间歇式可再生能源发电系统控制策略及应用研究硕士学位论文.pdf

郑州大学 硕士学位论文 间歇式可再生能源发电系统控制策略及应用研究 姓名：汪兆财 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：陈铁军 201205 摘要 摘要 风能、太阳能资源是一种绿色可再生资源，储量巨大。但风能、太阳能都 属于间歇式能源，与传统能源的发电系统相比，间歇式可再生能源电系统受自 然条件的制约，其输出功率也具有很大的随机性，不遵循主观调度原贝i j 。大量 的间歇式可再生能源发电系统直接接入电网会对电网的稳定运行带来严重的影 响。本文主要研究间歇式可再生能源发电系统的实时控制技术以及储能装置与 间歇式可再生发电系统的协调出力控制，构建了微电网内带储能装置的并网f 日- - j 歇式可再生能源发电系统的负荷动态优化分配数学模型。 首先建立了光伏电池的数学仿真模型，分析了光伏电池的电气特性，构建 了带储能装置的可调度式并网光伏发电系统。结合可调式并网光伏发电系统的 特点，设计了适用于可调度式并网光伏发电系统m p p t 控制的双占空比控佑u 方 法；根据光伏阵列和储能装置的输出特点，设计了可调度式并网光伏发电系统 的能量管理控制策略，研究了光伏阵列与储能装置的协调出力控制技术，使系统 可以维持输出的功率的相对稳定，并网后对电网的影响 l i i d , 。 结合风力发电的发展现状与发展趋势，分析了直驱式永磁同步发电风力发 电系统组成结构和运行原理，建立了包括风速模型、风机的空气动力模型、变 桨机构模型以及基于d - q 旋转坐标系下永磁同步发电机的数学模型。提出了直驱 式永磁同步风力发电系统的混杂自动机控制结构模型；根据风力发电系统的输 出功率随机性变化大的特点，提出了可调度式并网风力发电系统的能量管理控 制策略，研究了风力发电系统与储能装置的协调出力控制控制技术，保证了系 统的输出功率相对稳定，提高输出电能的质量。 根据我国自身电力发展的状况，构建了适应于我国电力发展方向的微电网 结构。分析了微电网内带储能装置的并网间歇式可再生能源发电系统的负荷动 态优化问题，建立了微电网孤岛运行模式下微电网的最小发电成本数学模型。 通过遗传算法( g a ) 优化，实现微电网内发电成本进行优化控制，以达至u 满足 负荷需求情况下的最小发电成本的目的。 关键词：光伏发电、协调控制、风力发电、最大功率跟踪控制、直驱式永磁同 步风力发电系统、负荷动态分配 a b s t r a c t a b s t r a c t w i n de n e r g ya n ds o l a re n e r g yr e s o u r c ea r er e c o g n i z e da st h em o s ti d e a l r e n e w a b l ee n e r g y t h ew i n de n e r g ya n ds o l a re n e r g yb e l o n gt ot h ei n t e r m i t t e n te n e r g y s o u r c e s c o m p a r e dw i t ht h e t r a d i t i o n a le n e r g yg e n e r a t i o ns y s t e m ，i n t e r m i t t e n t r e n e w a b l ee n e r g yg e n e r a t i o ns y s t e m so u t p u tp o w e r sw h i c ha r ec o n s t r a i n e db yn a t u r a l c o n d i t i o n sa r er a n d o m n e s sa n dn o tf o l l o wt h ep r i n c i p l eo fs u b je c t i v es c h e d u l i n g a l a r g en u m b e ro fi n t e r m i t t e n tr e n e w a b l ee n e r g yg e n e r a t i o ns y s t e m sc o n n e c t e dt ot h e 鲥d ，w i l lb r i n gt h es e r i o u sa d v e r s ei m p a c t st ot h es t a b l eo p e r a t i o no ft h e 鲥d t h i s t h e s i sf o c u s e so nt h er e a l - t i m ec o n t r o lo fi n t e r m i t t e n tr e n e w a b l ee n e r g yg e n e r a t i o n s y s t e ma n dc o o r d i n a t i o nc o n t r o lw i 也e n e r g ys t o r a g ed e v i c e s t h e na n a l y z et h e f e a s i b i l i t yo fg r i d - c o n n e c t e di n t e r m i t t e n tr e n e w a b l ee n e r g yg e n e r a t i o ns y s t e m sw i m e n e r g ys t o r a g ed e v i c e sa c c e s st om i c r o g r i ds t r u c t u r e t h el o a dd y n a m i co p t i m i z a t i o n o ft h ea l l o c a t i o nm o d e li nm i c r o g r i dw h i c hc o n t a i n s 鲥d c o n n e c t e dr e n e w a b l ee n e r g y g e n e r a t i o ns y s t e m sw i t he n e r g ys t o r a g ed e v i c e si sc o n s t r u c t e d f i r s tb u i l dt h em a t h e m a t i c a ls i m u l a t i o nm o d e lo ft h ep h o t o v o l t a i cc e l l s ，a n a l y s i s o ft h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fp h o t o v o l t a i cc e l l s a n dt h e nb u i l das c h e d u l i n gt y p e o fg r i d - c o n n e c t e d p h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o n s y s t e m w i t he n e r g y s t o r a g e d e v i c e s c o m b i n e dw i t hc h a r a c t e r i s t i c so ft h es c h e d u l i n gt y p eo f 鲥d - c o n n e c t e dp h o t o v o l t a i c g e n e r a t i o ns y s t e m ，t h i st h e s i sp r o p o s e st h ed o u b l e - d u t yc y c l ec o n t r o lm e t h o db e i n g u s e di nm p p tc o n t r o lo ft h es c h e d u l i n gt y p eo f 鲥d - c o n n e c t e dp h o t o v o l t a i c g e n e r a t i o ns y s t e m ；a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co f t h eo u t p u to fp h o t o v o l t a i c - a r r a y a n de n e r g ys t o r a g ed e v i c e s ，t h i st h e s i sp r o p o s e st h ee n e r g ym a n a g e m e n tc o n t r o l s t r a t e g yo ft h es c h e d u l i n gt y p eo f 鲥d - c o n n e c t e dp h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o ns y s t e ma n d s t u d yt h ec o o r d i n a t i o na n de f f o r t st oc o n t r o lt e c h n o l o g yb e t w e e np h o t o v o l t a i c a r r a y a n de n e r g ys t o r a g ed e v i c e st om a k et h es y s t e mc a nm a i n t a i nt h er e l a t i v es t a b i l i t yo f t h eo u t p u tp o w e ra n dh a sl i t t l ee f f e c to nt h eg r i d ， m st h e s i s ，c o m b i n i n gt h e s t a t u sa n dd e v e l o p m e n tt r e n do ft h ew i n dp o w e r d e v e l o p m e n t , i n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n do p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h ed i r e c t d r i v e n a b s t m c t p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sg e n e r a t o ro fw i n dp o w e rs y s t e m w i n ds p e e dm o d e l ， a e r o d y n a m i cm o d e lo fw i n dp o w e rs y s t e m , p i t c hm e c h a n i s mm o d e la n d a m a t h e m a t i c a lm o d e lb a s e do np e r m a n e mm a g n e ts y n c h r o n o 瑚g e n e r a t o ri nt h ed - q r o t a t i n gc o o r d i n a t es y s t e ma r eb eb u i l d t h i st h e s i sp r o p o s e st h ec o n t r o ls t r u c t u r e b a s e do nh y b r i da u t o m a t am o d e lo f t h ed i r e c t - d r i v e np e r m a n e n tm a g n e ts y n c l 啪n o u s g e n e r a t o ro fw i n dp o w e rs y s t e m , a n dg i v et h e c o n t r o l l e ra l g o r i t h m , c o m b i n i n g p r e d i c t i v ec o n t r 0 1 a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eo u t p u to f 酣d - c o n n e c t e d w i n dg e n e r a t i o ns y s t e mo fc h a r a c t e r i s t i c so fr a n d o m n e s sc h a n g e s ，t h i st h e s i s p r o p o s e st h ee n e r g ym a n a g e m e n tc o n t r o ls t r a t e g yo ft h eas c h e d u l i n gt y p eo f g r i d - c o n n e c t e dp h o t o v o l m i cg e n e r a t i o ns y s t e ma n ds t u d yt h ec o o r d i n a t i o na n d e f f o r t st oc o n t r o lt e c h n o l o g yb e t w e e nw i n dp o w e rs y s t e ma n de n e r g y s t o r a g e d e v i c e st om a k et h es y s t e mc a nm a i n t a i nt h er e l a t i v es t a b i l i t yo ft h eo u t p u tp o w e r i m p r o v et h eq u a l i t yo f t h eo u t p u tp o w e r a c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o no fc h i n a sp o w e rd e v e l o p m e n t , b u i l dam i c r o - 豇d s t r u c t u r ea d a p t e dt ot h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fc h i n a se l e c t r i cp o w e r t h i st h e s i s a n a l y z e st h el o a dd y n a m i co p t i m i z a t i o no ft h ea l l o c a t i o nm o d e li nm i c r o g r i dw h i c h c o n t a i n s 鲥d c o n n e c t e dr e n e w a b l ee n e r g yg e n e r a t i o ns y s t e m sw i me n e r g ys t o r a g e d e v i c e sa n db u i l d st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h em m i m 啪c o s to fp o w e rg e n e r a t i o n o ft h em i c m g r i dw h i c ha r cr u n n i n gi nt h em o d eo fi s l a n do p e r a t i o n o p t i m i z i n gb y g e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) ，t h ec o s to fp o w e rg e n e r a t i o nw i t h i nt h em i c r o g r i da c h i e v e t h ep u r p o s eo f o p t i m a lc o n t r o la n dt h em i n i m u mc o s to fp o w e rg e n e r a t i o nm e e tt h e l o a dd e m a n d k e yw o r d s ：s o l a rp o w e r ，c o o r d i n a t i o nc o n t r o l , 州p o w e r m a x i m u mp o w e r t r a c k i n gc o n t r o l ，d i r e c t - d r i v e np e r m a n e n tm a g n e ts y n c l l r o n o mg e n e r a t o ro fm n d p o w e rs y s t e m ，l o a dd y n a m i c a l l ya l l o c a t e d i l l 第一章绪论 l绪论 能源是人类社会文明进步的动力。1 8 世纪工业革命以来，传统的化石燃料 能源推动了人类文明的发展，但也带来了巨大的环境问题。进入新世纪以来， 随着人类对绿色环保的重视和传统化石能源趋于枯竭，目前世界各国把开发和 利用可再生新能源作为未来能源发展的方向。风能、太阳能是常见的间歇式可 再生能源，储量丰富，但是受自然条件的限制，风能、太阳能具有很强的随机 性和分散性，难以开发和利用。目前，风能和太阳能的开发和利用还处于探索 阶段，这类间歇式可再生能源发电系统的实时控制技术以及储能装置与间歇式 可再生发电系统的协调出力控制技术，是各国研究的热点和难点。本文主要研 究的是如何实现风能、光伏并网发电系统的实时控制技术以及与储能装置协调 出力控制，构建了微电网内带储能装置的间歇式可再生能源发电系统的负荷动 态优化分配数学模型。 1 1 引言 1 1 1 课题研究背景 煤、石油、天然气等传统化石燃料资源的日益枯竭以及这类不可再生资源 的应用对生态环境造成的越来越严重的影响，已经严重威胁到人类的生存和发 展；水力发电虽然不会造成环境的污染，但是受到地域、水源等限制，修筑水 坝对生态环境的负面影响也是不可忽略的；核电是一种清洁能源，但是其安全 性一直让人堪忧。同时，随着资源的消耗量日益增加，储量本十分有限的化石 燃料将在未来几十年枯竭，这就迫使各国不得不积极的寻求可再生清洁能源来 代替目前的化石燃料；另一方面，由于近几十年经济的快速发展，电力负荷也 迅速的增长。目前电力系统已经进入了集中发电、远距传输的超大规模电网时 代，但是随着电网规模的日益庞大，其控制的难度和供电安全问题日益凸显， 这对社会的安定和经济发展构成了严重的威胁【l 】。例如：2 0 0 3 年的北美大停电 事故、2 0 0 6 年的西欧连锁断电，以及2 0 0 8 年我国冰冻灾害造成的南方数省供 电中断事故。这些大规模断电事故都凸显了一个问题：目前单一的大规模电网 供电方式难以适应经济社会对供电可靠性越来越高的要求。而且集中的大规模 l 第一章绪论 电网供电方式对偏远地区供电，会造成输电费用过高，输电效率低下，大量电 能在输电线路中自白浪费掉。因此，一味地扩大电网规模显然不能够满足社会 发展的要求，为了能够适应用户对供电安全性越来越高的要求，同时降低电力 生产成本和供电的成本，实现对可再生资源的合理开发和优化配置，使得利用 风能、太阳能等间歇式可再生能源的分布式发电技术成为目前各国研究的热点。 分布式发电( d i s t i l b u t e dg e n e r a t i o n ，简称d g ) 是指在用户周围或者用电 现场配置小型发电机组，以满足用户的特定需求 2 1 。分布式发电与传统的大规 模集中发电相比，具有投资少、见效快、降低网损和提高供电的可靠性等优点， 但是分布式发电技术尽管优点突出，但是也存在诸多问题，比如接入成本高、 控制困难，而且大量分布式电源接入大电网会大大增加电网潮流的不确定性， 对大电网频率及其电压造成严重的影响1 3 1 。i e e ep 1 5 4 7 对分布式能源的入网标 准做了明确规定，也大大限制了分布式新能源直接接入大电网的发展【4 j 。为了 能够协调分布式发电技术与大电网安全运行之间的矛盾，本世纪初学者们提出 了微电网的概念。微电网作为大电网的有益补充，形式上是一种分散式供电， 在接入电网问题上，微电网的入网标准只针对微电网与大电网的公共接点，而 不针对具体的微电源【5 】。微电网不仅成功解决了分布式可再生能源发电系统的 大规模入网问题，而且还能充分发挥其经济效益和环境效益，这就为间歇式能 源发电协调优化控制技术带来了机遇和挑战【6 j 。 1 1 2 间歇式能源发电系统的控制策略及应用研究的意义 以风力、光伏发电系统为代表的间歇式可再生能源发电系统具有不可替代 的优势。目前各国大多数研究的重点还主要是集中在独立式或并网的光伏发电 系统和风力发电系统的运行控制，风力、光能发电系统与储能装置的协调出力 控制的研究很少；另外，对微电网内带储能装置的间歇式可再生能源发电系统 的负荷动态优化分配问题的研究还远不成熟。可见，研究间歇式可再生能源发 电系统的实时控制以及与储能装置的协调控制技术和微电网内带储能装置的间 歇式可再生能源发电系统负荷动态优化分配的研究具有以下的重要意义。 l 、实现间歇式能源发电系统的可调度式运行。单一依靠间歇式能源发电系 统的输出功率不遵循主观调度原则。通过研究风能、光伏并网发电系统与储能 装置的协调出力控制，能够实现系统输出功率相对恒定，可以作为可调度式微 2 第一章绪论 电源并网运行，可以始终维持为微电网内的功率平衡，并能维持电压幅值和频 率的稳定，对电网的稳定运行影响很小。 2 、间歇式能源与储能装置的协调出力控制可以提高系统对间歇式能源的利 用效率。带储能装置的间歇式能源发电系统可以通过储能装置平衡功率输出， 达到最大效率的利用间歇式可再生能源发电的目的。 3 、实现微电网内间歇式能源发电系统的负荷动态优化分配，使发电成本最 小，充分发挥利用风能、太阳能资源发电的社会效益和经济效益。 目前，很少有人研究并网运行的间歇式可再生能源发电系与储能装置的协 调出力控制，同时对于微电网内的间歇式能源发电系统的负荷动态优化分配的 研究也需要深入探讨。本文主要研究间歇式可再生能源发电系统实时控制技术 以及与储能装置的协调出力控制技术，对微电网内带储能装置的间歇式可再生 能源发电系统负荷动态优化分配问题进行了深入分析。 1 2 国内外间歇式可再生能源开发和研究现状 进入新世界以来，世界各国都十分重视可再生资源的开发和利用，其中风 能、太阳能资源在新能源领域中发展尤为迅速。目前，研究和大规模开发利用 以风能、太阳能资源成为各国竞争的热点。 1 2 1 光伏发电的发展历程和光伏发电系统国内外研究现状 太阳能是储量丰富而且绿色环保的能源，光伏发电是由于太阳辐射光伏电 池而将太阳能转化为直流电能的一种发电形式。1 0 0 多年以前，法国物理学家 a e 贝克勒尔就发现太阳光照射金属会产生伏特电势，他称之为“光生伏打效 应”；上世纪8 0 年代，c h a r l e sf r i t t s 发明了以硒为基础的光伏电池，称之为“光 伏器件，【7 1 。后来人们发现，半导体p - n 结光转换效率明显提高，所以人们称 这种光伏器件为“光伏电池”。1 9 5 4 年，贝尔实验室首次研究出了采用单晶硅 光伏电池，开创了光伏发电发展的新纪元【8 】。近年来，光伏发电产业成为当今 世界发展最为迅速的高新技术产业之一。我国也十分重视光伏发电产业的发展， 于1 9 5 8 年就开始着手研究光伏电池，到8 0 年代以后，我国光伏电池工业已经 得到迅猛发展。但是直到目前为止，我国的光伏发电系统大多数还是独立运行 的光伏发电系统。由独立系统转向并网发电已成为未来光伏发电产业的主流， 包括沙漠光伏电站和城市屋顶发电系统。随着技术的进步，各国都相继推出了 3 第一章绪论 屋顶“光复计划“ 【9 】。未来光伏发电技术将与微电网技术结合，这样可既可以 最大限度的利用太阳能资源，平抑电网时刻高峰电力需求，还能提高用户供电 的安全性，同时由于实现了本地发电，减少了线路损耗，而且不占土地资源。 近几十年来，由于国内外学者为光伏发电控制技术的研究做出了卓越的贡 献，光伏发电系统在应用上已经取得了飞速的发展。光伏发电系统是利用太阳 能转换成电能，其控制技术是研究光伏发电系统的关键所在，它决定了系统的 工作效率和运行的稳定性。目前，光伏发电系统的控制研究主要体现在光伏发 电系统的并网研究、光伏阵列的最大功率点跟踪( m a x i m u mp o w e rt r a c k i n g c o n t r o l ，以下简称m p p t ) 等。由于光电池的输出功率受光照强度、内部温度 影响，当外界环境一定是，光伏发电系统存在着最大输出功率点。为了能使光 伏发电系统始终工作在最大供电状态，研究人员将模糊控制、滑膜控制等控制 方法应用到光伏阵列的最大功率点跟踪控制中，并取得了一定的效果。这些研 究成果都在很大程度上推动了光伏发电产业的发展可以看出光伏阵列的 m p p t 控制技术是保证光伏发电系统提高运行效率的关键；另一方面，随着光 伏发电产业和规模的不断扩大，光伏发电系统的并网运行控制技术越来越受到 关注，但是大量的光伏发电系统的接入大电网，大大增加了电网潮流的不确定 性，会对电网稳定运行造成严重影响，同时接入成本相对较高高，而且难于控 制，不利于发挥光伏发电的社会效益与经济效益【l o 】。近年来，人们开始研究光 伏发电系统在微电网中应用，微电网的出现缓解了分布式光伏发电的广泛接入 对电网带来的影响。光伏发电技术已经成为各国发展的热点，据世界权威组织 对光伏产业做出预测，未来几十年里，在全世界范围内太阳能在能源结构中所 占的比例将达到1 3 1 5 蝌1 1 1 。 1 2 2 风能源开发的发展历程和风力发电系统的国内外研究现状 风能是由于太阳对地球表面辐射不均匀，从而引起大气流动而产生的动能。 风能储量丰富，是一种完全意义的绿色能源。早在1 9 世纪末，丹麦就制造了 7 2 台5 2 5 千瓦的风力发电机组；1 9 3 1 年，前苏联首先设计了基于飞机螺旋桨 叶片式的风力发电机组，输出功率达到了3 0 0 千瓦j1 9 4 1 年，美国建造了当时 世界上最大的风力发电机组，其设计输出功率达到1 2 5 0 k w 7 。由于受到当时 科技水平低的限制，风力发电系统运行不稳定，经济效益很差，因此风力发电 4 第一章绪论 系统一直未能得到广泛应用。2 0 世纪7 0 年代由于能源危机和传统化石能源的 大量使用给人类带来了严重的生存危机，使得美、欧等发达国家率先开始寻求 大规模开发利用风能发电的有效途径，由此以后风力发电产业得到快速的发展。 目前，美国、德国、丹麦等都已成为风电产业大国。根据全球风能委员会( g w e c ) 发布的数据，全球风力发电机总装机容量的年增长速度在到3 0 以上【1 2 】。我国 也是世界上最早实用风能的国家之一，7 0 年代我国已经实现了小型风力发电机 组的国产化。九十年代初，我国相继与丹麦、德国合作研发第二代5 5 k w 和 2 0 0 k w 风力发电系统，截至2 0 1 1 年，我国风力发电机的装机容量达到6 5 0 0 万 千瓦，国家电网每年消纳的风电电量达到了7 0 6 亿千瓦时【1 3 1 。 风力发电的过程是有风能转化机械能，再由机械能转化为电能。风力发电 系统的关键在与控制技术，它不仅影响风能的转换效率，还关系到供电的质量 和运行的稳定性。随着风力发电系统单机容量越来越大，也对风机的结构和控 制方法提出了更为严格的要求。目前，风力发电系统已经经历了由恒速恒频风 力发电系统到变速恒频风力发电系统的发展过程【1 4 1 。变速恒频发电机组可以在 很宽的风速范围内保持最佳叶尖速比，大大提高了对风能的利用效率。现在广 泛使用的变速恒频风力发电机系统有双馈风力发电机系统和直驱式永磁同步发 电机系统。双馈风力发电机系统由变桨距风力机、增速齿轮箱、异步发电机、 交直交变流器及以控制装置等构成。其中双馈风力发电机系统已经获得了大规 模的使用，但是也暴露出一系列的问题，由于增速齿轮箱的寿命与运行状态不 稳定，设备维护频率高。例如：齿轮运行故障率高、噪声大、齿轮箱漏油、低 风速是运行效率低等问题严重制约了双馈风力发电机系统的大规模使用，是目 前风力发电中急需解决的瓶颈问题。近年来，风力机的直驱化也是当前的一个 热点趋势，采用直驱式结构代替齿轮增速机构的直驱永磁风力发电系统越来越 受到人们的青睐。与双馈风力发电系统相比，直驱式永磁风力发电系统做到了 变桨风力机与永磁发电机的直接耦合【1 5 】，减少了齿轮机构，增加了系统的稳定 性，使设计制造以及控制的难度也大大降低，同时，提高了能量转换的效率， 大大减小系统运行噪声，提高可靠性。直驱式风力发电系统的发电机是采用多 极低速永磁同步发电机发电，由永磁铁励磁，转子上无励磁电流，发电效率高。 风机的转速控制也是通过定子电路实现，提高了效率【1 6 】。相对于双馈型风力发 电系统，在中低速状态下发电效率高的永磁发电机可以采用较多的极对数，在 低风速环境下直驱式永磁同步风力发电系统的发电效率大大提高【17 1 。因此，直 5 第一章绪论 驱式永磁风力发电系统也是未来风力发电的发展方向。本文主要是讨论直驱式 永磁风力发电系统的建模与控制，以及直驱式永磁同步风力发电系统与储能装 置的协调出力控制技术。 通过对太阳能、风能资源的国内外开发和利用的状况可知，虽然风能、太 阳能发电系统的控制技术取得了较快发展，但是研究风能、光伏并网发电系统 与储能装置的协调出力控制技术以及带储能装置的间歇式可再生能源发电系统 在微电网内负荷动态优化分配的应用研究还很少，更没有专门的文章探讨带储 能装置的风能、光伏并网发电系统在微电网内的最小发电成本的问题。因此对 于在微电网中研究带储能装置的间歇式可再生能源发电系统的协调控制及应用 是十分必要而且有意义的。 1 3 间歇式能源发电系统的控制策略及应用研究的前景分析 本文涉及的风能、光伏并网发电系统都具有储能装置，其输出功率具有一 定的可调度性，与传统的风能、光伏并网发电系统相比，并网后对电网的影响 很小。间歇式可再生能源发电系统控制以及与储能装置的协调出力控制和微电 网内带储能装置的间歇式可再生能源发电系统的负荷动态优化分配的研究将成 为微电网设计与规划的有力工具，同时成为风能、太阳能资源大规模开发和利 用的方式。其研究成果的广泛应用主要有以下几方面： 1 、解决分布式风力、光伏并网发电系统与传统大电网之间接入问题。当分 布式风能、光伏发电系统接入到大电网之后，会对电网的潮流方向、大小带来 巨大影响，如何解决分布式发电与电网之间的接入问题成了研究的焦点。本文 通过微电网结构研究和解决大量风力、光伏并网发电系统接入问题。 2 、实现微电网的安全运行和经济运行。微电网解决小范围供配电问题，区 域负荷也具有很大的随机性，并且波动比较大，难于预测。微电网内的间歇式 可再生能源发电系统动态负荷优化分配，可以满足电网对负荷要求的情况下， 实现输出功率的合理分配，同时还可以实现微电网内间歇式能源发电系统的发 电成本的优化控制，达到最小发电成本的目的。 3 、用于提高间歇式能源发电系统的输出电能质量。带储能装置的间歇式能 源发电系统可以实现输出功率的相对恒定，接入后对电网的稳定运行影响小， 而且可作为可调度式微电源，始终维持微电网内功率的平衡以及电压和频率的 相对稳定。 6 第一章绪论 1 4 本文所做的主要研究内容 本文通过对风能、光伏并网发电系统的分析，研究了风能、光伏并网发电 系统的控制策略，同时给出了了光伏、风力发电系统与储能装置的协调出力控 制技术；构建了适用于我国电力发展的微电网结构模型，给出了微电网内带储 能装的间歇式可再生能源发电系统负荷动态优化分配数学模型，通过遗传算法 优化实现最小发电成本的目的。文章各章节内容安排如下： 第一章：对课题的背景以及意义进行阐述。研究了国内外间歇式能源开发 和利用的情况，对间歇式可再生能源发电系统协调控制技术的应用前景做出了 深入分析。 第二章：研究带储能装置的光伏发电系统控制策略。针对带储能装置的光 伏发电系统设计了双占空比的m p p t 控制方案，通过仿真验证该方案的有效性。 第三章：研究了储能装置与光伏发电系统的协调出力控制机制。给出了带 储能装置的光伏发电系统的能量管理策略，建立了储能装置与光伏阵列的协调 出力控制结构。 第四章：研究了直驱式永磁风力发电系统的控制策略。针对该系统结构建 立了基于混杂自动机的控制结构模型，通过仿真验证了控制策略的有效性。 第五章：研究储能装置与直驱式永磁同步风力发电系统的协调出力控制技 术。结合风力发电系统的输出功率特性，给出了带储能装置的风力并网发电系 统的能量管理控制方案，建立了储能装置与风力并网发电系统的协调出力控制 结构。 第六章：研究了微电网内带储能装的间歇式能源发电系统负荷动态优化分 配问题。建立了基于遗传算法( g a ) 的微电网内带储能装置的间歇式可再生能 源发电系统最小发电成本的负荷动态优化分配模型；进行了实例的分析。 第七章：总结全文，对未来研究方向展望。 7 第二章光伏发电系统的建模与控制 2 光伏发电系统的建模与控制 2 1 光伏发电系统系统仿真模型及电气特性 2 1 1 光伏电池的数学模型 目前我们应用最广的单晶硅光伏电池，它是由两种半导体材料组成，从而 形成两个区域：正电荷去和负电荷区。正负交界面形成一个结面积很大的p n 结。当阳光照射在光伏电池上时，光子使得硅原子上的电子激发形成电流，我 们称之为光生载流子，光生载流子在p n 结耗尽区中会被内建电场分离，光生 电子被推进n 区，空穴则仍然留在p 区。当p n 结两侧由于载流子的漂移而形 成正负电荷的积累，形成与内建电场方向相反的光生电场，即产生了“光生伏 打效应“ ，当光伏电池外界负载时，这时候光伏电池可向负载输出电能【墙】。 通过以上分析可以看出，光伏电池的发电原理是基于半导体材料的“光生 伏打效应“ 。光伏电池相当于具有一个大面积的p n 结的二极管，其输出i v 特 性曲线随着日照强度以及电池温度变化。根据参考文献【1 9 】，光伏电池的等效 电路图如图( 2 1 ) 所示。 图2 1 光伏电池等效电路图 如图所示，咫、如分别为光伏电池并联等效电阻、串联等效电阻。根据 上图得出光伏电池的输出i - v 的特性方程如下f 1 9 】【2 0 】： m 小厶小非坤【芦1 ) 一警旺) 8 第二章光伏发电系统的建模与控制 槲夸e 印t 鲁c 专一扣 泣2 ， 五= l 1 + 墨( 丁一2 9 s ) s o o o ( 2 3 ) 其中，j 、矿分别为光伏电池的输出电流和电压；五、厶分别为光伏电池 的光电流和暗饱和电流；t 、z 分别为光电池的表面温度和参考温度 ( z = 3 0 1 1 8 。k ) ；s 为光伏电池受到的辐射强度( 单位：w i r e 2 ) ；a 、b 为 理想系数( 一般取值范围在l 2 8 之间) ；i o ，为参考温度乃下的暗饱和电流；l 为光伏电池在2 5o c 和1 0 0 0 w l m 2 的短路电流；为光伏电池半导体禁带宽 度；q 为库伦常数( 1 6 x 1 0 d 9 c ) 。k 为玻耳兹曼常量( 1 c = - i 3 8 x 1 0 2 3 j i k ) ；墨 为l 短路电流的温度系数。 一般情况下，并联电阻r s h 很大，所以l 电流极小，可以忽略。则简化之 后的光伏电池的输出特性方程为： m 小五一l o e x p 驾笋1 ) 母你x p 掣- 1 ( 2 4 ) 式中，k ：a k t 。 留 由光电池的等效电路可知，当光电池外部短路时，由式( 2 4 ) 可知，此 时光电流丘全部流经负载，所以光电池的短路电流乞约等于五；开路时，由于 流经外部负载的电流，等于零，电路的开路电压如式( 2 5 ) 所示。 ， = 蛾竽+ 1 ) k ( 2 5 ) a t 0 由式( 2 5 ) 可知，暗饱和电流l = i l e x p ( v 钟k - 1 ) 另外，开路还与环境温度和光照的强度有关系【2 1 1 ，由经验公式可得式( 2 6 ) 。 圪= 吃+ 坼( r 一2 9 8 ) ( 2 6 ) 其中， 吃为标准环境条件下光电池的开路电压；k r 为光电池的开路电压 温度系数。( 注：t = 2 5 0 c = 2 9 8 0 k ) 由于光伏电池片容量很小，一般不会直接使用，而是将很多电池片经过串 联或者并联以后构成的组合体使用，以得到期望的电压或者电流值，这个组合 9 第二章光伏发电系统的建模与控制 体我们称之为光伏阵列。假设某一光伏阵列中串联和并联的光电池数目为m 、 。，则光伏阵列的输出特性方程为【2 2 】： 卜坼乞一 r o e x p 错- 1 ) = 坼厶一；v o e x p 紫- 1 ) ( 2 7 ) r 为系统的负载，假定不变，d 1 、d 2 为单向d c - d c 变换器的占空比和双 向d c d c 变换器的占空比( 第三章中会做详细分析) ，通过调整两个占空比， 实现等效负荷可调。等效负载r 的近似值可以通过式( 2 8 ) 计算圆【3 5 1 。 r = ( 1 一d 2 ) 2 詈 ( 2 8 ) m 根据上面的公式( 2 1 ) ( 2 8 ) ，建立光伏阵列的仿真结构模型，如图( 2 2 ) 所示。 图2 2 光伏阵列仿真模型 图中可以看出，仿真输入为丁、s 、d l 、d ：输出为矿、 ，、p 。本文建 立的光伏电池仿真模型可以模拟光伏电池在各种环境下的输出特性，为设计光 伏阵列的控制系统奠定了基础。 2 1 2 光伏阵列的电气特性 光伏电池的i - v - p 特性反映了在某一光照强度和温度环境下，光伏电池输 出的电压与电流的函数关系。太阳能光伏电池采用的力诺瑞特新能源公司生产 的单晶硅太阳能电池，型号为：l n 2 1 0 。在标准测试条件下( 光照强度 1 0 第二章光伏发电系统的建模与控制 s = 1 0 0 0 w m 2 ，温度t = 2 5 0 c ) ，该型号光伏电池的具体参数如表2 1 所示。 表2 i 光伏电池参数表 参数名称 数值( 单位) 开路电压v 嘲 3 5 2 ( v ) 短路电路i k 8 2 ( a ) 最大功率点电压v 二 2 6 5 ( v ) 最大功率点电流i m 7 9 ( a ) 短路电流温度系数k l 2 0 6 ( m a c ) 开路电压温度系数k t 0 7 7 ( v 。c ) 基于光伏阵列的仿真模型，得到光伏电池输出i v 特性曲线如图( 2 3 ) 所 示；p v 特性曲线如图( 2 4 ) 所示。 谤 粤 i s c ( v m i m ) 、 i l v 电压w 图2 3 光伏电池的1 v 特性曲线 图2 4 光伏电池的p v 特性曲线 由光伏阵列i - v 、p v 特性曲线可以看出，光伏阵列输出特性既非恒流源， 第二章光伏发电系统的建模与控制 也不是恒压源。曲线上的每一点对应着光伏电池的一个输出功率，己则代表在 当前环境条件下，光伏阵列输出的最大功率。圪、l 分别代表当前温度、光照 条件下的输出电压和输出的电流。 为了研究在不同环境条件下对光伏电池输出特性输出的影响，同样基于光 伏阵列的仿真模型，得到光伏电池在不同光照强度下的i v 特性曲线，如图( 2 5 ) 所示，在不同温度下的i v 特性曲线，如图( 2 6 ) 所示。 爝 脚 避 茁 s = 10 0 0 w | m 2 一 s = 8 0 0 v w m 2 、 s = 6 0 0 w ，m 2 i 7 、 一洲 图2 5 光电池在不同的光照强度下的i - v 特性曲线 图2 6 光电池在不同的温度下的i v 特性曲线 通过对曲线的分析可知，在环境温度相同的情况下，光伏阵列在不同的光 1 2 第二章光伏发电系统的建模与控制 照强度，光伏阵列的输出的i v 特性曲线发生明显的变化。当光照强度越高， 光伏阵列的短路电流l 和开路电压吃。都越大；在光照强度一样时，光伏阵列 输出的i v 特性曲线也会随着光伏阵列的表面温度的变化而变化。当光伏阵列 的温度越高，其输出的开路电压越小，但是短路电流，。基本保持不变。 综上所述，光照强度对光伏阵列的输出电流和电压都会产生一定的影响， 对短路电流l 的影响比较大【矧；而温度变化会影响到光伏阵列的开路电压吃。， 对光伏阵列的短路电流配基本上没有影响。总之，光伏阵列的输出功率会随着 环境温度和光照的强度变密切相关，在不同的光照条件和环境温度下，光伏电 池的输出功率会发生较大的变化，这是研究光伏阵列最大功率点跟踪控制的理 论基础 z 4 1 。 2 2 光伏发电系统结构 光伏发电系统就是直接将太阳能转化为直流的电能，经过升压后，通过逆 变器将直流电能变换成工频交流，接入电网或者提供给负载。按照光伏发电系 统是否接入电网，光伏发电系统可以分为并网光伏发电系统和独立光伏发电系 统，独立光伏发电系统主要用于电网覆盖不到的边远山区，在解决偏远地区居 民的生活用电方面具有很大优势，但是并网光伏发电系统是人大规模利用和开 放太阳能的主要方式，是未来光伏发电的发展趋势【2 5 1 。光伏并网发电系统同时 又可以按照系统组成结构不同分为两种，分别是；不可调度式光伏并网发电系 统和可调度式光伏并网发电系统。 不可调度式光伏并网发电系统直接把产生的电能输送到电网或者负载。其 结构图如图( 2 7 ) 所示。 电同 图2 7 不可调度式光伏发电系统结构图 由于不具备储能装置，只能是工作在有光照的情况下，当光照不足或者光 伏电池出现故障的情况下，系统不能向外输出电能。同时由于光照以及环境温 度随时是变化的，而且系统控制光伏阵列总是工作在最大功率点跟踪状态，这 1 3 第二章光伏发电系统的建