华中科技大学硕士学位论文风力发电用储能系统的优化配置及其仿真研究姓名：张琳申请学位级别：硕士专业：电气工程指导教师：唐跃进2011-05摘 要随着环境压力不断增加，新能源发电技术得到了广泛的发展和应用，其中风力发电技术在近几年发展尤为迅速。

但由于自然风具有波动性与间歇性的特点，使得风电场输出功率不稳定。

随着电力系统中风电装机容量的不断增加，由并网风电场带来的危害不容忽视。

超导磁储能装置具有快速的响应速度和四象限独立控制有功功率和无功功率输出的特性，能有效增强风电场稳定性，克服自然风波动带来的危害。

蓄电池储能装置存储容量大，技术成熟且价格低廉，能够有效增强电力系统供电可靠性，克服自然风间歇性带来的危害。

本文主要对超导磁储能装置增强风电场稳定性、蓄电池储能装置增强风电场供电可靠性进行了研究，并运用遗传算法优化设计了蓄电池储能装置的容量。

通过仿真分析验证了有效性。

论文首先研究了风电并网存在的主要问题及储能装置在风电场中的应用现状，分析了储能装置增强风电场稳定性和供电可靠性的原理。

在此基础上搭建了超导磁储能装置和蓄电池储能装置的数学模型，并运用遗传算法，以经济性指标为目标函数，给出了以求解蓄电池装置容量的适应度函数。

最后，在Matlab平台下，搭建了含风电场的电力系统模型，仿真分析了超导磁储能装置对于抑制风电场并网瞬间功率波动、风电场输出功率波动和风电机组三相短路故障的作用。

利用Matlab遗传算法工具箱，对蓄电池储能装置容量进行了优化配置，仿真分析验证了蓄电池在增强风电场供电可靠性和增加经济效益方面的作用。

关键词：风力发电超导磁储能蓄电池储能遗传算法ABSTRACTThere has been a widely development in the application of renewable energy sources with the increasing of environmental pressure. And the development of wind power has rapidly progressed over the last decade. But the wind farm outputs unstable power because of the fluctuation of the wind. With the growth of the installed power of wind energy plants,it takes more adverse effects to the power system. SMES responses speedly and can control the output of active power and reactive power independently. It will improves the stability of wind farm and overcome the harmness caused by the wind fluctuation. Battery has large capacity and low price. It has the ability to improve the reliability of the power system caused by the wind intermittence.Firstly, this paper studies the problems of wind power integration into electricity system and the application status of the energy storage module in wind power and analyse the effects of the energy storage module to enhance the wind power supply reliability and operation stability. Then, we build the mathematical model of SMES and Battery and find the best battery capacity by GA.Finally, we build the model of wind power system in the Matlab platform, simulite and analysis the effects of SMES to inhibit wind fluctuation and enhance the transient stability of the wind form. Then we optimize and design the capacity of Battery by Matlab Gatool, check the simulation results of the battery to the improvement of power supply reliability and economic benefits in wind power system.Keywords: Wind Power SMES Battery Storage Genetic algorithm独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。

对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

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本论文属于不保密□。

（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日1 绪论本章主要介绍了课题的来源背景和研究意义，风力发电快速发展带来的主要问题是风电并网问题，在风电并网问题中最关键的是分析解决风电场对系统运行稳定性和供电可靠性的影响。

储能装置应用于风电场能够有效解决风电并网引起的电力系统运行稳定性和供电可靠性问题。

本章阐述了储能装置在风电场中的应用现状及储能装置优化配置的研究概述，最后介绍了论文研究内容和各章节布局安排。

1.1 研究背景在21世纪，社会发展对电力系统提出了许多新的要求。

从社会背景变化来说，环境问题、产业结构变化、能源消费结构的变化、信息化社会、生活方式的变化、能源资源、分散电源、能源产业间的竞争等问题将对电力工业的发展产生深刻影响[1]。

进入新世纪以来，发展低碳经济、实现可持续发展、建设生态文明，成为人类社会普遍共识[2]。

世界能源发展格局发生了重大而深刻的变化，其中以风力发电为代表的清洁能源发展迅猛。

在世界范围内，截止到2006年末，风电装机容量已经超过了74GW，年增长率超过了24%（2002年~2006年），到2010年上半年世界风机装机容量达到了175GW。

而在我国，风力发电总装机容量从2000年的35万千瓦增长到2009年的1500万千瓦，平均年增长率超过70%。

由于风能具有波动性、间歇性的特点，风电场输出功率会呈现出波动性和间歇性，当系统并网风电机容量不高时，可以通过调节常规发电机来实现对风电场输出波动性和间歇性的抑制和补偿。

但随着风电装机容量在电力系统中占有比例的不断增加，风力发电对电力系统运行稳定性和供电可靠性的影响也越加明显。

风能的不确定性和风电机组并网运行特性会影响电能质量，主要表现在电压波动、电压闪变和电压偏差等方面。

当风电机组切入、切出时，也会对电网造成瞬间的冲击。

根据国家电网发布的《国家电网公司促进风电发展白皮书》，到2015年我国将消纳风电9000万千瓦，而现实情况是我国现在大约有三分之一的风电场并没有实现并网发电，风电场不能挂网运行不仅不会增加发电量，而且会造成巨大的经济浪费，对整个风电行业会造成严重的损害。

中国作为风电的装机大国尚未成为真正的风电使用大国。

可见风电并网难题已经成为制约风电健康发展的瓶颈问题。

从现阶段情况看，风电有功功率即负荷调节问题是制约风电接入电网的主要因素，是首先面临必须要解决的问题。

要想实现风电并网，消除并网风电对电力系统的不利影响，除了需要建设配套的强大输电网、完善风电并网标准之外，储能技术在大规模风电场并网中得到了广泛的应用[3~6]。

充放电速度快、反应灵敏的储能装置可以用来调压、调相和调频，增强风电场系统运行稳定性，保证风电电能质量。

容量密度大的储能装置可以用于电网调峰。

当某个时间段内风力资源丰富，而电网用电需求处于低谷时，可以利用大容量储能装置消峰填谷，将“过剩”的电能存储起来，在电网负荷高峰期将电能平稳的释放出来，提高风能的利用效率。

同时考虑到储能装置经济成本的限制，我们在向电力系统加入储能装置的时候需要限定储能装置的容量，关于储能系统的优化配置问题需要进一步分析研究。

1.2 储能系统在风电场中应用现状1.2.1 储能技术目前，电能存储方式主要可分为机械储能、电磁储能和电化学储能。

机械储能主要包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能等；电磁储能包括超导磁储能和超级电容器储能等；电化学储能主要有铅酸蓄电池、液流电池、钠硫电池等。

由于风电场系统的复杂性和对储能装置需求的多样性，没有哪种储能技术可以同时满足电力系统的所有需求，所以需要将多种储能技术配合使用，来满足系统需求。

在机械储能中，只有抽水蓄能技术相当成熟，但由于地理资源的限制，其应用范围受到制约。

在风电场应用研究中，超导磁储能和蓄电池储能成为研究重点。

本文中选取了响应速度快的超导磁储能装置和存储容量大的蓄电池储能装置应用于含风电场的电力系统。

1.2.2 超导磁储能技术和电池储能技术（1）超导磁储能超导磁储能装置SMES（），可利用超导磁体将电磁能存储起来，需要时将电磁能返回电网。

超导磁储能装置，由超导磁体、低温系统、磁体保护系统、功率调节系统和监测系统等部分组成，其中超导磁体是SMES的核心部件。

图1-1为超导磁储能系统主电路图。

与其他储能技术相比超导磁储能技术有其独特的优点：1）能量密度高，约108 J/m3，可建成大容量系统；2）转化效率高，可达95%以上；3）通过变流器实现与电网连接，响应速度快，约为几毫秒至几十毫秒。