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自然界的风具有随机性、间歇性及不可调节性等特点,风力发电机组所捕获的风功率与风速的立方成正比,较小的风速变化将会引起风功率有较大的波动。随着风力发电系统的大规模并网,给我国电力系统带来的负面影响愈发突出,风电场并网功率波动不仅会显著影响电网电压和频率的稳定,还有可能危及电网的安全运行,甚至造成整个电网崩溃。因此,平滑风力发电机组的有功功率输出,不仅有利于整个电力系统的安全运行,也有利于提高电力系统对风电的接纳能力。首先,本文在总结各类型风力发电机组与储能设备的基础上,研究了永磁直驱风力发电系统的工作原理与数学模型,建立了风速模型、风力发电机组模型,利用MATLAB/Simulink软件对搭建的永磁直驱风力发电系统进行仿真分析,并说明风速波动对风电场有功功率造成的影响。其次,本文研究了飞轮储能系统的工作原理与数学模型,介绍飞轮储能系统的能量转换过程,提出一种分合闸在3ms左右的基于高速斥力机构的新型断路器用于飞轮储能系统的投切,并介绍了飞轮储能系统的空间矢量脉宽调制;通过MATLAB/Simulink软件,搭建飞轮储能系统的仿真模型,并证明了飞轮储能系统的优良特性使其特别适合应用于风力发电系统的有功功率平滑控制。选择飞轮储能系统安装于风电场直流侧,提出了飞轮侧与风电场侧变流器的转速与电流双闭环控制策略,风电场并网侧逆变器的基于电网电压定向矢量控制的控制策略;利用MATLAB/Simulink软件仿真分析了当风速波动时,采用飞轮储能系统的风电场有功功率的稳定值与变化率,验证了所提出控制策略对风电场有功功率的良好的平滑效果。最后,通过对比在相同储能容量与额定功率下飞轮储能与超级电容储能、超导磁储能的成本,进一步验证飞轮储能系统在风力发电系统应用中的经济性;通过对比不同额定功率的飞轮储能系统对风电场并网有功功率的平滑效果,得到风电场经济性额定功率配比约为风电场的15%,经济性储能容量配比为在经济性额定功率下,可以充放电15分钟左右。