（电力系统及其自动化专业论文）微网系统的运行优化与能量管理研究.pdf

f _ 恻f 炒ir|ll|唑jlllli必llll|i r l l l fy 18 8 7 3 6 。4 合肥 工业大学 博士学位论文 微网系统的运行优化与能量管理研究 作者姓名：韭题嫒 申请学位：王堂擅 指导教师：工明麴援 专业：电力丕统拯墓自动化 研究方向：亘要生能遗皇佥查式筮电 合肥工业大学 2 0 1 1 年4 月 ad i s s e r t a t i o n s u b m i t t e dt oh e f e iu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y f o rt h ed e g r e eo f d o c t o ro f p h i l o s o p h y s t u d y o fo p e r a t i o no p t i m i z a t i o na n d e n e r g y m a n a g e m e n t f o rm i c r o g r i d s b y z h a n gy i n g y u a n s u p e r v i s e db y p r o d i n gm i n g h e f e iu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y h e f e i ，a n h u i ，p r c h i n a a p r i l ，2 0 1 1 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 博士学位论文质量要求。 答辩委员会签名( 工作单位、职称) 揣铲蟛 委员：砖耪 素趣 季缴 呼鼠识缓之活貉搬 譬弘j 业文学撼 罗弓淘夭学 教授 钸粥秘 导师：彳n 己国 程晓舫 王成山 王秀丽 张兴 苏建徽 匿名 匿名 程晓舫 袁越 张兴 苏建徽 李红梅 教授、博导 教授、博导 教授、博导 教授、博导 教授、博导 同行评议专家名单 能源工程 电力系统及其自动化 电力系统及其自动化 电力电子与电力传动 电力电子与电力传动 同行评阅专家名单 中国科技大学 天津大学 西安交通大学 合肥工业大学 合肥工业大学 教授、博导电力系统及其自动化武汉大学 教授、博导电力系统及其自动化武汉大学 教授、博导 教授、博导 教授、博导 教授、博导 教授、博导 程晓舫教授、博导 答辩委员会名单 能源工程 电力系统及其自动化 电力电子与电力传动 电力电子与电力传动 电机与电器 答辩委员会主席 中国科技大学 河海大学 合肥工业大学 合肥工业大学 合肥工业大学 能源工程中国科技大学 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注和致谢的地方外，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 金罂王些太堂 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。 学位论文作者签名： 猫颖壤 签字日期：d 口，年莎月，工日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。本人授权合肥工 些太堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 私颍娃 签字日期：口l f 年6 月，川 学位论文作者毕业去向： 工作单位： 通讯地址： 一= 签字日期：p ，埠搠，二日 电话： 邮编： 摘要 近年来，为了充分发挥可再生能源发电等分布式能源系统的效益，微网的集成与控制成 为研究热点，这也是智能电网建设中的一个重要组成部分。微网作为一种新型能源网络化供 应与管理技术，便利了分布式能源系统的接入，同时可实现需求侧管理及现有能源的最大化 利用。它具有灵活的运行方式和可调度性能，可实现自我控制、保护和管理等自治功能。本 文围绕微网系统的运行优化与能量管理展开研究，主要研究内容有： ( 1 ) 基于深入调研国内外关于微网技术的发展及研究现状，侧重从技术内涵角度归纳 总结出微网研究中的关键技术，包括微网系统的建模与仿真、微网系统的运行控制与能量管 理、微网系统的环境与经济性评估等五个方面； ( 2 ) 对照常规电力系统的运行控制结构与方法，详细描述了微网研究领域目前所提出 的两种运行控制结构，针对微网系统包含电力电子控制器类型的分布式能源单元的情形，归 纳出微网系统孤岛运行期间可供采用的三种类型运行控制方法，并对这些方法的特点和适用 场合进行了对比分析，同时，在充分继承常规电力系统能量管理研究成果基础上，结合考虑 分布式能源发电与常规能源发电系统的异同、分布式能源的引入所带来的影响，归纳出微网 系统的能量管理研究范畴内需要着重关注的几个方面； ( 3 ) 选取技术相对成熟、发展前景较好、可实施性较强的几种分布式发电技术，研究 分析其相关特性，明确了其用于能量管理的稳态模型，建立了一种集中控制式微网系统的经 济运行优化模型，提出运行成本最低、折旧成本最低、环境效益最高和综合效益最高四种优 化目标函数，以及微网系统运行过程中所可能采用的三种交互式运行控制策略，采用以锦标 赛选择、单点交叉、高斯变异的改进遗传算法为求解阎题的优化算法，通过算例仿真探讨了 多种因素对系统运行优化结果的影响，仿真结果验证了所提模型的合理性： ( 4 )由于可再生能源发电所具有的间歇性使得微网系统承受扰动的能力相对较弱，储 能技术受到了广泛的关注，文中对比分析了多种能量型和功率型储能技术的应用场合、技术 分类、自身特性、研发进展和运用现状，对在微网系统中有较好应用前景的钠硫电池、锂离 子电池和全钒氧化还原液流电池三种新型电池储能技术的主要技术参数和特点进行了阐述， 选取钠硫电池这一适用于电力系统应用、适应范围广且已实现批量生产的设备为储能研究对 象，在进一步完善微网系统的经济运行优化模型基础上，考虑钠硫电池储能的参与及其运行 影响，以其实现削峰填谷应用为例，提出一种包含钠硫电池储能的微网系统经济运行优化模 型，并通过设计多种场景进行详细对比分析，实现了仿真验证； ( 5 ) 介绍了能量管理系统的发展概况，进行了微网能量管理方面的框架研究，分析归 纳出微网能量管理系统与传统能量管理系统的不同点，以及微网能量管理系统在研制开发过 程中有待关注的几个方面，给出微网能量管理系统应实现的关键功能，明确了一种微网能量 管理系统的设计目标及体系结构，并对微网能量管理系统中经济运行优化应用软件的设计开 发进行了重点阐述。 关键词：可再生能源；微网系统；分布式能源；运行控制；能量管理；经济运行优化：钠硫 电池；微网能量管理系统 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，i no r d e rt om a k ef u l lu s eo f d i s t r i b u t e de n e r g yr e s o u r c e $ ，m a n ya t t e n t i o n sa r cp a i d t oi n t e g r a t i o na n do p e r a t i o nc o n t r o lo fm i c r o g r i d ，w h i c hi sa l s oa ni m p o r t a n tp a r to fs m a r t 鲥d a sa n e we n e r g ys u p p l ya n dn e t w o r km a n a g e m e n tt e c h n o l o g y , m i c r o g r i dc o u l da l l o wr e n e w a b l ea n d c l e a nr e s o u r c e st op e n e t r a mi n t oau t i l i t y a tt h es a m et i m e ，i tc o u l da c h i e v ed e m a n d - s i d e m a n a g e m e n ta n dm a x i m u mu t i l i z a t i o no fe x i s t i n ge n e r g y i ti sf l e x i b l ea n dd i s p a t c h a b l e ，n a m e l yi t c o u l do p e r a t ei n 鲥d - c o n n e c t e do rs t a n d a l o n em o d ea n dc o u l ds w i t c hb e t w e e nt h et w om o d e s s e a m l e s s l y t h i sp a p e rf o c u s e so ni s s u e sr e l a t e dt o t h eo p e r a t i o no p t i m i z a t i o na n de n e r g y m a n a g e m e n to fm i c r o g r i d f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rg i v e sa l li n - d e p t hs t u d yo fd e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ha b o u tm i c r o g r i da t h o m ea n da b r o a d f r o mt h ev i e w p o i n to ft e c h n i c a lc o n n o t a t i o n ，t h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no fk e y t e c h n o l o g i e sf o rt h em i c r o g r i di sr e v i e w e d t h e s et e c h n o l o g i e si n c l u d es u c ha sm o d e l i n ga n d s i m u l a t i o nr e s e a r c hi nc o m p o n e n t - l e v e la n ds y s t e m l e v e l ，i s s u e sr e l a t e dt oo p e r a t i o nc o n t r o la n d e n e r g ym a n a g e m e n t ，m i c r o g r i de n v i r o n m e n t a la n de c o n o m i ce v a l u a t i o n s e c o n d l y , i nc o n t r a s tt ot r a d i t i o n a lp o w e rs y s t e m ，t w ok i n d so fc u r r e n ts t r u c t u r ea n dt h r e et y p e so f o p e r a t i o n a l c o n t r o lm e t h o d sf o rm i c r o g r i dd u r i n gt h es t a n d - a l o n em o d ea r cs u m m a r i z e da n d d e s c r i b e di nd e t a i l t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o no c c a s i o n so ft h o s em e t h o d sa r ec o m p a r e d b e s i d e s ，b a s e do ne x i s t i n ga c h i e v e m e n t so fe n e r g ym a n a g e m e n t ，t h ea u t h o rs u m su ps e v e r a la s p e c t s ， w h i c ha r ca b o u tn e wg e n e r a t i o no fe n e r g ym a n a g e m e n tf o rm i o r o g r i da n ds h o u l db ep a i dm o r e a t t e n t i o n ，t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ei m p a c t s ，s i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e sb e t w e e nt r a d i t i o n a le n e r g y g e n e r a t i o ns y s t e m sa n dd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o ns y s t e m s t h i r d l y , t h i sp a p e rs e l e c t s s o m ed i s t r i b u t e dg e n e r a t i o nt e c h n o l o g i e sa so b j e c t s ，w h i c ha r e r e l a t i v e l ym a t u r ea n dh a v eb e t t e rp r o s p e c t s a n dt h e i rr e l e v a n tf e a t u r e sa l es t u d i e da n da n a l y s e d t h e n ，b a s e do ns t e a d ys t a t ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e s ed i s t r i b u t e dg e n e r a t o r s ，t h i sp a p e rp r o p o s e sa n o p t i m i z a t i o na n dd i s p a t c hm o d e lo fm i c r o g r i d si nc e n t r a l i z e dc o n t r o l ，o b j e c t i v ef u n c t i o n sw i t h 瑚j n i m 协gt h ec o s to fo p e r a t i o no rd e p r e c i a t i o na n dm a x i m i z i n ge n v i r o n m e n t a lo rc o m p r e h e n s i v e b e n e f i t ，a n dt h r e ei n t e r a c t i v eo p e r a t i o n a lc o n t r o ls t r a t e g i e s t h ep r o b l e mi sf i g u r e do u tb yi m p r o v e d g e n e t i ca l g o r i t h ma d o p t i n gt o u r n a m e n ts e l e c t i o n ，s i n g l e - p o i n tc r o s s o v e ra n dg a u s s i a nm u t a t i o n i n a d d i t i o n ，t h em o d e li sv a l i d a t e db ys t u d y i n gas p e c i f i e dc a s e 嘶t 1 1d i f f e r e n tf a c t o r s t h e n ，e n e r g ys t o r a g et e c h n o l o g i e sh a v eb e e nw i d e s p r e a dc o n c e r n e d ，b e c a u s em i c r o g r i dt h a t i n c l u d e si n t e r m i t t e n tr e n e w a b l ee n e r g yp o w e rg e n e r a t i o n sc o u l dw i t h s t a n dr e l a t i v e l yw e a k d i s t u r b a n c e s t h ep a p e rg i v e sar e v i e wo l le n e r g ys t o r a g et e c h n o l o g i e s t h et e c h n i c a ld a t aa n d c h a r a c t e r i s t i c so fn a sb a t t e r y , l i t h i u m - i o nb a t t e r i e sa n dv a n a d i u mr e d o xf l o wb a t t e r ya r ed e s c r i b e d i nd e t a i l n a sb a t t e r yi st h e ns e l e c t e da st h eo b j e c t ri sc o m m e r c i a la n ds u i t a b l ei np o w e rs y s t e m a p p l i c a t i o n t h eb a t t e r ya l s oh a sv a r i o u sp e r f o r m a n c e s c o n s i d e r i n gt h eo p e r a t i o n a lm o d e sa n d i m p a c to fb a t t e r y ，a ne c o n o m i co p e r a t i o no p t i m i z a t i o nm o d e lf o rm i c r o g r i d si n c l u d i n gn a sb a t t e r y h a sb e e np r o p o s e d f u r t h e r m o r e ，t h em o d e li sv a l i d a t e db ys t u d y i n gas p e c i f i e dc a s ew i t hav a r i e t yo f s c e n a r i o s f i n a l l y , f r a m e w o r ko fm i c r o g r i de n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e mi s r e s e a r c h e di nt h i s p a r t t h e d i f f e r e n c e sb e t w e e nm i c r o g r i de n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e ma n dt r a d i t i o n a le n e r g ym a n a g e m e n t s y s t e m 哦p o i n t e do u t as u r v e yo fm i c r o g r i de n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e mi sp r e s e n t e d t h e s e a s p e c t s a r em a i n l yc o m p o s e do fd e v e l o p m e n ti s s u e s ，k e yf u n c t i o n s ，d e s i g no b j e c t i v e sa n d a r c h i t e c t u r ea b o u ts o f t , w a r e a n d , w i t h a l ，t h ea p p l i c a t i o no fe c o n o m i co p e r a t i o no p t i m i z a t i o nf o r m i c r o g r i d si se l a b o r a t e d k e y w o r d s ：r e n e w a b l ee n e r g yr e s o u r c e s , m i c r o g r i d s ；d i s t r i b u t e de n e r g yr e s o u r c e s ；o p e r a t i o na n d c o n t r o l ；e n e r g ym a n a g e m e n t ；e c o n o m i co p e r a t i o no p t i m i z a t i o n ；n a sb a t t e r y ：m i c r o g r i de n e r g y m a n a g e m e n ts y s t e m 致谢 在本文即将搁笔之际，谨向所有支持、帮助和关心过我的老师、亲人和同学们致以最诚 挚的感谢。首先感谢我的恩师丁明教授，恩师渊博的专业学识、严谨的治学态度和深厚的学 术造诣令我十分敬佩。从论文的选题到完成，自始至终都得到了丁老师的悉心指导，每当感 到“山穷水尽”时，总能在丁老师的指点下重见“柳暗花明”。师恩如山，师情似海，在此谨 向恩师表示深深的敬意和诚挚的谢意! 感谢能源所的茆美琴老师、苏建徽老师和张国荣老师。茆老师精深的理论水平和出色的 外语能力令我敬佩不已，非常感谢茆老师在课题研究期间给予的热情鼓励和悉心指导。感谢 苏老师和张老师几年来在学习和生活上给予的帮助，两位老师忘我的工作精神、严谨的治学 态度和对学生无微不至的关心令我受益匪浅。 光阴荏苒，在工大已近十年，期间得到了很多老师和同学们的关心和帮助。感谢电气与 自动化工程学院的杜雪芳老师、汪海宁老师、杜燕老师、刘宁老师、张健老师、陈林老师、 刘翔老师、李生虎老师、吴红斌老师、毕锐老师、李小燕老师、韩平平老师等老师们多年来 给予的关心和帮助，衷心祝福老师们身体健康、工作顺利! 感谢课题组的张征凯、吴伟、包 敏、马婉玲、金晓东、刘小平、杨为、徐宁舟等同学，他们给予了我很多指导和有价值的建 议。感谢杨向真、赖纪东、丁冠军、王京景、陈忠等诸位同学、师兄、师姐、师弟、师妹们 的关心与陪伴，和他们一起共同学习、相互鼓励，度过了很多难忘的时刻，祝愿大家都能心 想事成、幸福美满! 最后感谢我的家人多年来对我的养育和支持，父母的关心和鼓励是我前进的动力，我的 点滴收获无不凝聚着家人的心血! 谨以此文献给我的父母及恩师! 作者：张颖嫒 2 0 1 1 年3 月 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 微网技术研究概况2 1 2 1 微网简介2 1 2 2 国外研究概况4 1 2 3 国内研究概况7 1 3 微网研究中的关键技术8 1 3 1 微网系统的建模与仿真8 1 3 2 微网系统中的并网、保护与通讯技术8 1 3 3 微网系统的运行控制与能量管理1 0 1 3 4 微网系统的优化布局与设计：1 2 1 3 5 微网系统的环境与经济性评估1 2 1 4 论文的主要工作1 2 1 5 本章小结1 3 第二章微网系统的运行控制1 5 2 1 引言j 1 5 2 。2 常规电力系统的运行控制1 5 2 3 微网系统的运行控制结构6 0 1 6 2 3 1 对等控制1 6 2 3 2 分层控制1 7 2 4 微网系统的运行控制方法1 8 2 4 1 下垂控制1 9 2 4 2 主从控制2 1 2 4 3 多代理控制2 3 2 4 4 控制方法间的对比分析2 3 2 5 微网系统的能量管理2 4 2 6 本章小结2 6 第三章微网系统的经济运行优化2 7 3 1 引言2 7 3 2 分布式发电单元的特性和数学模型2 7 3 2 1 风力发电2 7 3 2 2 光伏发电2 9 3 2 3 燃料电池发电3 1 3 2 4 微型燃气轮机3 2 3 2 5 同步发电单元3 3 3 3 微网系统的经济运行优化建模3 4 3 3 1 目标函数3 4 3 3 2 约束条件3 6 3 4 微网系统的运行控制策略3 7 3 5 优化算法3 8 3 5 1 遗传算法简介3 8 3 5 2 算法的具体实现4 0 3 6 算例分析4 2 3 6 1 算例系统4 2 3 6 2 结果及讨论4 3 3 7 本章小结：4 7 第四章包含电池储能的微网系统经济运行优化4 9 4 1 引言4 9 4 2 分布式储能4 9 4 2 1 必要性和应用场合4 9 4 2 2 电能储能技术5 0 4 2 3 新型电池储能技术5 5 4 3 钠硫电池储能系统5 6 4 3 1 钠硫电池的特点5 6 4 3 2 钠硫电池储能系统的功能5 7 4 3 3 钠硫电池储能系统的特性描述5 7 4 4 含钠硫电池储能的微网运行优化建模5 9 4 5 算例分析6 2 4 5 1 算例系统6 2 4 5 2 求解算法6 2 4 5 3 结果及讨论6 4 4 6 本章小结7 0 第五章微网系统能量管理框架研究7 2 5 1 引言7 2 5 2 微网系统硬件平台：7 2 5 3 微网系统的能量管理软件平台7 3 5 3 1 研制m g e m s 有待关注的方面7 3 5 3 2m g e m s 的关键功能7 4 5 3 3m g e m s 的设计目标7 4 5 3 4m g e m s 的体系结构7 5 5 4 微网系统经济运行优化应用软件7 7 5 4 1 微网系统e d c 应用实现的信息流7 7 5 4 2 微网系统e d c 应用实现的数据流7 8 5 5 本章小结8 0 第六章总结与展望! 8 1 6 1 研究工作总结8 1 6 2 展望8 2 附录a 8 4 参考文献8 6 作者在攻读博士学位期间发表的论文9 5 插图清单 图i - i 微网系统的状态及其相互转移3 图i - 2c e r t s 的微网结构4 图1 - 3 欧盟的微网结构6 图2 - 1d e r 单元电力电子控制器的功能实现1 6 图2 2 多微网系统分层控制结构示意图1 7 图2 - 3 纯下垂控制1 9 图2 - 4 反向下垂控制2 0 图2 5 馈线潮流一频率( f f ) 下垂特性2 1 图2 - 6 单一主控单元运行控制2 2 图2 - 7 多个主控单元运行控制2 2 图2 - 8 欧盟微网m a s 结构示意图2 3 图3 - 1 风力发电机组出力计算流程2 8 图3 2 单个光伏电池等效电路2 9 图3 3 微型燃气轮机发电系统结构示意图3 3 图3 - 4 遗传算法求解微网系统经济运行优化实现流程4 0 图3 5 目标1 、策略i 、微网与主网间交互电价取平均电价时的系统出力优化结果4 3 图3 6 目标l 、策略2 、微网与主网问交互电价取平均电价时的系统出力优化结果4 4 图3 7 目标1 、策略3 、微网与主网间交互电价取平均电价时的系统出力优化结果4 4 图3 8 目标2 、策略2 、微网与主网间交互电价取平均电价时的系统出力优化结果4 5 图3 9 目标3 、策略2 、微网与主网间交互电价取平均电价时的系统出力优化结果4 6 图3 1 0 目标4 、策略2 、微网与主网间交互电价取平均电价时的系统出力优化结果4 6 图3 1 1 目标l 、策略3 、微网与主网间交互电价取实时电价时的系统出力优化结果4 7 图4 - 1 钠硫电池的可持续放电时间一脉冲因数关系趋势图5 8 图4 2 遗传算法求解包含钠硫电池储能的微网系统经济运行优化实现流程6 3 图4 3 策略1 、目标1 、微网与主网间交互电价取平均电价时的系统出力优化结果6 4 图4 4 策略2 、目标i 、微网与主网间交互电价取平均电价时的系统出力优化结果6 4 图4 5 策略3 、目标l 、微网与主网问交互电价取平均电价时的系统出力优化结果6 5 图4 6 策略2 、目标2 、微网与主网间交互电价取平均电价时的系统出力优化结果6 6 图4 7 策略2 、目标2 、微网与主网间交互电价取实时电价时的系统出力优化结果6 6 图4 8 策略3 、目标1 、微网与主网间交互电价取实时电价时的系统出力优化结果6 7 图4 9 策略3 、目标2 、微网与主网间交互电价取实时电价时的系统出力优化结果6 8 图4 1 0 策略3 、目标3 、微网与主网间交互电价取实时电价时的系统出力优化结果6 8 图4 - 1 1 策略3 、目标4 、微网与主网间交互电价取实时电价时的系统出力优化结果6 9 图5 一l 微网系统硬件平台示意图7 2 图5 - 2m g e m s 软件体系结构示意图7 5 图5 3 微网系统e d c 应用实现信息流示意图+ 7 8 图5 4 微网系统e d c 应用实现流程图7 9 图a 1 负荷需求8 4 图a 2 可再生能源子系统发电预测8 4 表格清单 表3 - 1 不同类型燃料电池的基本特性d * d j 3 l 表3 2 微网中的d e r 子系统4 3 表3 3 目标1 、主网平均电价、不同策略所需费用4 5 表3 4 目标1 、策略3 、微网与主网间交互电价不同类型所需费用4 7 表4 1 储能技术特性对比( 1 ) 5 2 表4 2 储能技术特性对比( 2 ) 5 2 表4 3 储能技术特性对比( 3 ) 5 3 表4 4 储能技术特性对比( 4 ) 5 3 表4 5 储能技术特性对比( 5 ) 5 4 表4 6 钠硫电池的几种常见放电模式5 7 表4 7 微网中的i x 子系统6 2 表4 - 8 钠硫电池储能模块6 2 表4 9 目标1 、微网与主网间交互电价为平均电价、选取不同策略时所需费用6 5 表4 1 0 策略2 、目标2 、微网与主网间交互电价选取不同类型时所需费用6 7 表4 1 1 策略3 、微网与主网间交互电价取实时电价、选取不同优化目标时所需费用6 9 表4 1 2 策略3 、微网与主网间交互电价取实时电价、目标3 时所需费用6 9 表a l 主网系统实时电价8 5 表a 2d g 单元的运行管理系数8 5 表a 3 钠硫电池削峰填谷应用下有关费用8 5 表a 4 污染物治理费用及排放系数8 5 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。近年来，能源需求在持续增长，而化 石能源日趋枯竭，核能发展受到一定的限制，能源问题愈来愈成为世界各国面临的一个严峻 挑战。此外，电力系统结构在不断老化，用户对电能质量的要求标准越来越高，且面临着环 境问题、能源利用效率瓶颈等问题，这使得开发利用可再生能源资源、构建可持续能源系统 逐渐成为全社会的共识与必然的发展趋势。我国亦相继出台了中华人民共和国可再生能源 法、可再生能源中长期发展规划、可再生能源发展“十一五”规划等一系列法规及配 套政策措施，且以风力发电和光伏发电为代表的可再生能源发展已成为我国能源战略调整、 节能减排的重要内容【l 巧】。 分布式发电以其能就地消化电力，节省输变电投资和运行费用，减少集中输电的线路损 耗；与大电网供电互为补充，减少电网容量，改善电网峰谷性能，提高供电可靠性，可以减 少对环境的污染等优点逐渐受到了广泛关注们。 分布式发电( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，d g ) 通常指的是发电功率在数十千瓦到数十兆瓦， 布置在用户附近的、采用先进信息控制技术的、高效、可靠、环保的小型模块化、分散式发 电形式。 分布式电源的类型因划分依据不同而有所不同。一方面按照所利用的能源不同，可将d g 电源划分为： ( 1 ) 利用天然气等为能源但可通过( 冷) 热电联供及能源梯级利用等形式提高能源利用 效率的电源，如燃气轮机、内燃机、微型燃气轮机等； ( 2 ) 利用氢气等为能源可通过直接化学反应的电源，如燃料电池等； ( 3 ) 利用可再生能源为一次能源的电源，如太阳能发电系统、风能发电系统、生物质能 发电系统、小型水力发电系统、地热能发电系统、海洋能发电系统等形式。 另一方面按照与系统网络接口的不同，d g 电源可被划分为： ( 1 ) 同步发电单元，如柴油机、资源综合利用的小火电等单元： ( 2 ) 采用电力电子接口的单元，如太阳能发电系统、风能发电系统、燃料电池、微型燃 气轮机等。 分布式发电的特征主要有以下几个方面： 大多利用新型能源形式及发电技术； 模块化设计，建设周期短，维修简单； d g 电源容量较小，电压等级较低，靠近负荷中心，通常接入配电系统； 运行方式灵活，既可独立于公共电网直接为少量用户提供电能，也可将其接入配电 2 合肥工业大学博士学位论文 网络，与公共电网一起共同为用户提供电能； 分布式发电最大的优势在于可以充分开发利用当地可方便获取的各种能源，并提高 能源的利用效率，这些能源既包括化石能源也包括可再生能源。 凭借上述优势，分布式发电得到了迅速发展。然而，d g 的引入将会给整个电网带来深刻 的影响 6 - 9 ，1 1 。1 7 】。若1 3 ( 3 与公共电网并网运行，将会使得配电网中各支路的潮流不再是单方向 地流动，这将引发一系列的问题。配电网中引入少量的d g 对整个电网不会构成太大的影响， 而当电网中存在较多的d g 或存在大容量的d g 单元时，d g 的引入将对系统的电压形态、网 损、电压闪烁、谐波、短路电流、有功及无功潮流、电路元件的热负荷、暂态稳定、动态稳 定、频率控制等特性有较大的影响，盲目的引入d g 甚至有可能使系统的可靠性、稳定性以及 电能质量恶化。此外，以风能、太阳能等可再生能源为一次能源的分布式发电系统的输出一 般具有不可控性、间歇性及随机波动性，其渗透率的提高也增加了对电力系统稳定性的负面 影响。根据文献【1 8 】，当电力系统发生故障时，分布式电源必须马上退出运行，这使得分布式 电源的效益没能得到充分地发挥。基于此，研究人员提出了一种新的分布式能源组织方式和 结构兹网( m i c r o g r i d ) 。 微网是一种新型能源网络化供应与管理技术，能给可再生能源系统的接入提供便利、实 现需求侧管理及现有能源的最大化利用。尽管对微网的定义不尽相同，但国际上基本认为： 微网是由各种分布式电源微电源、储能单元、负荷以及监控、保护装置组成的集合；具有灵 活的运行方式和可调度性能，即能在并网运行和孤岛( 自主) 运行2 种模式间切换；通过相关控 制装置间的协调配合，可以同时向用户提供电能和热能；根据实际情况，系统容量一般为数 千瓦至数兆瓦；通常接在低压或中压配电网络中n 9 - 2 7 。 与分布式发电技术不同的是：对于主网系统来说，微网系统因其具有灵活的运行方式和可 调度性能，故可被视为一个可控单元；对于终端用户来说，微网系统通过不同装置间的配合可 满足他们各自的特定需求；同时，微网系统和主网系统之间可进行能量交互，互为备用，增强 供电的可靠性。故而，基于电力电子技术的包含太阳能、风能等多种分布式发电技术间的配合 及其与储能系统相结合的微网系统的集成与控制成为近年来研究可再生能源应用与分布式能源 系统的热点，这也是智能电网建设中的一个重要组成部分【2 1 。3 9 。 1 2 微网技术研究概况 1 2 1 微网简介 微网( m i c r o g r i d ) 是上世纪9 0 年代末期由美国电力可靠性技术解决方案协会( t h e c o n s o r t i u mf 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 ) 最早提出的，它是一种在能量 供应系统中增加可再生能源和分布式能源渗透率的新兴能量传输模式，其组成部分包括不同 种类的分布式能源( d i s t r i b u t e de n e r g y1 他s o t l l c e s ，d e r ) 、各种电负荷和戚热负荷的用户终端以 及相关的监控、保护装置。微网中的分布式能源也被称为微电源( m i c r o s o u r c e ) 【1 9 1 。d e r 单 元可被分为具有不同容量和特性的分布式发电单元( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，d g ) 或分布式储能单 第一章绪论 3 元( d i s t r i b u t e ds t o r a g e ，d s ) 2 种类型。负荷分为敏感性负荷和非敏感性负荷( 可调节负荷、可 中断负荷) 【2 5 】。 微网是一种可以实现自我控制、保护和管理的自治系统。它在工作中存在与主网( 公共 电网) 并网运行、孤岛( 自主) 运行两种典型的稳态运行状态和两种过渡状态，过渡状态是 指正常运行下微网与主网间解列、并列的过渡状态以及微网从停运状态通过黑启动恢复控制 向稳态运行转移的系统恢复过渡状态。它的上述几种状态及其相互间转移关系如图1 - l 所示