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基于混合储能的风力发电系统功率波动

抑制策略研究

摘要：我国风力资源丰富，风力发电对我国节能减排、保护环境以及治理雾

霾天气具有重要的现实意义。由于风力发电系统的功率波动会对输出的电能质量

造成影响，因此必须采取有效措施对其进行抑制。本文基于一阶滤波器法提出了

功率波动的抑制策略，通过一阶滤波器实现了波动功率的分解，并分别对高频分

量和低频分量进行了处理，从而实现了对功率波动的有效抑制。本文所提出的控

制策略能够有效实现对风力发电系统功率波动的抑制，能够保证风力发电系统的

安全、稳定、可靠运行。

关键词：混合储能；风力发电；功率波动；抑制策略

引言

全球能源危机和环境污染的问题日益严重，为了实现“双碳目标”，具有可

再生及清洁环保等特点的新能源发电技术得到快速发展，其中，风能因其储量大、

效率高和技术最成熟的特点受到广泛关注。然而，随着高比例风电的电网渗透率，

风电系统与电网之间的耦合关系也越来越紧密。风电输出功率的波动性、间歇性

和不确定性将会恶化电网的电能质量并对其运行稳定性产生较大影响，不利于风

电的大规模并网及开发利用；与此同时，风电机组在电网故障期间存在一系列的

暂态过程，将降低其并网安全性甚至发生脱网现象。

1风力发电现状

风能是一种非常重要的清洁能源，环保无污染、可再生，具有突出优势。但

同时也有一定的限制，主要表现在：在风力发电过程中，相比其他的发电方式，

其稳定性较差，且不能有效存储，只能实时应用。所以，在风力发电中，还存在

一定的问题，对电能生产、电网运行都会产生较大的不利影响。而且风速、风向

等因素具有动态变化性，这就导致负荷以及电能也会存在随机性，在此情况下，

通过风力发电，如果电网规模较大，就会大大降低电能的质量。从实际情况看，

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。从自然环境角度来讲，温度、气压、风力等因素具

有较大的变化，发电系统的稳定性不足，也容易引起系统的损坏。而从人为角度

来讲，关于风力发电系统的操作控制专业性和复杂性较高，相关人员自身的综合

能力和职业素质水平对其工作效果会产生较大的影响，因为能力不足，在实际工

作中，就容易出现失误，导致风力发电的安全性缺乏保证，发电系统运行很可能

出现异常故障等问题。

2风电机组的基本构造与组成

早期将整个风力发电机组设备称为风力机或风轮机，现在统称为风力发电机

组，简称风电机组。从能量转换角度看，风电机组由风力机和发电机两个主要部

分组成。风力机主要指风轮(又称涡轮)部分，作用是将风能转换为旋转机械能;

发电机则是将旋转机械能通过切割磁力线转换为电能。按照风轮旋转主轴与地面

相对位置的关系，风电机组分为水平轴机组与垂直轴机组，目前应用广泛、单机

容量大、优点多的是水平轴风电机组，其主要由基础、塔架、机舱(双馈机组中

包含发电机、齿轮箱)、永磁发电机(仅直驱机组中包含)、轮毂、叶片、气象架

等组成。按照发电机励磁方式又可分为直驱风电机组、双馈风电机组(含半直驱

风电机组)。风电机组中集成有偏航系统、变桨系统、发电系统、通讯系统、监

测控制系统、操作系统、安全保护系统(安全链)、制动系统、冷却系统、UPS直

流系统、升降系统等。

3基于混合储能的风力发电系统功率波动抑制策略

3.1混合储能风力发电系统结构

风力发电单元分为网侧和机侧两部分。超级电容和蓄电池两种储能单元分别

通过双向DC／DC变换器接入到中间直流母线，由双向DC／DC变换器控制超级电

容和蓄电池的充电和放电。混合储能风力发电系统可以工作在独立模式和并网模

式下，当电网侧开关处于断开状态时工作在独立模式下，当电网侧开关闭合时工

作在并网模式下。储能单元的接入使风力发电系统供电的可靠性和灵活性得到了

显著提高。当混合储能风力发电系统工作在独立模式下时，风力发电单元和储能

单元同时向负载提供电能。当负载突变或风机捕获功率突变时，负载所消耗的功