超导磁储能系统及其在风电并网系统中的应用研究

【摘要】：常规化石能源的枯竭,使风能、太阳能、潮汐能等新能源的开发和利用带来的契机。使得对一次能源具有高依赖性的电力能源在机遇和挑战中发展。风电发电作为新能源领域中技术最成熟、最具规模化开发和商业化发展前景的发电方式之一,大规模接入电网已成必然。由风速的随机性和不确定性引起的风电场稳定性差和输出功率波动性大,是制约风电大规模并网的主要问题。研究提高风电场稳定性和抑制功率波动的措施已成为风电并网技术中亟待解决的重要问题。 超导磁储能系统(superconducting magnetic energy storage, SMES)利用超导线圈以电磁能的形式存储电能,低损耗、大储能密度、快速响应能力和独立的四象限运行能力是其最大优点,使得SMES作为一种抑制电力系统功率波动和平衡电力负荷的新型理想装置得到了国内外人士广泛关注,并取得了丰硕的研究成果。证明SMES在增加系统稳定性、平衡电力负载、提高电能质量等方面具有很大优势。 为了提高风电系统并网的可靠性和安全性,本论文将超导磁储能系统应用于并网风电系统抑制风电场输出功率波动。其主要内容为: 首先,概述了储能技术在风电技术中研究现状和超导技术在电力系统中的应用前景,提供了在风电系统中应用SMES的必要性;并深入分析比较SMES用变流器的电流型变流器和电压型变流器的结构和性能,为SMES在风电系统中的应用打了了坚实基础和变流器在其他领域的选择提供了依据,也为本论文采用电压型SMES作为研究对象提供了理论依据。 再次,将电压源型SMES应用于风电并网系统,分析了超导磁储能系统控制风电系统并网功率的原理,设计了基于频率和电压调节、以直流侧电容电压的闭环控制作为控制器外环、有功和无功电流控制作为控制器内环的双环控制策略的SMES控制器。 最后,建立了电压源型SMES相量模型。并选择风电场并网模型和常规电网模型,进行MATLAB/simulink仿真。研究表明,SMES抑制风电场输出功率的波动、提高风电系统的并网可靠性是通过快速补偿系统的不平衡功率实现的,它相当于在系统中引入了一个可控阻尼元件,增加系统阻尼,从而提高了系统的稳定性。 本文在研究超导磁储能装置的基础上,做了将其在风电并网系统的应用研究,以提高风电系统的并网可靠性,为今后其在风电领域的应用提供了理论基础。伴随高温超导技术和电力电子技术的发展,高温超导磁储能装置的应用前景将更加广阔。 【关键词】：超导磁储能装置 变流器 风力发电 风电并网 超导电力技术 超导应用
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM614;TM917
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 本课题研究的目的和意义10-11
• 1.2 风力发电的研究现状11-13
• 1.2.1 国外风力发电发展现状11-12
• 1.2.2 中国风力发电发展现状12-13
• 1.3 超导磁储能技术的研究现状13-14
• 1.3.1 国外发展研究现状13-14
• 1.3.2 国内发展研究现状14
• 1.4 储能技术在风力发电中的应用和研究现状14-15
• 1.5 论文的主要工作15-17
• 第二章 超导磁储能系统简介17-24
• 2.1 超导基础知识17-18
• 2.1.1 超导体的分类和发展历程17
• 2.1.2 超导体的基本特性17-18
• 2.2 超导电力技术18-20
• 2.2.1 超导电机18
• 2.2.2 超导电缆18
• 2.2.3 超导变压器18
• 2.2.4 超导故障限流器18-19
• 2.2.5 超导磁储能系统19-20
• 2.3 超导磁储能系统的构成及工作原理20-23
• 2.3.1 超导磁体20-21
• 2.3.2 低温系统21
• 2.3.3 功率调节系统21-23
• 2.3.4 监控系统23
• 2.4 小结23-24
• 第三章 超导磁储能系统电压型变流器控制器的设计24-44
• 3.1 引言24
• 3.2 模型分析24-31
• 3.2.1 模型分析24-25
• 3.2.2 SMES 用电流源型变流器的基本原理25-28
• 3.2.3 SMES 用电压源型变流器的基本原理28-30
• 3.2.4 SMES 用电压型变流器和电流型变流器的比较30-31
• 3.3 SMES 用电压型变流器的控制31-41
• 3.3.1 控制策略的选择31-35
• 3.3.2 SMES 用电压源型变流器的控制35-41
• 3.4 仿真分析41-43
• 3.5 小结43-44
• 第四章 基于超导磁储能系统的风电场并网功率控制器设计44-52
• 4.1 含有超导磁储能装系统的风电系统并网功率控制器的结构44-45
• 4.2 SMES 抑制风电系统功率振荡的机理45-48
• 4.3 应用于风电系统的超导磁储能系统的控制器的设计48-51
• 4.4 小结51-52
• 第五章 基于超导磁储能系统的风电系统并网功率控制器的仿真研究52-60
• 5.1 超导磁储能系统仿真模型的建立52-56
• 5.1.1 相量仿真法及其应用于SMES 的可行性52-53
• 5.1.2 电压源型SMES 向量模型的建立53-56
• 5.2 实际风电并网系统模型的建立56
• 5.3 含有SMES 的风电并网系统的仿真及分析56-59
• 5.4 小结59-60
• 第六章 结论与展望60-62
• 6.1 全文工作总结60
• 6.2 研究工作展望60-62
• 参考文献62-66
• 发表论文和科研情况说明66-67
• 致谢67-68

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