（电力系统及其自动化专业论文）微电源运行建模与动态行为分析.pdf

广东工业大学硕士学位论文 整的微电网运行仿真数字实验平台的搭建，具有一定的理论意义和参考价值。 关键字：微型燃气轮机，光伏电池，风力发电机，微电网 人b s t r a c t a b s t r a c t b a s e do nt h ec o n s i d e r a t i o no f t h e e x h a u s t i n go ff o s s i lr e s o u r c ea n dt h ep r o t e c t i o n o f t h ee n v i r o n m e n t ，b e s i d e s ，p r o v i d ep o w e rd e p e n d so nb i gp o w e rn e t w o r ko r # e x i s t s a f e t yl i m i t a t i o n b e c a u s ed i s t r i b u t e dp o w e rs u p p l yi sc o n n e c t e dw i t ht h eu s e r s c l o s e l y ， a n dd i s t r i b u t e dp o w e rs u p p l yi su n c o n t r o l i a b l ep o w e r s u p p l yc o m p a r e dw i t h t h eb i gp o w e rn e t w o r k w h e nt h ep o w e rn e t w o r ko c c u rf a u l t ，w eo f t e nn e e dt of o r m i s o l a t e ds m a l lp o w e rn e t w o r ko 由i n c l u d et h ed i s t r i b u t i n gp o w e r s u p p l ya n dt h eu s e r s ， t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho nt h i sn e w p o w e rn e t w o r k - - m i c r o g r i dp r e s e n ti t s e l f m i c r o g r i d i n t e g r a t e sd i s t r i b u t e dp o w e rs u p p l y 、p o w e rs t o r a g ee q u i p m e n t 、c o n t r o ls y s t e mw i t h l o a d ，w h i c hi st h em a i no p e r a t i n gm o d ei nt h ef u t u r e sd i s t r i b u t e d p o w e r s u p p l y r e s e a r c h i n ga n dm a s t e r i n gp o w e rn e t w o r k sk e yt h e o r ya n dc o n t r o lt e c h n o l o g y i sh e l p f u lf o rt h ew i d e l yu s a g eo ft h er e p r o d u c i b l er e s o u r c ee f f e c t i v e l ya n dt h e i m p l e m e n t i n go f o u rc o u n t r y se n e r g ys t r a t e g y t h i sp a p e rt o o kt h r e ek i n d so f m i c r op o w e ra sr e s e a r c ho b j e c t i v e ，o nt h eb a s i so f a n a l y z i n gt h em i c r op o w e r sw o r k i n gp r i n c i p l e ，b u n tt h e i rs i m u l a t i o nm o d e l ， i n v e s t i g a t e d i t ss t a b l ea n dt r a n s i e n ts t a t e o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c hl a i d f o u n d a t i o nf o rt h eb u i l d i n go fm i c r o g r i d ss i m u l a t i o nm o d e la n dt h ea n a l y s i so ft h e m i c r o g r i d so p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c t h em a i nr e s e a r c hw o r ka sf o l l o w s ： 1 a n a l y z et h em i c r o m r b i n e sw o r k i n gp r i n c i p l ea n dd y n a m i cs t a t e 、s t a b l es t a t e c h a r a c t e r i s t i c s ，b a s eo nt h em i c r o t u r b i n e sm a t h e m a t i cm o d e l ，b u u dt h em i c r o t u r b i n e s s i m u l a t i o nm o d e l ，i n v e s t i g a t et h em i c r o t u r b i n e ss t a r t 吨a n dl o a d t r a c k i n gs t a t u s 2 a n a l y z et h ep h o t o v o l t a i cc e l l sw o r k i n gp r i n c i p l eo fp o w e rg e n e r a t i o na n d d y n a m i cs t a t e 、s t a b l es t a t ec h a r a c t e r i s t i c s ，b a s eo nt h ep h o t o v o l t a i cc e l l sm a t h e m a t i c m o d e l ， b u i l tt h ep h o t o v o l t a i cc e l l ss i m u l a t i o nm o d e l a n a l y z ea n dc o m p a r es e v e r a l k i n d so fm e t h o d so fm a x i m u m p o w e rp o i n tt r a c k i n g ，d e s i g nt h ep r o g r a mo fi m p r o v e d v a r i a b l es t e pm a x i n l u l t lp o w e rp o 缸t r a c k i n g t h ep v a r r a yc a no p e r a t ec o n n e c t e dw i t h b i gp o w e rn e t w o r kb yu s i n gt h ed c a ci n v e r tt e c h n o l o g y 3 a n a l y z et h ew i n dp o w e rg e n e r a t o r sw o r k i n gp r i n c i p l ea n dd y n a m i cs t a t e 、 s t a b l es t a t ec h a r a c t e r i s t i c ，b u 埘t h es i m u l a t i o nm o d e lo fw i n dp o w e rg e n e r a t o r - - i 广东t 业大学硕十学位论文 a s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ，t h e ns i m u l a t ea n da n a l y z et h ew i n dp o w e rg e n e r a t o rs e t s o p e r a t i n g s t a t u s 4 b u i l dm i c r o g r i d ss i m u l a t i o nm o d e lt h a ti n c l u d et h r e ek i n d so fm i c r op o w e r s u p p l ys u c ha sm i c r o t u r b i n e 、p va r r a ya n dw i n dp o w e rg e n e r a t o r a n dt a b l es o m e p r o p o s a lf o rt h es t e a d yo p e r a t i o no fm i c r o g r i d ，d os i m u l a t i o nt oa n a l y z et h e m i c r o t u r b i n ea n dw i n dp o w e rg e n e r a t o r sp a r a l l e lo p e r a t i o ns t a t u s t h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h es i m u l a t i o nm o d e l sb u i l d i n go f m i c r op o w e rs u p p l y a n dm i c r o g r i d 、o p e r a t i n gc o n t r o lr e s e a r c hs t a t u s b u i l tt h r e ek i n d so f m i c r op o w e r s u p p l ys i m u l a t i o nm o d e l s ，t h e na n a l y z e d t h e i ri n d e p e n d e n ta n dn e t w o r kp a r a l l e l o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c b u i l dm i c r o g r i ds i m u l a t i o nm o d e l st h a tc o n t a i n e dt h r e ek i n d s o f m i c r op o w e rs u p p l y ，s i m u l a t e da n da n a l y z e dt h em i c r o t u r b i n ea n dt h ew i n dp o w e r g e n e r a t o r sp a r a l l e lo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c a l lt h ew o r kb e n e f i t e df o rt h eb u i l d i n go f t h ec o m p l e t em i c r o g r i d sd i g i t a lo p e r a t i n ge x p e r i m e n tp l a t f o r m ，a n dt h ew o r kc a r r i e d o u tb yt h i ss t u d yh a v es o m et h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dg o o dr e f e r e n c ev a l u e k e y w o r d s ：m i c r o t u r b i n e ，p h o t o v o l t a i cc e l l ，w i n dg e n e r a t o r ，m i c r o g r i d i v 广东- t 业大学硕十学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，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。不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 论文作者签字： 指导教师签字： 叶瘁 烈嘲 2 0 0 9 年5 月3 0 日 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 随着国民经济的迅猛发展，电力需求快速增长。过去几十年里，电力部门多 把投资集中在建设大型集中电站和超高压远距离输电网上。随着电网规模的扩 大，其运行难度大，应对突发性灾害事故能力弱的弊端逐渐凸现。近年来，世界 范围内接连发生大面积停电事故，充分显露了集中式发电的不足和大电网的脆弱 性。2 0 0 3 年8 月1 4 日，美加爆发了历史上停电范围最大的大停电事故。这次大 停电造成美国8 个州以及加拿大的安大略省的电力中断，受影响的人口高达5 千 万。可见，以大机组、高电压、长距离输电为主要特征的集中供电大电网，尽管 具有优化资源配置、统筹协调，统一调度，避免重复建设等优势，但在发生故障 时可z h , , 匕1 5 引起大面积停电甚至电网解列或电网崩溃等灾难性后果，难以满足用户越 来越高的安全可靠性要求和多元化的供能需求。不仅如此，传统的燃煤发电方式 还给人类赖以生存的环境和生态平衡带来了灾难性的影响。伴随着全球能源消耗 的持续增长，传统化石能源的可开采量却逐年下降。基于化石能源日益枯竭和环 境保护的考虑，世界各国都把开发利用新的可再生能源纳入国家发展计划 1 】。我 国国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 - - 2 0 2 0 年) 中明确提出要大力 开展“可再生能源低成本规模化开发利用”及“间歇式电源并网及输配电技术”。在 上述背景下，分布式发电技术被提上了日程，受到前所未有的重视与关注。 分布式发电也称分散式发电或分布式供能，指将相对小型的发电装置 ( 5 0 m w 以下) 分散布置在用户( 负荷) 现场或附近的发电( 供能) 方式。分布 式电源包括小水电机组、风力发电机组、太阳能电站、燃料电池组等，具有能效 高、污染少、可靠性高、安装地点灵活等多方面的优点。其实，小电源分散发电 并非新概念，早期的电力系统都是规模较小的分散独立系统。随着交流高压远距 离输电技术的发展，联网的规模效益日趋显著，人们开始将各分散系统连接起来 并网运行。2 0 世纪6 0 年代的几次大停电事故后，有人开始对集中供电提出质疑， 但其后并未开展深入研究。直至2 0 世纪9 0 年代，人们才开始对分布式发电系统 的潜在效益进行深入研究，并发表了许多研究报告和论文，取得了突破性进展。 分布式发电分散性的特点很好地适应了电力需求和资源分布的分散性，延缓了 广东工业大学硕士学位论文 输、配电网升级换代所需的巨额投资，可为大规模电力系统提供有力补充和有效 支撑，既是解决一次能源危机的有效途径，又与环境兼容，契合了和谐社会清洁 发电的要求，是2 1 世纪电力工业的发展方向【2 】。 分布式发电尽管优点突出，但往往具有成本高、发电出力波动性强、控制复 杂等不足，相对大电网是随机不可控源。为此，i e e ep 1 5 4 7 对分布式电源的入网 标准做出规定：当电力系统发生故障时，分布式电源必须马上退出运行，以减小 对大电网的影响。因此，以往有关分布式发电的研究大多集中于其对大电网的影 响及相应的分布式电源规划运行和控制保护技术，忽视了分布式电源的另一个重 要功能，即：在失去大电网供电时，为分散的用户提供后备电源和安全电源。为 了充分挖掘分布式电源为电网和用户带来的效益，单独研究分布式发电显然是不 够的，新型电网。微电网的概念应运而生。微电网( m i c r o g r i d ) 将分布式电源、 负荷、储能装置、能量变换设施和控制装置集成为一个系统进行综合控制，具有 下述特点： ( 1 ) 电源形式多样，这些分布式电源( 在微电网中，又称“微电源”) 常具 有一定的互补性，大多借助电力电子变换装置实施控制，可以快速进行调节。 ( 2 ) 接在用户侧，具有低成本、低电压、低污染等特点。 ( 3 ) 通过静态开关与配电网联系，具有灵活的运行模式，既可在正常情况 下与大电网并网运行，又可在电网故障或需要时与主网断开独立运行。 可见，微电网具有双重角色。对于公用电力企业，微电网可视为电力系统的 “可控移动硬盘”，可以在数秒内做出响应以满足传输系统的需要；对于用户，微 电网可视为一个可定制电源，以满足用户多样化的需求，如：增强局部供电可靠 性，降低电损耗，支持当地电压，通过废热利用提高效率或作为不可中断电源， 等。微电网具有不同的运行工况。与电力系统并网时，是一个可调度电源或负荷， 用户可从配电网和微电网两方面获得电能供给。独立运行时则构成一个孤立系 统，需要平衡电源的发电出力和负荷的用电需求。两者之间的切换必须平滑而快 速。微电网是配电网和分布式发电之间的桥梁，是未来分布式电源运行的主要模 式。可以预计，未来的配电系统将由传统的配电系统和大量分布在配电系统供电 区域内的微电网混合组成。 与大型单个发电机不同，组成微电网的大量小型发电机考虑了更多的剩余， 从而有助于提高供电的安全性，这也就使它成为了大电网的一个固定而有力的资 2 第章绪论 源。微电网还可通过注入或吸收有功功率和无功功率使大电网的电压和频率保持 在稳定值，从而为电力系统提供电压和频率控制。在没有大电网电力的情况下， 可以通过微电网启动大型发电机，从而实现大电网严重故障后的黑启动。作为一 种不间断电力供应，孤岛运行的微电网还可用于高敏感性负荷和工业生产，保障 供电的可靠性，同时缓解峰荷时的用电紧张。 目前，以风力发电、燃气发电、光伏发电等为代表的分布式发电设备的制造 水平已经有了很大提高，在一些发达国家的应用也逐步走向成熟。但微电网技术 在国际上还属于新兴的热点课题，关于微电网系统安全经济运行规律的探讨尚十 分缺乏，严重制约了其进一步发展。如何建立准确的新能源发电系统和动态负荷 仿真平台，如何实现配电系统和微电网间柔性、可控的连接，保证微电网灵活地 独立或并网运行，保证配电系统和微电网的运行安全性、可靠性和经济性，尚有 较多的科学和技术问题亟待解决。 回首电力系统运行分析理论的发展历程，可见电力系统运行仿真技术的进步 有力促进了电力系统分析与控制技术的发展。同样地，微电网系统的建模与仿真 技术也是微电网研究的起点，可为进一步深层次的理论探讨提供不可或缺的研究 平台和验证手段。本文重点发展含风力发电、太阳能光伏电池、微型燃气轮机等 分布式电源的微电网系统的运行仿真技术，探讨微电网系统的建模理论与仿真算 法等重要基础理论性问题，不仅可为微电网系统正常状态及故障条件下的行为分 析提供可靠的数字仿真平台，而且可为微电网系统进一步深层次的运行优化理论 和控制策略的发展打下坚实的基础，从而促进与推动微电网技术的发展。 1 2 国内外研究现状及存在的问题 1 2 1 微电网控制与优化运行的研究 为解决分布式电源接入大电网的安全可靠性问题，美国电力可靠性解决方案 协会( c e r t s 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 ) 于2 0 0 2 年 首次提出“微电网”的概念 3 】，这也是是众多微电网概念中最具权威性的一个。文 献【4 7 】系统地概括了c e r t s 关于微电网的概念、结构、控制、保护及效益分析 的一系列理论研究成果，对微电网的关键技术问题进行了描述和总结。目前， c e r t s 关于微电网的初步理论研究成果已在实验室微电网平台上得到了成功检 3 广东工业大学硕士学位论文 验 8 ，9 】，是微电网研究中最为系统化和最具代表性的成果。基于电力电子技术 的“即插即用”与哆c 寸等”的控制思想，c e r t s 微电网技术的核心理念是：根据微电 网控制要求，灵活选择与传统发电机相类似的下垂特性曲线进行控制，将系统的 不平衡功率动态分配给各机组承担，具有简单、可靠、易于实现的特点。但该方 法没有考虑系统电压与频率的恢复问题，也就是类似传统发电机中的二次调整问 题，因此在微电网遭受严重扰动时，系统的频率质量可能无法保证。 美、加其他机构也对微电网的研究表现出浓厚的兴趣。文献 1 0 提出一种单 相高频微电网系统，着重探讨了微电网的谐波治理和潮流控制问题，对蓄电池的 充、放电策略也进行了讨论。 欧盟多年来一直重视可再生能源与分布式发电领域的研究工作，已将研究适 用于分布式电源接入、具有更高灵活性和更高可靠性的新一代配电网运行技术， 设定为未来核心战略技术【1 1 , 1 2 ，所属各国近年来在微电网领域进行了广泛的研 究。 1 孤岛方式下微电网的运行控制的研究 为了保证微电网在孤岛方式下可靠运行，文献 1 3 】对电力电子界面微电源逆 变器的定功率控制及下垂控制的运行特性和适用性进行了分析，发展了两种微电 网控制策略并对其进行了比较。 针对微电网的运行控制问题，文献 1 4 1 提出了基于多代j 里( m a s ) 技术的微电 网控制框架，建立了含上级电网a g e n t 、微电网a g e n t 、元件a g e n t 的3 层多代理 控制体系，对其中各a g e n t 的具体功能及其协调策略进行了讨论，认为m a s 可 以通过各a g e n t 之间的协调控制实现能量的灵活调度，使微电网高效、稳定运行。 以i e e e 9 节点系统为算例，在一天的9 ：0 0 - - 2 1 ：0 0 时段，以微电网发电效率最大 化为目标，分析经过m a s 协调控制后各元件运行情况。算例表明在电力电子元 件大量使用、含多种分布式电源的微电网中，m a s 是实现协调控制的最佳选择 之一。 文献 1 5 1 将电力系统小干扰稳定性分析方法引入微电网系统，建立了微电网 系统的线性化状态空间模型，该模型考虑了微电源的有功和无功控制策略，可用 于研究微电网的动态特性，选择微电源的控制参数，探讨系统动态相对参数和状 态变化的灵敏度，优化微电网运行特性。文献 1 6 在考虑控制器单元、功率测量 4 第一章绪论 单元以及整个网络动态特性的基础上建立了微网的小信号状态空间模型。利用该 模型求取了微网在不同稳态工作点的系统特征值，利用特征值分析方法和时域仿 真方法分析了负荷阻抗变化、等效线路阻抗变化和下垂控制器的下垂增益变化对 系统小信号频率稳定性的影响。研究了微网中采用p f 和q v 下垂控制的多个微 型电源同时参与系统频率调节时的微网小信号频率稳定性问题。文献 1 7 1 分析了 典型微电网中逆变器并联系统的有功功率和无功功率环流模型，并针对传统下垂 法控制的微电网并联逆变器的输出电压幅值和频率的不稳定问题，提出了一种改 进的自调节下垂系数控制法，有效减小了微电网负荷突变等情况下母线电压幅值 及频率的波动，通过仿真和实验验证了控制策略的可行性和有效性。 2 并网方式下微电网的运行控制的研究 在实现微电网与大电网并网稳定运行方面，文献【1 8 】对分布式发电的各种并 网运行方式进行了可靠性评估。推导出评估d g 并网运行方式对供电可靠性影响 的数学模型和s a i f i - i s l a n d 曲线，计算并对比了d g 在重合闸、防孤岛保护、 孤岛运行等不同运行方式下的供电可靠性指标。分析结果表明，与重合闸相结合 的计划孤岛模式能较好地改善供电可靠性。文献 1 9 通过算例仿真研究了不同分 布式电源配置方案下低压微网从并网模式向孤网模式转换的动态运行特性，获得 了分布式电源的功率、微网电压和频率的变化规律。 对于发电容量小于负荷需求的微电网，若发生瞬时性故障，为保证微电网的安 全运行，文献 2 0 】提出用超级电容器向孤岛运行的微网提供短时功率缺额，保持 全部负荷并等待重合闸，可以在不损失负荷的前提条件下保证微电网供电的可靠 性，通过理论分析和仿真计算证明了方法的合理性。 并网条件下，若电力系统发生故障，应迅速断开微电网与大电网的连接，实 现微电网的孤岛运行。而在故障排除后，微电网又应顺利与大电网连接并网运行。 文献【2 l 】论述了电力电子技术在分布式发电和微电网中的应用，认为合理使用电 力电子器件等能减少频率偏移、电压波动和闪变等电能质量问题，逆变器等电力电 子器件应在微电网并网孤岛运行两种模式问的转换过渡过程中发挥重要作用。 3 微电网的优化运行的研究 在微电网的优化运行方面，文献 2 2 】在一个小型分布式发电系统的基础上， 建立分布式供能系统的调度策略和经济调度模型，考虑微电源的约束条件，用改 广东t 业大学硕十学位论文 进的遗传算法进行求解，使得分布式微网系统能够实现热电联供，满足用户的需 求。算例系统验证了模型与算法的可行性。文献 2 3 】基于文献 1 4 1 多代理技术基础 上发展了一种微电网的市场运行模式，实现微电网与主网间的最优能量交换及微 电源间的出力分配，满足微电网运行的经济性和负荷的用电需求。 对于含内燃栅热电联供机组光伏电池风力发电机组的微电网系统，文献 2 4 】 简要介绍了微电源问现有的功率分配方法，接着在满足微电网电、热双重需求的 约束条件下，以系统运行成本( 燃料耗量) 最低为目标，提出了优化的功率分配 方案，最后对各种功率分配方式下系统的燃料耗量进行了对比，验证了所提策略 的合理性和有效性。 1 2 2 微电源建模与控制的研究 作为微电网最重要的单元微电源，它的稳定运行是保障微电网安全稳定运 行的关键，因此微型燃气轮机、光伏电池阵列和风力发电机等微电源也是学术界 和工程界的研究热点。 1 微型燃气轮机的研究 文献【2 5 】为了满足微型燃气轮机发电系统的并网要求，降低变换器的成本和 提高可靠性，提出一种耦合虚拟磁链观测方案以解决磁链观测的偏置和启动电流 突跳问题，获得了无电网电压传感器的虚拟磁链同步旋转坐标系统，设计了基于 改进虚拟磁链观测器的直接功率控制策略的新型并网控制器。并通过仿真和实验 结果表明，这种新型并网控制器能够稳定运行，能量传输具有快速性和稳定性。 文献【2 6 】在s i m u l i n k 仿真平台上，采取模块化建模方法，建立了微型燃气轮机的 动态仿真模型，分析研究了微型燃气轮机的启动特性。针对微型燃气轮机的转速控 制，文献 2 7 】设计了一种新的神经网络p i d 控制器，确保系统的稳定性、快速性 和准确性，并仿真研究表明该算法具有良好的控制效果。文献 2 8 ，2 9 在建立微 型燃气轮机冷热电三联产系统数学模型的基础上，论述了冷热电联产的经济性。 文献【3 0 】则对微型燃气轮机冷热电联供系统的几种方案进行了研究，对几种运行 方案分别进行了优化，并对其运行策略进行了分析。文献 3 1 禾l j 用能级分析方法 对联供系统进行了分析，对联供系统的几种评价指标进行了比较，得出了各个季节 联供系统的适用度。 6 第一章绪论 2 光伏阵列发电的研究 文献 3 2 - - 3 5 1 研究分析了光伏电池的数学模型，各自在m a t l a b 软件上建立了 带有最大功率跟踪的光伏电池模型，仿真验证了模型的正确性。可以用于光伏发 电系统和风光复合发电系统的动态仿真。文献 3 6 】提出基于n a s a 资源数据的、 以风力发电机为基础的风光互补发电系统设计计算模型，还开发了用于风光互补 发电系统配置的计算程序，并利用该程序进行了实例分析和计算，实践表明这种 方法是切实可行的。文献 3 7 】基于模糊控制的风光互补能源系统，在周密考虑了 各项因素对蓄电池影响的基础上，通过专家数据完善了模糊规则库，建立合理的 模糊充电控制结构。在实践应用中证明f u z z y p i d 对具有延迟及模型结构和参数 不确定的风光互补能源系统有良好的控制效果。文献 3 8 】以在昆明滇池生态修复 系统项目中的应用为实例，根据昆明地区的风速资料和当地水平面上各个月份的 平均太阳总辐照量和直接辐照量考虑，对以风力发电为主，光伏发电为辅和以光 伏发电为主，风力发电为辅两种风光互补系统方案进行了优化配置。为风光互补 系统的设计制造提供理论和实际应用的依据。文献 3 9 1 建立了燃料电池一光伏混合 发电系统的动态数学模型，采用滑模控制技术设计混合发电系统控制器。最后仿 真分析了混合发电系统的动态特性和控制器的性能。仿真结果表明滑模控制器能 够对发电系统进行有效控制，发电系统具有良好的动态特性。能够满足实际使用 需要。 3 风力发电机的研究 文献 4 0 - - 4 2 分析了风力发电技术的发展趋势和前景。文献 4 3 】介绍了仿真技 术在风力发电系统的总体应用情况，阐述了仿真技术应用对于提高我国风电设备 制造及安全运行水平的重要意义。文献 4 4 1 分析了风电场并网对系统正常运行造 成的影响，提出了一些相应的改善措施。文献1 4 5 建立了包括不同发电机模型和 传动轴系模型的风力机组模型，对5 种不同风力机组模型在三相短路情况下的暂 态过程进行了比较研究，并通过时域仿真计算了各模型下的临界切除时间；最后， 研究了风力机模型不同参数对机组暂态稳定性的影响。结果分析表明，采用不同 风力机组模型对其暂态稳定性分析结果的影响很大。文献 4 6 建立了三相电压型 p w m 逆变器在三相静止坐标系和两相旋转坐标系下的数学模型，研究其前馈解 耦控制策略，设计了三相电压型p w m 逆变器控制系统。并通过仿真证明设计的 7 广东t 业大学硕十学位论文 并网变流器具有良好的鲁棒性和稳定性。文献 4 7 】对风力发电技术进行综述，分 析研究了变速恒频双馈风力发电机组实现风能最大捕获的功率控制策略，并通过 研究表明，基于风速的功率控制方法，提高了风力发电机组风能利用效率。文献 【4 8 】基于风力发电系统的结构原理及性能指标的分析，比较了几种常用的风电系 统控制技术。着重介绍了一种模糊控制技术，通过控制导通角改变输出电压方式， 实现了风力发电机输出功率最大的控制策略。文献 4 9 】以双馈风力发电机为例， 为了最大限度利用风能，增加风力发电机组发电量，简要介绍了双馈风力发电系 统结构及其部分数学模型，分析了最大风能追踪的机理及最大风能追踪的实现过 程，并给出了采用双馈电机定子磁链定向的矢量控制策略实现最大风能追踪的方 法。最后利用m a t l a b s i m u l i n k 对控制策略的可行性进行仿真验证并得出该方案可 行的结论。文献 5 0 】利用坐标变换技术，推导出无刷双馈风力发电机在控制绕组 坐标下的数学模型。在m a t l a b s i m u l i n k 环境下搭建了相应的系统仿真模块，对变 速恒频无刷双馈风力发电机模型进行了仿真研究。 近年来，我国政府十分重视可再生能源技术的发展，在国家九五”，十五” 以及“8 6 3 ”计划中都把并网光伏发电技术和大型风电技术及其产业化作为重点课 题予以扶持，并攻克了5 - - 5 0 k w p 并网光伏发电系统中一些关键技术以及6 0 0 k w 、 兆瓦级并网发电机组的一些关键技术。对于分布式发电技术和分布式储能技术也 取得了一定的进展 5 1 - - 5 4 ，但对微电网的研究则基本处于文献综述阶段 5 5 ，5 6 ， 深层次的研究工作尚属空白。 可见，新型电网微电网系统在国内外已受到日益广泛的关注。但总体说来， 该领域的研究在国际上尚处于起步阶段，各项研究还主要侧重于理念的发展、控 制策略的评估、具体案例的分析以及关键设备运行可靠性的分析上，所提出的系 统方案还存在简单化和泛化性差等问题，关于微电网系统基础理论的探讨及其蕴 含的深层次科学问题的研究仍有待进一步深入，而进行这些研究的前提就是搭建 一个微电网系统运行仿真数字试验平台。微电源是微电网的重要组成部分，本文 重点探讨了三种常见微电源的运行仿真技术。 1 3 本文的研究内容及章节安排 本文在m a t l a b 仿真环境中，基于m a t l a b s i m u l i n k 工具箱对微电网中常见的 微电源进行仿真建模研究，建立微电源的仿真模型，为发展微电网运行仿真数字 8 第一章绪论 实验平台、形成微电网运行分析理论、制定微电网运行控制策略奠定基础。重点 解决了以下问题：微电源工作原理剖析，微电源数学模型的导出和仿真模型 的建立，微电网运行特性初探。具体章节安排如下： 第一章对微电网和3 种常用的微电源的研究与运用现状进行综述。分析了这 些微电源的技术特点和控制方法，为建立微电源和微电网的仿真模型奠定了基 础。 第二章分析微型燃气轮机的工作原理和动态与稳态特性，建立微型燃气轮机 的数学模型，搭建微型燃气轮机的仿真模型，考察微型燃气轮机的启动和负荷跟 随特性。 第三章分析光伏阵列发电的工作原理和动态与稳态特性，建立光伏阵列的数 学模型，搭建光伏阵列的仿真模型。所建立的光伏阵列仿真模型中，编写了变步 长光伏电池最大功率跟踪程序。使用d c a c 逆变技术将光伏电池阵列发出的直 流电变为交流电，实现其并网运行。 第四章分析风力发电机的工作原理和动态与稳态特性，建立了风力发电机的 数学模型，搭建风机的仿真模型，考察了并网和离网时风力发电机的运行特性。 第五章搭建含多种微电源的微电网仿真模型。在仿真分析了微型燃气轮机和 风力发电机并列运行的特性的基础上，由此提出了有待进一步研究解决的关键问 题。 9 广东工业大学硕士学位论文 第二章微型燃气轮机建模与运行特性分析 长期以来，我国的能源结构以煤为主，这也决定了煤炭在我国发电能源结构 中的地位。据预测：到2 0 3 0 年，燃煤电站占我国发电总装机容量的比例依然高 达5 8 5 ，发电量则占6 5 7 。可见，在今后相当长的时期内，煤电依然是我国 电力工业的主体。然而，传统的燃煤发电方式会造成严重的环境污染，已成为我 国电力工业可持续发展的瓶颈。因此，发展洁净煤发电技术，用优质的清洁能源 ( 如：天然气) 替代部分电煤，有条件地调整我国的能源结构，已成为人们广泛 的共识。 燃烧天然气的燃气轮机及其联合循环发电机组具有污染小、能效高等优点， 被认为是目前调整我国能源结构的首选技术。这种发、供电方式可近距离向用户 供电、供热和供冷，损耗小、成本低、可实现能源的梯级高效利用；而且，各电 站相互独立，便于自行控制，不易酿成大面积停电事故，供电可靠性高，特别适 合于商业区、居民区以及机场、医院等重要负荷的供能。可见，分布式供能系统 是集中式供电、供热方式的一种不可缺少的补充，传统的集中供电和供热模式必 将朝着集中供能和分布式供能相结合的模式发展。这就为中、小型和微型燃气轮 机在电力工业中的推广和应用，提供了难得的机遇和舞台。 2 1 燃气轮机简介 微型燃气轮机( m i c r o t u r b i n e ) 是一类新近发展起来的小型热力发动机，其单 机功率范围为2 5 - 一3 0 0 k w ，基本技术特征是采用径流式叶轮机械( 向心式透平 和离心式压气机) 以及回热循环。据认为，微型燃气轮机发电技术有可能掀起“电 源小型分散化”的技术革新热潮，从而成为2 1 世纪能源技术的主流。 先进微型燃气轮机【5 6 1 具有多台集成扩容、多燃料、低燃料消耗率、低噪音、 低排放、低振动、低维修率、可遥控和诊断等一系列先进技术特征，除了分布式 发电外，还可用于备用电站、热电联产、并网发电、尖峰负荷发电等，是提供清 洁、可靠、高质量、多用途、小型分布式发电及热电联供的最佳方式，无论对中 心城市还是远郊农村甚至边远地区均能适用。 燃气轮机是以连续流动的气体为工质驱动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变 l o 第二章微型燃气轮机建模与运行特性分析 为有用功的内燃式动力机械，当它正常工作时候，需要不断地从外界吸入空气( 工 质) ，并完成压缩、燃烧加热、膨胀和放热四大过程，即实现一个热力循环后， 才能连续地把燃料中的化学能转化成为机械能，是一种旋转叶轮式热力发动机。 燃气轮机的工作过程是，压气机( 即压缩机) 连续地从大气中吸入空气并将其 压缩；压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随 即流入燃气透平中膨胀作功，推动透平叶轮带着压气机叶轮一起旋转；加热后的 高温燃气的作功能力显著提高，因而燃气透平在带动压气机的同时，尚有余功作 为燃气轮机的输出机械功。燃气轮机由静止起动时，需用起动机带着旋转，待加 速到能独立运行后，起动机才脱开。 与活塞式内燃机和蒸汽动力装置相比较，燃气轮机的主要优点是小而轻。单 位功率的质量，重型燃气轮机一般为2 5 千克千瓦，而航机一般低于o 2 千克 千瓦。燃气轮机占地面积小，当用于车、船等运输机械时，既可节省空间，也可 装备功率更大的燃气轮机以提高车、船速度。燃气轮机的主要缺点是效率不够高， 在部分负荷下效率下降陕，空载时的燃料消耗量高。 2 1 1 燃气轮机的结构 燃气轮机由压气机、回热器、燃烧室和燃气透平室等组成【5 6 1 。 1 压气机 压气机是燃气轮机中的一个重要组成部分，负责从周围大气吸入空气，并将 空气压缩增压，然后连续不断地向燃料室提供高压空气。 使气体增压，通常有两种方法：第一种是在活塞式压气机中实现，利用气体 容积的减少来达到增压目的，这种压气机又称为容积式压气机。它的特点是：供 气压力可以提得很高，但供气量较小，并且是周期性地间断供气，同时还伴随着 由于往复运动而实现的振动。第二种是在动轴流压气机中实现，利用高速旋转的 叶片对气体做功来实现增压目的，这种压气机又称为动力式压气机。它的特点是： 供气压力相对较小，但供气量较大，并且是连续稳定地供气。 常用的燃气轮机压气机有三种型式： ( 1 ) 轴流式压气机指气体在压气机内的流动方向大致与压气机的旋转轴平 行的压气机。 ( 2 ) 离心式压气机也称为径流式压气机，指气体在压气机内的流动方向大 广东工业大学硕士学位论文 致与旋转轴相垂直的压气机。 ( 3 ) 混合式压气机指同一台压气机内，同时具有轴流式与离心式工作轮叶 片的压气机。一般轴流级在前，离心级在后。 轴流式压气机的空气流量可以做得很大，而且多级轴流式压气机的效率又比 较高，因此，在大功率燃气轮机中，都采用多级轴流式压气机来压缩气体。本文 建立的燃气轮机模型中，采用轴流式压气原理。 其数学模型口6 1 为： 压比和效率和流量转速的比折合参数间关系为： 万。= q ( 怫) g ：+ 巳( ) e + q ( 吃) ( 2 1 ) 石： 1 一q ( 1 一茏) ( 瓦瓦) ( 2 一面瓦) ( 2 2 ) 其中： q = 瓦l p o - ，形心) + ( 一聊) 2 ( 2 3 ) 乞= ( p 一2 m ；5 t e o 一，瓦) + 瓦( 瓦一聊) 2 】 ( 2 4 ) g ：二! 墼二堕+ 生 ( 2 5 ) 尸( 1 一丝) + 瓦( _ 一垅) z 2 | c 式中，、g c 、7 r 。和仇分别为折合转速、折合流量、折合压比和折合效率。 m 和p 的取值与压气机的特性曲线图有关，m 和p 的取值应满足：尸2 3 。 压气机出口温度 k a - - i 互：r lx ( 1 + _ ) ( 2 6 ) i l c 压气机出口压力 = 鼻x 万。纰 ( 2 7 ) 压气机耗功 睨= 【c o l ( 忽一魄) 】叩弦 ( 2 8 ) 式中，# 和五分别为压气机进口空气的压力和温度；万。为压气机压比；吃为 空气比热比，一般可取为1 4 ；仇，叩阳分别为压气机的工作效率和机械效率；纰 为压气机总压恢复系数；q 为压气机进气流量；啊和吃分别为压气机进口和出i z ：l 的焓佰。 1 2 第二章微型燃气轮机建模与运行特性分析 2 回热器 回热器是一个热交换器。由于燃气轮机的排气温度很高，例如简单循环的机 组排气温度一般为4 7 0 - - - 6 0 0 0 c ，这一高温气体的热量如果能回收，就可能提高 热效率。采用高温排气来加热从压气机出口的空气，提高它进入燃烧室的温度， 可使燃烧室中加入的燃料量减少，从而提高热效率。在燃气轮机中加装了回热器 后，可实现上述的工作过程。 高温回热器数学模型【2 6 1 为： 在额定工况下回热器的回热度一般可取o 9 ，对于逆流式回热器，其在部分 工况下的回热度a 为： 口2 石f 丽a o 砑了 2 9 ) + ( 1 一嘞) ( ，) u 2 回热器的出口温度 乃= ( 乃- t 2 ) x a + t 2 ( 2 1 0 ) 回热器的出口压力 最= 最d ( 2 1 1 ) 式中，五和巧分别为压气机出口温度和透平出口温度；昱为压气机出口压力； 仃为回热器总压恢复系数。 3 燃烧室 燃烧室是燃料和空气充分混合燃烧的空间室。燃气轮机燃烧室的工作特点 为：高温、高气流速度、高燃烧热强度、相对较高的过量空气系数。燃烧室具有 以下2 项基本功能： ( 1 ) 满足其他限制条件时，燃烧室应提供工质所需要的高温，同时尽量维 持工质的压力不降低。 ( 2 ) 燃气轮机运行状态最基本的调二常手段是改变燃烧窒的燃料供应量