（控制科学与工程专业论文）新能源分布式独立微电网的调度管理的研究.pdf

t h er e s e a r c ho n s c h e d u l i n g a n dm a n a g e m e n to fn e w e n e r g y d i s t r i b u t e di n d e p e n d e n tm i c r o g r i d b y c h e nc h u n a n b e ( x i n j i a n gu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g l n e l e c t r o n i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw a n gh u i a p r i l ，2 0 1 1 5m 3 肌6 60m 9iii”lm y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的亲自指导下独立进行研究 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律后果由本人承担。 作者签名： 飞每褪角 日期：t 。l | 年今月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 嚣量每 导师签名：立厄少 日期：1 1 日期：乙l1 年号月1 日 年s 肌 日 新能源分布式独立微f 乜网的调度管理的研究 摘要 针对目前中国西部部分地区以及东南沿海海岛用电难的问题。根据当地风能 和光能的互补发电情形，提出在这些地区装上一套由风力发电、太阳能发电、柴 油机发电和蓄电池组成的微电网发电系统。本文应用先进的电力电子技术，研究 利用高效的风能和太阳能、将电力变换回路以及将先进的控制技术应用到风光柴 蓄分布式微电网发电系统中，控制微电网系统的稳定，保持微电网系统的功率平 衡，解决这些偏远地区的用电难问题。 本文以珠海兴业太阳能公司珠海东澳岛1 1 m w 风光柴蓄微电网发电系统项 目工程为背景。首先介绍了分布式微电网的意义、背景与现状、特点和发展优势， 进而介绍了两种典型的风光柴蓄微电网发电的结构与控制原理。对比其优缺点， 并且根据该项目要求，本文设计了一种风光柴蓄分布式微电网的结构，说明其特 点和优势。 本文接着阐述了风力发电机p w m 变流器电路的原理和控制方式，研究了太阳 能电池的直流斩波电路与并网逆变、柴油发电机的接入方式，以及双向逆变器的 原理与仿真建模。 研究了风机的动力学特性，太阳能电池的原理与仿真建模，柴油机的运行原 理，以及蓄电池的运行原理与仿真建模。并且用s i m u l i n k 仿真工具得到上述模型 的仿真图与仿真波形曲线。 最后提出风光柴蓄分布式微电网发电系统的控制策略，包括各个模块的控制 方式、微电网系统的各项功能、双向逆变器交流侧的电压控制以及风光柴蓄分布 式微电网的能量调度与管理。 关键词：新能源发电；风力发电；太阳能发电：双向逆变器；空间矢量控制 i i a b s t r a c t f o rs o m eo fp r o m o t ea r e a si nc h i n an o r t h w e s t a n ds o m ei s l a n d si nc h i n a s o u t h e a s tt h a ta r en o te a s yt om a k eu s eo fe l e c t r i c i t yy e t ，a n d f o rt h es i t u a t l o no f h y b r i dp o w e r0 fw i n da n ds o l a re n e r g yi n l o c a l i ti sp r o p o s e dt h a tw es h o u l df i xa m i c r o g r i dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m t h a tc o n s i s t so fw i n dp o w e rg e n e r a t o r s o l a r p o w e rg e n e r a t o r d i e s e lg e n e r a t o r ， a n db a t t e r yp o w e r t h i sp a p e ra p p l yt o t h e a d v a n c e dp o w e re l e e t r o n i et e c h n o l o g y ，r e s e a r c ha n du s et h eh i g he f f i c i e n tw i n da n d s 0 1 a r 、p o w e rc o n v e r s i o nc i r c u i t sa n dt h ea d v a n c e dc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g yw i l l b e a p p l i e dt ot h ep o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mo ft h e w i n d s o l a r - d i e s e l - b a t t e r yd i s t r i b u t e d m i c r o g r i d ，c o n t r o lt h es t a b i l i t yo fm i c r o g r i ds y s t e ma n dm a i n t a i nt h ep o w e rb a l a n c e o fm i c r o g r i ds y s y e m ，s o l v et h ep r o b l e mt h a t a r en o te a s yt ou s ee l e c t r i c i t yl nt n o s e p r o m o t ea r e a s t h ep a p e ri si nt h eb a c k g r o u n do f1 1m w w i n d - s o l a r - d i e s e l _ b a t t e r yd i s t r i b u t e d m i c r o - g r i dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mp r o j e c ti nd o n g a oi s l a n dw i t hz h u h a is i n y e ss o l a r i n d u s t r i a l a tf i r s t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h es i g n i f i c a n c e 、b a c k g r o u n da n d s t a t u s , c h a r a c t e r i s t i c sa n dd e v e l o p m e n ta d v a n t a g e so f d i s t r i b u t e dm i c r o g r i d ，a n di n t r o d u c e d t w ok i n do ft y p i c a ls t r u c t u r a la n dc o n t r o l l i n gp r i n c i p l e so fw i n d 。s o l a r - d i e s e l - b a t t e r y m i c r o g r i dp o w e rg e n e r a t i o n a n dc o m p a r e d t h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ， b a s e do nt h er e q u i r e m e n to ft h ep r o j e c t ，t h ep a p e rd e s i g n e dak i n d o fs t r u t u r eo f w i n d s 0 1 a r d i e s e l b a t t e r y d i s t r i b u t e dm i c r og r i d a n di l l u s t r t e i t sf e a t u r e sa n d a d v a n t a g e s ， i nt h ef o l l o w i n g ，t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ep r i n c i p l ea n dc o n t r o lw a y so fw m d g e n e r a t o rp w m c o n v e r t e rc i r c u i t s ，r e s e a r c h st h ed cc h o p p e ra n dg r i di n v e r t e ro f s o l a r c e l l sa n dt h ea c c e s sm o d eo fd i e s e lg e n e r a t o r , a n db i - d i r e c t i o n a l i n v e r t e ra n di t s p r i n c i p l e s t h ep a p e rr e s e a r c h st h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f w i n dg e n e r a t o r ，t h ep r i n c i p i e a n dm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no fs o l a rc e l l s ，t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e o ft h ed i e s e l e n g i n ea n dt h ep r i n c i p l ea n dm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no f b a t t e r y a n dw ec a ng e tt h e a b o v es i m u l a t i o nc u r v ea n ds i m u l a t i o nw a v e f o r mb ys i m u l i n k t o o l a tl a s t ，t h ep a p e rp r o p o s e dt h ec o n t r o l l i n gs t r a t e g yo f w i n d s o l a r 。d i e s e l - b a t t e r y d i s t r i b u t e dm i c r o g r i dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m ，i n c l u d i n g t h ec o n t r o lw a y so fe a c h m o d u l e s 、s o m eo ff u n c t i o n so fm i c r o g r i ds y s t e m 、 v o l t a g ec o n t r o l0 tb i - d l r e c t l o n a l i n v e r t e r i n a cs i d e a n d e n e r g y i i i s c h e d u l i n g a n d m a n a g e m e n t o f 新能源分布式独立微电网的调度管理的研究 w i n d s o l a r d i e s e l b a t t e r yd i s t r i b u t e dm i c r o g r i d k e yw o r d s ：n e we n e r g yp o w e rg e n e r a t i o n ；w i n dp o w e r ；s o l a rp o w e r ；b i - d i r e c t i o n a l i n v e r t e r ；s p a c ev e c t o rc o n t r o l i v 硕j 二学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 分布式微电网的意义1 1 2 分布式微电网发电的背景和现状一2 1 3 分布式微电网的特点3 1 4 分布式微电网发电的发展优势4 1 5 论文研究的主要内容4 第2 章新能源分布式微电网的结构设计5 2 1 新能源微电网的组成一5 2 2 典型的风光柴蓄微电网结构6 2 3 风光柴蓄分布式微电网的结构设计8 2 4 分布式微电网调度管理的主要内容lo 第3 章微电网发电子系统建模与控制1 1 3 1 风力发电机1l 3 1 1 风力机动力学特性1 1 3 1 2 风力发电机的原理1 4 3 1 3 风力机的模型1 6 3 1 4 风力发电机功率变换的控制策略1 7 3 2 太阳能电池2 1 3 2 1 太阳能发电的介绍21 3 2 2 太阳电池的结构和基本工作原理2 2 3 2 3 太阳能电池的仿真与建模2 4 3 2 4 太阳能电池的直流斩波电路2 8 3 2 5 太阳能电池板的并网逆变31 ，3 3 双向逆变器3 3 3 3 1 双向逆变器的原理与控制策略3 3 3 3 2 逆变器的锁相环3 7 3 4 柴油机发电机3 8 3 4 1 柴油机的基本工作原理3 8 3 4 2 柴油发电机的主要性能及技术要求一3 9 3 4 3 柴油发电机组的配套特点一3 9 v 新能源分布式独立微电网的调度管理的研究 3 4 4 柴油发电机的整流与接入4 0 3 5 蓄电池的电特性与仿真模型一4 l 3 5 1 蓄电池的电特性4 1 3 5 2 蓄电池的仿真模型4 2 第四章风光柴蓄分布式微电网的能量管理与调度4 4 4 1 分布式微电网能量管理系统的结构一4 4 4 2 调度管理系统的功能4 5 4 3 微电网用户侧的电压控制4 6 4 4 系统总的功率平衡控制策略5 4 4 5 本章小结5 8 结论与展望6 0 参考文献6 2 致谢6 5 v l 硕1 ：学位论文 第1 章绪论 1 1 分布式微电网的意义 微电网由一些分布式发电系统、储能系统和负载构成，通过电网控制中心进 行控制和管理，能实现热电联产，是独立的系统网络。微电网分布式发电源的功 率一般都小于1 0 兆瓦。每个分布式发电源均由电力电子技术提供所需要的控制和 接口。微源( 如微型涡轮发电机，燃料电池，及可再生能源) 与用户直接挂钩，安 装在用户区域。 我国大西北很多地区至今未能使用上电，包括东南沿海许多海岛离网型的柴 油机发电成本过高，促使我国独立运行的分布式微电网的大力发展。加强可再生 能源集成利用技术的研究，促进可再生能源的大规模高效集成利用是目前新能源 领域急需解决的重大问题。根据当地资源条件，合理选择综合利用多种可再生能 源( 风能、太阳能等) ，组成分布式可再生能源供电体系，构成独立运行的微电网， 是今后可再生能源高效利用的重要方向之一。目前国内对单一可再生能源技术及 其控制研究已经比较成熟，目前可以大规模利用的可再生能源发电一一风力发电 和太阳能发电已经取得重大进展，大型风力发电机组、太阳能发电系统、小型微 型离网型风光互补发电系统的技术日趋成熟，但对多种可再生能源技术集成应用 及微电网关键技术，包括分布式可再生能源系统微电网的优化组网技术、体系结 构、微电网独立运行控制研究、微电网的能量管理及调度、微电网远程监控、微 电网的潮流及稳定性分析、分布式可再生能源发电系统的电能变换、微电网保护 等研究还很薄弱，极需加强投入。根据风能和太阳能资源的地域特性和分散性， 因地制宜的利用风能和太阳能资源构建独立的微电网，最大程度的满足本地的供 电需求，是解决我国能源危机以及加快农村城市化进程的一个有效途径，对于促 进我国可再生能源的大规模高效集成应用，加快我国能源战略的实现具有重大的 意义。 目前我国对风力发电的研究主要集中在大型风机的并网发电上面，而由于我 国存在着广大的年平均风速较低的区域，不适合大型风电场的建设。因此离网型 风力发电机组有广阔的应用空间，可以就近满足电力需求，在远离电网地区或电 力不足的地区，以及些特殊场合( 高山、海岛) ，中小型风力发电机组则具有更 广泛的应用领域。另外由于风力发电与太阳能发电在时间上具有互补特性，风能 在冬春季最大，夏季最小，而太阳能在夏季最丰富，利用风能，太阳能天然的互 补特性，能产生比较稳定的功率，减少蓄电池容量，并可获得较好的经济效益。 因此构建风光互补分布式微电网技术具有重要意义。 l 新能源分布式独立微电网的调度管理的研究 1 2 分布式微电网发电的背景和现状 分布式发电技术是相对于传统的集中式供电方式而言的，是指将发电系统以 小规模、分散式的方式布置在用户附近，可独立地输出电、热或冷能的系统。 风光互补发电系统在我国也得到了较广泛的应用，但是目前多见于小型系统 的应用，如风光互补路灯等家庭用户层级的应用。而较大规模的集成应用，比如 采用风光互补分布式微电网形式的社区级、村级或者镇级等的集中供能形式将是 以后的一个趋势，也是可再生能源高效集中利用的有效途径。因此有必要开展风 光互补分布式微电网相关技术的攻关研究。 随着我国西部大开发的推进以及政府有关部门的支持，如国家发改委推出的 “光明工程”，“西部送电到乡工程 的实施，国家科技部推出的科技型中小企业 技术创新基金项目以及农业部推出的“农村小型公益设施建设补助资金农村能源 项目”等，促进了小型风力发电产业的发展。近年来，小型风力发电机组产量有 了大幅度增长，行业得到了迅速发展。但是在此快速过程中，也出现了很多的问 题，其中一个主要问题就是离网型风力发电机组的可靠性问题。由于独立运行风 光互补微电网系统不像并网系统有专人负责的高水平维护并且其应用环境差异很 大，因此对其可靠性要求很高。由于近年来资金与人才都向并网型兆瓦级大风机 聚集，离网型风电机组的可靠性技术急待加强，相关的行业标准还没有建立。 风光互补分布式微电网的研究，国外在这方面的研究工作开展的较早也取得 了较多的成果。在满足系统可靠性情况下，对微电网内分布式发电单元的位置和 容量的优化方案进行了研究，并且对多总线微电网系统的结构以及控制设计，以 及相关的逆变器控制等都做了深入研究。在国内，虽然对于分布式发电系统的研 究起步较晚，但是在近几年内研究与开发的速度也很快。 对于可再生能源利用中的电力电子技术以及控制技术国内外均已经开展了较 多的研究，但是由于风光互补分布式微电网的许多特性与并网型应用具有不同， 因此相应的电力电子装置及控制技术均要做相应的改变。 在风力、太阳能等发电领域，国内已经有多项专利。但是，有关高智能化的 新能源分布式发电系统方面的专利很少，而多种可再生能源的集成综合利用系统 方面则更少。因此需要研究和探讨合适的风光互补分布式微电网技术。 我国海域辽阔，岛屿众多，海岛资源丰富、区位特殊，是中国海洋经济和社 会发展的重要依托。因地制宜，就地取材，开发海岛新能源，是解决海岛能源问 题的重要举措。 农村特别是在山区的农村，缺电现象仍然十分严重，农村生物质能、太阳能、 风能资源都很丰富，小功率户用电源系统在农村有很好的市场前景，基于微网概 念的户用电源产品将在未来的农村电网中扮演重要的角色。 2 硕一l ：学位论文 我国对微电网的研究尚处于起步阶段，在国家科技部“8 6 3 计划先进能源技术 领域2 0 0 7 年度专题课题”中已经包括了微型电网技术。目前中国科学院电工研究 所、清华大学、天津大学等单位相继开始了对微型电网的研究，但与欧洲、美国 及日本等由研究机构、制造厂商和电力公司组成的庞大研究团队相比，我国在研 究力量和取得成果上仍存在较大差距。 1 3 分布式微电网的特点 分布式发电包括小型水利发电、新型可再生能源( 风能、太阳能、生物质能、 海洋能、地热能) 发电、不可再生能源发电( 微型燃气轮机、燃料电池、垃圾发电、 冷热电联产等) 和储能电源发电。 分布式电源具有以下特点：( 1 ) 容量范围广，但相对狭小，安装和运营灵活； ( 2 ) 分布广，遍布地区电网的各个电源等级，一次能源形式与并网方式多样；( 3 ) 部分分布式电源具有较大的随机性和波动性，容易受天气等自然因素的影响；( 4 ) 小型的分布式电源监视控制能力差。 在欧洲发达国家，高压输电线路已减少甚至不再新建，而太阳能、风能以及 天然气为燃料的微型燃气轮机等分布式发电异军突起，并计划在未来逐渐替代现 有的大规模火电厂和核电站。分布式发电和微电网具有3 个独特功能：分布式发 电控制、能源管理和电网保护。 微电网相对于原有分散、独立的分布式电源有以下优势：有效集成应用各种 分布式电源，具备独立分布式电源系统所拥有的优点；作为一个独立的整体配网， 不会对大电网产生不利影响，不需要对大电网的运行策略进行调整；理想的微电 网架构中，设备之间是对等的，因而不需主控设备，而且能做到即插即用；当上 一级电网出现故障时，可以独立运行，提高了供电的可靠性；单独的分布式电源 并网的很多问题都是由分布电源响应速度慢、惯性小而引起，由多个分布式电源 加上储能系统组成的微电网，系统容量增大，惯性增大，减弱了电压波动和电压 闪变现象，改善了电能质量，能使分布式电压平稳地与大电网并网和切离。在管 理上，微电网能有效进行功率管理及控制，并根据动态负载的要求对有功、无功 进行独立监控。微电网集合了分布式电源的整体性优势，使对分布式电源的研究 迅速转移到对微电网的研究，而分布式电源对电能质量、继电保护、短路电流、 可靠性和配电系统的监控调节等的影响，也转移为微电网对接入电网的影响，但 也不尽相同。同时，微电网集合了多个多种分布式电源的特点也引入了一些新的 问题，如微电网中的储能系统，微电网的稳定控制等。 新能源分布式独一、z 微电网的调度管理的研究 1 4 分布式微电网发电的发展优势 分布式发电和微电网供电具有非集中化和本地化特点，能提高系统的稳定 性，减少停电次数，达到更佳的供求关系，同时减少对输电系统及大型发电厂的 影响，降低发电储运消耗。通过电力电子技术可实现更佳的谐波和无功功率控制。 市场方面，广泛采用分布式发电和微电网可降低电价，优化分布式发电可把 经济实惠最大限度地带给用户。例如峰电价格高，谷电价格低。峰电期，微电网 可输送电能，以缓解电力紧张；在电网电力过剩时可直接从电网低价采购电能。 环境方面，与传统的大型集中发电厂相比，分布式发电对环境的影响小。由 于技术创新及可再生能源的利用，大量低电压分布式发电源的连接，能减少温室 气体排放，缓解气候变化。在局部电网和微电网层级，众多电源与储能装置协同 工作，实现高效运营。 运行和投资方面，通过缩短发电厂与负载间的距离，减少远距离输送电带来 的损失，提高系统的无功供应能力，从而改善电压分布特征( p r o f i l e ) ，消除配电和 输电瓶颈，降低在上层高压网络中的损耗，减少或至少延迟对新的输电项目和大 规模电厂系统的投资。 微电网加强了用户型的电网管理，并为局部地区引入中小型储能环节提供了 可能，预计在不久的将来，微电网会逐步成为欧美等发达国家能源电力系统的重 要组成部分和地区配电网络的基本构件心1 。 1 5 论文研究的主要内容 论文研究的主要内容有以下几点： ( 1 ) 本文综述分布式微电网的意义、背景和现状，介绍分布式微电网的特点及 其发展优势。 ( 2 ) 介绍两种典型的风光柴蓄复合发电的系统结构和控制原理，提出风光柴蓄 分布式微电网的结构设计和控制原理，把两者进行对比。 ( 3 ) 研究风力发电机p w m 整流的原理与控制策略、太阳能电池组件的直流斩 波电路与功率控制方式、柴油发电机的接入方式以及太阳能电池板的并网逆变和 双向逆变器的原理与策略。 ( 4 ) 对风电机组的特性进行深入理解，通过研究微电网发电系统各个部分数学 模型，完成在m a t l a b 仿真平台上的搭建工作。 ( 5 ) 最后提出风光柴蓄分布式微电网的控制策略与方案，风光柴蓄分布式微电 网的结构原理图、微电网的功能、以及双向逆变器交流侧的电压控制和风光柴蓄 分布式微电网的能量调度与管理。 4 硕十学位论文 第2 章新能源分布式微电网的结构设计 2 1 新能源微电网的组成 新能源发电独立微电网是指由分布式新能源发电装置构成的独立供电网络。 风光柴蓄分布式微电网包括风力发电机组、太阳能发电组件、柴油发电机组、蓄 电池和变流器等组件组成。风光柴蓄微电网发电系统的组成如图2 1 所示。 t j n | nl。i “n l 双句逆变器 p j 9 己吧倒l圳牛义伙衙 直 - - 隰 l 光伏电池阵列 功率变换器l， 流 母 线 i 褒蝥烹 蓄电 柴油发电机组 功率控制器 7 l 】工i p , j y 铀r池组 图2 1风光柴蓄微电网发电系统的基本组成 在图示系统中，风力发电机部分利用风轮叶片将风能捕获之后转化为机械能， 再通过风力发电机将机械能转化为电能，由于风力发电机产生的是频率、电压不 稳定的三相交流电，不能够被家用设备直流利用，一般要通过整流装置整流到直 流母线上，再经过双向逆变器逆变给交流网，风力发电机发出的电能采用功率变 换器转变为直流或转变为工频稳定的交流电压输入到微网中，当电能有多余的情 况下，可以给蓄电池组充电储存。 光伏发电部分利用半导体器件的光伏效应原理把太阳能辐射转换成电能，经 过功率跟踪器，通常采用最大功率跟踪，发出比较稳定的直流电。由于光伏阵列 发出的电压跟直流母线电压不同步，往往小很多，所以要把光伏电池板串联输送 到直流母线上。之后，统一经过双向逆变器将其直流电转化为交流电，输送到交 流用户端。当电能有多余的情况下，将多余的电能给蓄电池组充电储存起来。 柴油发电机作为后备发电电源，一般不开启或尽量少开启，只有当风力发电 机和太阳能电池组件持续供电不足，导致蓄电池电能消耗殆尽时，才启用柴油发 电机，柴油发电机发出的是交流电，通过整流装置整流成直流电送入直流母线。 新能源分布式独立微电网的调度管理的研究 蓄电池组由许多蓄电池块组成，主要作用是稳定直流侧电源，使直流侧可以 给交流侧提供稳定的电压；另外，它还可以调节能量的流动，当风力发电机和光 伏发电发出的电多于负载消耗的电时，将多余的电能转化为化学能在蓄电池中保 存起来，当风力发电机和光伏阵列发出的电不足负载的消耗时，将蓄电池中的化 学能又转化成电能释放出去，从而保证微电网发电系统供电的持续和稳定。 系统控制器是由计算机、数据采集与通讯模块、控制组件组成。控制器部分 主要根据风力变化情况，光照强弱情况等采集到风力发电机发出的电能和光伏阵 列发出的电能去平衡负载用户所要消耗的电能，它将直流侧的电能通过逆变控制 输送到交流侧，但当电能过剩时，将多余的电量保存到蓄电池中去。另外，要根 据风力情况和日照情况决定是否把风力发电机和太阳能电池板接入电网。还有， 对蓄电池的过充和过放的保护。 双向逆变器，将风光柴蓄微电网直流侧的电转化为交流电。其中，在交流侧 也有接分布式的光伏组件和风力发电机，在后章节中将会提到，所以当交流侧有 剩余的电能时，又可以整流到直流侧，储存到蓄电池中来。双向逆变器可以起到 稳压和功率平衡的作用。 2 2 典型的风光柴蓄微电网结构 对于风光柴蓄微电网发电系统的研究，国外在这一方面的研究开展的比较早 并且取得了一定成果，国内对于分布式微电网的研究起步较晚，但最近几年的研 究和开发速度比较快。下面将介绍几种典型的风光柴蓄微电网结构。 ( 1 ) 柴油机和光伏阵列接交流侧，风力发电机接直流侧。 一种传统的风光柴蓄微电网发电系统的实验模拟装置结构如图2 2 所示口“1 。 其中，蓄电池、柴油机和柴油机充电器、风力发电机及其充电控制器位于直流母 线侧；交流负载、交流柴油机、光伏阵列及其逆变器位于交流母线侧( 其中光伏阵 列带有最大功率跟踪器) 。而直流母线和交流母线之间主要是通过主逆变器相联， 从而实现直流母线侧能量和交流母线侧的能量平衡。系统控制器是由计算机、数 据采集与通讯模块、控制组件组成。 6 硕士学位论文 光伏阵列模拟器 i 竽i 掣中上i 1 l t 囟 0 上 。l l 直流 充电控制器卜卜一柴油机 i 负载 1l 叫挚器i i i 机i 图2 2 风光柴蓄微电网发电系统典型结构一 该风光柴蓄微电网发电系统控制原理的主要内容是： 根据蓄电池电压的实时数据及其充放电的历史数据，负载的实时数据及负荷 分布图来确定是否启动备用柴油机组，以及柴油机运行的最长时间。 当柴油机运行时，主逆变器和并网逆变器退网，柴油机上交流网的同时可以 通过柴油机充电器向蓄电池充电。 这种控制策略的最大好处是，避免了柴油机和主逆变器同时上交流网时同频 同相问题，使系统运行更加可靠。但不足之处是，柴油机运行期间，光伏阵列的 能量和风力发电的能量未能得到利用。这一弊端，可通过改进系统结构和控制策 略来加以克服。 ( 2 ) 风力发电机、光伏阵列和柴油发电机接直流侧。 另一种的风光柴蓄微电网发电系统的实验模拟装置结构如图2 3 所示，7 1 。其 中，蓄电池、光伏阵列及其斩波电路( 光伏阵列带有最大功率跟踪器) 、柴油机和 柴油机充电器、风力发电机及其充电控制器位于直流母线侧；交流负载位于交流 母线侧。直流母线和交流母线之间通过主逆变器相联。 该风光柴蓄微电网发电系统控制原理的主要内容是：首先启动风力发电机供 电，在风力发电机供电的时候，光伏电池阵列不接入直流网侧，随着风力情况的 变化和负载情况的变化，当风力发电机发电足够供应负载电能的消耗时，将多余 的电能送到蓄电池中保存起来，当风力发电机发电不能供应负载的消耗时，风机 退出电网，启动光伏发电。当日照情况较差或者光伏发电不够负载消耗时，切除 光伏电池组件，启动风力发电机，蓄电池和风机同时给负载供电。当蓄电池电量 消耗殆尽时，启动柴油发电机，同时切除风力机发电和太阳能发电，柴油机单独 向负载供电，并且向蓄电池充电。 7 新能源分布式独妒微i 乜网的调度管理的研究 交流 负载 主逆 变器 阈网削i 匿匿巫卜诬 负载il _ 可_ j亨 柴油机i i 光伏阵列模拟器 蓄电池 充电li 风力 控制k 一发电 器ll 机 图2 3 风光柴蓄微电网发电系统典型结构二 2 3 风光柴蓄分布式微电网的结构设计 微电网的控制包括两个层次的控制，其一是控制各个分布式可再生能源自身 的控制单元，其能根据自身的需要启动和停止，实现自身经济效益的最大化。其 二是系统级的控制，即保证系统发出电能与消耗电能的平衡，满足系统负荷有功 功率与无功功率的即时需要。因此需要选择相应的经济实用的柴油机系统和蓄电 池组。此外，用电负荷具有随时投切的特点，故也需要研究相应的能量管理控制 策略。各个分布式可再生能源构成微电网，需要研究各个单元之间发电的协调控 制问题，确保供电电能质量和系统的稳定性。根据珠海东澳岛上风能和太阳能不 同的发电特性和负载的用电情况，设计一种风光柴蓄分布式微电网的结构随9 1 ，结 构图如图2 4 所示。 该发电系统是以风力发电和太阳能发电为主，柴油机发电为辅的发电系统， 蓄电池起到过渡储能的作用。其中，风力发电机、柴油发电机、太阳能电池和蓄 电池组成一个集中电站，在统一逆变后，经过变压器升压传输到远距离的用户侧， 用户侧也有户用型的分布式的太阳能电池组件，通过单独逆变把电输送到交流网 侧。分布式的特点是容量范围广，但相对较小，安装方便灵活，适应面宽，可以 遍布交流电网的各个终端，既可以单独为用户供电，又可以和电网共同为用户供 电，最大的好处是，太阳能电池发电端离用户用电端较近，极大地省去了电能传 输过程中的损耗。又因为，交流侧也有发电电源，当负载耗电较少时，负载端存 在有多余的电，通过双向逆变器，将其整流到直流侧，供蓄电池保存起来，这样 有益与能量的平衡和系统的稳定。 8 硕士学位论文 i 永磁 i 同步 ；风力 ；发电 i 机 图2 4 风光柴蓄分布式微电网的结构图 该微电网发电系统的特点，与传统的风光柴蓄复合发电方式相比，这种控制 策略的最大好处是，当风力发电机连网的时候，太阳能组件也连接电网，只要两 者都达到了可以连接电网的要求，两者互不影响；当柴油发电机联网的时候，风 机和太阳能也连在直流母线上，即使风机和太阳能发出的功率较少，但他们三者 可以同时联合供电，利用了尽可能多的能量，不会因为某一个发电设备的启用而 关闭另外一个发电设备。但由于每一个设备都可能同时联网，这就需要解决交流 侧同频同相问题，还有各个设备功率平衡问题以及交流逆变侧电压恒定的问题， 增加了系统结构的复杂性，系统难以稳定可靠运行。 柴油发电机接直流侧，要经过整流后再逆变才把电能送到交流侧，这样在整 流和逆变的过程中，增加了柴油发电机的损耗，其中有一部分电，先经过整流， 在给负载供电的同时，也给蓄电池充电，在蓄电池充电和放电的过程中损失相当 大，之后，再逆变造成的损失相当大，由于柴油发电的成本相当高，这就要求我 们在控制的过程中，在启用柴油发电机的时候，尽量控制其不给蓄电池充电。如 果柴油发电机接交流负载，要使柴油发电机同交流电网并联运行，则需要解决同 期的几个条件：第一，相序必须相同，相序是无法改变的，由安装接线决定。第 二，电压大小幅值要相同，这里柴油发电机的电压由a v r ( 自动电压调节器) 来调 节。第三，频率和相位角要相同，而频率和相位角要由发动机转速来调节。除了 同期的时候需要控制以外，在运行的过程中，还要通过调节发动机转速来调节有 9 新能源分布式独盘微i 乜网的调度管理的研究 功功率的输出，通过调节发电机的输出电压来调节无功功率的输出。假如柴油发 电机接交流侧，但又想利用直流侧风力发电和太阳能发电的时候，必须解决柴油 机同期的问题，柴油机同期难以解决，综上所述，柴油发电机直接接直流侧，和 风力发电机太阳能电池联合供电。 2 4 分布式微电网调度管理的主要内容 本章主要介绍了风光柴蓄分布式微电网的系统结构，并且介绍了两种典型的 风光柴蓄微电网的结构与原理。根据风能和太阳能的互补情况，以及负载的需求 情况，还有珠海东澳岛微电网发电系统的项目要求，针对柴油发电机的同期问题 和微电网的分布式特性，设计了一套风光柴蓄分布式微电网结构，说明了该系统 结构的特点以及优缺点。 风光柴蓄分布式微电网的调度管理的主要内容有两个方面。第一，整个分布 式微电网电压的稳定控制，包括直流侧电压和交流侧电压。第二，分布式微电网 发电系统与负载负荷用电的功率平衡。包括风力发电机的p w m 变流及功率控制， 通过变流把风力发电机发出的交流电整流成直流电接入直流母线，通过功率控制 控制其输入到微电网系统的功率；太阳能电池的接入方式，通过串联的方式接入 直流母线，通过直流斩波装置控制其最大功率跟踪；柴油发电机的不可控整流装 置，把柴油发电机发出的交流电整流成相对较稳定的直流电输送到直流母线上去； 蓄电池的充放电特性，合理对蓄电池充放电，延长蓄电池的使用寿命；双向逆变 器的控制原理和策略，从而为供电系统提供交流电网支撑；太阳能电池的并网逆 变，把交流侧太阳能电池组发出的直流电逆变到交流网侧去。要对整个系统进行 能量调度和管理，首先要对各个子系统模块进行建模和控制分析。下一章主要对 微电网子系统进行建模与分析。 1 0 硕七学位论文 第3 章微电网发电子系统建模与控制 本章主要研究风力发电机、太阳能电池和蓄电池的建模，使用m a t l a b 软件中 的s i m u l i n k 工具包进行建模和分析，另外，分别对风力发电机的p w m 整流、双 向逆变器以及光伏电池的并网逆变进行仿真与控制，以及介绍各个模块的接入方 式等等。对各个模块的建模之后，相应得出各个波形和曲线图。 3 1 风力发电机 风力发电机包括风力机和发电机两部分，风力机主要将风的动能通过风轮叶 片转化为机械能，为发电机提供功率，发电机主要是通过风力机提供的力矩将机 械能转化为电能。根据第二章中图2 4 可知，风力发电机通过p w m 整流接入直 流母线，通过控制其转速从而控制其功率输出，对于风力机的建模，首先要了解 风力机的动力学特性和发电机的原理，根据风力机数学模型，用m a t l a b s i m u l i n k 软件搭建风力机模型。 3 1 1 风力机动力学特性 ( 1 ) 贝茨理论 贝茨理论中的假设。贝茨理论是世界上第一次关于风力机风轮叶片接受风能 的完整理论n 们，它是1 9 1 9 年由贝茨建立的。贝茨理论的建立，首先假设风轮是“理 想风轮 ，即： 风轮叶片全部接受风能，叶片无限多，对空气没有阻力。 空气流是连续的，不可压缩的，气流在整个叶轮扫掠面上是均匀的。 叶轮处在单元流管模型中，气流速度的方向不论在叶片前或流经叶片后都 是垂直叶片扫掠面的，如图3 1 所示。 1 v 1 s) ! s 2v 2 l 7 ( 图3 1 贝茨理论计算简图 分析一个放置在移动的空气中的“理想风轮”叶片上所受到的力及移动空气 对风轮叶片所作的功。设风轮前方的风速为h ，v 是实际通过风轮的风速，是叶 片扫掠后的风速，通过风轮叶片前风速面积s ，叶片扫掠面的风速面积s 及扫掠后 新能源分布式独一证微电网的调度管理的研，z 风速面积& 。风吹到叶片上所作的功是将风的动能转化为叶片转动的机械能，则 必v 2 h ，s 是。 风轮受力及风轮吸收功率。应用气流冲量原理，风轮所受的轴向推力： f = 肌( v l - v 2 ) ( 3 1 ) 式中，m ：p s v 为单位时间内通过风轮的气流质量，p 为空气密度，取决于温 度、气压、湿度，一般可取1 2 2 5 堙m 3 。 风轮吸收的功率( 即风轮单位时间内吸收的风能) 为 p = f v = p s v 2 ( v 1 一屹) ( 3 2 ) 动能定理的应用。应用动能定理，可得气流所具有的动能为： e = 去聊v 2 ( 3 3 ) 则风功率( 单位时间内气流所作的功) 为： p 1 2m y 2 = 丢p 跏( 茸一v ；) ( 3 4 ) 在叶轮前后，单位时间内气流动能的改变量为： a p = 去j d 跏( 砰一谚) ( 3 5 ) 此即气流穿越风轮时，被风轮吸收的功率。 p s v 2 ( m - v 2 ) = 去p 跏(