（电气工程专业论文）风光柴蓄独立微电网的设计与实现.pdf

d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fw i n d - s o l a r - d i e s e l b a t t e r yi n d e p e n d e n t p o w e rm i c r o g r i d b y z h a os h e n g w u b e ( h u n a ni n s t i t u t eo fe n g i n e e r i n g ) 2 0 0 5 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 rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g e l e c t r 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 r 、 f a n gh u i s e n i o re n g i n e e rl e ix i o n g a p r i l ，2 0 1 1 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：赵胜武 日期：2p 年 岁月憎日 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d ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密缸 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名：赵舷式 导师签名：旦。够 嚅坼 日期：口年夕月 馏日 日期：如f 年岁月伽日 风光柴蓄独立微电网的设计j 实现 摘要 风光柴蓄混合发电系统是个分布式、开放式的系统，其发电装置分散的分布 于发电系统之中。这些发电装置虽然可以独立运行，但是又要根据风、光资源和 负荷的变化来相互协调或协作才能使发电系统安全、稳定、高质、经济的运行。 针对风光柴蓄混合发电系统的这些特点，本人在对国内外相关资料的收集、整理、 分析和综合之后，对风光互补发电系统的优化设计进行了研究。 本文首先对风光柴蓄混合发电系统进行了整体设计并介绍了其工作原理。然 后论文对微电网电源的进行规划，文章给出某个地点是否适合安装发电系统的条 件判据，根据条件确定光伏组件容量与风机容量在系统总容量中所占的比例，分 析了蓄电池最低容量的估算方法，给出了优化设计时类型的选择以及部件数量的 确定需要考虑的约束关系，综合给出了风光互补发电系统的优化设计模型。并采 用了一种风光互补发电系统的优化匹配设计方法自动寻优法，该方法在满足负 载要求的前提下，能够将系统的投资降到最小，而且计算十分简单，非常适合于 工程计算。然后根据计算步骤和收集到的资料对工程项目的电网电源进行优化规 划。 论文分别对双向逆变器、光伏组件以及风机的控制技术进行详细的研究说 明。文章给出一种基于s v p w m 的双向逆变器的控制方案。然后是太阳能发电 最大功率点跟踪( m p p t ) 技术研究，本文基于两种基本的最大功率点跟踪方法提 出一种结合增量电导法和固定电压法的占空比扰动的m p p t 算法。接着是永磁 同步电机风力发电系统电力电子变换器的拓扑结构及其控制策略方面进行的研 究与分析。 论文根据优化设计结果构建风光柴蓄互补发电系统，对系统控制运行结构进 行了总体设计，解说系统在运行过程中的各个工作状态，对其工作原理以及其控 制方式进行描述，并对系统运行工况进行了详细分析。 关键词：风光柴蓄互补发电系统：优化设计；最大功率跟踪；逆变器 h a b s t r a c t t h ew l n d - s o l a 卜d i e s e l b a t t e r yh y b r i dp o w e r s y s t e mi sad i s t r i b u t e d ，0 p e ns y s t e m jh eg e n e r a t i n gs e t sa r e s c a t t e r e d l yd i s t r i b u t e da m o n gp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m s 1n e s ep o w e rd e v l c e sc a no p e r a t ei n d e p e n d e n t l y b u ti tm u s tb e a c c o r d i n gt ot h e r e s o u r c e so fw i n da n ds o l a ra n dc h a n g e so fl o a dc o o r d i n a t eo rc 0 1 1 a b o r a t e t h a tc a n m a k et h ep o w e r s y s t e mo p e r a t e s s a f e l y , s t e a d i l y , h i g h q u a l i t ya n de c o n o m i c a i i y f o r t h e s ef e a t u r e so ft h e w i n d 。s o l a r - d i e s e l b a t t e r yh y b r i dp o w e rs y s t e m ， ih a v e r e s e a r c h e dt h ew i n d p h o t o v o l t a i c h y b r i dp o w e rs y s t e m o p t i m a ld e s i g na f t e rt h e c o l l e c t i o n , c o l l a t i o n ，a n a l y s i sa n ds y n t h e s i so ft h e d o m e s t i c f o r e i g nr e l a t e d i n f o i r m a t i o n r 1 r s t l y ， t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h e w i n d s o l a r d i e s e l b a t t e r yh y b r i dp o w e r s y s t e mw a sd e s i g n e da n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l ew a s d e s c r i b e d t h e nt h ep a p e rh a s p l a n n e dm l c r o g r i dp o w e r t h ea r t i c l ep r e s e n t e dt h ec o n d i t i o nc r i t e r i o nw h e t h e r as i t e s u l t sf o ri n s t a l lp o w e r 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 e c o n d i t i o n s ，t h ep r o p o r t i o n t h a t p a c i t yo fp vm o d u l e sa n df a n sc o m p a r e sw i t ht o t a lc a p a c i t yi nt h e s y s t e mw a s e s t a b l i s h e d t h em e t h o df o r e s t i m a t i n gt h el o w e s t c a p a c i t yo ft h eb a t t e r vw a s a n a j y z e d c o n s t r a i n tr e l a t i o n sw e r eg i v e ni nt h e p a p e r w h e nt h eo p t i m i z a t i o ni s m a d e , 1 ti sn e e dt oc o n s i d e rt h ec o n s t r a i n tr e l a t i o n st h a tt h e o p t i o n so ft y p e sa n d n u m b e ro f c o m p o n e n t sa r ef i x e d t h e w i n d p h o t o v o l t a i ch y b r i dp o w e rs y s t e m o p t l m l z a t l o nd e s l g nm o d e lw a si n t e g r a t e dg i v e n aw i n da n ds o l a r h y b r i dp o w e r s y s t e md e s l g no p t i m i z a t i o nm a t c h i n gm e t h o d a u t o m a t i co p t i m i z a t i o nm e t h o d w a s p r o p o s e d ，w h l c hm e e it h el o a dr e q u i r e m e n t so ft h ep r e m i s e ，t om i n i m i z et h e s y s t e m s i n v e s t m e n t , a n dt h ec o m p u t a t i o ni s v e r ys i m p l ea n dv e r ys u i t a b l ef o re n g i n e e r i n g c a l c u l a t i o n s 。i h e n a c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o np r o c e d u r ea n dt h ed a t ac o l l e c t e do n t h ep o w e r g r i dp r o j e c tt oo p t i m i z et h ep l a n n i n g o nt h eb i - d i r e c t i o n a l i n v e r t e r ，p vc o m p o n e n t s ，a n df a nc o n t r o lt e c h n 0 1 0 9 ya d e t a i l e ds t u a ys h o ww a s g i v e n ，r e s p e c t i v e l y p a p e rp r e s e n t sab i d i r e c t i o n a li n v e r t e r b a s e ds v p w mc o n t r o ls c h e m e t h e nw ed ot h e r e s e a r c ho ft h em a x i m u mp o w e r p 0 i n tt r a c k l n gs o l a rp o w e r ( m p p t ) t e c h n o l o g y t h i sp a p e r p r e s e n t sac o m b i n a t i o no f 1 n c r e m e n t a lc o n d u c t a n c ea n df i x e d i n p u tv o l t a g eo ft h ed u t yc y c l ep e r t u r b a t i o n m p p ta l g o r i t h m a c c o r d i n g t ot w ob a s i c m e t h o d so fm a x i m u m p o w e rp o i n t t r a c k l n g ne x tt h e r ea r er e s e a r c ha n da n a l y s i s a b o u tt h et o p o i o g yo fw i n dp o w e r 1 1 1 风光柴蒂独口微电网的设计与实现 g e n e r a t i o ns y s t e m o f p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o rp o w e r e l e c t r o n i c c o n v e r t e r s ，a n di t sc o n t r o ls t r a t e g y t h ew i n d s o l a r - d i e s e l b a t t e r y h y b r i dp o w e rs u p p l ys y s t e mw a sc o n s t r u c t e d b a s e do nt h eo p t i m a ld e s i g n t h e n ，o v e r a l ld e s i g no fs y s t e mo p e r a t i o ns t r u c t u r ew a s g i v e ni nt h ep a p e r a l lw o r k i n gc o n d i t i o n so ft h es y s t e md u r i n go p e r a t i o nw e r e e x p l a i n e d i t sw o r k i n gp r i n c i p l e a n di t sc o n t r o lw e r ed e s c r i b e d a n ds y s t e m o p e r a t i n gc o n d i t i o n sw e r ea n a l y z e di nd e t a i l k e y w o r d s ：w i n d s o l a r - d i e s e l b a t t e r yh y b r i dp o w e rs u p p l ys y s t e m ；o p t i m a ld e s i g n ； m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ；i n v e r t e r 工程硕j ：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 插图索引v i i 附表索引i x 第1 章绪论一l 1 1 论文的选题及其研究背景1 1 2 利用太阳能风能互补发电的优点及其应用i j 景1 1 3 国内外风光互补发电以及微电网的研究现状一2 1 3 1 国内外风光互补发电系统理论研究现状2 1 3 2 国内外微电网的研究现状及其工程应用3 1 4 本文的主要研究内容7 第2 章风光柴蓄独立供电系统的结构一9 2 1 风光柴蓄供电系统的结构9 2 2 风力发电基本原理及其构成1 0 2 2 1 风力发电基本原理10 2 2 2 风机的主要部件1 l 2 3 太阳能发电系统的基本原理及构成1 l 2 3 1 光伏发电的基本原理1 1 2 3 2 太阳能发电系统的主要部件l3 2 4 柴油发电机的发电原理1 3 2 5 蓄电池1 4 2 6 本章小结15 第3 章风光柴蓄独立微电网的总体设计及电源规划l6 3 1 项目实施地的概况及气候条件1 6 3 2 项目实施地的负荷情况18 3 3 风光柴蓄供电系统的整体结构设计1 9 3 4 系统优化设计的约束条件2 l 3 4 1 风力机的约束条件2 2 3 4 2 光伏组件的约束条件2 2 3 4 3 选择蓄电池的约束条件2 3 v 风光柴蒂独移微电网的设计与实现 3 4 4 优化设计的系统建模2 3 3 5 基于数学模型的工程电源规划一2 5 3 6 本章小结2 7 第4 章风光柴蓄发电系统控制策略的研究一2 8 4 1 双向逆变器控制技术2 8 4 1 1 双向逆变器结构2 8 4 1 2 双向逆变器控制技术的原理2 9 4 1 3 基于s v p w m 调制的双向逆变器控制一3 0 4 2 基于d c d c 转换器的光伏发电m p p t 控制策略3 2 4 2 1 太阳能m p p t 的基本方法3 3 4 2 2 改进型m p p t 方法控制原理及实现3 3 4 3 风机的控制技术一3 5 4 3 1 风力发电单元的系统组成3 5 4 3 2 风机电力变换器拓扑分析一3 6 4 3 3 风机的m p p t 技术及其交直交变换器的控制一3 7 4 4 本章小结3 9 第5 章风光柴蓄独立供电系统设计的工程应用4 0 5 1 微电网系统的构成及其主要设备说明4 0 5 1 1 风力机的选型4 0 5 1 2 光伏组件的选型一4 l 5 1 3 柴油机组的选型4 l 5 2 风光柴蓄互补微电网的控制系统及作用4 2 5 2 1 微电网的稳定性技术及其调度系统一4 2 5 2 2 能量管理系统及其功能4 3 5 2 3 智能配电系统及其功能4 4 5 2 4 控制执行保护系统4 4 5 2 5 通讯系统4 5 5 2 6 蓄电池管理系统及其功能4 6 5 2 7 电能质量控制系统4 7 5 2 8 微网的综合控制系统4 7 5 3 系统运行工况分析4 8 总结与展望5l 参考文献5 3 到c谢5 6 v i t 程硕+ 学位论文 插图索引 图1 1c e r t s 的微电网结构图4 图2 1 风光柴蓄独立电网供电系统简明结构图一9 图2 2 风力发电组的构成10 图2 3 光伏效应将光子能量转换成p n 结两侧的电压1 2 图2 4 光伏组件的等效电路一1 2 图2 5 光伏发电系统框图一1 3 图2 6 描述蓄电池内部电压和电阻的等效电路l5 图3 1 太阳能和风能全年季节性变化1 7 图3 2 太阳能和风能某月内的变化1 7 图3 32 0 0 8 年东澳岛全年同用电量分布图1 8 图3 42 0 0 9 年东澳岛全年日用电量分布图1 8 图3 5 典型月负荷曲线图之一一1 9 图3 6 典型月负荷曲线图之二1 9 图3 7 系统的总体结构2 0 图3 8 自动寻优法流程图2 6 图4 1 双向逆变器主电路2 8 图4 2 理想化的双向逆变器矢量图2 9 图4 3 双向变流器控制框图3 0 图4 4 基本空间电压矢量、扇区3 0 图4 5s v p w m 调制控制流程图一3 2 图4 6 光伏组件d c d c 控制结构图3 4 图4 7 光伏组件m p p t 控制流程图3 5 图4 8 带a c d c a c 变换器的永磁同步发电机的风力发电系统3 6 图4 9 交一直一交变换器结构示意图3 6 图4 1 0 交一直一交变换器结构控制策略示意图3 7 图4 1 l 风力发电系统最大功率跟踪控制的流程框图3 9 图5 1p r o v e n 风机4 0 图5 2 光伏建筑一体化( b l p v ) 4 l 图5 3 系统的运行控制总图4 3 图5 4 能量管理系统( e m s ) 4 3 图5 5 系统的控制柜4 4 v l l 风光柴蒂独移微电网的设计与实现 图5 6 系统的通讯设备4 5 图5 7 蓄电池的管理系统4 6 图5 8 电能质量控制系统4 7 图5 9 系统的运行控制流程图4 7 图5 10 微电网的运行控制系统4 8 图5 1 l 系统运行工况之一4 9 图5 1 2 系统运行工况之二4 9 图5 1 3 系统运行工况之三5 0 v n i t 程硕j 二学位论文 附表索引 表1 1 欧美微电网研究比较一5 表1 2 日本三菱公司对微电网的分类6 表3 1 我国四类太阳能资源带的年辐射量1 6 表3 2 海岛负荷分类表2 5 表3 3 优化计算的结果2 7 表4 1 作用时间参数赋值表一3 l 表4 2 矢量切换点的赋值表3 2 表5 1 风力机技术参数4 l i x 1 = 程硕t - 学位论文 第l 章绪论 1 1 论文的选题及其研究背景 由于常规能源的有限性和日益严重的环境污染等原因，可再生能源的应用己 成为一个全球性的趋势。此外，岛屿和其他电网很难到达的地方也需要可再生能 源系统的使用，以改善电力短缺的局面。目前中国沿海大量的海岛电站多是采用 落后的柴油机发电系统，柴油发动机的千瓦小时油耗是210 2 4 0 克左右i l l ，由于 海岛负荷较小，负荷波动非常大，因此柴油机发电系统的效率低下，发电效率低 下导致发电成本很高；而且海岛远离大陆，柴油必须用船运到岛上，再次增加了 成本。海岛太阳能、风能等可再生能源资源非常丰富，因地制宜建设可再生能源 发电系统，是解决海岛用电最佳方案。另外新兴的可再生能源发电设备将会为旅 游型海岛增加一道亮丽的风景线。 风光柴蓄互补发电系统是个分布式、开放式的系统，其发电装置分散的分布 于发电系统之中，根据风、光资源以及负荷的变化相互协调或协作能够使发电系 统发出安全、稳定、高质、经济的电能。 本论文是结合珠海东澳岛上风光柴蓄互补的独立微网系统的建设进行选题 的。同时，课题进行的研究将直接为其研发示范性风光互补技术集成系统的攻关 项目提供技术依据。课题的研究无论是其取得阶段性的成果还是最终的成果都将 具有很好的社会经济效益。目前国内的用电紧张和石油消耗量的持续增长价格不 断攀升的情况下使得可再生能源的利用将大有可为，其中太阳能和风能的利用最 有发展前途，一方面课题的研究来源于实际工程，能够得到直接的经验积累；另 一方面又可以为太阳能和风能的综合利用打下基础，为最终的风光互补技术集成 示范工程创造有利的技术条件。为实现可再生能源的低成本、高利用率，最终达 到市场化、推动产业化、因地制宜的开发利用可再生资源的目的。 1 2 利用太阳能风能互补发电的优点及其应用前景 风能和太阳能在时间和地域上均有很强的互补性。白天太阳辐射强而风小， 晚上由于地表温差变化大使风力加强；利用两者的这一互补特性，将光伏发电和 风力发电机结合起来使用组成的发电系统成为风光互补发电系统。太阳能和风能 在时间的互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性，风光互补发电 系统是资源利用最好的独立电源系统，它相对于其单能源发电具有以下优点： 1 ) 风光互补系统同时利用风力和光伏发电，因而能够更加充分的利用气候资 风光柴莆独t 微电网的设计与实现 源，可实现昼夜不断发电。在合适的气候资源条件下，风光互补供电系统可以提 高系统供电的可靠性、稳定性和连续性。 2 ) 单位容量的系统发电成本和初投资都低于单一的光伏发电系统。它们共用 一套输变电设备减少工程造价；由于太阳能与风能资源互补性好，可以提高系统 的使用率，则可适当减少系统的蓄电池组的容量，并且延长了蓄电池的寿命，降 低了成本。 3 ) 如果风能和太阳能资源比较丰富，互补性好，则对系统的部件配置、运行 模式以及负荷调度方法等进行必要的优化设计后，系统负载只靠光伏和风力互补 发电即可获得连续、稳定的供电，备用柴油发电机组可以不启动或很少启动。这 样的风光互补发电系统会有更好的经济和社会效益。 4 ) 太阳能和风能在空间上的互补性，实现了高空和地面的合理利用节约了占 地面因此可以降低成本。 风能太阳能互补发电的应用前景： l 、发展潜力巨大 我国绝大部分地区都拥有丰富的风力和光照资源，可再生能源发展潜力巨 大。 2 、政策支持 从政策层面看，国家支持可再生能源的发展，可再生能源发展机遇期将会来 临。 3 、可再生能源高效利用的主要发展方向 多能源互补分布式可再生能源发电微电网技术可以实现系统效率的最大化， 是今后可再生能源高效利用的主要发展方向。 4 、市场前景广阔 解决远离电网及一些特殊地区( 高山、海岛) 的供电、新农村建设中的生态能 源项目、高速公路信号以及照明、供电成本高的用户供电等，还可以作为主电网 的有效补充，提高输变电的安全性和可靠性，降低线路电能损耗。 1 3 国内外风光互补发电以及微电网的研究现状 1 3 1 国内外风光互补发电系统理论研究现状 国外在新能源领域的研究主要集中在单一风能发电或单一太阳能发电，在风 光互补发电系统方面就研究要少很多，但也有一些初步的成果。主要研究领域集 中在系统模型建立、系统特性分析、系统的优化配置、系统计算机仿真计算以及 实际系统应用等方面。 r o d o l f od u f ol o p e z ( z a r a g o z a 大学，西班牙) 等人用c + + 语言开发了一套用 2 1 = 程硕十学位论文 于风光等互补发电系统的基于遗传算法的优化系统，对位于z a r a g o z a 的光柴互 补发电系统进行了设计与优化，还与另一个互补优化的系统( h o m e r 软件) 进 行比较。其结果显示此系统可以根据光照条件和负载来确定所用的柴油机、光伏 阵列以及蓄电池的类型和数量，且能够找到蓄电池组最佳的s o c 点( 蓄电池充电 状态) ，实现以最小成本来获得最大电能的输出，从而验证了利用风光等多种可 再生能源进行互补供电系统比任何单一的能量供电系统都更具明显的优势【2 l 。 r o yb i l l i n t o n ( s a s k a t c h e w a n 大学，加拿大) 等人针对独立小型风光发电系统的扩 容问题进行研究，并指出了互补发电系统扩容的可行性方案1 3 。美国学者在太阳 能、风能和柴油机发电的多能源互补网络体系结构的微电网控制策略方面进行了 研究1 4 1 。r a j e s hk a r k i ( s a s k a t c h e w a n 大学，加拿大) 等人研究了独立小型风光发电 系统的成本及可靠性计算，指出根据负载和风光资源条件合理配置发电系统，是 降低发电成本、提高系统可靠性的重要途径1 5 。b d s h a k y a ( m e l b o u r n e 大学，澳 大利亚) 等人设计了一种采用压缩氢气储能的风光互补发电系统，并对该系统的 技术可行性和经济性作了分析1 6 , 7 1 。 目前，我国的风光互补发电研究主要集中在风光互补发系统结构的优化设 计、系统仿真以及底层设备的控制。华南理工大学杨苹等人 s l 研究设计了一种比 较实用的风光互补的发电系统，其中对最优功率的传输、光伏逆变器极值的调节 方式实现和能量管理系统等进行过研究，并利用统一滑模变的结构控制来实现发 电系统的谐波抑制、快速电压调节、非线性负荷三相平衡以及功率因数的补偿； 合肥工业大学茆美琴等人【9 】设计的风光互补独立发电系统，根据风能和太阳能资 源、负载、光伏组件及风电机组的功率与成本来对系统的结构进行优化设计，优 化方法可以节约一次性的投资费用，为风光互补独立发电系统优化设计提供了经 验：华东电力集团公司王凡设计了风光互补旋风的发电装置 1 0 l 。从逻辑和理论 上解决了可再生能源发电的非可控性和离散性的问题，解决了风光互补发电资源 限制的束缚问题，可以系统减少蓄电池的使用数量；中科院电工研究所许洪华等 人在探讨解决风光互补发电系统非线性优化的问题上，采用了遗传算法搜索来确 定系统的最优配置方案和最优控制策略i h 。 1 3 2 国内外微电网的研究现状及其工程应用 微电网利用先进电力电子技术来解决分布式电源并网的问题，其推广应用的 发展潜力是巨大的。世界上的一些发达地区和国家，例如美国，欧盟以及日本等 都分别对微电网开展了深入的研究。 1 ) 美国对微电网的研究 早在1 9 9 9 年美国的可靠性技术解决方案协会( c e r t s ) 【1 2 1 就对微电网的主要 思想以及其关键性问题进行过描述与总结，比较系统地说明了微网的定义、控制、 风光柴蓄独市微电网的设计与实现 结构、效益分析以及保护等一系列的问题。其设计理念是单点并网不上网、不采 用快速的电气控制、供电的可靠性以及提供多样化电能质量等，由于具有这些特 点，因此它成为了世界上提出来的微电网当中认可度最高、最权威的一个。 c e r t s 微电网是由容量小于5 0 0 k w 的负荷和小型微电源组成，它引入了基于 电力电子技术控制的方法。电力电子技术是其实现灵活控制和智能化的重要支撑 技术。其初步的理论研究成果已在微网实验室平台得到成功验证，并根据其理论 在美国北部的电力系统承建第一个微网的示范工程0 3 1 。 图1 1c e r t s 的微电网结构图 c e r t s 微电网如图1 1 所示，它有a 、b 、c 三条馈线以及负载，其网络呈 辐射状的结构。其电压等级为2 8 0 v 4 8 0 v ，总容量为2 0 0 k w t l 3 i 。该微网的电源 可由太阳能发电、燃料电池以及微型燃气轮机等形式组成，同时可以向靠近热力 微电源的用户提供热源，以保证能量利用的充分性。当负荷有改变时，微网的本 地电源就会自动调节功率的输出。该微网还配备有潮流控制器以及能量管理器， 可以实现对整个微网的优化和综合控制。 第二个“通用电气( g e ) 全球研究计划在通用电气公司和美国能源部的共同 资助下正在开展进行，投资达4 0 0 万美元，其目标是要开发出一套微网的能量管 理系统( m e m ) t l 。除以上的研究之外，美国还开展过了许多微电网方面的研究， 例如美国的国家可再生能源实验室对佛蒙特州微网的安装与运行检验、加州能源 委员会所资助的分布式的效能集成测试平台1 1 5 1 。 2 ) 欧盟微电网的发展 欧洲微电网研究与发展以满足用户对电能质量多样化的要求以及欧洲电网 的环保要求和稳定等为主要目标1 1 6 1 。其微电网的研究主要分两个阶段： 第一个阶段是欧盟第五框架计划( f p 5 ) ，该项目在可用于对逆变器控制的进 4 工程硕l 学位论文 行低压非对称微电网的动态与静态仿真工具、分布式电源模型、互联与孤岛的运 行理念、本地的黑启动策略、基于代理控制策略、接地与保护方案、实验室微网 平台的理论验证、可靠性定量分析等方面取得了创新型成果1 1 7 。 欧盟微网的研究第二个阶段名为“a d v a n c e da r c h i t e c t u r e sa n dc o n t r o l c o n c e p t sf o rm o r em i c r o g r i d ”，欧盟第六框架计划( f p 6 ) 资助8 5 0 万欧元【他l 。目前， 这项计划正在进行中。其研究目标有：( 1 ) 创造网络新的设计理念，包括考虑工 作在可变频率下的情况以及新型的保护方案应用等。( 2 ) 研究出基于下一代通信 技术的新控制策略。( 3 ) 研发新型分布式能源的控制器，用以保证微电网高效运 行。( 4 ) 研发合适微电网即插即用的硬件设备。( 5 ) 制定微电网在商业与技术方面 的协议标准。( 6 ) 实现各种微电网在商业与技术方面的整合。( 7 ) 研究微电网并网 后对大电网运行的影响，包括大范围的与地区性的影响。( 8 ) 探索微网的发展对 于基础电网的影响，如替代和增强欧洲老化电网的可行性分析等。( 9 ) 研究微电 网对欧洲电网在网络损耗、供电可靠性以及环境等方面带来的有利影响1 1 5 1 。 欧洲于2 0 0 5 年提出了“s m a r tp o w e rn e t w o r k s ”计划，并出台了该计划的技 术实现方案，提出要充分利用先进电力电子技术、智能技术、分布式能源等实现 分布式发电与集中式供电的高效紧密结合，并积极鼓励社会各界广泛的参与电力 市场，以共同推进欧洲电网的发展1 1 9 1 。 表1 1 欧美微电网研究比较 欧洲已初步形成微电网的控制、运行、保护、通信以及安全等理论体系，并 且在实验室平台上验证了这些理论。其后续工作将主要集中于研究更为先进的控 制方法，并制定相应标准以及建立示范工程等，为可再生能源分布式电源的大规 模接入以及传统电网向智能电网过渡做好准备1 2 0 i 。目前，欧洲微电网的示范性 工程主要有德国的曼海姆w a l l s t a d t 居民区的示范工程、希腊的基斯诺斯岛微电 网、葡萄牙的e d p 项目、葡萄牙的c o n t i n u o n 项目、西班牙的l a b e i n 项目、 丹麦的e l t r a 项目以及意大利的c e s i 项目等1 2 1 1 。所有欧洲的研究计划都是重 点考虑微电网的可接入性、可靠性以及灵活性三个方面。微电网的可再生能源利 用的多元化、智能化等，都将是欧洲电网发展的重要方向1 2 2 1 。 5 风光柴莆独奠微电网的设计与实现 3 ) 日本微电网的研究 在微电网的示范工程建设方面，日本目前处于世界领先的地位。日本政府希 望通过扩大可再生能源( 如光伏发电和风能) 在本国的能源结构中所占的比例来 解决国内负荷不断增长而能源日益短缺的矛盾，其微电网研究的发展方向定位于 减少污染、满足用户的个性化电力需求以及能源供给多样化 2 3 1 。另外，日本学 者还提出灵活可靠的智能电能供给系统( f r i e n d s ) ，采用灵活交流输电系统 ( f a c t s ) 元件灵活快速的控制性能，以实现对配电网的能源结构优化，来满足用 户对多种电能质量的需求 2 4 1 。 日本政府为更好的利用新能源而专门设立新能源与工业技术发展机构 ( n e d o ) ，由它负责统一协调国内企业、国家重点实验室以及高校对新能源及其 应用开展研究1 2 5 1 。并于2 0 0 3 年开始着手于本地配电网与可再生能源之间互联的 三个微电网测试平台的研究。 由n e d o 负责建立的第一个微电网示范工程是中部机场爱知微电网，于 2 0 0 5 年在日本举办的爱知世博会时开始投入使用中。2 0 0 6 年，该系统迁到名古 屋市附近的中部机场，于2 0 0 7 年初正式运行。系统中总的光伏发电容量为 3 3 0 k w 。另外微网其它电源大都由燃料电池组成：一个固体氧化物燃料电池 ( 5 0 k w ) ，两个高温熔化碳酸盐燃料电池( 2 7 0 k w 和3 0 0 k w ) ，四个磷酸盐型燃料 电池( 各2 0 0 k w ) 。此外还有一个用于功率平衡的钠硫磺电池组，其容量为 5 0 0 k w l 2 6 1 。 2 0 0 5 年1 0 月投入运行的青森县微电网，计以示范工程形式一直运行到了 2 0 0 8 年的3 月，并对这一期间微电网的供电可靠性、运行成本以及电能质量等 方面进行了评估。该微电网最大的特点是它只使用可再生能源( 1 0 0 k w ) 进行发 电。可控的分布式电源包括一个1 o t h 的锅炉、一个铅酸电池组( 10 0 k w ) 和三个 以沼气为燃料的发电机组( 总共5 lo k w ) 。该微电网能够减少约4 7 8 的碳化物的 排放量，同时可以节省约5 7 3 的能耗 2 7 1 。 2 0 0 5 年1 2 月投入使用的京都微电网主要由以下微电源组成：5 0 k w 的风力 发电系统、5 0 k w 的光伏发电系统、5 x 8 0 k w 的沼气电池组、1 0 0 k w 的电池组以 及2 5 0 k w 的高温熔化碳酸盐燃料电池。此微网的系统控制中