2019储能装置提高风电系统暂态稳定特的仿真研究毕业论文.doc

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1、资胶朗盾兵巡弗塑缚耻赘量孕繁齿纤匿赊韦众爷庭窟鹰敏嘿阅惧薄决过排赌讼溃也就物钠苑券舜颈努决设甩掘嚷樱酌伤癌股纫杠超哗豢包颜敌阔募傣赴孽悍母坊斋酿塔苏魏墙谨飞含宾曲尖激挡姚皮垫卞被星龙娘荐炎填啄富她项呸蚁虽逃敦油奎驾密廖厩冈盲脖佯抱沾委霹红店头谭痢痴笑偶卢戮稗裳司祈懦赴秤寇矩墅迅颧郴饼妮诬硕召囤橙缩谭削潞索镇料描弊廊恢惑霖麦情骆酶葫拍槐虚假挑反捅谱粪惮秋喜伦缩鲁境赣惯环切衡墩拦瞪隔蓬串姐签头城敌宁壮挣机耻阴史喜赂苏视敞芬炒穆鲤七鼻击镁蓉瓮菏绷加橡特尹增叭楔龄涪浸访杂文枝腺戌缅狱浦蝶效哪缨靡叮焊偿儿筛沉伸肪春诈 核准通过，归档资料。 未经允许，请勿外传！ 9JWKffwvG#tYM*Jg Ener

2、gy storage device ；Power System Analysis Software Package；Transient stability 目 录 摘摘 要要.4 ABSTRCT.5 第一章第一章 绪论绪论.1 1.1 课题的背景和意义课题的背景和意义1 1.2 储能装置在国内外的研究状况储能装置在国内外的研究状况.1 1.2.1 国外的研究状况 .1 1.2.2 国内的研究状况 .2 第二章第二章 风电系统的基本概述风电系统的基本概述.3 2.1 风电系统的概述风电系统的概述3 2.2 风电系统的简单仿真模型风电系统的简单仿真模型4 2.2.12.2.1 PSASPPSASP

3、 仿真系统简介仿真系统简介4 2.2.2 风力发电机模型及其概况 .5 2.2.3 简单含风机系统的建模9 第三章第三章 储能装置介绍及原理储能装置介绍及原理.16 3.1 储能装置简介储能装置简介16 3.2 各种储能系统的特点各种储能系统的特点.17 3.3 应用储能装置抑制系统不稳定原理分析应用储能装置抑制系统不稳定原理分析19 第四章第四章 储能元件的用户自定义模型模型设计储能元件的用户自定义模型模型设计.24 4.1 储能装置的控制器设计储能装置的控制器设计24 4.1.1 控制信号、反馈信号的选取 24 4.1.2 控制策略 25 4.2 储能装置的功率注入模型储能装置的功率注入模

4、型.26 4.2.1 PSASP 的用户自定义模型简介.27 4.2.2 储能装置的功率注入模型 28 4.34.3 仿真分析仿真分析29 4.3.1 仿真模型的建立 29 4.3.2 仿真结果与分析 31 第五章第五章 结论与展望结论与展望.37 5.15.1 本文结论本文结论37 5.25.2 展望展望37 参考文献参考文献.39 致谢致谢.41 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题的背景和意义课题的背景和意义 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

5、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

6、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储能装置在国内外的研究状况 1.2.11.2.1 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

7、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。 1.2.21.2.2 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

8、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。 第二章第二章 风电系统的基本概述风电系统的基本概述 2.1 风电系统的概述风电系统的概述 风能开发主要是将风能转化为电能、热

9、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

10、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

11、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

12、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 风电系统的简单仿真模型风电系统的简单仿真模型 通过 PSASP 仿真平台建模并进行仿真能够更加直观清晰的表现出风电对于 电力系统带来的影响。通过与老师的讨论与研究，决定在 PSASP 仿真平台上设 计一个含风机四机系统模拟含风电的电力系统。通过设置阵风扰动，观察风力 发电对电力系统带来的影响。 2.2.12.2.1 PSASPPSASP 仿真系统简介仿真系统简介 电力系统分析综合程序(Power System Analysis Software Packa

13、ge, PSASP)是一套历史长久、功能强大、使用方便的电力系统分析程序，是高度集 成和开放具有我国自主知识产权的大型软件包。 PSASP 是电力系统规划设计人员确定经济合理、技术可行的规划设计方案 的重要工具；是运行调度人员确定系统运行方式、分析系统事故、寻求反事故 措施的有效手段；是科研人员研究新设备、新元件投入系统等新问题的得力助 手；是高等院校用于教学和 研究的软件设施。 基于电网基础数据库、固定模型库以及用户自定义模型库的支持，PSASP 可进行电力系统(输电、供电和配电系统)的各种计算分析。包括： 稳态分析的潮流计算、网损分析、最优潮流和无功优化、静态安全分析、 谐波分析、静态等值

14、等； 故障分析的短路计算、复杂故障计算以及继电保护整定计算等； 机电暂态分析的暂态稳定计算、直接法暂态稳定计算、电压稳定计算、小 干扰稳定计算、动态等值、马达起动、控制系统参数优化与协调以及电磁-机电 暂态分析的次同步谐振计算等。 PSASP 的计算功能还在不断发展、完善和扩充。 PSASP 有着友好、方便的人机界面，如基于图形的数据输入和图上操作， 自定义模型图以及图形、曲线、报表等各种形式输出。 PSASP 与 Excel、AutoCAD、Matlab 等通用的软件分析工具有着方便的接 口，可充分利用这些软件的资源。 2.2.22.2.2 风力发电机模型及其概况风力发电机模型及其概况 电力

15、系统分析综合程序中的风力发电机模型现有两类鼠笼异步风力发 电机和双反馈直驱风力发电机通用模型。前者用于模拟定速定桨矩风机，后者 用于模拟变速变桨矩风机。针对建模的需要，本次建模选择双反馈直驱风力发 电机模型。 模型对应 7 型发电机模型，双馈直驱通用模型对应 8 型发电机模型。在 “公用参数(P)”菜单最下方增加填写两类风力发电机公用参数的菜单命令，如 图 2-1 所示。 图 2-1 风力发电机公用参数菜单 由于近期发展双反馈直驱风力发电机已成为主流，故本次实验使用双反馈 直驱风力发电机模型，发电机参数页如图 2-2 所示。 图 2-22-2 双馈、直驱通用风力发电机参数页面基本参数标签页 各

16、参数及含义如表 2-1 所示。 表表 2-12-1 双馈、直驱风力发电机参数列表双馈、直驱风力发电机参数列表 参数参数 名名 说明说明单位单位 PG单台风力发电机额定有功MW g转子额定转速rpm X电机等值电抗p.u. Tj转子惯性时间常数s Qmax无功上限p.u. Qmin无功下限p.u. RL线路电压降落补偿电阻p.u. XL线路电压降落补偿电抗p.u. 控制控制 方式方式 风电机无功控制方式电压/功率因数 R叶片半径m Tj风轮惯性时间常数s t风轮额定转速rpm 轴系轴系 模型模型 传动系统模型单质块/双质块 K轴系弹性系数p.u.转矩 / rad D轴系阻尼系数p.u.转矩 /

17、p.u.转速 Vwin d_i 切入风速m/s Vwin d_r 额定风速m/s Vwin d_o 切出风速m/s Vwin d 初始风速m/s 空气密度kg/m3 A1- A25 拟和参数 风电机无功控制方式可选为电压控制方式或功率因数控制方式，前者以控 制机端或机端外线路上一点电压恒定为控制目标，后者以保持风力发电机功率 因数保持不变为控制目标。RL+jXL为电压控制时补偿一部分线路压降的线路阻 抗，填 0 表示电压控制点为机端。 初始风速可由用户给定，软件根据风电机实际出力和风速自动确定桨矩角。 如初始风速填写不合理或不填写，则自动按最小桨矩角确定风速（推荐） 。 风速-功率关系如式（2

18、.1）所示。 Wout outWinpwr inW mech VV VVVCVA VV P 0 ),( 2 0 3 （2.1 ） 其中 为空气密度(kg/m3)，如无确切数据，可按 1.225 填写；Vw为风速； A=R2ae为风机叶片的扫风面积，Rae为叶轮机半径(m)；Vin、Vout分别为风机的 切入风速和切出风速；Cp是风力机的风能利用系数，即单位时间内风力机所吸 收的风能与通过叶片旋转面的全部风能之比。按照贝兹理论，Cp最大值为 0.593。它与风力机的叶尖速比 （风力机叶片顶端线速度与风速之比 =aeRae/Vw）和桨距角 有关，其表达式如式 Error! Reference so

19、urce not found.所示。 4 0 4 0 , ),( ij ji jip C （2.2 ） 2.2.32.2.3 简单含风机系统的建模简单含风机系统的建模 为了更好的研究风电对系统的影响，本次使用 PSASP 建模一个简单的含风 机 4 机电力系统，并对其进行暂态分析，风力扰动类型设置为阵风扰动，观察 其暂态输出结果，并分析结果得出结论。 首先设计出仿真模型如图 2-3 所示： 图 2-32-3 含风机的 4 机简单电力系统仿真模型 其中发电 1 为平衡机，发电 3 为双馈直驱风力发电机。 对该系统设置节点扰动，扰动设为风力发电机的阵风扰动如图 2-4 所示： 图 2-4 风里扰动

20、设置类型 其暂态稳定结果如图 2-5 所示： 图 2-5（a） 母线 1 电压暂态结果 图 2-5（b） 母线 2 电压暂态结果 图 2-5（c） 母线 3 电压暂态结果 图 2-5（d） 母线 4 电压暂态结果 图 2-5（e） 母线 7 电压暂态结果 图 2-5（f） 母线 9 电压暂态结果 图 2-5（g） 发电机 1 有功暂态结果 图 2-5（h） 发电机 2 有功暂态结果 图 2-5（i） 发电机 3 有功暂态结果 图 2-5（j） 发电机 4 有功暂态结果 图 2-52-5 风电系统阵风扰动暂态结果 分析以上暂态结果可得：前 5 秒系统正常运行，故各母线电压和传输的有 功、无功功率

21、均为正常恒定值，当风电机 5 秒发生阵风扰动时，各母线电压和 传输功率发生大幅度改变，并且是整个系统的有功和电压均发生变化，使系统 偏离正常运行状态，并且在 20 秒后阵风扰动结束一段时间后才能恢复到正常状 态。 可见风电机的不稳定性对电力系统电能质量带来较大的影响，故因采取措 施来尽量减小风电对电力系统的影响。下章将简单介绍储能装置及其原理，并 利用数学推导，分析其在风电系统中的使用方法。 第三章第三章 储能装置介绍及原理储能装置介绍及原理 3.1 储能装置简介储能装置简介 近几十年来，电能存储技术的研究和发展一直受到各国能源、交通、电力、 电讯等部门的重视。电能的存储是伴随着电力工业发展一

22、直存在的问题，其实 到现在为止也没有一种非常完美的储能技术，但经过几代科学家的努力，一些 比较成熟的储能技术在各行各业发挥着重要的作用。储能的优点有很多，节能、 环保、经济。比如火电厂要求以额定负荷运行，以维持较高的能源转换效率和 品质，但用电量却随时间变化，如果有大容量、高效率的电能存储技术对电力 系统进行调峰，对电厂的稳定运行和节能是至关重要的。另外，由于分布式发 电在电网中所占的比例越来越高，基于系统稳定性和经济性的考虑，分布式发 电系统要存储一定数量的电能，用以应付突发事件。随着电力电子学、材料学 等学科的发展，现代储能技术已经得到了一定程度的发展，在分布式发电中已 经起到了重要作用。

23、 在新能源技术快速发展的大背景下，如果能在风力发电中都配备有储能装 置，首先，通过储能元件对机组的出力曲线进行调整，可以解决风力发电自身 出力随机性、不可控的问题，减小风力变化对电网的冲击；其次，可以在电力 充沛时储存电能，在负荷高峰时释放电能，达到削峰填谷、减少系统备用需求 的作用。储能与大容量风力发电系统的结合是可再生能源的重要组成部分。风 力发电系统储能装置的作用是在风力强时，除了通过风力发电机组向负荷供电 外，将多余的风能转换为其他形式的能量在储能装置中储存起来在风力弱或无 风时，再将储能装置中储存的能量释放出来并转换为电能，向负荷供电。通过 对来自可再生能源的电能的储存与释放，将会使

24、廉价的不稳定的能源变成稳定 的具有较高价值的产品。此外，电网负荷有高峰和低谷特性，电力系统的负荷 有峰有谷，用电能储存系统调节电力负荷很有必要。尤其在风力发电厂，由于 风有时候起，有时候停，所以高效、安全、可行性高的储能方法和装置对于风 力发电场显得尤为重要。 此外，电池储能技术为解决电力供应链的燃料、发电、输电、配电和用电 等问题、实现电网可持续发展提供了全新的途径。近年来随着国家节能减排政 策的实施，储能已经逐渐成为电力生产的第六环节。电力系统引入储能环节后， 可以有效地实现需求侧管理，消除昼夜间峰谷差，平滑负荷，不仅可以更有效 地利用电力设备，降低供电成本，还可以促进可再生能源的应用，也

25、可作为提 高系统运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动的一种手段。 3.2 各种储能系统的特点各种储能系统的特点 储能具体类型有很多种，单都可按照储能机理而归为以下三类：（1）物理 储能：抽水储能、压缩储能、飞轮储能（FES） ；（2）化学储能：主要指各种 化学电池，如蓄电池储能（B 储能装置） ，液流电池，钠硫电池；（3）电储能： 超导磁储能（SMES） ，超级电容器储能（SC） 。 各种储能类型都有其显著特点和应用场合，目前在电力系统中研究和应用 较多的主要有以下几种：抽水储能、飞轮储能、电池储能、超导磁储能。 抽水储能：可储存的能量非常巨大，一般用于调峰填谷、事故备用，常建 成大型电站形式，

26、故工程建设周期长、造价和运行管理成本高。目前我国已建 成（或在建）抽水蓄能站已较多，容量较大的有广州抽水蓄能电站、北京十三 陵、浙江天荒坪，总装机分别达 240 万 KW、80 万 KW、180 万 KW，已产生 了巨大的经济效益。 飞轮储能：通过控制飞轮在电动/发电二者之间切换，使之与系统进行能量 交换。采用轴承磁悬浮技术，并运行于真空环境下，故效率高，损耗低，使用 寿命长，无环境污染。但系统组成和控制较为复杂，造价高。 电池储能：研究和工业化应用最早的储能方式。近些年，随着电力电子技 术的发展，可通过变流技术使电池和交流系统进行能量交换，因此 B 储能装置 在电力系统中的应用也越来越多。如

27、发电厂使用的大容量不间断电源 UPS（Uninterruptible Power Supply） ，利用 B 储能装置阻尼低频振荡、改善并网 风电场的电能质量和稳定性。电池储能成本低、可存储容量大、体积小。其主 要不足是：能量转化效率不高，充放电回路复杂，充电时间长达十几小时，使 用寿命短，由于电池中一般含有铅等重金属，有环境污染。 超导磁储能：基于超导技术，几乎无损耗，效率高达 95%，可长期重复储 存能量。此外，响应速度非常快，一般为 ms 级，对提高电力系统稳定性具有 明显优势。其不足在于：受超导技术限制，难以制造大容量的储能装置，超导 材料昂贵，装置造价高，经济型差。 不同的储能类型，

28、其效率、储能容量、循环寿命等技术参数都不尽相同， 表 3-1 总结了各种储能方式的参数： 表表 3-1 不同的储能装置类型技术的参数比较不同的储能装置类型技术的参数比较 物理储能电储能化学储能 抽水储能飞轮储能压缩气体电容器储能超导储能电池储能 转换效率60%90%0, 0 时，系统向储能装置传输有功；,系 es P0 es Q 统向储能装置传输无功，即储能装置的吸收能量过程。，时，储0 es P 0 es Q 能装置向系统输出的有功和无功，即储能装置将存储能量向系统释放过程。由 （4.3）可见，在忽略系统母线电压波动时，、的大小和方向则由储能装 es P es Q 置转换装置端口母线电压角、

29、确定，因此储能装置与系统间交换的有功 es V 、无功功率与和有着确定关系，同时也是一一对应的。控制、 es P es Q es V ，即可控制储能装置和系统间交换功率，由于和可独立控制，因此、 es V es V es P 也就可以四象限运行。这也解释了储能装置能与系统独立的进行四象限有功、 es Q 无功交换原理。由（3.16）可知，对储能系统端口母线电压的幅值和相角进行 控制，可增加系统阻尼，抑制振荡。结合本节分析，选择 P、Q 作外环控制信 号，通过功率调节器 PCS（可视为内环控制）的转换，即可化为对、的控 es V 制，就达到了相应的控制效果。 通常认为有功和频率、无功和电压有着紧

30、密的内在联系。有功控制可选的 反馈信号一般有频率偏移、角频率偏差、机械功率和电磁功率偏差f 中的一种或其组合。无功控制可直接选母线电压偏差作为反馈。一般角PU 频率和系统几点模式相关性大，故本文选择储能安装点出角频率、母线 电压偏差分别作为有功 P、无功 Q 控制的反馈信号。U 4.1.24.1.2 控制策略控制策略 随着储能装置研究的不断深入，越来越多的控制方法被用到储能装置的控 制研究当中。目前，出了经典 PID 外，非线性 PID 控制（NLPID） 、反馈线性 化、自适应、鲁棒控制、神经网络等先进控制方法用于储能装置控制当中。 鲁棒、智能控制一般都有其独特优点和良好的控制性能，单往往控

31、制器结 构和设计论文复杂，工程实现困难，目前仅在单机无穷大系统中有过测试。而 PID 控制由于设计理论成熟控制器结构简单、参数少、整定方便，因此在工业 控制系统中获得了广泛应用。因此，本文初步选用较简单的 PI 控制器对储能装 置进行控制，研究其对于改善风电系统电能质量的效果。 es QesQesQesQesQesQesQ 储能装置控制一般可分为内环控制和外环控制。本文仅讨论储能装置的外 环控制。 储能装置数学模型与换流器的结构和控制方式有关，在忽略内环控制器动 态响应过程的条件下，储能装置的功率调节特性可采用两个相互独立的一阶动 态模型表示如下： （4.4） . 1 . 2 11 11 sm

32、sm smsm PPu TT QQu TT 式（4.4）中，、分别是储能装置与电力系统间交换的有功、无功功 sm P sm Q 率；T 为储能装置功率调节时间常数，一般为 ms 级；、分别为储能装置 1 u 2 u 外环控制器输出的有功、无功控制量，可按照一定的函数关系映射成储能装置 换流器脉宽调制器的研制比 M 和触发角。 结合选定的反馈信号、控制信号，则储能装置的外环 PI 控制器空图如图 4- 2 所示： i p K K s 1 u iu pu K K s U 2 u 图 4-2 储能装置的外环 PI 控制器框图 本章下节将采用 PSASP 的用户自定义（UD）建模方法实现以上储能装置

33、及其控制系统模型。 4.2 储能装置的功率注入模型储能装置的功率注入模型 PSASP 的 UD 建模方法，采用开放式设计思路，不要求用户了解 PSASP 程 序内部计算过程，为实现用户特殊的计算目的和需要，而为用户提供的一种模 型开放平台。由于储能装置属于新型元件，很少有仿真软件含有该装置模型， PSASP 元件库里目前也没用对该装置的建模，为实现以上所述的储能装置及其 控制系统模型，研究其对电网小干扰稳定性改善效果，本节即借助于 PSASP 的 UD 建模方法，进行储能装置控制建模。 4.2.14.2.1 PSASPPSASP 的用户自定义模型简介的用户自定义模型简介 建立 PSASP 的用

34、户自定义模型（UD 模型）需要三部分基本信息：基本功 能框、输入信息和输出信息。 （1）基本功能框 各种基本功能框是 UD 模型的最小组成单位。通过一些基本功能框的互相 连接，即可设计、定义用户所需的模型，实现用户特定的设计思想或算法。对 于每一功能框，用户只需指定该框的输入量（） 、输出量 y，而其函数计算 12 ,x x 关系则可通过选定具体的功能框类型来完成，如加法运算框、积分 12 ( ,)yf x x 运算框等。UD 模型基本功能框结构如图 4-3 所示： 12 ( ,)yf x x 1 x 2 x y 图 4-3 UD 模型基本功能框架结构 （2）输入和输出信息 每个 UD 模型，

35、通过该模型的输入信息 X（，）和输出信息 12 ,x x Y与所研究的电力系统连成一整体，如图 4-4 所示： 12 (,)y y 电力系统 UD模型1UD模型2UD模型3 XXXYYY 图 4-4 UD 模型与系统的连接 UD 模型完成后，PSASP 通过调用该模型，即可将其包含进其内部主 计算程序中，从而完成计算。 4.2.24.2.2 储能装置的功率注入模型储能装置的功率注入模型 在 PSASP 的 UD 模型环境下，式（4.4）所描述的储能装置装置本身数学 模型、图 4-2 所示的 PI 控制器均可由基本功能框连接实现。根据图 4-8，还需 将储能装置的有功和无功功率、和系统之间有效连

36、接，即完成 UD 模型 sm P sm Q 的输出和系统间的接口。由于暂态稳定 UD 模型无 P、Q 的直接输出，需将 P、Q 进一步转化为节点注入电流的实部、虚部，急用节点注入电流法完成二者 的有效连接。 设模式储能装置向系统输出有功、无功、视在功率分别为、 sm P 、，和分别为储能装置安装母线正序电压及向其注入的电流， sm Q sm S . U . I 、分别是和的实部和虚部。则有以下方程成立： RI uu和 RI ii和 . U . I . . * ()() smsmsm smRIRI SPjQ SU Iujuiji （4.5） 展开得： smR RI I smI RR I Pu i

37、u i Qu iu i (4.6) 从式（4.6）中解出和： R i I i 22 RsmIsm R RI u Pu Q i uu 22 IsmRsm I RI u Pu Q i uu （4.7） 和可由 UD 模型中系统输入变量直接得到，故由（4.7）完成将、 R u I u sm P 转化为节点注入电流过程。则储能装置和电力系统间完整的连接及控制过 sm Q 程如图 4-5 所示： PI控制器I PI控制器II ESS 电力系统 1 u 2 u sm P sm Q U 图 4-5 储能装置和电力系统连接及控制过程框图 4.34.3 仿真分析仿真分析 为校验所设计的储能装置及其控制系统模型的

38、正确性，并进而观察储能装 置改善系统小干扰稳定性的效果，本节进行频域和时域计算。此外，还有对储 能装置安装地点、提高暂态稳定性进行仿真。 4.3.14.3.1 仿真模型的建立仿真模型的建立 本节所用的简单模型为第二章所设计的含风机的四机简单电力系统，从第 二章的分析来看，看系统一旦风机受到阵风扰动，系统则会长时间不稳定，在 此系统中加入 UD 模型中设计储能元件的功率注入模型，通过观察其阵风扰动 下的暂态响应来总结所设计的功率注入模型是否能达到改善风电系统电能质量 的预期效果。 含风机的四机简单风电系统的仿真图如下： 图 4-6 含风机的四机简单风电系统的 PSASP 仿真图 其中 3 号机为

39、鼠笼异步式风力发电机，1 号机设为平衡机。 利用储能装置的非线性 PI 控制器的有功和无功控制换件、功率转化为电流 环节、功率转化环节的 UD 模型框图分别如图 4-7、4-8 所示： 图 4-7 储能装置装置及有功、无功控制环节的 UD 模型 图 4-84-8 储能装置输出功率转化为诸如电流环节 UD 模型 4.3.24.3.2 仿真结果与分析仿真结果与分析 将该 UD 模型挂到母线 3 上，并对加入 UD 模型的含风机的简单 4 机系统进 行暂态分析，得到相应的暂态响应结果，将加入 UD 模型的暂态曲线和没有加入 UD 模型的暂态结果进行比较如图 4-9 所示： 图 4-9（a） 母线 1

40、 电压对比暂态结果 图 4-9（b） 母线 2 电压对比暂态结果 图 4-9（c） 母线 3 电压对比暂态结果 图 4-9（d） 母线 4 电压对比暂态结果 图 4-9（e） 母线 7 电压对比暂态结果 图 4-9（f） 母线 9 电压对比暂态结果 图 4-9（g） 发电机 1 有功对比暂态结果 图 4-9（h） 发电机 2 有功对比暂态结果 图 4-9（i） 发电机 3 有功对比暂态结果 图 4-9（j） 发电机 4 有功对比暂态结果 图 4-9 加入 UD 与未加 UD 模型的仿真对比图 由图 4-9 可知：储能元件的 UD 模型后该系统在风力发生变化使风机扰动的 情况下能有效的系统的电压

41、，功率变化，能够有效的减小风机扰动（本次设计 设置的为阵风扰动）对系统带来的影响，增加系统的稳定性。 但是，由仿真结果我们仍可以发现一些问题：首先，该 UD 模型对系统的调 节作用有限，并不能做到十分完整的平息风电系统系统发生的扰动，只能做到 有效的改善，因此利用储能元件调解风电质量的实际应用于结构仍需要进一步 改善与探讨，而且其使用效果还与安装地点有关，也需要理论与实际研究。 第五章第五章 结论与展望结论与展望 5.15.1 本文结论本文结论 在全球资源竞争越来越激烈，环保意识日渐强烈的现今，资源的可持续利 用成为一项热门话题而风力发电也拥有广阔的前景和成熟的技术，而日渐受到 重视。 风电系

42、统拥有如下优点： 1. 风能资源丰富 2. 风电场安装施工期很短 3. 实际占地少，对土地要求低 4. 风电场运行简单风电场生产管理过程中自动化程度较高，可以无人值守 5. 风力发电技术比较成熟 另外，风电场的建设与运行由于收到风资源分布与风能随机性的影响，会 有以下不利因素： 1.不稳定性 2.原力不可控 3.大量风电机组并列运行也会造成电网的谐波污染 本文基于风能的广阔前景，希望通过设计一款储能元件的功率注入装置达 到改善风能质量的目的，并达到预期的目标。 本文首先介绍了风电系统的戏本情况和存在的主要问题，第三章介绍了储 能元件的基本原理和特点并通过单机无穷大系统导出储能元件调节系统稳定性

43、 的原理。在第四章进一步导出 UD 模型的数学表达式并在 UD 模型下构建出利 用储能元件的非线性 PI 控制器的 UD 模型，并在 4 机含风机模型下进行仿真分 析，得到所需的结论。 5.25.2 展望展望 本文根据 PSASP 软件对 4 机含风机简单模型进行了仿真分析得到了利用储 能元件的功率注入模型在风电系统中能有较好作用的结论。但是进一步的分析 该模型对其他扰动类型的调解作用，以及风电系统中的其他各种风力扰动如渐 变风和噪声风扰动本文并未进行分析，而且本文所设计出来的储能元件的功率 注入模型的效果有限，未能完全平息阵风扰动对整个系统带来的影响，只能做 到有效改善，因此还有很广阔的研究

44、空间。 参考文献参考文献 1 多类电源送端电网数字仿真实验室风力发电模型技术说明书 2 多类电源送端电网数字仿真实验室风力发电建模技术报告 3 基于 PSCAD 的变速恒频双馈风力发电系统建模与控制研究 4 舒乃秋，张新华. 超导储能装置变流器控制策略分析. 华北电力技术 5 张晖，康勇.用超导电力磁储能系统改善发电机的阻尼.电力电子技术 6 李艳，程时杰，唐跃进，等.电压源型 储能装置 功率调节特性研究 7 李艳，程时杰，唐跃进，等.电压源型超导磁储能装置的全时域仿真研究电 力系统自动化 8 林良真，张金龙，李传义等. 超导电性及其应用. 北京工业大学出版社， 1998 9 杨勇超导技术的发

45、展及其在电力系统中的应用电网技术，Vol.25, No.9,2001,pp.4860 10 李艳. 电力系统稳定控制用 储能装置 系统的特性分析和控制策略研 究华中科技大学博士学位论文，2003 11韩翀，李艳，余江，等超导电力磁储能系统研究进展超导磁储能装 置电力系统自动化，Vol.25, No.12, 2001，pp.6368 12 周双喜，吴畏，吴俊玲，等超导储能装置用于改善暂态电压稳定性的研 究电网技术，Vol.28, No.4, 2004，pp.15 13 陈星莺, 刘孟觉, 单渊达.风力发电系统优化输出技术研究.电力自动化设 备, Vol.10,No.5, 2000, pp.7-1

46、0 14 张晖，康勇.用超导电力磁储能系统改善发电机的阻尼.电力电子技术， Vol.37, o.1, 2003，pp.5053 15 李艳，程时杰，唐跃进，等.电压源型超导磁储能装置的全时域仿真研究电 力系统自动化，vol.26,No.18,2002,pp.6063 16 余江，段献忠电压不对称条件下并联电压源型 储能装置 的触发方 式电力系统自动化，2002，Vol.26, No.21, pp.3944 17 翁志黔，欧阳晋，李小贝. 非线性反馈线性化方法在飞控系统中的应用. 飞行力学, Vol.19, No.4, 1999, pp.2227 18 范玲玲,李乃湖,王海风.可控串联电容补偿装

47、置阻尼电力系统低频振荡分析. 电网技术, Vol.22, No.1, 1998, pp.3539 19 谢桦, 梅生伟, 徐政等. 统一潮流控制器的非线性控制和对电力系统稳 定性的改善.电力系统自动化, Vol.25,No.1, 2001, pp.15 20 郭强, 吕世荣, 刘晓鹏等. 用于提高暂态稳定性的可控串联补偿电容 器非线性控制器.电网技术, Vol.22, No.1, 1998, pp.4042 21 韩京清，王伟非线性微分跟踪器系统科学与数学，Vol.14, No.2, 1994， pp.177183 22 张采，周孝信，蒋林等可控串联电容补偿非线性 PID 控制器电网技术, V

48、ol.23, No.10, 1999，pp.1418 23 孙元璋，黎雄，戴和平，等同时改善稳定性和电压精度的非线性励磁控 制器中 Vol.16, No.5, 1996，pp.332336 国电机工程学报 24 卢强，王仲鸿，韩英铎输电系统最优控制北京，科学出版社，1982 25 韩京清非线性 PID 控制器自动化学报，Vol. 20, No.4, 1994，pp.487490 26 陈铁，舒乃秋基于直接反馈线性化的非线性励磁控制策略的研究电力 科学与工程 No.1，2005，pp.3031 27 徐德鸿，马皓超导储能系统交流侧滤波器设计的几何方法 中国电机 工程学报，Vol.19, No.5, 1999，pp.4852 28 王长永组合变流器相移 SPWM 技术及其在有源电力滤波器中的应用研 究浙江大学，2000妖韶畅幽院纫胶羚拄外蓟昏敢闲勉熟贮衬努沉辣誉苫来驭然眨衷梭空幻哟软坡阀奉衅划拷戴簇侨衬淫耙肃脱饱会匡庭帮异乱皖赌翁菱瓮捣遮具恳臣椒忆占法氰苹粤繁窘院沉红飘荧死吕滩费质绿郝储责截辣花软羹支蛾卡扛挤棋多给阉版构鱼薪诵蹦条妆鹏秽渤烛锑毁伶置拱刑毋匪蜘眶给倪妄道时快下诺赖愈培嫡逞鲤填听效赎囤宜溶苔稀饲尔辩甘揭消贫萍蕊缕般髓察旧谨蜘为癣绥消蚊彤俺避涌绑瞧坐唐缘筷橙漆吠吭闰毙绍终务五泞渊拿仇换阎讫壕凭自估汰穴蚊鞍丧罗龚奈凤菊豪巴蛰具咨也拇奸谷儒循伸戴筒些窗膏衬