含风能微电网的控制与优化运行

发布时间：2016-06-20 05:25

第一章 绪论

1.1 课题背景与研究意义
在人类社会快速发展的今天，能源作为社会发展的重要动力，我们对能源的依赖越来越重。自古以来，传统石化能源一直是我们最主要的能量来源。但传统石化能源不仅储存数量有限，而且在石化能源燃烧过程中产生了大量的 CO2，直接造成了温室效应，同时释放其他有害于人类健康的化学污染物质。因此，寻找人类社会能源危机这一重大困扰我们发展的问题的解决方案已经日益紧迫。可再生能源的开发为解决能源危机带来了曙光。而风电目前已经成为最重要的、发展最为迅速的可再生能源。加快风电发展，对于增加清洁能源供应、保护环境、实现可持续发展具有重要意义[1]。根据全球风能理事会（GWEC）于 2012年 2 月发布的全球风电装机情况的统计报告显示[2]，全球至 2011 年年底总装机容量达到 237,700MW，同比增长高达 22.3％，世界各国总量年度市场规模增长率已然超过 6％，如图 1-1 所示。全球具备商业化风电机组和风力发电设施的国家和组织的数目前已经超过 80 多个，而拥有总风力发电量大于 1.1GW 数量的国家已经超过 20 个，这 20 个国家中很多都隶属于新兴市场。2013 年全球风电新增装机排名前十位的国家和 2013 年风电累计装机前十位的国家如表 1-1 和 1-2所示。从表中不难看出，中国既是 2013 年全球风电新增装机第一名，市场份额占据了约二分之一，同时中国又是 2013 年风电累计装机第一名。除此之外，德国、美国等国家也有相当量的装机的容量。根据权威机构统计，目前世界电力总量的 2%来源于风力发电，而风力发电总量更是超过整个欧洲国家电力总量的5%。根据权威机构的预计[2]，截止到 2020 年全球风电供应量占全球电力供应总量的百分比将首次超过 10%，达到 12%。
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1.2 含风能微电网的国内外研究现状
微网的控制方法主要有基于电力电子技术的即插即用控制(plug and play)和对等(point to point)控制[11]、基于功率管理系统的控制[12]和基于多代理技术的微网控制[13-14]。国内外学者对微网控制做过多方面研究工作：文献[15-17]在并网和孤岛运行模式转换时进行了控制策略的切换，增大了控制器在切换过程中平滑过渡的难度，容易产生较大冲击；文献[18]提出了孤岛运行时一种基于下垂控制的无差 V-f控制，但是这种控制只能应用于一个主控分布式电源，，不利于实现孤岛时各分布式电源功率的合理分配；文献[19]在并网和孤岛运行时外环利用 f-P 和 V-Q 下垂控制方法，内环采用有功功率和无功功率分别来调节逆变器输出电流的 d 轴和 q轴分量，这种控制更适合于电流源逆变器，而实际应用中的并网装置更多为电压源逆变器；文献[20]提出了 P-f(Q-V)和 f-P(V-Q)相结合的控制方式，但其动态过程中产生较大的功率振荡；文献[21-22]在并网和孤岛运行时外环利用 P-f 和 Q-V下垂控制方法，但是没有考虑孤岛转并网时利用下垂控制的同步并网问题；文献[23]简要介绍了同步并网控制，但是其内环控制较为复杂，参数设计受系统影响较大。微网的稳定性分为小信号稳定性和暂态稳定性。目前，已有一些关于微网稳定性研究的综述文献。文献[24]对小信号稳定性问题进行了总结，但对小信号稳定性问题的阐述尚不完善，未考虑系统故障等情况对微网运行的影响。文献[25]借鉴传统电网稳定性的分析结论，对微网稳定性的一些方面进行了总结，但未根据微网自身特点对短路故障等大扰动引起的暂态稳定性问题以及提高微网稳定性的措施等进行全面总结。
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第二章 含风能微电网的建模

2.1 引言
含风能微电网主要由风电机组和储能系统、负荷构成。储能常见的接入方式分为分散式接入和集中式接入两种方式。集中式充分考虑了风场各台风机间的互济作用，整场的输出功率波动要小于各台风机的波动累加值。因此，在同一控制目标下整场集中配置储能较分散式配置储能节省储能容量，这在当前储能成本较高的情况下显得尤为重要。采用分散式配置储能多是针对单台风机，这样所需的储能容量要比集中式小的多，灵活方便。但随着大规模集群风电场的发展，风电机组经常维护和检修，分散式储能的工作量要明显加大，由于结构复杂也降低了系统的可靠性。虽然分散式储能的单体容量要小的多，但是对于整个风场来说总的容量要比集中配置储能容量大。因为分散式储能没有充分考虑风场各台风机的互济作用。因此风电场或风电场群采用集中式配置储能系统更有优势，所以本文中储能配置方式采用集中式储能结构。本文中所用风能为双馈风力发电机组，储能形式为电池储能。由上文讨论可知，储能接入方式本文为集中接入。在并网运行时，储能可以实现风能对调度的响应，实现削峰填谷等功能，增强电力系统稳定性，提高风电利用率，优化风电经济运行。当微网独立运行时，波动的风功率经过电池储能系统的平抑后向负荷提供质量较好的电能。下面研究微电网的组成、结构特性以及各部分的详细原理、结构和数学模型。
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2.2 微网组成和结构特性

认可度高的 CERTS 微网[29]的基本结构如上图所示，图中包含了多个分布式发电源（Distributed Generation Source，DGS ）和储能元件，这些系统和元件联合向负荷供电，整个微网相对大电网来说是一个整体，通过一个断路器和上级电网的变电站相联系。微网内的 DGS 可以含有多种能源形式。在交流微网中，分布式电源的同步并网，变压器、电动机的励磁涌流，三相不对称，控制复杂等问题的存在与用户希望微网能够提供高效、可靠、高电能质量供电服务的要求存在矛盾。直流结构形式的微网在以上这些方面的拥有一定的优势。目前直流微网仍处于刚开始起步阶段[30]。

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第三章 风电机组出力特性分析..........34
3.1 研究意义和研究现状......34
3.3 30 秒数据出力特性分析........48
3.4 本章小结......53
第四章 微电网中风储容量的优化配置.....54
4.1 容量配比优化模型..........54
4.2 算例分析.....57
4.3 本章小结.....58
第五章 含风能微电网的运行仿真......59
5.1 风机仿真验证....59
5.2 储能系统仿真论证..........61
5.2.1 储能电池仿真验证.......61
5.2.2 电池储能系统多时间尺度特性分析..... 67
5.2.2.1 电池储能系统暂态特性.........69
5.2.2.2 电池储能系统中长期特性......69
5.3 微电网仿真验证.......70
5.3.1 微电网并离网运行仿真......70
5.3.2 微电网在负荷扰动下的稳定性仿真...... 72
5.4 本章小结.....72

第五章 含风能微电网的运行仿真

本章将在前文基础上进行整个微电网的仿真验证。首先在第二章数学模型的基础上，在 Matlab/Simulink 中建立风电机组和储能电池系统等各部分模型，分别进行仿真实验，最后建立整个微电网仿真模型，对微电网的运行特性设计仿真实验。

5.1 风机仿真验证
接下来进行仿真研究。风电机组重要特性就是能响应实时变化的风速，因此本文设计仿真实验，研究模型在波动风速下的运行情况。仿真步长设置为电力系统仿真研究中最常用的 5 微秒，仿真算法为定步长算法仿真条件：风速为阶跃输入，在 0 到 0.1 秒为 12 米每秒,0.1 到 0.2 秒为 8 米每秒，仿真结果如下：从上图可以得知仿真模型的电池内阻 r0 约为 166.86 毫欧，而实际生活中，电池的内阻一般是小于 200 毫欧，所以模型内阻是真实有效的。综合以上三个方面，可以得出结论，本文所建立的电池模型是真实有效的。接下来本文在建立的正确的模型上，做了大量的仿真实验，来研究充放电倍率、温度等因素对电池特性的影响，以及电池充电电流建立过程，和充电电量的随 SOC 的变化关系等问题。
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结论

目前，风能已成为新源领域中技术最熟、具规模开发和商业化展景的发电方式之一。然而，风能具有随机性、波动间歇等特点造成电场出力波动，也给能质量和网的稳定运行等造成负面影响，限制了风电的影响。储能系统具有动态吸收和释放能量的特点，合理地在风电场中配置储能设备可以有效弥补风电的间歇性和波动性，改善风电输出功率的可控性，增强稳定性，并改善电能质量及优化系统运行的经济性。本文基于含风能和储能电池的微电网的结构，做了如下研究工作：
1）首先分析了微电网的特性和结构，在此基础上提出了本文研究所用的含风能微电网的结构。之后详细研究了风力发电机组原理和储能电池系统工作原理后，建立了包含风机、传动链、双馈电机、变流器在内的双馈风电机组模型，和包含锂离子电池单体和储能变流器在内的储能系统模型，并建立了动态风场和风速等值模型。最后建立了微电网的变压器、线路和负荷等电力部件模型。
2）研究了风功率特性。基于两种实测数据进行了风功率出力特性的分析，首先从出力情况，不同时间尺度的变化率、单机和风场出力相关性、风速和风电机组功率相关性等多种角度进行了分析。而在进行了平稳性分析后，得出风功率出力序列是非平稳的序列，因此引入了小波变换，首先利用已有的 Matlab 工具箱进行了单尺度分解，多尺度分解和完全分解，为了进一步找到序列中的周期分量，进行了小波方差分析。在得到主周期分量后，又做了一系列的对比仿真，验证了周期分量的唯一性和正确性。
3） 对含风能微电网中风电机组和储能电池系统的容量配比问题进行了研究。提出了配置模型的目标函数和约束条件，构建了一种配置原则和方法。在算例中以包括投资陈本、运行费用、购售电成本的综合效益为优化目标，在满足功率平衡、电源容量和可靠性的约束下，对含风能微电网进行了容量配置。
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参考文献(略)

本文编号：59293