（电力系统及其自动化专业论文）分布式互补能源微网系统的控制策略研究.pdf

r e s e a r c ho nc o n t r o ls t r a t e g yo fm i c r o g r i dw i t hd i s t r i b u t e d c o m p l e m e n t a r ye n e r g y a b s t r a c t b e c a u s eo ft h eo b v i o u se n v i r o n m e n t a la n ds o c i a lb e n e f i t s ，t h ea t t e n t i o no f d i s t r i b u t e d g e n e r a t i o n h a sb e e no nt h e r i s e m i c r o g r i d w i t hd i s t r i b u t e d c o m p l e m e n t a r ye n e r g y ( m d c e ) c a nb es a t i s f i e dw i t ht h ev a r i o u sd e m a n d so fu s e r b yi n t e g r a t i n gt h ea d v a n t a g e so fd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n si n c l u d i n gw i n dp o w e r ， s o l a rp o w e r ，f u e lc e l l s ，c o m b i n e dc o o l i n g h e a t i n g p o w e rs y s t e m ，s t o r a g ed e v i c ea n d s oo n o nt h eo t h e rh a n d ，m i c r o g r i di sa s t r o n gc o m p l e m e n tt op o w e rs y s t e ma n d c a no p e r a t en o to n l yi n g r i dm o d eb u ta l s oi ni s l a n dm o d e f o rt h e s er e a s o n s ， m i c r o g r i dh a sb e c o m eah o tp o i n to fr e s e a r c ha r o u n dt h ew o r l d t h ec o n t r o l so fd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o na n dg r i d c o n n e c t e di n v e r t e ri nm d c e h a v e b e e nt h e o r e t i c a l l ya n a l y z e da n ds i m u l a t e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt oa v a r i e t v o fd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n si n m i c r o g r i d ，t h et h e o r yo fp h o t o v o l t a i eh a s b e e n r e s e a r c h e d a n dac o n t r o ls t r a t e g yh a sb e e np r o p o s e d ，n a m e dt h em p p ta n d v o l t a g e c o n t r o ls t r a t e g yo ft h et h r e ep h a s e sp h o t o v o l t a i eg r i d c o n n e c t e dg e n e r a t i o n ，w h i c h c a ni m p r o v et h eq u a l i t yo fv o l t a g ea tc o n n e c tp o i n t i nt h ep r o je c to fd i s t r i b u t e d p o w e rc o n n e c t st om i c r o g r i d ，t h eg r i d c o n n e c t e di n v e r t e ri st h ek e yd e v i c e t h e t h e o r ya n dc o n t r o lt e c h n o l o g yo fg r i d c o n n e c t e di n v e r t e rh a v eb e e nr e s e a r c h e d a n d t h e nan e wt y p e g r i d c o n n e c t e di n v e r t e rc o n t r o ls t r a t e g y ( v f - p qc o n t r 0 1 ) i n m i c r o g i r di sp r e s e n t e d i ng r i d c o n n e c t e dm o d e ，t h ed i s t r i b u t i o n g e n e r a t i o nc a n o u t p u tt h es e t t i n ga c t i v ea n dr e a c t i v ep o w e r i ni s l a n d e dm o d e ，t h ed i s t r i b u t i o n g e n e r a t i o nc a nm a i n t a i nt h ev o l t a g ea n df r e q u e n c ys t a b i l i t yo fm i c r o g i r d t h e s i m u l a t i o nm o d e l ， a l g o r i t h m a n dc o n t r o l s t r a t e g y h a v eb e e n b u i l t b y p s c a d e m t d cs o f t w a r ei nt h i sp a p e r t h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a t t h ep r o p o s e dc o n t r o ls t r a t e g i e sw e r ev a l i da n dc o r r e c t f i n a l l y ，i te l a b o r a t e ds o m ea s p e c t so fd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o nd e m o n s t r a t i o n s y s t e mi nh f u t t h es i m u l a t i o nm o d e l s ，i n c l u d i n gg e n e r a t o rs y s t e m ，s o l a rp o w e r s y s t e m ，w i n dp o w e rs y s t e ma n dc o n t r o l s t r a t e g y ，h a v e b e e nb u i l t b y p s c a d e m t d cs o f t w a r ef o rr e s e a r c hi t sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s k e y w o r d s ：m i c r o g r i d ；d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ；c o m p l e m e n t a r ye n e r g y ；c o n t r o l s t r a t e g y ；m o d e li n ga n ds i m u l a t i o n 插图清单 图2 14 0 0 v 微网系统结构图一7 图2 2 硅太阳电池结构9 图2 3 硅太阳电池的工作原理一9 图2 4 硅太阳电池等效电路图1 0 图2 5v i 特性曲线：1 1 图2 6 不同日照强度和温度下的v i 特性曲线1 1 图2 7 光伏并网系统的结构图1 2 图2 8 控制策略框图1 3 图2 - 9 算例系统图1 3 图2 1 0 日照强度变化时的仿真结果1 4 图2 。1 1 环境温度变化时的仿真结果1 5 图2 1 2 控制策略变化时的仿真结果1 6 图2 1 3 光伏并网系统的结构图一1 7 图2 1 4m p p t 。电压控制器原理一1 8 图2 1 5 不同控制方式下的并网仿真图1 9 图3 一l 含微网系统的分层协调控制结构2 1 图3 2 分布式电源并网等效电路图一2 2 图3 3 分布式电源并网等效相量图2 3 图3 4 电压频率下垂特性2 4 图3 5 采用p q 控制的并网逆变器结构一2 5 图3 - 6p q 控制结构2 5 图3 7p v 控制结构2 6 图3 8 采用v f - p q 控制的并网逆变器结构2 7 图3 - 9v f - p q 控制器结构2 8 图3 1 0 算例系统图2 9 图3 1 l 微网系统模式切换的仿真结果3 0 图3 1 2 负荷变化时仿真结果3 1 图4 1 实验室示范系统图3 4 图4 。2 风力机典型的c p 特性曲线3 6 图4 3 不同风速下风力机输出机械功率与转速的关系曲线3 7 图4 4 实验室示范系统仿真模型3 9 图4 5 分布式发电实验室仿真结果图4 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得盒g 墨王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字： f 钮晓峰 签字日期：2 刀湃孕月字日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒坦王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金旦曼王些太 ! l 可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 蟪蜂 l 签字日期：知l ，年钥5 日 学位论文作者毕业后去向： j f ：作单位： 通讯地址： 新躲删新躲爿恻n 签字日期：2 t - ，年乒月f 弓日 电话： 邮编： 致谢 研究生阶段的学习生活是我人生路途的一段重要而又难忘的经历。在即将告别母 校之际，借此机会向关心和帮助过我的各位老师和同学致以深深的谢意! 首先要感谢我的导师吴红斌副教授。两年多以来，导师在学习、科研和生活 方面都给了我很大的帮助和支持。导师严谨治学的科研态度、一丝不苟的工作 作风、宽厚慈爱的师长风范，令我难以忘怀，在我未来人生的道路上将终身受 益。在此向导师表示最诚挚的敬意和深深的感谢! 感谢电气与自动化学院丁明老师，孙鸣老师，李生虎老师，王磊老师，毕 锐老师，韩平平老师等多位老师给予的帮助。 感谢给予我帮助，陪伴我学习的同学和好友，我们朝夕相处，互相帮助， 留下了美好的回忆，结下了深厚的友谊。他们是刘静、孙辉、郑睿、江炜楠、 汤雪鹏、陈斌以及逸夫楼2 0 3 的所有同学。 感谢合肥工业大学电气与自动化学院为本人提供良好的学习条件! 最后，感谢家人，是你们一直给予我学习的动力，鞭策我前进。 作者：陶晓峰 2 0 1 0 年4 月 第一章绪论 1 1 研究背景 能源是人类社会生存与发展的物质基础。在过去的2 0 0 多年中，建立在煤炭、 石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大的推动了人类社会的发展。然 而，人们在物质生活和精神生活不断提高的同时，也逐渐意识到大规模使用化 石燃料所带来的严重后果：资源日益枯竭，环境不断恶化等。同时随着我国国 民经济的发展，电力需求迅速增长，电力部门大多把投资集中在火电、水电以 及核电等大型集中电源和超高压远距离输电网的建设上。但是，随着电网规模 的不断扩大，超大规模电力系统的弊端也日益凸现，成本高，运行难度大，难 以适应用户越来越高的可靠性要求以及多样化的供电需求。近年来西方国家的 几次大停电事故在一定程度上反映了传统电力系统的缺点。未来的电力系统应 该采取什么样的发展模式，一味地扩大电网规模显然不能满足要求。因此专家 们在反思过去的发展历程后，提出了未来电力系统的发展模式必须走可持 续发展的道路。 人们开始另辟蹊径，分布式发电技术d g ( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ) 被提上 了日程，并且已成为当前研究热点d - 6 j 。随着包括风电、光伏等可再生能源和高 效清洁的化石燃料在内的新型发电技术的发展，分布式发电技术日渐成为满足 负荷增长需求、减少环境污染、提高能源综合利用效率和供电可靠性的一种有 效途径，有效的解决了大型集中电网的许多潜在问题。分布式发电技术同时还 具有投资少、发电方式灵活、可与环境兼容等优点，在配电网中得到广泛的应 用。但大量分布式电源并网将有可能造成电力系统对其不可控制和难以管理的 局面，并引发相应的电能质量、电网安全性和稳定性等诸多问题，如分布式发 电单机接入成本较高，控制较复杂；另外，从系统的角度来分析，分布式发电 系统是不可控的发电单元，因此配电网系统总是试图采取隔离、切机的方式来 控制微型发电系统，以消除其对大系统的电压和频率的冲击。i e e e p l5 4 7 对分 布式能源的入网标准做了规定：当电力系统发生故障时，分布式电源必须马上 退出运行。这就大大限制了分布式发电的运行方式，削弱了其优势和潜能【7 j 。 为了解决电力系统与分布式电源问的矛盾，整合分布式发电的优势，充分发挥 分布式电源为电力系统和用户所带来的经济效益，进一步提高电力系统运行的 灵活性、可控性和经济性，以及更好地满足电力用户对电能质量和供电可靠性 的更高要求，微网( m i c r o g r i d ) 概念应运而生，并很快成为国内外电气工程研 究领域的前沿课题之一。 1 2 微网系统概念 不同国家对微网系统的研究侧重点各有不同，因此国际上对微网系统的定 义各不相同 8 - 1 2 】。从19 9 9 年开始，美国电力可靠性技术解决方案协会( c o n s o r t i u m f o re l e c t r i cr e l i a b i l i t yt e c h n o l o g ys o l u t i o n s ，c e r t s ) 首次对微网系统在可靠性、 经济性及其对环境的影响等方面进行了研究。至u 2 0 0 2 年，c e r t s 从结构、控制、 经济等方面系统全面的介绍了微网系统概念：微网系统是一种由负荷和微型电 源共同组成系统，它可同时提供电能和热量；微网系统内部的电源主要由电力 电子器件负责能量的转换，并提供必需的控制；微网系统相对于外部大电网表 现为单一的受控单元，并可同时满足用户对电能质量和供电安全等要求。当微 网系统和主网因为故障突然解列时，微网系统还能够维持对自身内部负荷的电 能供应，直到故障排除。而欧盟给出的定义是：利用一次能源；使用微型电源， 分为不可控、部分可控和全控三种，并可电、热、冷三联供；配有储能装置； 使用电力电子装置进行能量调节。国内学者也对微网系统进行了相关研究并且 总结了其概念为：微网系统是一种由负荷和微电源( 即微网系统中的分布式电 源，如光伏发电、风力发电等) 共同组成的系统，它可同时提供电能和热量； 微网系统内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必需的控制； 对于大电网，微网系统可以被看成是系统中的一个可控单元，它在短暂时间内 反应以满足其外部输配电网络的需要；对于用户端来说，微网系统可以满足他 们的特定电能质量要求，并且增加供电的可靠性，降低线损。它通过整合分布 式电源与配电网之间的关系，在一个局部区域内直接将分布式电源、电力网络 和终端用户联系在一起，可以方便地实现热电( 冷) 联供方案，优化和提高能 源利用效率，减轻能源动力系统对环境的影响，推动分布式电源上网，降低大 电网的负担，改善电网的安全可靠性。 虽然世界各国所提出的微网系统概念有所不同，但其所描述的内容本质上 是相同的。基本上可以归纳成如下内容：微网系统的结构由微型电源、储能 装置、负荷和电力电子功率变换系统组成；微网系统的电源以可再生能源发 电为主，容量较小，可为用户同时提供多种能源( 电、热、冷) ；微网系统 中的负荷类型较多且功率较小，通常包括冷、热、电三种；电力电子器件为 微电源与交流微网系统提供接口，实现能量的转换及控制；微网系统的电能 质量能够依靠自身调节能力保证较高的电能质量，满足微网系统负荷需求并维 持与配电网功率连接点的电压与频率稳定；微网系统的运行方式：主要分为 联网运行和孤岛运行。 1 3 国内外研究现状及研究意义 1 3 1 国内外研究现状 美国c e r t s 最早提出微网系统的概念，也是所有微网系统概念中最具代表 性的一个。c e r t s 对微网系统的主要思想和关键技术问题进行了详细地概述， 目前，c e r t s 微网系统的可行性研究已经在威斯康星大学麦迪逊分校的实验室 得到了初步检验。威斯康星大学麦迪逊分校微网系统于2 0 0 1 年建立，系统容量 为2 0 0 k w ，电压等级为2 8 0 v 4 8 0 v 。由美国北部电力系统承接的m a dr i v e r 微网 系统是美国第一个微网系统示范性工程，微网系统的建模和仿真方法、保护和 控制策略以及经济效益在此工程中得到了验证，关于微网系统的管理条例和法 规得到了完善，因此m a dr i v e r 微网系统成为美国微网系统工程的成功范例。同 时美国能源部制订了“g r i d2 0 3 0 发展战略，即以微网系统形式整合和利用微 型分布式发电系统的阶段性计划，详细阐述了今后微网系统的发展规划。美国 能源部还与通用电气共同资助了第二个“通用电气( g e n e r a le l e c t r i cc o m p a n y ， g e ) 全球研究( g l o b a lr e s e a r c h ) 计划。g e 的目标是开发出一套微网能量管 理系统( m i c r o g r i de n e r g ym a n a g e m e n t ，m e m ) ，使它能向微网系统中的器件 提供统一的控制、保护和能量管理平台。此外，加拿大b c 和q u e b e c 两家水电公 司已经开始开展微网系统示范性工程的建设，测试微网系统的孤岛运行状况， 旨在通过合理地安置独立发电装置改善用户侧供电可靠性。 从电力市场自身需求、电能安全供给以及环境保护等方面综合考虑，欧洲 在2 0 0 5 年提出了“智能电网”的计划，并在2 0 0 6 年出台了该计划的技术实现方 案。欧盟主要资助和推进“m i c r o g r i d s 和“m o r em i c r o g r i d s 2 个微网系统项 目，通过拓展和发展微网系统概念，增加微型发电装置的渗透率，初步形成微 网系统的运行、控制、保护、安全以及通信等基本理论，希腊、德国、西班牙 等国家建立了不同规模的微网实验室。目前，欧洲的微网系统示范工程主要有 希腊基斯诺斯岛微网系统、德国曼海姆w a l l s t a d t 居民区示范工程、西班牙 l a b e i n 项目、葡萄牙e d p 项目、葡萄牙c o n t i n u o n 项目、意大利c e s i 项目、丹 麦e l t r a 项目等。欧洲所有的微网系统研究计划都围绕着可靠性、可接入性、 灵活性3 个方面来考虑。电网的智能化、能量利用的多元化等将是欧洲未来电网 的重要特点。 目前日本在微网系统示范工程的建设方面处于世界领先地位。面临资源日 益缺乏、负荷需求增长迅速的发展现状，日本政府十分希望可再生能源( 如风 能和光伏发电) 能够在本国的能源结构中发挥越来越大的作用。目前，日本已 在国内建立了多个微网系统工程。近年来，新能源与工业技术发展组织大力支 持一系列微网系统示范性工程，并鼓励可再生和分布式发电技术在微网系统中 的应用。日本还专门成立了新能源与工业技术发展组织( n e d o ) 来统一协调 国内高校，企业与国家重点实验室对新能源及其应用的研究。日本学者提出了 灵活可靠性和智能电能供给系统，其主要思想是在配电网中加入一些灵活交流 输电系统( f a c t s ) 装置，利用其快速、灵活的控制性能实现对配网能源结构 的优化，满足用户多种电能质量要求l l 引。 近几年，中国多所高校和研究机构已纷纷开展对微网系统的研究工作，已 在微网系统的设计方案、稳定性分析、动态仿真、优化运行、控制策略、电力 电子技术、储能技术以及电能质量等方面取得了较大进展【i 舢2 2 j 。微网系统研究 也得到了国家的重视，中国科学院电工研究所承担的“8 6 3 计划 项目和天津大 学等单位承担的“9 7 3 计划”项目都针对微网系统技术开展从理论到应用的研究。 合肥工业大学是国内较早从事分布式发电系统研究的高校之一，在实验室建立 了一个小型的分布式发电示范系统。该系统中，有两台常规的发电机、一套光 伏并网发电系统和一套模拟的双馈风力发电系统以及储能设备等，实现了分布 式发电在实验研究阶段的转化。 1 3 2 研究意义 微网系统能够有效的解决电力系统与分布式电源间的矛盾，充分发挥分布 式电源为电力系统和用户所带来的经济效益，进一步提高电力系统运行的灵活 性、可控性和经济性，以及更好地满足电力用户对电能质量和供电可靠性的更 高要求。其功能特点主要体现在以下两方面： 1 ) 微网系统是大电网的有力补充。 当大电网出现电压或频率波动时，微网系统作为备用电源可向电网提供支 撑，同时微网系统的可灵活调度性，能够起到对电网削峰填谷的作用；当大电 网出现故障时，微网系统可以迅速与大电网解列形成孤岛运行状态，从而保证 重要用户的不间断供电，提高了供电的可靠性；大力发展微网系统能够解决边 远地区供电困难，实现农村电气化的问题。 2 ) 微网系统能够提高能效。 微网系统中的电源大多为可再生能源，并通过储能装置和控制保护装置实 现系统稳定，有效解决分布式电源的接入问题；同时微网系统提供多种能源( 电、 热、冷) ，满足用户供电、供热、制冷等多种需求，显著提高能源利用效率， 减少污染排放，实现节能降耗的目标。 因此微网系统已经成为各国在新能源领域中研究的热点，也是本文的重点。 微网系统在实际运行中需要解决的关键问题之一就是控制问题。微网系统中， 分布式电源大部分需要经电力电子变换接入微网系统，微网系统并网运行时， 由大电网提供电压和频率支撑，系统能够稳定运行。当大电网电压频率出现大 的波动或者出现故障时，微网系统转入孤岛运行模式，此时微网系统的电压和 频率由内部电源控制器负责调节。在这种情况下传统的并网逆变器控制方式难 以满足微网系统稳定运行的需求，因此需要研究适用于微网系统的控制技术， 控制网内各分布式电源根据自身的容量调节有功和无功功率，输出稳定的电压 和频率，以实现微网系统的稳定运行。目前虽然有一些分布式发电项目成功运 行，如光伏发电、风力发电、燃料电池发电等，但其一般为独立运行或者并网 运行，含有多台分布式电源的微网系统项目非常少，因此研究微网系统中分布 式电源的控制技术和微网系统的协调控制技术具有重要的理论的意义和工程实 用价值。 1 4 论文主要工作 本文在系统的研究了微网系统和分布式电源的理论、结构、控制技术的基 础上，首先着重介绍了微网系统中光伏发电的相关理论，提出了光伏并网的控 制策略。其次介绍了微网系统的两种典型的运行模式和分层协调控制理论，针 对第二层控制中的三种控制方式，提出了一种新型并网逆变器控制策略。在仿 真软件p s c a d e m t d c 建立了分布式电源和控制策略模型，进行仿真以验证相 关理论的正确性。主要包括以下内容： 第一章概述了微网系统的基本概念，介绍了微网系统研究的背景和意义，并 分析了国内外微网系统研究现状； 第二章首先分析了微网系统中光伏发电的工作原理，并根据光伏阵列的工作 特性曲线，阐述了光伏阵列最大功率点跟踪的原理及其必要性，同时建 立了基于牛顿迭代求解的最大功率点算法；其次考虑到边远地区无功负 荷的变化对电网电压影响较大，提出了一种最大功率点跟踪( m p p t ) 与电压控制相结合的三相光伏并网系统的控制策略，该控制技术能够同 时实现光伏并网系统的最大功率点跟踪与接入点电压的控制。 第三章介绍了微网系统的两种典型的运行模式：联网模式与孤岛模式，以及 微网系统的分层协调控制，着重介绍了三种控制方式p q 控制、p v 控 制、v f 控制，以及相应的控制结构。同时提出了一种新型并网逆变器 控制策略( v f - p q 控制) ，该方法具有功率控制和维持系统电压和频 率稳定的双重功能。在联网模式下，该控制策略能够使分布式电源按照 设定的有功和无功输出，在孤岛模式下，能够实现微网系统电压和频率 的无差调节，为系统提供频率和电压支撑。 第四章介绍了合肥工业大学的分布式发电实验室系统的基本结构，及主要实 验仪器设备。从实验室的系统设计、电压等级设计、电源设计、线路设 计和负荷设计等几个方面分别对实验室系统的建设进行阐述。在实验室 系统仿真模型部分，建立了常规发电机系统、光伏发电系统、风力发电 系统的仿真模型，研究了相应的控制技术。 第五章总结了本论文的主要工作做，并对今后的工作做了相应的展望。 第二章微网系统中的分布式电源的控制 微网系统中电源以分布式电源为主，如光伏发电、风力发电、微型燃气轮 机发电、燃料电池发电等，不同的分布式电源其控制方式也不同，因此在研究 微网系统协调控制之前，有必要研究微网系统中分布式电源运行原理和自身的 控制技术，以及分布式电源自身控制与微网系统协调控制相结合的控制技术， 保证分布式电源及微网的安全稳定运行，充分发挥分布式电源为电力系统和用 户所带来的经济效益，进一步提高电力系统运行的灵活性、可控性和经济性。 光伏发电作为微电源中的一种，技术比较成熟，应用比较广泛，因此本章着重 研究光伏发电的原理以及控制技术，提出了一种最大功率点跟踪( m a x i m u m p o w e rp o i n tt r a c k i n g ，m p p t ) 与电压控制相结合的三相光伏并网系统的控制策 略。并且通过仿真分析验证了控制技术的正确性，为后续研究微网系统与分布 式电源间的协调控制打下基础。以下是微网系统中的常见的分布式电源及其储 能设备： 微网系统中的分布式电源主要有以下几种1 2 ) j ： 1 ) 太阳能光伏发电：光伏发电的技术比较成熟、应用广泛。太阳能光伏发 电技术是利用半导体材料的光电效应直接将太阳能转换为电能。光伏发电具有 不消耗燃料、不受地域限制、规模灵活、无污染、安全可靠、维护简单等优点。 2 ) 风力发电：风力发电技术是将风能转化为电能的发电技术。近年来，风 力发电技术进步很快，技术已很成熟。同样具有不消耗燃料、规模灵活、无污 染、安全可靠、维护简单等优点。 3 ) 微型燃气轮机：微型燃气轮机是指以天然气、甲烷、汽油、柴油为燃料 的超小型燃气轮机。其发电效率可达3 0 ，如实行热电联产，效率可提高到7 5 。 微型燃气轮机的特点是体积小、质量轻、发电效率高、污染小、运行维护简单。 4 ) 燃料电池技术：燃料电池是一种在等温状态下直接将化学能转变为直流 电能的电化学装置。燃料电池工作时，不需要燃烧，是直接将燃料( 天然气、 煤制气、石油等) 中的氢气借助于电解质与空气中的氧气发生化学反应，在生 成水的同时进行发电。在获得电能的过程中，副产品仅为热、水和少量二氧化 碳等。 5 ) 生物质能发电：生物质能发电是首先将其转化为可驱动发电机的能量形 式( 如燃气、燃油、酒精等) ；再按照通常用的发电技术发电。我国生物质能 资源主要有农作物秸秆、树木枝桠、畜禽粪便、能源作物( 植物) 、工业有机 废水、城市生活污水和垃圾等。 微网系统中的储能装置主要有以下几种： 1 ) 蓄电池储能：蓄电池是目前在电力系统中应用最有前途的储能装置之一， 分布式发电系统中应用最为广泛。但蓄电池存在投资高、寿命短、环境污染等 诸多问题。就目前的技术状况而言，蓄电池仍会在一段时间内得到广泛应用。 6 2 ) 超导储能：超导储能装置将能量存储在由电流超导线圈的直流电流产生 的磁场中，其中的超导线线圈浸泡在温度极低的液体( 液态氢等) 中，然后封 闭在容器中。一个超导储能装置包括冷却装置、密封容器以及作为控制用的电 子装置。超导储能装置的超导线圈放置在温度极低的环境中，这是目前利用超 导储能的瓶颈。但在各种储能技术中超导储能是最具发展潜力的。 3 ) 飞轮储能：飞轮储能是一种新型的机械储能方式，它将能量以动能的形 式存储在高速旋转的飞轮中。飞轮储能系统由飞轮转子、轴承、电动发电机、 电力转换器、真空室5 个部分组成。目前，使用的飞轮储能装置主要有高速飞轮 装置和低速飞轮装置。高速飞轮装置的飞轮体积比较小，但具有较高转速；低 速飞轮系统的飞轮较大，但转速相对较慢。 2 1 微网系统的结构 图2 1 为4 0 0 v 的低压微网系统，网络整体呈干线式结构。 电一 图2 14 0 0 v 微网系统结构图 馈线通过静态开关( p c c ) 与配电系统相连，可实现孤岛与并网运行模式 间的平滑切换。p c c 所在的位置一般选择为配电变压器的原边侧或主网与微网 系统的分离点。图中展示了光伏发电、风力发电、微型燃气轮机和燃料电池等 微电源形式，以及蓄电池、飞轮储能装置等储能设备，还有敏感负荷、可中断 负荷、热负荷等用电装置。每个分布式电源经过整流( a c d c ) 、逆变( d c a c ) 装置并联到干线上，各分布式电源及其负荷通过能量管理系统统一分配。微网 7 系统中配置能量管理器和潮流控制器，前者可实现对整个微网系统的综合分析 控制，而后者可实现对微电源的就地控制。当负荷变化时，潮流控制器根据本 地频率和电压信息进行潮流调节，控制微电源相应增加或减少其功率输出以保 持功率平衡。 图中还示范了针对3 类具有不同供电质量要求的负荷的个性化微电源供电 方案。对于连接在干线上的敏感负荷，采用光伏发电、风力发电、微型燃气轮 机和燃料电池等形式联合供电：对于连接在干线上的热负荷，采用微型燃气轮 机进行供热；对于连接在母线上的可中断负荷，没有设置专门的微电源，而直 接由配电网供电。这样，对于敏感负荷采用双电源供电模式，外部配电网故障 时，静态开关会快速动作使重要负荷与故障隔离且不间断向其正常供电，而对 于母线上的可中断负荷，系统则会根据网络功率平衡的需求，在必要时将其切 除，通过微电源与负荷的组合，增强了系统的供电可靠性。 该结构初步体现了微网系统的基本特征，同时也暴露出微网系统中的一些 关键问题： 1 ) 每个微电源的控制问题： 2 ) 整个微网系统的协调控制与能量管理，解决电压稳定、频率稳定、潮流 控制和解列时的负荷分配、稳定及所有运行问题； 3 ) 继电保护，包括每个微电源及整个微网系统的保护控制； 4 ) 采用大量的现代电力电子设备对系统稳定性的影响。 针对第1 个关键问题中每个微电源的控制问题，本章以光伏发电技术为例， 详细研究微网系统中分布式电源运行原理和控制技术。 2 2 太阳能光伏发电原理及并网控制技术 2 2 1 硅太阳电池的原理及其特性 在光伏发电系统中均采用光伏阵列来接收太阳辐射的能量，光伏阵列是其 中非常重要的组成部分。光伏阵列通常为特性基本相同的光伏组件经过一定的 串并联后构成的，而构成光伏组件的最小单元为太阳能电池，目前常为硅太阳 能电池。因此，了解光伏阵列的特性必须首光从硅太阳能电池开始。 硅材料太阳电池，包括单品硅、多品硅及非晶硅太阳电池。以当前用得最 为普遍的单晶硅及多品硅太阳电池为例，其单个硅太阳电池外形结构如图2 2 所示。 e 目月 n 型目一 需二8 图22 硅太阳电池结构 图2 2 为硅太阳电池结构，这是一种n + ，p 型硅太阳电池，它的基体材料为p 型单晶硅，厚度在04 r a m 以下，下表面层p 型层，上表面层为n 型层，是受光层， 它和基体在交界面处形成一个p - n 结。在上表面上加有栅状金属电极，可提高 转换效率：另外，在受光面上，覆盖着一层减反射膜，它是一层很薄的天蓝色 氧化硅薄膜，用以减少入射太阳光的反射，使太阳电池对入射光的吸收率达到 9 0 以上。 图2 3 硅太阳电池的工作原理 硅太阳电池的工作原理口“如图2 3 所示：对于半导体材料而言，当其中的 p n 结处于平衡状态的时候，在p n 结处会形成一个耗尽层，存在着由n 区指向p 区的势垒电场。当每一个入射光子的能量大于禁带宽度( e 。) ，即整个入射太 阳光的能量大于硅禁带宽度的时候，太阳光子照射入半导体内，把电子从价带 激发到导带，在价带中留下一个空穴。产生了一个电子- 空穴对。因此，当能量 大于禁带宽度的光于进入电池的n 区、空间电荷区和p 区中时，会激发产生光生 电子空穴对。光生电子一空穴对在空间电荷区中产生后，立即被势垒电场分离， 光生电子被推向n 区，光生空穴被推向p 区。在n 区和p 区中产生的光生电子一空 穴对会向p _ n 结交界面处扩敦，当达到势垒电场边界时，立即受到势垒电场的 作用，使光生电子留在n 区，光生空穴留在p 区。而在n 区中的光生空穴由于内 建电场的作用被推到p 区，p 区中的光生电子同样被推到n 区。最后就形成了n 区中积累了过剩的电子，p 区中积累了过剩的空穴，而在p n 结两侧形成了与势 垒电场方向相反的光生电动势。这就是所谓的“光生伏打效应”。当接上负载 后，电流就从p 区经过负载流向n 区，负载即获得功率。 图2 4 硅太阳电池等效电路图 硅太阳电池等效电路如图2 4 所示。其中i p h 为光生电流，其值正比于光伏电 池的面积和入射光的日照强度：i d 为暗电流，指光伏电池在无光照时，由外电 压作用下p n 结内流过的单向电流；r ；串联电阻。一般小于i 欧姆，它主要由电 池的体电阻、表面电阻等组成：r 。h 旁路电阻，为几千欧姆，主要是由电池表面 污浊和电池边缘的漏泄电阻等组成。 光伏阵列是由若干光伏电池根据负载需要，经过串、并联组成。在参考条 件( 日照强度、环境温度) 下，设光伏阵列的短路电流为i 晰。f ，开路电压为v 附。f ， 最大功率点电流和电压分别为i m r 。f 和v m 代f ，光伏阵列的输出电压为v 值， i 为其对应的工作电流，光伏阵列数学模型如下1 2 5 1 ： ，= 钿f i _ c , ( e x p ( 署) 一1 ) j + 世 ( 2 1 ) c - - ( i l 。可| l3 。小c x p ( - y 。町| 够。可c 0 ) ( 2 2 ) c l ；m 呵| y 。呵一1 ) ( i n ( i i 。盯| l 。耐 出= a r r 一。a t + 0 r r ，f b 。i 。州 a v = - b a t 一尼a a t ；瓦一 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) c = 瓦+ f f r ( 2 7 ) 其中r 为光伏阵列倾斜面上的总太阳日照强度：t 。为太阳能电池温度；t 。为环 境温度：t 。( d e g w 。幸m 2 ) 为太阳电池模块的温度系数；r 耐、t ，。f 分别为太阳日 照强度和太阳能电池温度参考值；a 为在参考日照下，电流变化温度系数 ( a m p s c ) ；p 为在参考日照下，电压变化温度系数( v i ) ：r ；为光伏模块 的串联电阻。 太阳能电池的伏安特性是指在某一确定的日照强度和温度下，太阳电池的 输出电压和输出电流之间的关系，简称v i 特性。图2 5 为典型的太阳能电池 v ，i 特性曲线。 1 0 匕吃矿 图2 5v - i 特性曲线 其中，v o 。为开路电压；i 。c 为短路电流。从v i 特性曲线可以看出，太阳 能电池的输出电流i 随工作电压v 的变化而变化，而输出功率p = v * i ，其值就 是图中阴影部分的面积s ，最大功率点跟踪的目标为在横坐标上寻找一点v m ， 使得面积s 最大，此时的v m 、l m 和p m 就是最大功率点对应的电压、电流和最 大功率值。影响太阳电池效率的因素众多，其中日照强度和环境温度对光伏电 池输出功率的影响最大。图2 6 反映了在不同日照强度和温度下的光伏阵列的 v i 特性曲线也不同，如图所示，光伏电池的输出功率的大小与日照强度成正 比，与环境温度成反比。 v 图2 6 不同日照强度和温度下的v - i 特性曲线 2 2 2 最大功率点跟踪 对于光伏发电系统而言，由于室外环境如日照强度、环境温度常随时间发 生变化，导致了光伏阵列不能持续工作于最大输出功率点处，从而降低了光伏 发电系统的能量转换效率，减少了光伏阵列向电网或负荷注入的电能。因此， 为实现系统的最大功率输出，通常在系统中加入最大功率点跟踪( m p p t ) 这 一环节，m p p t 有很多实现方式【26 j ：如增量电导法、曲线拟合法、神经网络、 干扰观测法等。本文的仿真求解最大功率点电流和电压时采用了实时优化迭代 算法1 2 1 7 1 ，其特点是能够快速精确的求解出最大功率点的工作电压，计算过程如 下。 设光伏阵列在某一环境温度和日照强度下，其工作电压、电流分别为v 、i ， 根据公式( 2 1 ) ，则其输出功率p 为： j p ：川：( k 【1 一c i ( c x p ( 箬笋) 一1 ) 1 + 叫) ，矿 ( 2 8 ) 为使输出功率最大，对v 进行求导，并令婴；0 ，可得： 钿”c i ( e x p ( 等等) _ 1 ) 1 + 舭儿c i 洲南笔) ，( c 2 ) _ o ( 2 9 ) 上式所计算出的v 值，即为最大功率点所对应的v m 值，该方程是个超越方程， 因此，采用牛顿迭代法求解可得： ，一k ，c 1 c x p ( 笋笋) ，( c ) 圪+ l2k一，(屹)，(吒)=吒一云i：乏乒二：；：；=：ji三i蚕兰骊 ( 2 1 0 c 2 一”一c 2 一2 “” 经过k 次迭代，满足i v k + 1 - v k l z 图3 2 分布式电源并网等效电路图 交 流 母 线 图3 3 分布式电源并网等效相量图 在图3 2 为分布式电源并网等效电路图，分布式电源经逆变器与配电系统相 连，图3 3 为等效相量图，其中应为逆变器输出电压，矿为交流母线电压，j 为逆变 器输出电流，z 为输电线路的阻抗，万为电压相位差，够为功率因数角。在中高压输 电线路中线路阻抗主要成感性，因此可以忽略阻抗z 中的阻性部分即z = ，可 得出逆变器输出的有功功率和无功功率的表达式为： p ：e vs i n 万( 3 1 ) 义 p ：e v c o s f - v 2( 3 2 ) 爿 由于一般分布式电源和系统的电压相位差比较小，因此可将s i n 8 万、c o s 8 1 代 入( 3 1 ) ( 3 2 ) 式，简化后可得到： 尸掣：砟5 ( 3 3 ) q 堡当：如e o o ( 3 4 ) 式中砟为有功功率系数，k p ：譬 k o 为无功功率系数! k o = i v 、o o = 睾 经过上述变换后可得出结论： ( 1 ) 并网逆变器输出的有功功率尸主要取决于其输出电压与系统电压的相位差 万，输出电压相位超前系统电压的相位，发出有功功率：反之，吸收有功 功率。 ( 2 ) 并网逆变器输出的无功功率9 主要取决于输出电压的幅值e 与系统电压v 的大小，输出电压的幅值大于系统电压，发出无功功率；反之，吸收无功 功率。基于以上分析，在微网系统中可以借助电力系统中同步发电机的自 下垂特性，引人有功功率和无功功率的调节作用，通过控制逆变器有功和 无功功率输出分别用来调节系统的电压和频率：。 2 、电压频率的下垂特性 在电力系统中，传统的电压频率下垂特性可以用下式表示： _ ，一，= 一k