基于超导限流储能和电池储能的综合能量管理系统在风力发电中的基础问题研究

随着风力发电装机容量的迅猛增长，风力发电在电网中所占的比重急剧增加，由风力发电的不确定性等因素给电网带来的稳定性问题和电能质量问题将日趋严重，已成为风力发电大规模运用的主要障碍。传统的解决方法有：增加保护电路、加入储能环节、加入限流器、加强对发电机的控制等等，这些方法能在一定程度上解决某一个方面的问题，但是无法完全解决。为了克服风力发电大规模运用的瓶颈，全方位解决风力发电中存在的问题，本项目采用将超导限流储能和电池储能相结合的方法，构造了一个基于超导限流储能和电池储能的综合能量管理系统，解决风力发电中可能出现的稳定性、低压穿越和电能质量等各种问题。并对该系统的结构和控制进行优化设计，提高系统的整体性能，探索一条切实可行的解决风力发电中实际问题的解决方案，为解决风力发电大规模并网中出现的问题奠定一定的理论基础。

风力发电面临的两个主要问题是：能量输出不稳定和低电压穿越能力弱。这两个问题在双馈风力发电机中尤为突出，并严重影响了风力发电的稳定性和可靠性。而现有的解决方案无法同时解决这两个问题。. 为了提高双馈风力发电机的输出电能质量和可靠性，本课题提出了两套解决方案：集成超导储能和电流型串联网侧变流器的方案和超导限流—储能方案。集成超导储能和电流型串联网侧变流器的方案利用超导磁体作为能量存储和缓冲环节，提高了能量输出的稳定性；并利用电流型串联网侧变流器补偿电网电压的跌落，实现了对定子端电压的保护，使双馈风力发电机感觉不到电网故障的发生，始终保持在正常工作状态，有效地提升了双馈风力发电机的低电压穿越能力。超导限流—储能方案也是利用超导磁体存储的电磁能来平滑风力发电有功功率的波动，但是其提升低电压穿越能力的方法与上述方法不同。它利用超导磁体的大电感特性，在故障状态下，通过限流电路将超导磁体串入定子回路。这在一方面抑制了定转子过电流，另一方面抑制了转子反向感生电动势，从而提高了转子变流器的可控性，减轻了转子过转矩，实现了对变速箱的保护，进而提高了双馈风力发电机的低电压穿越能力。仿真结果证明了这两套方案的可行性。. 超导储能虽然具有响应速度快，功率密度高的特点，但是由于其储能量较低，只能平滑风力发电中频率较高的有功功率的波动，而对低频有功功率波动无能为力。而电池储能的响应速度慢，但是能量密度较高，可有效地平滑风力发电中低频有功功率的波动。为了平滑全频段有功功率波动，我们在超导限流—储能方案中加入的电池储能系统，提出了集成超导限流—储能和电池储能的综合能力管理系统。该方案不但实现了对风力发电波动有功功率全频段的平滑，还极大地提高双馈风力发电机的低电压穿越能力。实验结果证明了该套方案的有效性和可行性。