孤岛运行下的直流微电网能量协调控制研究

发布时间：2016-06-27 21:23

1 绪论 

1.1  课题研究背景及意义 
现阶段，伴随着经济领域的飞速发展，人们的生活水平已经得到了极大的提高，能源作为发展的动力，为了社会的持续发展，对能源的需求也呈现日益增长的趋势，能源已经成为了推动经济社会发展的巨大动力。当今社会，对能源的巨大依赖直接导致了过度消耗以煤炭和石油为主的传统一次能源，，这些能源都有个共同的特点，就是在消耗的过程中会释放大量污染物，随之而来的就是严重的能源危机和世界各地出现的日益严峻的环境污染问题，这已经对可持续发展产生了很严峻的负面影响。一方面着眼于环境的保护，另一方面又要满足经济社会发展的日益增长的能源需求，于是发展新型可再生能源就自然而言的摆在了人们的面前，得到了社会广泛的关注。可再生能源一开始就有着自己极大的天然优势，成为全球能源需求的新方向，获得了快速的发展。 目前可再生能源发电问题已经成为了一个当今社会和学术界的很热门的问题，我国现阶段已经把能源问题提升到了国家发展重点的战略高度，将集中力量大力发展以风电和太阳能发电为代表的可再生能源发电产业，借此旨在进一步推动清洁能源的开发和利用。随着世界经济的快速发展和社会的不断进步，对电能的需求也在不断增长，大电网的集中供电模式在日益庞大的电网结构面前逐渐凸显出了一些弊端，建设成本高，电网结构越大自然电网就越复杂，整个庞大的电网运行起来成本相应就会增加许多，操作的难度也会增加很多，越来越难满足电力用户日益增长的多样化供电需求，这一点在偏远的山区表现的更加突出明显。而且随着电网的规模越庞大，相应的电网结构就表现出复杂多样的态势，带来的坏处就是电网的安全可靠性的大大降低。大规模和超大规模电力系统在实际运行过程中的薄弱之处也就凸现了出来，这已经成为了电力工业发展过程中的隐患。而且近些年来，许多国家相继发生的几次大规模的停电事故给社会发展带来的影响也更加佐证了这一点，在现代规模庞大的电力系统网络中，电力系统中任何一处发生的电力故障都存在发生连锁效应的风险，这在很大程度上给电网的安全运行带来巨大的负面影响。后来人们意识到，大规模的电力网络对于现实中的电网建设并不是一个最好的选择。而利用可再生能源的分布式发电引起了广泛的关注。 
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1.2  微电网的研究现状 
现阶段，微电网成为了智能电网建设的一个重要的内容，得到了广泛的关注。世界范围内各国都在投入各种力量开展微电网应用方面的研究。都各自提出了微电网的定义和发展愿景，微电网研究已呈现欣欣向荣之势。美国率先在世界上提出微电网的概念[14]，并在 1999 年就对微电网的经济性和可靠性及技术标准进行了研究。后来，美国可靠性技术解决方案协会对微电网给出了确切的定义，并发展了“即插即用”和“对等”的控制理念，微电网是可以同时提供电能和热能，由微型电源和负载共同组成的一种新型电网结构；微电网对于大电网来说是能源的一种补充，对配电网来说可以看成单独的可控单元，同时能够满足用户对电能质量和可靠性等方面的需求，微电网中存在大量的功率变换装置，负责电能的变换和控制传输。 在直流微电网研究方面，美国同样也走在了前面，直流微电网的概念是由美国威斯康辛大学麦迪逊分校电气工程系第一次提出的，后来直流微电网的发展也大致延续了当初的思想，其结构如图 1.1 所示[15]。 该直流微电网架构中，含有多种微电源，包括风力发电单元、光伏发电单元和储能单元，通过和直流母线连接给直流负载供电，再通过一个逆变环节为交流负载供电。 欧盟在微电网的研究和商业化运用方面处于领先地位，在微电网的研究中主要从电力市场的需求、供电的可靠性及环保方面进行了综合考虑，提出并发展了自己的微电网结构，欧盟微电网与美国提出的微电网在结构方面是有差异的，这归因于它们的侧重点不同，当然它有着自己独特的特点。它的最大不同在于，欧盟的微电网允许向大电网输入电能，这样更加合理的利用各种清洁能源，欧盟的微电网研究也更加侧重“多微网”结构，容易使得负荷靠近电源中心，能源的利用更加便捷有效[16]。 
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2 电力储能装置的建模和分析 

储能装置兼顾储能和供能的作用，在微电网研究和应用中占据很大的地位，由于储能装置的使用，不仅提高了系统的稳定性和可靠性，而且对于并网系统而言，能够很好的提高负载侧的电能质量和能量利用率。在风光互补微电网中，储能装置跟随微电源的状态变化而变化，其意义重大，在微电网的实际应用中不可缺少。 由于储能装置的特殊地位，一方面考虑到储能装置的能量密度，另一方面要考虑到储能装置要有快速的响应能力，而且能够对一定的环境变化作出响应。 目前，微电网的储能装置主要有绪论中提到的那四种。不同的储能装置各有各的优缺点。各种储能方法都不能完全兼顾高功率、高能量、长寿命、技术完善以及安全性高等多种要求，因为储能技术发展还不太成熟，所以微电网中还需要进一步研究。现阶段，就技术条件和普及度而言，蓄电池是使用最为广泛的储能装置之一。一般常见的蓄电池包括铅酸蓄电池、锂电池和镉镍电池等；锂电池具有高能量密度、高电压、无污染、不含金属锂、快速充电、无记忆效应和循环寿命高等诸多优点，大容量锂电池的安全性还有很多争议，而且成本也很高。相比之下，铅酸蓄电池由于成本低、技术较为成熟而得到了大规模的普及，但是铅酸蓄电池的缺点也是很明显的，它的体积太过庞大[32,33]。综合考虑而言铅酸蓄电池还是有其独特的优势的。对于本文而言，选择铅酸蓄电池。下文中提到的蓄电池特指铅酸蓄电池。 

2.1 蓄电池的工作原理  
蓄电池的主要功能是储存和释放电能，这是由蓄电池的充放电过程来实现的，蓄电池是以化学能的形式储存电能。其充放电过程是两种能量的相互转化的过程，蓄电池中化学能转换成电能的过程称为放电过程，负极进行的是氧化过程；将电能转换成化学能的过程称为充电过程，正极进行的是还原的过程，它是放电过程的逆过程。其放电过程的化学方程式如公式（2.3）所示。 
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2.2 蓄电池的作用分析 
由于微电网主要是利用光伏和风力等清洁能源来发电，电力的来源是可持续的清洁型能源，但是在微电网利用这么分散的能源的同时，也不得不考虑这些能源的固有的缺点，那就是这些能源都不是稳定的可持续输出的能源，它们有着其固有的随机性和波动性等特性，表现在电能方面就是供电的间断性，为了利用这些分散的清洁能源，同时也为了提高微电网供电的稳定和可靠性，这个时候就需要在微电网中引入储能装置，总的来说，储能装置在微电网中主要起到如下作用： 当微电网系统中功能有多余的时候，储能装置开始充电，分布式能源可以以最大功率的输出能源，达到合理利用清洁能源的目的。 当微电网系统中，出现功率缺额，这个时候分布式能源以最大功率输出已经不能满足负载的需求的时候，储能装置开始释放出电能，保证微电网的稳定运行。 从储能装置的这两个作用来看，近视于起到了“削峰填谷”的重要作用。 建模时用到的蓄电池模型选用 MATLAB 自带的蓄电池模型，其已经满足研究分析的需要。至于蓄电池的建模不是本文的重点，重点在于蓄电池接入微电网过程中的直流接口变换器，关于这一点下文中会提到，并有所涉及。 
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3  直流微电网的建模和分析 ....... 17
3.1  风力发电系统 .......... 17 
3.1.1  永磁同步发电机的数学模型 .... 17 
3.1.2  风力发电的基本原理 ......... 18 
3.1.3  风力机的特性分析 ...... 20 
3.1.4  风力发电的最大功率点跟踪原理和常见方法 .... 22 
3.1.5  风力发电系统的建模及综合仿真 .......... 25 
3.2  光伏发电系统 .......... 30 
3.3  本章小结 .... 47 
4  直流微电网的协调控制 .... 48 
4.1  直流微电网的运行模式 ........ 48 
4.2  直流微电网的控制目标 ........ 49 
4.3  直流微电网系统运行的控制策略 ...... 
4.3.1  光伏阵列 DC/DC 变换器 .......... 50
4.3.2  风力发电 AC/DC 变换器 .......... 51 
4.3.3  蓄电池储能双向 DC/DC 变换器 ..... 52 
4.3.4  直流微电网协调控制器 ..... 53 
4.4  直流微电网协调控制的仿真分析 ...... 54 
4.5  本章小结 .... 58 
5  结论 ........ 59 

4 直流微电网的协调控制 

由于直流微电网中一般具有多个发电单元，而且它们大多布置比较分散，这就使得在利用的过程中无形地增加了控制的难度，同时也对研究新型的微电网控制理论提出了更高的要求。在目前的直流微电网协调控制方案中，主要有两种控制方式，一种是集中式控制，另一种是分散控制。集中控制对系统的要求比较高，它要求微电网主控系统和各微源控制器之间始终保持着良好的通讯联系，这就使得系统对通信线路的要求比较高，比较依赖线路的畅通情况，自然微电网控制系统的可靠性就降低了不少；而采用分散控制时，各个微源是独立运行的，它们之间不需要通讯的联系，控制过程在各个微源的内部完成，这就使得系统的可靠性提升了很多，同时也提高了系统运行模式的切换速度[50]。 如前文中提到的，对于直流微电网而言，直流母线电压表征微电网系统稳定可靠的唯一指标，因此，对于直流微电网来说，最重要的任务就是采取一些控制策略来达到直流母线电压稳定的目的。现阶段对于微电网控制研究的很多，也成为微电网研究领域最活跃的课题。本文就是以基于光伏发电和风力发电的微电网协调控制，通过这种分布控制的方法来降低控制难度，增大控制的可操作性。 

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结论 

近些年来，随着煤炭和石油等常规一次能源的利益枯竭和传统化石能源的过度使用，环境污染问题成了阻碍社会发展的突出问题，为了解决这些问题，现阶段主要靠提高清洁能源在能源结构中的比例，从而减少化石能源的消耗，微电网技术成了研究和应用的热点。直流微电网作为微电网组网模式的一种，与交流微电网相比有很多独特的优点，如便于控制和转化效率高等。对于直流微电网的研究有助于解决分布式能源所具有的电源分散和难于控制等问题。本文在绪论部分集中介绍了直流微电网领域的国内外发展现状和一些关键技术，在正文部分对直流微电网中的各个发电单元和储能单元进行了详细的介绍和仿真分析，并对含有光伏发电和风力发电、储能装置的直流微电网进行了协调控制的研究，通过研究得到了如下结论： 
（1）首先介绍了几种常见的储能方式，并进行了比较；分析了直流微电网中用到的蓄电池的工作原理，利用 MATLAB 自带的蓄电池模型，对蓄电池的充放电特性分别进行了建模仿真和详细的分析，并对蓄电池接入微电网的接口变换器的工作原理进行了研究分析。 
（2）分析了风力发电的数学模型，借助于 MATLAB/Simulink 平台建立相应的仿真模型，分析了风力机的输出特性和最大功率跟踪方法，并采用占空比扰动法实现了风力发电的最大功率跟踪，通过仿真结果表明，建立的仿真模型能够实现风力发电的最大功率跟踪，并且具有较好的跟踪效果，即使在变风速条件下也能够快速有效地实现风力发电的最大功率点跟踪。 
（3）首先分析了光伏电池的物理原理和近似数学模型，根据工程上常用的单二极管电路模型建立了 MATLAB 的仿真模型，并进行了仿真研究，着重分析了光伏电池的输出特性，并且验证了该模型的可靠性。讨论了几种常见的光伏电池发电的最大功率跟踪方法，提出了改进的扰动法的最大功率跟踪方法。并和传统的扰动观察法进行了最大功率跟踪的比较，突出了其优势，并在 Simulink 平台上进行了整体仿真分析，仿真的结果表明，采用改进的扰动法能够很好的实现光伏电池的最大功率跟踪，结果也满足工程上的要求。
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参考文献(略) 

本文编号：62433