第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
随我国经济的发展，能源需求显得日益突出。常规化石能源的大量开采与消耗已导致现有资源的枯竭，同时也带来了环境污染的加重，煤炭大量燃烧产生的粉尘，SO2、CO2等有害气体的排放导致了温室效应、酸雨等一系列问题的产生。可再生能源作为一种清洁、无害、取之不尽用之不竭的能源，近年来在我国能源产业中迅速发展，风能作为一种重要的可再生能源，在我国电网中所占比例日益增大。风力发电系统，也由最开始作为偏远地区的离网型电源发展到现在的并网型大功率风电机组，风电场的规模也随之增大。诚然，风力发电也存在着本身的缺陷和问题：(1)自然风的风速与方向具有一定的随机性，分别受大气气温、气压、湿度、地貌等因素的影响。从而从风力得到的电能也具有较高的随机性。(2)风能能量密度低，风力发电机的风轮的尺寸及转动惯量较大。(3)早期机组大多不具备低电压能力。(4)风电能源丰富的地区通常在偏远地区，自然条件恶劣，相应的对风电机组的可靠性提出了较高要求。(5)偏远地区的电网结构比较薄弱，接入点的极限穿透功率较小，进而限制了接纳风电的功率。电网对并网电源有较高的并网标准要求[1]；同时，大电网安全稳定运行对系统的频率、电压、波形等指标有着严格的要求，那么如何使本身较为不稳定的风电，友好的并入对电能质量有严格要求的电网，并保持电网的安全稳定运行渐渐成为研究热点[2]。在并网风电场中加入储能系统，对风电的出力进行调节，优化其出力特性，不失为一种有效的解决方案。储能作用于风电场可以起到以下作用：(1).改善电能质量，提高风电场运行的稳定性。文献[3]就储能在平抑风电出力，优化风电质量减小对系统有较大影响的特定频率的功率扰动有效的进行了滤波，消除了对电网不利的低频扰动功率；(2).作为备用电源，在需要时及时提供电能输出[4]，由于风力的随机性，风电场的出力波动性较大，甚至会发生骤降至零的情况，这将对电网的安全稳定运行造成极为不利的影响，而储能所提供的有功无功的支持，可有效缓解风电波动对系统造成的影响；(3).优化风电场运行，提高其经济效益[5]。应用于电力系统的储能方式有：(1)化学储能，铅酸电池、液流电池、钠硫电池、镍氢电池、镍镉电池、锂离子电池等储能形式； (2).电磁储能，超导储能、超级电容储能和高能密度电容储能。(3). 物理储能方式主要有抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能；目前已经投入实际运营的储能方式有：抽水蓄能电站、压缩空气储能、铅酸电池和低速飞轮，已商业化应用，其余各种原理和方式的储能尚处于研究或示范研究阶段。
目前我国已在张北建成了风光储示范工程基地，就可再生能源的并网问题进行了深层次的研究。新疆具有极其丰富的风能及光伏发电资源，随区域经济的发展及西电东送的推进，风电光伏等可再生能源大规模并网成为研究热点，但可再生能源由于其自身的波动性，其出力必然存在一定波动性。目前新疆电网依然存在弱联络，大功率远距离传输等特点，网架结构相对较弱，电网的安全稳定运行在大量接入可再生能源的情况下受到了严峻挑战，以一定的措施在不减小可再生能源接入的情况下，提高电网的安全稳定性具有重大意义。采用储能平抑可再生能源的波动性不失为一种有效措施，从系统安全稳定考虑，储能的容量越大系统的安全稳定性越强，但经济性会随容量的增大而大大降低。综上所述，研究储能作用于含有较多可再生能源并网的电网安全稳定性有着重要意义，新疆科技支疆基金项目 201091204、新疆自然科学基金项目2010211A10 也对该方面进行了分析与研究。从电网实际运行角度分析，本文针对网架结构较为薄弱的新疆某区域电网，通过加入适量储能，提高其对风电、光伏等可再生能源的接纳能力进行了研究，通过电磁暂态数字仿真及机电暂态数字仿真求取了保证电网安全稳定运行的最小储能容量；从技术与理论层面，本文的成果为研究大规模风电并网进行了理论技术铺垫，为进一步深入研究科学合理应用储能，推动大规模风电、光伏并网情况下的电网安全稳定性有着重要意义。
1.2 国内外研究现状
丹麦风能的利用上走在了世界前列，在 19 世纪末开始探索风力发电，研制出了小型风力发电机组。在 20 世纪 30 年代，小型风力发电机组达到了实际运用阶段，在美国电网仍未普及的地区，独立运行的小型风电机组为农村的电气化提供了有效支持，单机容量 0.5~3kW。随着风力发电技术的不断进步，风电并网成为必然。丹麦 200kW 风电机组于 1957 年实现了并网运行，采用了异步发电机，定桨距叶片结构，该型风力发电机组得到了广泛的推广并获得成功。我国风力发电技术始于 20 世纪 70 年代初。经过长期的发展，我国风力发电的制造、研究、示范推广有了很大的进步与提高。从最开始应用于离网发电以解决无电地区农牧渔业用电，到现在的 5MW 级别，我国风力发电产业取得了巨大的进步，风力发电机组的结构也从异步定桨距发展到变桨距大功率双馈机组及永磁直驱发电机组运行方式也从离网单机运行变为了现在的大规模风电场并网运行。风电大规模并网也给电网的稳定运行带来了一定的不利影响，风电出力的波动性、网侧电压跌落造成风电场脱网等事故甚至导致区域电网解列运行，提高含有大规模并网风电的区域电网的稳定性，在风力发电发展迅速的今天显得尤为重要。
第二章 储能装置及风电场的建模
研究储能对含有较多风电场稳定性的前提是对储能及风电场进行建模。本章针对常用于电力系统的储能装置的拓扑结构及并网原理等进行分析，对比其不同的动态特性，同时对不同类型的风力发电机组结构、并网运行方式进行讨论，进而研究储能在不同接入方式下，对风电场及电力系统稳定性的影响。
2.1 适用于电力系统的储能类型
应用于电力系统的储能，按照其结构，可分为：(1). 物理储能，主要有抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能:； (2).电磁储能，超导储能、超级电容储能和高能密度电容储能； (3)化学储能，铅酸电池、液流电池、钠硫电池、镍氢电池、镍镉电池、锂离子电池等储能形式。抽水蓄能是利用水的势能对能量进行存储的方式，在实际应用中，规模可达数千 MW，具有技术成熟、可以做到较大容量的优点，由于水电站的快速响应特性，在电力系统中可以用作调峰填谷、系统调频、大型风电场的储能调度。当然，抽水蓄能电站存在受地理条件限制。
第三章 液流电池及风电场电磁暂态建模........21
3.1 液流电池仿真建模......21
3.1.1 液流电池建模........21
3.1.2 液流电池仿真........23
3.2 液流电池并网仿真建模........24
3.3 PMSG 并网仿真建模........35
3.4 VRB 平滑风电场出力仿真分析......43
3.5 本章小结.......46
第四章 基于 PSASP 的储能及风电场建模......47
4.1 通用储能模型....47
4.2 并网逆变器建模.....49
4.3 储能电池并网仿真......51
4.4 永磁风机建模....54
4.5 永磁风机并网仿真......56
4.6 本章小结.......59
第五章 基于电力系统安全稳定......60
5.1 限制风电接入容量的因素....60
5.2 储能容量的求取方法.......61
5.3 基于电网安全稳定的储能容量研究........64
5.4 本章小结.......79
第六章 总结与展望
风电、光伏等可再生能源并网发电现阶段得到了国家的广泛支持，随我国经济发展及西电东送的逐步推进，越来越多的风电将并入主网发电。电网的稳定性及对风电的接纳能力成为研究热点。对于网架结构较为坚强的区域而言，风电的接纳容量相对较大，对于网架结构薄弱的新疆，如何通过较小代价换取更多风电并网就显得尤为重要。当前主流的电力仿真软件大多不包含储能模块、风电机组模块，之前较多的文献对储能及风电研究时，仅将储能及风电等效做负负荷等值。在一定程度上满足了研究风电并网的要求，然而随越来越多的风电并网，迫切需要能够精准的对风电、储能的动态特性进行描述，故需在电力系统仿真软件中搭建储能及风电模型，同时针对特定电网进行稳定性分析校验。本文就此做了对应研究，成果如下：
(1) 在分析储能数学原理的基础上，基于 PSCAD/EMTDC 软件环境搭建了储能仿真模型，并进一步完成了单极型并网仿真模型，通过仿真，对所搭建模型的正确性进行了验证。
(2) 在分析 PMSG 数学原理的基础上，基于 PSCAD/EMTDC 软件环境搭建了 PMSG 的并网仿真模型，并针对所搭建模型进行验证，通过仿真验证了模型的正确性。同时，将所搭建的储能模型与风电场结合，针对风电场的经典扰动进行仿真，根据仿真结果，估算了从风电场侧考虑的最小储能容量配置。
(3) 基于 PSCAD/EMTDC 仿真环境中所搭建的 PMSG 及储能的模型，对其进行简化与等值，利用 PSASP 的 UD 模块搭建了储能模型及 PMSG 模型。通过对比两种仿真环境下的动态特性，验证了所搭建模型的正确性。
(4) 简述了基于电网安全稳定的储能容量的求取方法，通过数字仿真，结合新疆含有过多风电场的某实际区域电网，通过计算得出保障电力系统安全稳定运行的最小储能容量。
参考文献
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