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序号书名单价内容简介风力发电技术丛书--风力机设计、制造与运行￥58.00 本书是《风力发电技术丛书》的一个分册。
本书介绍了风和风能的基本知识及各种风能发电技术，详细介绍了风轮机设计、设计优化、风轮机动态分析和风轮机安全性设计及风轮机的数值模型和数值计算技术，风轮叶片和各主要部件轮毂、齿轮箱、变桨距、增速箱、发电机、机舱、塔架和基础的结构设计和制造技术，以及风力机的安装、调试、运行、维护、故障分析和故障诊断技术。
还简要介绍了几种新型的风力机，供有兴趣的读者参考。
本书是一本有关风能发电的技术参考书，适合从事风能发电产品设计、制造和风电场风力机运行的工程师、工程技术管理人员和设计院风电场工程设计参考使用，也适合高等院校热物理和动力专业师生作为教学参考书，对想了解风能发电的读者也是一本极好的科技读物。
目录第1章风和风电场的特性1.1 风和风的特性1.1.1 风的形成和分类1.1.2 风速与风向1.1.3 风速特性和风能“玫瑰”图1.1.4 环境对风速的影响1.2 风能和风能密度1.2.1 风能1.2.2 风能密度1.2.3 风能密度计算方法1.3 风电场特性和风电场设计原则1.3.1 风电场特性资料1.3.2 风电场设计原则1.4 风电场优化设计1.4.1 风力发电机组选型显示全部信息在线试读部分章节第1章风和风电场的特性风是由于太阳辐射不均匀加热地球表面造成的。
温度不均匀的地球表面使大气层空气温度不均匀，导致大气层中空气的压力分布不均匀。
空气在不均匀压力的作用下，沿水平方向运动就形成风。
空气流动所形成的动能称为风能，因此，风能本质上是太阳能的一种转化形式。
风速和风向是风特性的两个最重要参数。
“风向”是指风吹来的方向，从北方吹来的风称为北风。
实际的风速是随时间在不断变化的量，因此风速一般用瞬时风速和平均风速来描述。
瞬时风速是短时间发生的实际风速，也称有效风速。
平均风速是一段较长时间内瞬时风速的平均值。
储能技术在风力发电系统中的运用发布时间：2023-01-30T03:08:46.109Z 来源：《中国电业与能源》2022年8月16期作者：常冰冰[导读] 风力发电是目前应用最广、成本最低廉的一种发电技术，其在使用的过程中不会产生污染。
常冰冰中广核新能源投资（深圳）有限公司安徽分公司安徽省合肥市摘要：风力发电是目前应用最广、成本最低廉的一种发电技术，其在使用的过程中不会产生污染。
风力发电虽然好处很多，但是其也给电力系统的运行安全带来了很多不确定因素。
其中，储能技术的应用已经成为新能源电力系统发展过程中不可缺失的重要部分，该文主要围绕储能技术在新能源电力系统中的应用进行分析，指出储能技术搭配系统中其他技术，能够为系统的稳定运行提供支持，并实现系统整体结构的优化处理。
关键词：风力发电系统；储能技术；应用中图分类号：TM75 文献标识码：A引言近年来，随着各种清洁能源的不断涌现，传统的由发电侧、电网侧和用电侧构成的“源、网、荷”结构逐渐转变为“源、网、荷、储”结构，其中，储能环节贯穿电力系统运行全过程。
增加储能这一环节主要是为了克服风能、光伏发电的波动性问题，保证电力系统的安全运行。
随着科学技术的不断进步，越来越多的储能技术应运而生，这也意味着储能技术已经成为电力行业发展的一项重要技术内容。
对其进行深入研究，是推动电力行业健康发展的关键。
1 风力发电现状一些风力发电厂对设备进行配置时，较为重视关键功能设备，忽视了辅助功能设备，使发电系统一些功能无法有效显现。
此外，我国风力发电系统模型主要有线性和非线性两种，其中前者主要在传统的风力系统中进行应用，有关发电机关键属性的调控主要通过风能捕捉量提升来实现，相对来讲较为简单，不过在工作条件以及范围上具有一定的限制。
而后者的复杂性较高，相对也不够成熟，对于电气控制工作存在一定的不利影响，一定程度上阻碍了风力发电系统的长久发展。
除了设施设备的问题，风力发电中，外部因素也会对发电的稳定性产生影响，其中包含自然环境和人为因素。
超导储能单元在并网型风力发电系统的应用一、本文概述随着全球能源结构的转型和可持续发展目标的推进，可再生能源已成为世界范围内的研究热点。
风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式，正逐渐在全球能源版图中占据重要地位。
风力发电系统的不稳定性以及电网接入问题一直是制约其发展的关键因素。
为了解决这些问题，超导储能单元（Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES）作为一种先进的储能技术，被引入到并网型风力发电系统中。
本文旨在探讨超导储能单元在并网型风力发电系统的应用，分析其对提高系统稳定性、优化能源调度以及推动风力发电可持续发展的重要作用。
本文首先介绍了风力发电系统的发展现状及面临的挑战，然后详细阐述了超导储能单元的基本原理和特性。
接着，文章分析了超导储能单元在并网型风力发电系统中的应用方式，包括平滑输出功率、提供系统备用容量、优化调度等方面。
文章还讨论了超导储能单元在实际应用中可能遇到的技术和经济问题，并提出了相应的解决方案。
文章展望了超导储能单元在风力发电领域的未来发展前景，为相关研究和应用提供了参考和借鉴。
通过本文的研究，我们可以更深入地理解超导储能单元在并网型风力发电系统中的应用价值，为推动可再生能源的发展提供新的思路和方法。
二、超导储能单元技术概述超导储能单元（Superconducting Magnetic Energy Storage，简称SMES）是一种基于超导技术的先进储能装置，它利用超导材料在超低温下电阻为零的特性，实现电能的快速存储和释放。
SMES由超导磁体、冷却系统和电力转换系统三大部分组成。
超导磁体是SMES 的核心，用于储存电能；冷却系统则负责维持超导磁体所需的超低温环境；电力转换系统则负责将电能与磁能进行相互转换。
SMES的储能原理是，当电网中有多余的电能时，电力转换系统将这部分电能转换为磁能，储存在超导磁体中；当电网中电能不足时，储存在超导磁体中的磁能又通过电力转换系统快速转换为电能，补充到电网中。
储能技术在风力发电系统中的应用在风力发电系统中，储能技术是十分重要的一种应用技术，其能够有效的降低风力发电中功率波动的负面影响，确保整个风力发电系统运行的稳定性与可靠性。
本文重点探讨了储能技术在风力发电系统中的相关应用，以期促进我国风力发电技术的进一步提升。
标签：储能技术；风能；风力发电系统；应用1 储能技术简介1.1 超导储能系统超导储能系统主要指的是利用超级导线来制作线圈的储能系统，其能够将电网中多余的磁场能源有限的储存起来，当电网中的能量不足时再将其释放出来。
通常情况下，超导储能系统具有以下特点：首先其释放能量的速率很好，在输送时不需要进行能量转换这个环节，运行时的比功率与比容量都很大，所以速度就非常快、而且转化的效率非常高；其次在进行储能过程中的损耗较少，而且在能量输送时，送回能量的速度非常快。
1.2 超级电容器储能系统超级电容器储能系统是根据电化学的双电层制作而成的，相对于普通的电容器而言其能够提供更大的脉冲公路，因此其在充电时能够处于理想状态下的电极表面，电解质溶液中的一些异性离子很容易被电荷吸引过来，并且这些离子会被依附在电极的表面，如此一来，所谓的双电荷层就这样形成了，它们又组合而成双电层电容。
它主要功能有两个，一是负责电力系统中短时间、大功率的平滑；二是在电能质量高峰值的功率的状况下，可能会使得电压瞬间下滑或者突然受到干扰，这时，超级电容器储能系统就来拯救这种突发状况了，它会以最快的迅速提高供电水平，平和电压。
1.3 飞轮储能系统这项技术就是首先经电能使得机械运动，而后通过机械的快速产生动能，最后将这些动能都储存起来，以备后期使用。
这是一种简单的储存系统，如今在电力工程的应用中也是较为广泛的。
许多技术的发展都促进了飞轮储能技术的发展。
譬如：电子电力变流技术、高强度碳素纤维技术、玻璃纤维材料技术等。
飞轮储能技术的能量密度一般不能小于20kWh/kg，功率密度不能低于5kW/kg，同時飞轮储能技术对于能量的转化效率非常高，一般可以达到90%之上，它损耗的能量是非常少的，同时此储能系统还有这些特点：可以持续运作、无污染、噪音小、维修容易等。
基于超导储能系统的风电场功率控制系统设计刘昌金,胡长生,李 霄,陈 敏,徐德鸿(浙江大学电气工程学院,浙江省杭州市310027)摘要:风电场输出功率的波动性和间歇性会给电网带来不利的影响。
为了降低风电场并网对电能质量的影响,文中阐述了一种基于超导储能系统的抑制风电场功率波动的间接控制方法。
利用超导储能系统的四象限功率运行能力来补偿风电场输出的有功和无功功率波动,并抑制由此产生的电网电压波动;通过合理设计超导储能系统功率调节器的带宽来优化储能量。
通过对风电场连接于弱电网的仿真,验证了所提出的功率控制策略的有效性。
关键词:风力发电;超导储能系统;功率控制;电能质量中图分类号:TM 614;T M917;T M76收稿日期:2008-04-28;修回日期:2008-06-02。
国家电网公司科技项目(SG KJ[2007]120)。
0 引言风力发电是当今非水能的可再生能源发电中技术最成熟、最具有大规模开发条件和商业化前景的发电方式,近年来一直保持着很高的年增长速度[1-2]。
由于风的波动性和间歇性特点,风电功率的波动性和间歇性会对局部电网电压的稳定性和电能质量产生影响[3-4]。
当风电场容量较小时,风电功率的波动性和间歇性对电力系统的影响并不显著。
但随着风电在中国开发力度的加大,风电场的规模和单机容量越来越大,中大型风电场接入后对电网运行的不利影响也日益突出[3]。
因此,研究并网风电场的功率特性以及如何管理其功率输出成为风力发电技术中的重要问题。
迄今为止,研究人员已提出了多种解决方法,可分成2类:一是通过调节风力涡轮机的运行状态来平滑其输出功率[5-6],可归类为直接功率控制,但该方法对风速波动较大的风电场的功率调节能力有限;二是通过附加的储能设备来平滑风电场的输出功率[7-11],可归类为间接功率控制,该方法能实现较宽范围的功率调节,有效地抑制风电场输出功率的波动。
然而,目前储能设备的单位储能成本比较高[12],限制了储能系统在风电领域的应用,有必要对储能量进行优化;另外,由于风力涡轮机输出功率H z~点,本文研究如何利用较小储能量的超导储能系统(SMES)来解决中大型并网风电场的功率波动可能带来的电能质量问题。
1 系统结构图1为带有SM ES 的风电机组接入电网的结构。
不考虑风电场各台风力发电机的地理位置对风速的影响,风电场由33台单机额定容量为2M W 的恒速风机)异步发电机组成,风电场总装机容量为66M W,通过690V/10kV 升压变压器连接到电网。
由于异步发电机在发出有功功率的同时需要吸收一定的无功功率,可由电容器组提供的无功对异步发电机和变压器进行无功补偿,实现风电场10kV 高压侧的单位功率因数。
无风电机组接入时,电力系统在母线2处的短路容量为250MVA,用于模拟一个弱电网。
SMES 通过3.3kV/10kV 升压变压器连接到风电场出口的高压侧。
图1 带SMES 的风电场-无穷大系统Fig.1 Wind farm -infinite grid system with SMES从图1,根据功率平衡定理有:P grid =P wind -P SM Q grid =Q w ind -Q SM(1))83)第32卷 第16期2008年8月25日V o l.32 No.16A ug.25,2008由式(1)可知,对于在一定范围内波动的风电场输出功率,通过控制SM ES 的输入功率可以达到间接控制风电场注入到电网功率的目的。
由于频率位于0.01H z~1H z 区域的风电场功率波动成分对电网的影响最大,应控制SM ES 吸收该区域功率波动成分,使得从风电场输送到电网的有功功率成分基本保留在0.01H z 以下,从而降低电网对风电场输出功率波动的敏感性。
图2为SMES 的风电场功率控制系统,由风电场波动功率抑制控制模块和超导储能功率控制模块构成。
图2 SMES 的风电场功率控制系统Fig.2 Wind power control system of SMES2 SMES 功率控制的设计与分析SMES 的功率调节器采用了电流型变流器四模块直接并联的结构,各个模块的直流侧通过均流电感连接到直流母线,功率调节器的拓扑结构见附录A 。
为减小网侧谐波,采用载波相移正弦脉宽调制(SPWM)技术[14],各个模块的调制信号的幅值和相位完全相同,载波信号的幅值也相同,但是各个模块载波信号的相位均匀错开90b 。
为平衡4个模块之间的功率出力,采用基于载波轮换的均流方法[15]。
为实现电流和电压的精确控制,本文结合文献[16]的基于瞬时功率理论的单级控制方法和文献[17]的交叉解耦控制方法,改用基于同步旋转d q 坐标系的3级控制方法,分为功率级、电流级和电压级控制。
SMES 的功率调节器控制结构见附录A 。
根据功率调节器控制结构,得到如图3所示的SM ES 有功功率3环控制框图,从外环到内环依次为功率环、电流环和电压环。
由图3可得电压环的闭环传递函数为:G u d (s)=v c d (s)v *c d (s)=k up s +k ui T s Cs 3+Cs 2+k up s +k ui (2) 由于k ui m k up ,G u d (s )可近似为:G u d (s)U 1(3)图3 SMES 有功功率闭环控制框图Fig.3 Closed -loop block diagram of SMES active power电流环的闭环传递函数为:G i d (s)=i s d (s)i *s d (s)=k ip s +k iiLs 2+(k ip +R )s +k ii (4) SM ES 的有功功率闭环传递函数为:G SM (s)=P SM (s)P D (s)=G w (s)G i d (s)v s d1+G w (s)G i d (s)v s d(5)将式(4)代入式(5),可得G SM (s )的详细表达式:G SM (s)=v s d k ip k wp s 2+Ls 3+(R +k ip +v s d k ip k w p )s 2+y z (v s d k ii k wp +v s d k ip k w i )s +v s d k wi k ii(v s d k ii k wp +v s d k ip k w i +k ii )s +v s d k wi k ii (6)由于k ii m k ip ,k wi m k w p ,k w i m L ,SM ES 的有功功率闭环传递函数可简化为:G SM (s)=k wp k w i +k ipk iis +1k wp k w i +k ip k ii +1v s d k wis +1(7)由于对称性,无功功率的闭环传递函数也由式(7)给出。
本文中,各控制器的参数设计为:k ip =0.7,k ii =330,k wp =0.15,k w i =60。
G SM (s )可重写如下:G SM (s)=0.005s +10.01s +1(8))84)2008,32(16)3 风电场的功率波动抑制策略用第2节推导得到的有功功率闭环模型表示图2中的超导储能功率控制模块,得到简化后的从风电场到电网的有功功率信号流图,如图4所示。
图4 系统有功功率信号流图Fig .4 Active power flow graph of power system从图4可得到从风电场注入电网的有功功率为:P grid (s)=P w ind (s)-P SM (s)=P w ind (s)-P w ind (s)G P (s)G SM (s)(9)由式(9)可得到从P wind 到P SM 的传递函数G F (s )(表示SM ES 对风电场波动功率的补偿能力)为:G F (s)=P SM (s)P w ind (s)=G P (s)G SM (s)(10) 由式(9)、式(10)可得到P w ind 到P grid 的传递函数G H (s )(表示电网对风电场波动功率的抑制能力)为:G H (s)=P grid(s)P wind (s)=1-G F (s)(11)为了抑制位于0.01H z~1H z 频段的波动功率成分对电网的影响,G H (s)应具有带阻滤波器的特性。
这样,G F (s )应设计成一个带通滤波器,可由高通滤波器串联低通滤波器构成。
由式(8),G SM (s)可近似当做一个低通滤波器,其截止频率就成为G F (s )的上限截止频率,为25H z 。
G P (s)应设计成一个高通滤波器,其截止频率就成为G F (s)的下限截止频率。
在本文中,选取G P (s )为一阶巴特沃斯高通滤波器,可写出:G P (s)=S s 1+S s(12)式中:S 为时间常数。
由于抑制越低频率的功率波动所需的储能量越大,考虑经济性,G P (s )的截止频率设为0.01H z,对应的S 为16s 。
可写出G P (s )的详细表达式为:G P (s)=16s 1+16s(13) 将式(8)、式(13)代入式(10),得到:G F (s)=16s +0.08s 21+16s +0.16s 2(14) 由式(11)和式(14),G H (s )可重写如下:G H (s)=1+0.08s 21+16s +0.16s 2(15)G H (s)和G F (s )的频率特性如图5所示。
从图5(a)可以看出,在0.01H z~1H z 频段,G H (s )的增益为负,并呈现很好的凹陷特征,表明带SM ES 的电网对风电场的功率波动有很强的阻尼性能。
SM ES 的功率带宽为0.01H z~25H z,对0.01H z 以下波动功率的补偿能力随着频率的减小而快速降低,从而有效减小SM ES所需的储能量。
图5 有功功率传递函数的频率特性Fig.5 Bode plots of active power transfer functions由于风电场端电压对无功功率波动更为敏感,可根据电压的变化量来得到SM ES 所需补偿的无功功率[18]。
这里采用带有惯性环节的比例控制,SM ES 的无功功率由下式给出:Q Dem =G Q (s)$V =K vq1+s T d$V (16)式中:$V 为风电场端电压(母线2)的偏移量;K vq 为比例增益;T d 为控制器的惯性常数。
4 时域仿真基于图1风电场)无穷大系统的时域仿真在PSCAD/EMT DC 环境下进行。
SMES 的电路参数为:超导线圈的电感为6H ,容量为15MVA/150M J,各个功率模块直流侧的均流电感为0.03H ,交流侧线路的等效电感为0.3mH ,等效电阻为22m 8,滤波电容为150@4L F,功率管的开关频率为1050H z 。
