SMES--VRB协调控制及其改善风电运行机理的研究
为解决再生能源发电输出功率间歇性和波动性问题，研究大容量电力储能技术，实现再生能源大规模并网。 首先，研究大容量超导磁体储能（Superconducting Magnetic Energy Storage，SMES）拓扑及协调控制。基于多绕组隔离变压器和模块化思想，提出一种新型易扩容大容量SMES变流器拓扑，探究新型SMES变流器拓扑运行机理，对环流、可行性和小信号稳定性进行分析；提出多电平VSC功率电流控制和多重斩波器矢量切换协调控制策略，结合载波移相调制，稳定直流母线电压、解决多重斩波器均流问题。在MATLAB/Simulink中构建不同工况下的仿真模型，对比PI控制和矢量切换控制的均流效果及功率、电流控制的功率跟随性能；同时在模块化SMES实验平台上进行四象限功率调节实验，验证功率、电流控制策略的有效性。 其次，研究大容量钒流电池（Vanadium Redox-flow Battery，VRB）拓扑及协调控制。分析VRB工作原理、性能及等效模型，提出大容量VRB多级双向变流器架构及控制策略。建立VRB多级双向DC/DC变流器模型，基于功率平均分配策略提出VRB智能充放电优化控制策略，控制各级VRB充放电，减小VRB充放电次数。构建VRB仿真模型及实验台架，试验VRB均流及功率跟踪效果，仿真和实验结果验证了VRB变流器拓扑及控制策略的有效性。 再次，针对风电功率波动及单一类型储能平滑效果差等问题，将功率型储能SMES和能量型储能VRB组成复合储能(Hybrid Energy Storage，HES)平滑风电功率波动。深入分析HES架构，提出基于经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)和滑动平均法的功率配置方法，重构功率型和能量型储能的参考功率。建立了HES优化配置模型，通过改进粒子群优化算法求解储能最优功率利容量。仿真对比了单一储能和复合储能平滑功率波动效果，结果表明复合储能平滑功率波动效果优于单一储能，且在风电场中接入HES，结合EMD分解功率优化配置能有效平滑风电功率波动，实现了风电场并网功率的平稳可控，提高了风电场的并网能力。不同工况下的实验进一步验证了HES功率分配及平滑风电功率波动策略的有效性。 最后，针对大规模风电机组脱网、弃风问题，研究HES辅助双馈感应电机（Doubly-Fed Induction Generator，DFIG）低压穿越策略。构建HES辅助DFIG低压穿越架构，分析推导DFIG稳态功率关系及其在电网电压跌落时的暂态特性。分析LVRT控制目标，在常规恒定功率控制基础上，提出αβ轴电压前馈正序电流控制策略，快速补偿无功电流稳定直流母线电压，并通过及时吞吐有功功率抑制PCC点电压和功率波动，辅助DFIG快速实现低压穿越。仿真和实验结果验证了HES辅助DFIG低压穿越策略的有效性。 该文研究的大容量电力储能拓扑、协调控制、功率分配及优化配置等技术有助于解决再生能源波动性和间歇性等问题，使再生能源协同协调、友好接入大电网，对提高能源和环境安全具有重要意义。
风电系统运行;超导磁储能;钒流电池;协调控制
西安理工大学
博士
电气工程;电力电子与电力传动
张辉
2018
中文
TM732
2019-09-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）