风光储联合发电系统建模的研究

风光储联合发电系统建模的研究

一前言

目前，集中发电，远距离输电和大电网互联的电力系统是我国电能产生，输送和分配的主要方式，这种方式有很多弊端，尤其是发电方式，能源消耗大，对环境污染严重。分布式发电的提出在很大程度上能改善这一问题，分布式发电技术主要包括光伏发电技术、风力发电技术、燃料电池发电技术、燃气轮机/内燃机/微型燃气轮机发电技术、生物质能发电技术以及分布式发电的储能技术等。尽管分布式发电具有投资小、环保好以及灵活性高等优点，但也同时存在着许多问题，如分布式电源单机接入的成本较高、控制相对困难等。为了协调大电网与分布式电源之间的矛盾，充分利用分布式电源为电网和用户带来的价值和效益，微网的概念提了出来。微电网系统是一种独立性很强的分散型电源网络。它由太阳能光伏发电、风力发电、小水利发电、生物质能发电、燃气发电或柴油发电、燃料电池、蓄电池组等任意组合起来，再加入计量和控制装置，自成系统，独立于大电网或间歇与大电网连接。微电网和大电网通过公共连接点（Point of Common Coupling, PCC)进行能量交换，双方互为备用，从而提高了供电的可靠性。

将现在比较成熟的风力发电和太阳能发电组合起来，在配备一定容量的储能装置，组成风光储联合发电系统，就可以充分利用风能和太阳能在时间和地域上的互补性，同时配合储能系统对电能的储存和释放，改善整个风光发电系统的功率输出特性，缓解风能和太阳能等可再生能源的间歇性与波动性与电力系统需要实时平衡之间的矛盾，降低其对电网的不利影响。风光储联合发电系统通过对风能和太阳能的储存与释放，可以使不稳定的能源变成稳定具有较高品质的电力产品，增加电网对可再生能源的吸纳程度。风光储联合发电系统主要有风力发电单元、光伏发电单元、储能系统和智能控制调度系统组成，风电和光伏发电在能源采集上相互补充又各具特色，光伏发电供电可靠、运行维护成本低、但造价高；风力发电发电量高、造价和运行维护成本低、可靠性低。风光储联合发电系统的提出不仅为当前的能源危机与环境污染开辟了一条新路，而且有效改善了风电和光伏发电单独供电对电力系统稳定性和可靠性的影响。

二风力发电模型

2.1风力发电机的分类

风力发电是将自然界中的风能转化成日常所需的电能的一种发电方式，它首先通过风力机将风能转化成机械能，再通过风力发电机将机械能转化成电能。风力发电消耗的是风能，因此不产生污染，输出的功率有风力的大小决定。

目前，在风力发电中常采用三种风力发电机，分别是鼠笼型异步风力机，双馈感应风力机和永磁同步风力机。

（1）鼠笼型异步发电机

鼠笼型异步发电机属于恒频恒速型，其结构较简单，可靠性较高，控制简单，能够安全稳定的运行，但它需要从电网吸收无功，输出的有功功率越大，所需的无功功率也就越多，这样会导致功率因数很低，因此，需配备一定的无功补偿装置。

（2）永磁同步风力机

永磁同步风力机属于变频恒速运行方式的一种，它主要有风力机、齿轮箱、全功率变频器、同步发电机、直流侧电容等组成。其优点是可以在不同频率下运行且不影响电网的频率，不需要从电网吸收无功功率，因此也不需要无功补偿装置；缺点是造价较高，而且损耗较大，目前，还没没在我国广泛应用。

（3）双馈感应发电机

双馈感应发电机属于变频恒速风力机的一种，它主要由风力机、齿轮箱、感应电机、直流侧电容器、VSC变频器组成。双馈感应发电机的定子绕组直接与电网相连，转子绕组通过两个VSC变频器与配电网相连，结构如下图所示。

与传统的恒速风力机相比，双馈感应电机有很多优点：（1）转子绕组产生的电流在较大范围内能控制发电机的转差、有功功率和无功功率。由于它可以产

生无功功率，所以可以参与到配电网的无功调节中去，可以提高电力系统的稳定性和经济性。（2）具有无功电压控制的能力，不需要安装无功控制装置。（3）能够追踪最大风能，提高对风能的利用率。（4）通过转子可以控制功率因数，使机端保持一定的功率因数，这样可以使电能质量得以提高，为安全稳定的并网提供了便利。因此，双馈感应发电机在风力发电中有很好的应用前景，尤其是在规模较大的风电场中。

2.2 风力机的功率特性

风力发电机的机械功率可以有公式（）得出

式中，ρ是空气密度（kg/m 3）,V 是风速（m/s ），A 是风力机的扫掠面积（m 2）C p,是风能利用系数，是叶尖速率比与叶片浆距角的函数，表示风轮机从风力中获得的有效风能的比例。由公式可以看出风力机的输出功率与受风面积成正比，与风速的三次方成正比。将风力机的输出功率视为风速的函数，由风电场的当地风速可以得出风力机的输出的有功功率。下图为双馈感应电机的功率特性曲线。

（） 双馈感应风电机功率特性曲线

从图中可以看出，当风速在切入风速到额定风速之间，输出功率随风速的增大而线性增加；当风速在额定风速到切出风速之间时，输出功率为一直线，不在随风速的变化而变化，保持为一常量。通过合理的控制风力发电机，可以保持其输出恒定的有功功率。

风速（m/s ） 功

率（

KW ）

2.3风力机组在稳态潮流计算中的等值模型

异步风力发电机需要从电网侧吸收无功功率来建立磁场，因此它没有电压调节能力。为减少网损，一般采取无功功率就地补偿的原则，通常的做法是在风力机组处安装并联电容器组，通过自动分组投切来保证功率因数的恒定。在稳态潮流计算中通常作PQ(V)节点来处理，参与潮流迭代的无功功率Q=Q2-Q1, Q2为电容器输出的无功功率，Q1为风机吸收电网的无功功功率，这样在每一次迭代前都可以把PQ(V)节点转化成传统潮流计算中的PQ节点。

永磁同步风力机与电网完全解耦，通过全功率变流器为电网提供无功和用功功率，不需要从电网吸收无功功率，因此在稳态潮流计算中可以处理为PQ节点。

双馈感应发电机不仅可以产生有功功率也可以产生无功功率，可以起到调节电压的作用。在实际并网运行时，通常会使双馈感应电机端的功率因数为一恒定值，保持恒定功率的输出；当电网的无功不足时，双馈感应电机可以在输出有功功率的同时输出无功功率，这样不仅可以维持并网点电压的稳定，也可以保持整个系统的稳定，这时，机端电压为一定值。因此，双馈感应电机在并网时有两种运行模式：恒功率因数控制运行和恒电压控制运行模式。在恒功率运行时可以作PQ节点处理，在恒电压运行时作PV节点处理。