应用于风电场的飞轮储能系统充放电控制研究

作     者：陈玉龙 

作者单位：华北电力大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：武鑫;吴仕明

授予年度：2021年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：飞轮储能 充放电控制 飞轮储能阵列 异步电机 功率平滑 

摘      要：近年来我国清洁能源产业不断发展壮大,尤其随着‘碳达峰’和‘碳中和’目标的提出,光伏发电和风力发电在电网中的占比将越来越高,这对电网灵活性提出了更高的要求。储能系统作为一种灵活电源开始受到业界的广泛关注,成为了改善电网性能的研究热点。各种储能形式中飞轮储能以其储能密度大,功率密度高,响应速度快,循环次数高,使用寿命长,回收无污染等诸多优点被认为是一种发展前景广阔的储能技术。本文以交流母线并联型飞轮储能单元及其阵列系统为对象,研究飞轮储能单元和阵列在充放电运行中的控制问题及其在风电场中的应用问题。主要工作如下:(1)电机控制作为飞轮储能单元充放电控制中的一部分,是飞轮储能单元充放电功率控制的基础。分析了飞轮储能单元中电机控制中的两种功率转换策略,其中飞轮电机更适合采用功率转换为转矩的策略;分析了异步电机控制中的电压解耦方法,提出一种基于转矩状态方程的解耦方法,通过仿真验证其更简单且有效;建立了异步电机控制仿真模型,通过仿真验证了在全转速范围内电机能准确跟随给定功率进行升速和降速运行,同时能快速进行升降速切换。(2)对飞轮储能单元的网侧电路模型进行分析,建立模型并进行功率控制仿真;分析了直流母线电压与网侧和机侧电流之间的关系,以电机模型、网侧电路模型和直流电容模型为基础,建立飞轮储能单元的整体控制模型,对飞轮储能单元的充放电功率控制和直流母线电压控制进行仿真,验证所用控制策略的可行性;最后对比同功率的锂电池阵列和此飞轮储能单元的充放电响应速度,其中飞轮储能充放电响应速度更快。(3)介绍飞轮储能阵列的功率分配策略,分析其中存在的问题,做出相应改进,仿真验证改进后功率分配的有效性;介绍储能在风电场中的应用优势和接入形式,选取8个飞轮储能单元组成飞轮储能阵列,用于平滑风电输出功率,仿真结果显示可有效平滑风电功率的快速波动。