输出的作用，即当风电出力骤升时，储能装置吸收功率，反之则输出功率。例如，利用抽水储能、压缩空气储能和电化学电池储能进行风电系统的调峰，利用超导、飞轮及超级电容器储能提高风电系统的暂态稳定性，如应对电压暂降和瞬时停电、提高用户的用电质量，抑制电力系统低频振荡、提高系统稳定性等。 因此开展基于储能技术的风电接入研究具有重要的意义。1.2 储能装置在国内外的研究状况1.2.1 国外的研究状况国外研究储能起步较早，走在前列的是美国和日本，已经由研究储能本身的结构和能量转换控制转向于储能装置在系统中的应用。如美国西部邦纳维尔电力局（BPA）早在上世纪80年代就已研制出30MJ的储能装置储能装置，并用于抑止区域间低频振荡。日本一些科研机构和公司也基本于同样的时间开始储能实验装置研究，目前在飞轮储能方面已经有一定的进展。1.2.2 国内的研究状况国内在该方面的研究还处于刚刚起步阶段，目前主要有三个研究方向：第一，清华大学、中科院电工所等研究机构在储能装置本体结构和设计方面做了较多的工作，包括储能材料的选择、结构设计、转速、性能分析。清华大学清华大学研制出的储能装置系统，容量达15kVA，可储能20kJ，并已通过动模试验。华中科技大学程时杰院士课题组研制出的储能样机功率达7kW/35kJ。华北电力大学研制出了2MJ、最大发电功率达10kW的飞轮储能系统。第二，能量转换控制的研究，即利用电力电子技术控制储能装置和系统间的能量交换，该方向则重于电力电子的控制系统设计和控制策略，如SVPWM控制。第三，储能装置在电力系统中的具体应用，如抑止频率漂移、提高系统暂态稳定性、抑止低频振荡、改善电能质量、提高负荷的和用户的能量管理水平。华中科技大学研制出的飞轮储能型柔性功率调节器（Flexible Power Conditioner,FPC），仿真表明能有效提高系统的暂态和动态稳定性。东南大学也进行了储能装置用于抑制系统低频振荡的机理和阻尼特性分析。第二章 风电系统的基本概述2.1风电系统的概述风能开发主要是将风能转化为电能、热能、机械能等各种形式的能量，用于发电、提水、助航、制冷和致热等。风力发电是主要的开发利用方式。目前，在风能利用方面，欧洲的发展给了人们信心，西班牙和印度的后继崛起更是为发展中国家扬起风帆。随着规模的扩大，风电的成本正在显著降低，风能有望通过广大科技工作者和政府的努力在10年内具备与传统能源相竞争的能力。我国是利用风能最早的国家，风力发电事业也在飞速发展，沿海发达地区和西北地区都是我国风能资源分布的丰富区。如果能够充分开发地区的风能优势，那么风力发电正好可以弥补东南沿海经济发达地区电力短缺的难题。在西北经济落后地区，既可以提高当地人民生活水平，又可以增加就业并向经济发达地区卖电，提高地方经济发展速度，同时减少了对国际能源的依赖。但是风电系统也有其明显的缺点：风作为一种不受人控制的自然资源，它时有时无、忽大忽小。当它作为一种电源接入到电力系统当中时，它的间歇性和随机性增大了电力系统的调峰难度，也给整个系统带来了新的不稳定因素，使得风电的大规模发展面临瓶颈。由于风能固有的不可预测性和不稳定性，使风电具有间歇性的运行特征，无法保证稳定、持续不问断地发电，往往电网处于用电高峰时风电发不出电来，而当电网处于用电低谷时风电却可能满负荷发电，这就增加了电网调度难度，使风力发电的供给与需求很难协调起来，增加了维持电网的稳定的难度。此外，风力发电机组中的大功率电力电子器件的应用，风力发电机组频繁的并网投切，也造成了电网的谐波污染、电压波动和电压闪变。由于风电系统的的特性和缺点，风电系统并网会对电网到来较大的影响。我国风电发展迅速，大规模风电并网势在必行，随着风电占电网的比重越来越大，风电对电网的影响将会逐渐显示出来。由于风电场对无功功率的需求，因此风电场对电压稳定的影响较为突出；在有功调整方面，随着风电占全网的比例的不断增大，风电场对电网频率的影响也越来越大；而且由于风电出力具有较强的间歇性和波动性，风电并网将引起电压的波动和闪变问题。在电源出力可调的条件下，系统运行人员根据预测负荷制定发电计划，目前短期负荷预测已经具有非常高的精度，但是风电电源出力基本不可调而且短期预测精度还远远没有达到工程实际的要求，因此系统风电渗透率的高低对发电计划的制定影响巨大。2.2风电系统的简单仿