毕业设计（论文）-微电网建模仿真研究及平台开发.doc

中北大学2015届毕业论文毕 业 论 文微电网建模仿真研究及平台开发学生姓名： 学号： 学 院： 计算机与控制工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师： 2015年 06 月目 录1. 绪论11.1微电网的研究背景和意义11.2微电网的发展与研究现状31.2.1微电网在国外的发展与研究现状31.2.2微电网在国内的发展与研究现状31.3本课题的研究意义41.4本文的研究内容42. 微电网中各微电源的数学模型研究62.1光伏电池模型62.1.1光伏电池的基本原理62.1.2光伏电池的基本模型62.2风力发电机模型82.2.1风力发电机组的基本类型及特点82.2.1.1变桨距型鼠笼式感应风力发电机82.2.1.2变速恒频双馈式风力发电机92.2.1.3直驱式永磁同步风力发电机112.2.2风力发电机的基本原理112.2.3风力发电机的基本模型122.2.3.1风力机模型122.2.3.2风力机组轴系模型132.3燃料电池模型132.3.1燃料电池的基本原理132.3.2固体氧化物燃料电池的基本模型142.4柴油发电机模型162.5 小结173. 各微电源的建模与仿真182第 I 页 共 II 页中北大学2015届毕业论文3.1 光伏电池的建模与分析183.1.1光伏电池的Simulink实现183.1.2光伏电池模型的仿真运行193.2 风力发电机的Simulink模型203.3 柴油发动机模型的仿真运行203.4 小结224. 微电网仿真平台的构建与应用244.1 微电网的典型结构244.2 微电网仿真平台构建原则与思路244.3 微电网仿真平台的构建254.3.1仿真平台整体模型结构254.3.2微电网仿真平台的Simulink实现264.3.2.1微电网的二级负载264.3.2.2关键参数情况264.4 仿真验证274.5 小结27参考文献29致 谢31微电网建模仿真研究及平台开发摘要微电网是为整合分布式发电的优势，削弱分布式发电对电网的冲击和负面影响而提出的一种新的分布式能源组织方式和结构。它通过整合分布式发电单元与配电网，在一个局部区域内直接将分布式发电单元、电力网络和终端用户联系在一起，可以方便地进行结构和配置的优化。结合冷热电联供方案，能够提高能源利用效率，减轻能源动力系统对环境的影响，推动分布式电源上网，促进社会向绿色、环保、节能方向发展。无疑，微电网运行将成为未来大型电网的有力补充和有效支撑，是未来电力系统的发展趋势之一。本文以微电网建模仿真研究及平台开发为主要内容，重点工作主要集中在微电源建模及运行特性分析、微电网仿真平台开发及运行特性分析、微电网运行对电网综合负荷模型的影响三个方面。文章首先详细分析了各微电源的数学模型及其工作特性，利用了Simulink软件构建了简化固体氧化物燃料电池、光伏电池、风力发电机、柴油发电机等微电源的仿真模型。根据各个微电源的不同特性，从不同的侧重点对各微电源进行了仿真分析。仿真结果表明本文所建立的各个微电源能够反应实际微电源的运行情况，能够适应复杂微电网系统的建模需要。其次，分析比较了各种微电网控制策略的优劣势，在此基础上根据仿真平台的需要，考虑了微电网在受到扰动后的电压频率支撑问题，选取了V/f控制作为微电网的控制方式，利用Simulink软件建立了基于电压源型逆变器的V/f控制策略的详细控制器模型，然后与已经构建的各微电源模型一起搭建了微电网的仿真平台。考虑了微电网孤网运行时系统功率不平衡问题，设计了一个二级负载来吸收系统中的不平衡功率，以确保系统在孤网运行时能够快速实现功率平衡；利用了三个典型的仿真算例，模拟了微电网的各种运行状态，仿真结果表明:本文所构建的微电网仿真平台能够承受较强的负荷投切冲击，能够抵御较为严重的三相接地短路故障，能够实现由孤网向并网，由并网向孤网的不同运行模式的平滑切换，并且具有较好的电能质量。最后，文章选取了感应电动机+恒阻抗的综合负荷模型对微电网不同运行情况下得到的故障数据进行了辨识分析。辨识结果表明微电网接入电网后，随着其内部的微电源出力的变化其对电网综合负荷模型的影响有所不同，当微电源出力较大时，传统的综合负荷模型已不能表示其内部的负荷特性，此时需要新的负荷模型来表示其负荷特性。本文能够为微电网研究提供良好的仿真手段。关键词：微电网,微电源,V/f控制策略,并网运行,孤网运行,仿真平台Microgrid modeling and simulation research and development platformAbstractMicrogrid is a proposed new organization and structure of the distributed energy to integrate the advantages of distributed generation ,reduce the impact of distributed generation on the grid and negative impacts.It is through the integration of distributed generation units and the relationgship between the distributed network,directly to make the distributed power generation units ,power networks and end users together in a local area.It can optimized the structure ,and configuration easily. Combined with CCPH program ,it can improve energy efficiency,reduce the impact of energy power systems on the enviroment,promote distributedpower line,improve relability and to promote social to develepment to the green,environmental protection,energy saving.Undoubtedly,the microgrid will be the next large grids complements and effective support ,and the future trend of power system. The main content of this paper is the modeling and simulation of Microgrid and platform development,it focus mainly on three parts:modeling of Micro-power and performance analysis,developing of Microgrid simulation platform and performance analysis,the impact of Microgird operation on the integrated load model.At first，various of micropower mathematical models and its features were analied, a simplified solid oxide fuel cell,photovoltaic cell, wind generation and diesel power generators models were build using Simulink software.According to the different characteristics of each micro-power, do simulation analysis to each micro-power from diferent emphases point, the simulation results show that the Micro-power models can simulate the actual operation very well,they ara able to adaptto complex modeling of Microgrid.Secondly, various control strategies of microgrid were detailed introducted and compared,on the basis of the demand of simulation platform，take into account the requirement of laboratory research projects and the voltage disturbance and frequency support, a voltage /frequence control strategy was choosed, a voltage source inverter with V/f control strategy was built by simulink software.Then a Microgrid simulation platform was built with micropower models and v/f controller model that bulit before.The problem of power imbalances when Microgrid isolated operation was considered,a secondary load to absorb the power imblance in the system was designed cleverly,it can balance the power quikly when the microgrid is isolated opertion. Three typical simulation examples were used to simulite all kinds of operation states of microgrid. It shows that the simulation platform can bear a strong impact on the load switching.It also can bear serious short-circuit fault conditions,and simulate the operation of microgrid from the grid to the island and from the island to the grid smoothly with good power quality.Finally,different kinds of fault data obtained from different Microgrid opertion were identified by induction motor with constant impedance load model.The results show that the Microgrid have different effects on the integrated load model when the output of micro-power changed. When the miro-power output is too large，the traditional integrated load model unable to response its internal load characteristics,and it need new model to reflect its load characteristics.The research in the paper provided a good simulation tool to the research of Microgrid.Key Words:Microgrid,Micro-power,Voltage/frequency control strategy,Grid-Connected, Isolated operation,Simulation platform1. 绪论1.1微电网的研究背景和意义集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统是电能生产、输送和分配的主要方式。现代电力系统采用这种配电方式具有很多优点，提高了能源的使用效率，相对减少了维护及操作人员，降低了运行成本。互联输电网从能源基地向远距离的负荷中心传送比较大的功率，有从而效地解决了能源基地和负荷中心的地域不同所产生的矛盾。并且它能以有限的电能损耗来远距离传输大的功率，很大程度上提高了电能传输的经济效益。然而，近年来世界范围内发生了多起大面积的停电事故，尤其是2008年发生在我国南方的冰冻灾害事故充分显示出了互联大电力系统表现出来的脆弱性。其主要存在以下几点弊端：(1) 大型高压互联电力系统中，局部事故非常容易扩散，故而造成电网故障发生连锁反应，导致大面积停电。在互联大电网中任何一点发生故障产生的扰动可能都会对整个互联系统造成很大影响，严重时发生大面积停电甚至造成全网的崩溃，产生灾难性的后果。(2) 电网负荷的极差越来越大，电网设备的利用率也不断下降。目前电网夏季空调和冬季供暖所需的负荷激增，电力供应很容易造成短时不足，从而给电网安全稳定运行带来了严峻的压力。随着社会的发展，人们生活水平的提高，负荷不断激增，负荷的峰谷之差越来越大，电网负荷率也逐年下降，发电、输电设施的利用率也有下降的趋势。(3) 对于比较偏远地区的负荷不能达到供电需求。偏远地区较远离负荷中心，而且多数偏远地区的自然条件比较恶劣，电力系统所需的投资较大但是收益甚少，故而供电效果达不到理想状态1-6。同时，能源紧张局势不断地升级以及环保呼声日益高涨，能源和环境的问题已成为当今世界人类面临的最大威胁。为了避免能源危机、保护环境，可再生能源的开发利用已受到世界各国的高度关注。而互联大电网存在的缺陷、地球资源的衰竭、人们对环境问题的高度关注以及全世界范围内进行的电力市场化改革，都促使在电力工业发展中引进竞争的机制，以实现资源的优化配置。从而分布式发电技术成为了电力系统中全新的研究热点。即使分布式发电对负荷增长的需求、环境的污染和能源的综合利用效率及供电可靠性等方面都具有比较大的优势，但分布式发电同时也面对着诸多技术和非技术性的障碍和质疑，对电网产生许多负面影响:（1）分布式电源的接入使放射状的配电网络变为一种网络，配网潮流不再仅仅由变电站的母线单向流入负荷。配电网结构和潮流流向发生的变化使电网内各种保护设备定值和机理都将发生较大变化，所以对电网的保护也提出了更高的要求。 （2）配电网中少量的引入分布式电源对整个电网并不会产生太大影响，然而当电网中接入大量的分布式电源或者较大容量的分布式电源时，将对系统的动态稳定、静态稳定、电压质量、短路电流、有功及无功潮流、网损等方面都会造成比较大的影响。如果控制不当甚至可能会影响到系统稳定，导致电能质量的恶化，破坏系统的安全可靠运行。为了协调互联大电网和分布式电源之间的矛盾，进而充分挖掘分布式能源给电网和用户所带来的价值与效益，从而提高电力系统运行的灵活性、可控性和经济性以达到电力用户对电能质量和可靠性的要求，微电网(Microgrid)的概念应运而生，同时也得到了国内外专家学者的关注。现在国际上对微电网有诸多定义，其中较为权威的定义是美国电气技术可靠性解决方案联合会(The Consortium for Electric Reliability Technology Solutions CERTS)所提的微网概念7-9:微电网是负荷和微小能源的集合体，以在单一系统中同时提供电能和热能的方式运行，这些能源的大多数与电子器件相结合，以确保单一集合系统的运行。微电网对于互联大电网表现为单一的受控元，以满足用户对电能质量和安全的要求。然后同时也有许多专家学者从广义的概念上阐述了微电网概念:由于加入静止同步补偿器(STATCOM)的恒风速风电场改善了风场与电网之间的连接质量，所以风场和静止同步补偿器以及其它装置所组成的整体也可以认为是一个微电网。微电网为分布式电源接入互联大电网提供一种有效的方式，并且安全、高效、可靠的达到电能供应所需。微电网的优点主要有: （1）能充分利用分布式电源分散性和位置灵活的优点，提供冷热电联产(CCHP)，从而充分挖掘分布式电源的效率。 （2）微电网具有即插即用的特点。微电网作为一个可定制电源，可满足用户多样化的需求。 （3）微电网能孤网运行，在特殊情况下它能与大电网互为备用，极大程度上提高了电网的安全可靠性。 （4）微电网具有较强的经济效益。从用户角度来看极大地提高了能源的利用效率；从投资者的角度来看微电网更加环保、投资成本和运行成本更低，更加能适应终端用户能源需求变化。1.2微电网的发展与研究现状1.2.1微电网在国外的发展与研究现状美国是最早提出的微电网概念，同时对微电网研究也已取得了较大的进展, 多项示范工程已建立,而其中最为成功的范例是曼德瑞沃（Mad River）微网。该工程成功地验证了关于微网的建模、运行控制和保护及经济效益等相关问题。同时美国能源部出台了一份未来数十年分布式能源以微电网的形式形成规模性建设的文件，对微电网技术在未来的发展进行了详细的规划。而欧洲从其本身环境和电网稳定性要求的实际出发，对微电网的研究也更加地重视，各国之间相互展开了许多合作和研讨。如今已完成了微网控制策略、保护措施及通信协议等相关基本理论的研究，并且在一些国家建立了不同规模的实验平台。同时为欧洲的电力工业发展做出了长远规划，以满足欧洲电网的各项要求。对于资源受限的日本，则非常重视可再生能源的利用，以减少对化石能源的依赖。但这些可再生能源的间歇性造成的功率波动降低其输出的电能质量和可靠性。而微电网能发挥分布式电源的许多优势，控制各个微电源的出力情况，通过储能装置等设备能实现能量输出与负载间的功率平衡，所以从大电网的角度看，微电网好比于一个恒定负荷。这些理念极大地促进微电网在日本的研究与发展，目前日本在微电网的示范工程方面也已处于世界领先的地位10-12。1.2.2微电网在国内的发展与研究现状 提高能源利用率、开发新能源、加强可再生能源的利用，是解决我国经济和社会快速发展过程中日益凸显的能源需求增长与能源紧缺、能源利用与环境保护间矛盾的必然选择。虽然我国对微网的研究还处于起步阶段，但微电网完全能够适应我国电力工业发展的需求与方向，极具发展前景。目前我国许多高校和科研院所已开始对微电网展开了相关研究，现已在微电网的控制策略、储能技术、电力电子技术等诸多方面都取得了不错的进展。中国科学院电工研究所承担的“863计划”、南方电网公司和天津大学等单位承担的“973计划”、杭州电子科技大学和合肥工业大学等单位建立的小型微网实验研究系统等都为微电网技术的发展提供了比较系统的理论研究和工程实践验证。在微网综合控制与分析中，它从理论上对微电网的控制问题进行了研究。微电网研究综述一书中，阐述了分布式发电与微电网之间的联系和区别，并对微网的概念与特点做了较为详细的阐述。1.3本课题的研究意义当前我国电网的规模化建设达到了一定程度，电力系统基本都是“大机组、大电厂、大系统、高电压”。现代电力系统采用的这种方式具有很多优点，如大机组发电能够提高能源使用率，相对减少了维护及操作人员，降低运行成本。互联输电网能从能源基地向远距离的负荷中心传送较大功率，有效解决了能源基地与负荷中心的地域不同矛盾等。然而，近年发生的各种停电事故已经充分显示了目前这种电力系统对电网故障表现出来的脆弱性，并且现如今用户需求的变化和社会对先进技术的依赖给传统的电力系统增加更大的负担。同时现在我国社会发展的目标已发生了重要变化，建设资源节约型、环境友好型、可持续发展的社会主义社会成为全国人民的共识。现如今国家已将“分布式供能技术”列为2006-2020年科学和技术发展规划纲要。无疑，分布式发电、微电网运行将成为大型电网的有效支撑，它们将会是未来电力系统的发展趋势。我国对于微电网的研究才刚刚起步。鉴于微电网系统的复杂性，无论是研究微电网与电网之间的作用机理，或是微电源接入配电网时对电网负荷模型产生的影响，都需要有力的仿真手段来实现。因此，本文从微电网建模仿真研究和平台开发的角度出发，分析各微电源的数学模型及其控制的方式构建了详实的仿真平台，为后续的相关研究提供必要的研究方法与手段。 1.4本文的研究内容本文首先阐述了微网的研究背景，指出大电网在严重事故防御和充分利用分散式能源方面存在的严重不足，然后从微电网的基本概念出发详细分析微电网对小型分布式电源的接入、防止大电网大面积停电、增强电能质量和可靠性方面的有效作用，指出微电网将是未来大电网强有力的补充，是未来电网的一个必然发展的趋势。最后根据目前国内外在微电网研究方面进展情况，结合实验室课题需要提出了本文的研究重点工作。文章第二章主要详细阐述了光伏电池和燃料电池的基本原理，并选取了较为精确的考虑内部并、串联电阻的光伏电池模型和固体氧化物燃料电池作为建模对象，从模型结构的分析入手，对各个模型的数学原理进行了详细的推导和分析。同时文章也详细阐述了目前风力发电机的现状，并阐述了目前应用和研究比较多的典型的三种风力发电机(鼠笼式感应风力发电机、变速恒频双馈式风力发电机和直趋式永磁同步发电机)的结构、工作过程以及各自的优缺点。然后根据各个风机的特点和实验室仿真平台的需要选取了鼠笼式感应风力发电机作为建模对象，详细阐述了其每个模块的工作原理和数学推导的过程。从而为后续微电源模型的建立提供了理论基础。最后对柴油发电机的模型进行了阐述。本章为下一步微电源模型的建立提供了详细的理论基础。第三章利用MATLAB软件构建了简化光伏电池、风力发电机、固体氧化物燃料电池等微电源的MATLAB仿真模型，根据每个微电源的不同特性从不同的侧重点对各个微电源进行了仿真分析。结果表明所建立的各个微电源能够基本上反应实际微电源的运行情况，从而适应复杂微电网的建模需要。第四章利用己经构建的各个微电源模块搭建了微电网的仿真平台。同时考虑了微电网孤网运行中系统功率不平衡问题，巧妙的设计一个二级负载来吸收系统中不平衡功率以确保系统在孤网时能快速实现功率平衡；利用了微电网运行时比较典型的三个算例仿真，模拟了微电网运行的各种状态；选取了感应电动机+恒阻抗的综合负荷模型对微电网的不同运行情况下得到的故障数据进行了辨识分析。 最后对全文的工作进行了总结，并对微电网进一步的研究提出了展望。2. 微电网中各微电源的数学模型研究2.1光伏电池模型2.1.1光伏电池的基本原理当适当波长的光照射到半导体系统上，系统吸收光能后两端产生电动势，这种现象成为光伏效应，光伏效应又称“光生伏特效应”。光伏电池正是利用光伏效应进行光电能量转换，从而将太阳能转换为电能。当光线照射到由P型和N型半导体材料构成的PN结上时，光被半导体吸收后，在导带和价带中产生电子和空穴，这些电子和空穴被PN结的内建电场分离，然后分别汇集到光伏电池的两极，从而产生电动势。由于光照产生的电子空穴各向相反方向漂移，从而在内部构成自N区流向P区的光生电流，如果将PN结与外电路接通，只要光照不停止，就会不断地有电流流过电路。光伏电池的输出电压一一电流特性随着日照强度和电池温度的变化而改变。在使用太阳能电池供电时，由于单体电池片的容量较小，一般不能满足负载的用电需求。将几片、几十片或几百片单体电池经过串、并联连接起来构成组合体，形成光伏电池板。工程上应用的光伏电池板是太阳能电池使用的基本单元，其输出电压一般为十几至几十伏左右。此外，还可以根据负载容量需求，将若干个光伏电池板经过串、并联组成功率较大的实际供电装置，称为光伏阵列。2.1.2光伏电池的基本模型光伏电池的等值电路模型一般有3种16。第1种是不考虑光伏电池内部任何电阻的简单模型，该模型在光伏电池理论研究以及复杂光伏发电系统中应用较多；第2种模型是只考虑光伏电池并联电阻影响的模型，该模型精度稍高，但在实际应用中并不常见；第3种模型是较为精确的一种模型，其既考虑并联电阻，又考虑串联电阻的影响，其等值电路模型如图2.1所示。图2.1 光伏电池模型在图2.1中电流Iph为光生电流，只受光照强度影响，与外接负载无关。其值正比于光伏电池的面积和入射光的辐射强度，而且会随环境温度的升高而略有上升；光电流流经负载RSCR时建立起端电压U，它反过来正向偏置于PN结，产生暗电流Id，Id的大小反映出了当前环境温度下，光伏电池PN结自身所能产生的总扩散电流的变化情况。由于光伏电池输出端存在接触电阻，另外材料本身具有一定的电阻率，流经负载的电流经过它们时必然引起损耗，用一个串联等效电阻Rse。表示；由于电池边沿的漏电及制作金属电极时在电池的微裂纹、划痕等处形成金属桥漏电等，使一部分本应通过负载的电流被短路，这种作用可用一个并联等效电阻Rsh表示，产生漏电流Ish 。Rse与Rsh相比，Rse为低阻值，小于1欧姆；而Rsh是高阻值，约几千欧姆。因此光伏电池的输出电流为，应用Kirchhoff电流定律，可得流过负载的电流I与其端口电压U之间的关系为： 式中，I为光伏电池输出电流；U为光伏电池输出电压；Uoc为光伏电池开路电压；Ios为光伏电池反向饱和电流；T为光伏电池的热力学温度（oC）； q为电荷常量(1.6*10-19C) ；G为太阳辐射系数；ISCR为在25摄氏度和1000瓦每平方米时的短路电流；Tr= 301.18oC为参考温度；Ior为在Tr =301.18oC时的饱和电流；Ki为短路电流温度效应系数，一般取0.0017A/oC；A ，B为PN节点的理想因数；K为波兹曼常数(1 .38 X 10-23J/K)。2.2风力发电机模型2.2.1风力发电机组的基本类型及特点风能是一种洁净的可再生能源，在当今能源和环境问题日益受到关注的情况下，利用风能进行发电日益受到人们的重视。我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约10亿千瓦，其中陆地上风能储量约2. 53亿千瓦，海上可开发和利用的风能储量约7.5亿千瓦，共计10亿千瓦。中国新能源战略开始把大力发展风力发电作为重点，按照国家规划，未来15年，全国风力发电装机容量将达到2000万至3000万千瓦。在大规模开发风能的过程中，风力发电机的研发是其中比较重要的一环。目前常用的风力发电机主要有变桨距型鼠笼式感应风力发电机、变速恒频的双馈式风力发电机以及直驱式永磁同步风力发电机。其中变速恒频的双馈式风力发电机和直驱式永磁同步风力发电机主要应用在大型风电场中，而变桨距型感应风力发电机以其功率小、便于控制，在微电网中应用较为广泛。下面分别阐述目前广泛使用的3种风力发电机组及其控制方式、特点17。2.2.1.1变桨距型鼠笼式感应风力发电机变桨距型鼠笼式感应风力发电机是目前我国应用比较广泛的一种风机，其结构图如图2.2所示。在该结构中，风能通过叶片转换为机械能，然后通过齿轮箱将低速旋转的轴转换为高速旋转从而驱动感应发电机发出电能。在正常运行时，其通过对风力机叶片的桨距角的控制来实现恒速运行。具体调节方式为:在运行过程中，当风机输出功率小于额定功率时，桨距角保持在0o位置不变;当风机的输出功率大于额定功率时，调节系统根据输出功率的变化适时调大桨距角，使发电机的输出功率保持在额定值。为了提高风电机组在低风速时的效率，通常采用双速发电机(即大/小发电机)，在低风速时采用小电机使桨叶具有较好的气动效率，提高发电机的运行效率。软起动装置的作用是防止风力机切入和切出时产生过大的冲击电流，机端并联电容器是为感应发电机提供足够的无功来调节机端电压。图2.2 恒速鼠笼式感应发电机组该机组的突出优点是:结构简单、鲁棒性好、控制方便、无需进行维护、造价较低。其存在的主要问题包括：(1)无功不可控，需要电容器组或SVC进行无功补偿；(2)叶片与轮毅刚性连接，风速波动较大时产生较大的机械负载，容易导致齿轮箱故障，对叶片要求也较高；(3)输出功率波动较大；(4)发生失速时，难以保证恒定的功率输出，输出功率有所降低。2.2.1.2变速恒频双馈式风力发电机 目前，变速恒频双馈式风力发电技术是风力发电技术的重要发展方向具有广阔的应用前景，其模型如图2.3所示。图2.3 双馈式风力发电机变速恒频双馈式风力发电机主要由风速、风轮、双馈发电机、变频器、励磁系统、控制检测系统组成。双馈风力发电机的定子侧直接接入常规电网，而转子侧则通过两个VSC变频器连接到电网中。由于风速的变化，风电机组将会运行于超同步或次同步状态，对应于发电机转子部分向系统发出或吸收有功功率，因此可与电网之间实现能量双向传输。当风力机运行在超同步速度时，功率从转子流向电网；而当运行在次同步速度时，功率从定子流向转子。所以称为双馈风力发电机。变频器对转子交流励磁，控制定子发出恒定频率的电能，实现了发电机与电网的“软连接”18。与恒速风力机不同，双馈式风力发电机的桨距角控制是使桨距角能随时跟踪风速的变化，捕捉最大风速，以提高风能利用效率。双馈式风力机是目前世界各国风力发电的研究热点之一。相对于传统的恒速风力机，其性能优势体现在：(1)控制转子电流就可以在大范围内控制电机转差、有功功率和无功功率，参与系统的无功调节，提高系统的稳定性；(2)不需要无功补偿装置；(3)可以追踪最大风能，提高风能利用率；(4)降低输出功率的波动和机组的机械应力；(5)在转子侧控制功率因数，可提高电能质量，实现安全、便捷并网；(6)其变频器容量仅占风力机额定容量的25%左右，与其他全功率变频器相比大大降低变频器的损耗及投资。2.2.1.3直驱式永磁同步风力发电机传统风力发电机组中用齿轮箱来减小发电机体积，但同时也带来了一些问题:产生噪音、需要定期维护以及增加损耗等。为了克服这些缺点，采用风力机直接驱动同步发电机成为风力发电机的一种趋势。目前该领域研究较多的是直驱式永磁同步发电机，该机组的结构图如图2.4所示。图2.4 直趋式永磁同步风力发电机与上述两种机型相比，该种发电机简化了结构，其不需要增速齿轮箱，无转子绕组、无励磁绕组、无碳刷、无滑环，转子损耗很小，效率高。与双馈式风力机不同，此风力机系统的输出功率通过两个全功率变频器输送到电网中，与电网彻底隔开，因此其对变频器的要求较高。其优势体现在：(1)直接驱动，大大简化了结构，降低了噪音，提高了可靠性；(2)采用新型永磁发电机，体积小、重量轻、效率高，提高了机组容量系数；(3)运行时不需要从电网吸收无功功率来建立磁场，改善了电网的功率因素；(4)通过控制变频器的调制比可以分别控制有功和无功，在系统故障时提供无功支持，提高电网动态特性。这种风力机系统在国外已有一系列工程实例，但是在我国在该领域还处于研究、实验阶段。但随着电力电子技术和永磁体材料制造技术的发展，占成本比例相对较高的开关器件和永磁体，在其性能不断提高的同时，成本也不断下降，因而其具有广阔的发展前景。2.2.2风力发电机的基本原理 风力发电是将风能转换为电能的过程。图2.5给出了完整的风力发电系统结构图。其结构包括风力机及其控制器、转轴、变频器、发电机及其控制器等部分。图中变频器部分和换流器控制部分在某些类型的机组中没有，如恒速运行的感应风力发电机、永磁同步风力发电机。风速v作为风力机及其控制器的输入信号，风力机控制器与参考值进行比较，输出桨距角信号给风力机，调整其输出机械转矩T和机械功率Pww18。转轴输出的机械功率Pw输入到发电机中，发电机的输出功率PG经过换流器输送到变压器中，最终输送至电网。图2.5 风力发电系统结构图2.2.3风力发电机的基本模型2.2.3.1风力机模型风力机通过叶片捕获风能，将风能转换为作用在轮毅上的机械转矩。风力机常用数学模型为：式中：为风轮捕获的风能；为空气密度(kg/m3)；为风轮扫过的面积(m2)；为风速(m/s )；为叶尖速比；为叶片桨距角；为风机的风能转换效率系数，为各不同类型的风机的使用系数。当风速一定时，风力机机械功率的大小取决于的大小。因此在风力机的整体设计和相应的运行控制中，应尽可能追求最大，从而增加输出功率。2.2.3.2风力机组轴系模型由图2.2可知，鼠笼式感应发电机的机械传动链由五部分组成:风力机、低速转动轴、齿轮箱、高速转动轴和发电机。轴系模型的研究方法有很多，在不需要进行应力分布分析和机械强度设计的情况下，往往采用等效集中质量法。由于齿轮箱本身的动态特性已经很复杂，故在以电气动态过程为主的角度进行研究时，可对系统进行适当简化。一般可以将风力机与齿轮箱等效为一个质量块，发电机转子等效为另一质量块，也可以将齿轮箱单独等效为一个质量块，即三质量块模型。最为简便的方法是将其近似等效为一阶惯性环节，即：其中，机械转动部分时间常数；发电机转子轴上的机械转矩；风力机末端轴上的机械转矩。2.3燃料电池模型2.3.1燃料电池的基本原理燃料电池由正极、负极和夹在正负极中间的电解质板所组成。工作时向负极供给燃料(氢)，向正极供给氧化剂(空气)。氢在负极分解成正离子H+和电子e-。氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极，用电负载就接在外部电路中。在正极上，空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。由于其能量转换效率高、反应生成物没有污染而受到人们的广泛关注19。其原理图如2.6所示。图2.6 燃料电池模型2.3.2固体氧化物燃料电池的基本模型 固体氧化物燃料电池属于第三代燃料电池，它目前在微电网领域使用较为广泛。固体氧化物燃料电池的工作过程是一个传热、传质与复杂化学反应相结合的复杂过程。要全面掌握其工作特性需要从多个方面进行分析研究，而这其中电化学特性分析与研究是最为基础的。 对于以纯氢为燃料的固体氧化物燃料电池为例，电池总反应为： 则由Nernst方程可知理想电动势为： 其中为各自气体的分压力，R是通用气体常数，F为法拉第常数E0为标准电动势。为标准Gibbs自由能，是关于温度和压力的函数，则由下式可以得到：电极的阴极、阳极活化电势分别为：电池欧姆极化电势为：为各材料的总电阻。电极附近参与反应物的物质浓度与成团浓度会有明显差异，这种浓度梯度造成流体不稳定现象所引发的电势损失称为浓差极化，其可表示为：为各气体在气体通道中的浓度，为各气体在电解质界面处的浓度，计算式为： 其中为综合考虑普通扩散和Kundsen扩散系数，计算式为：式中为多孔电极区折系数，为多孔电极空隙率，为Kundsen扩散系数，由下式求得：式中，为平均孔径半径，为气体的相对分子质量。为气体扩散系数，由下式可得：综上所述可得燃料电池的有效电势为：2.4柴油发电机模型柴油发电机是一种小型发电设备，系指以柴油等为燃料，以柴油机为原动机带动发电机发电的动力机械。柴油发电机组的功率较低，但由于其体积小、便于操作和维护，所以其应用比较广泛20。柴油发电机组是内燃发电机组的一种，主要由柴油机、三相交流同步发电机和控制系统三部分组成。1、柴油机柴油机是一种将燃料燃烧释放出来的热能转变为机械能的能量转换装置。柴油机是发电机组的动力部分，一般由曲轴连杆机构与机体组件、配气机构与进排气系统、柴油供给系统、润滑系统、冷却系统、启动与电气系统和柴油机增压系统组成。 2、发电机 发电机以三相交流同步发电机为主，通常三相交流同步发电机的电枢绕组与三相电网连接，励磁绕组则与直流电源连接。 3、控制系统 控制系统是机组的配套设备，是柴油发电机组的重要组成部分，是决定柴油发电机组性能及使用技术的核心所在。一般由完成系统的电力传输、负载分配、开关输出等强电控制功能主回路(一次回路)和主要完成系统的各种控制、检测和保护等功能的控制回路(二次回路)组成。 柴油机组常被建模为一阶负反馈系统，系统检测柴油机的转速，将之与设定数值做比较，通过调节燃料的供给来维持转速在一定的范围。油门执行器可以认为是一阶纯惯性环节，燃料量与输出转矩之间是一时间延迟。 柴油发电机组是以柴油机为动力的发电设备，与其他的蒸汽轮发电机组、水轮发电机组、燃气涡轮发电机组等发电设备相比较，具有如下优点: (1)单机容量等级多；(2)配套设备结构简单、安装地点灵活、结构紧凑、占地面积小；(3)热效率高，燃油消耗低； (4)起动迅速，控制灵活；(5)建设与发电的综合成本低。2.5 小结本章主要阐述了微电网中各微电源的基本原理和数学模型。文章详细介绍了燃料电池和光伏电池的基本原理，并分别选取了固体氧化物燃料电池和精确的考虑内部并、串联电阻的光伏电池模型作为建模的对象，从模型结构和分析入手，对每个模型的数学原理进行了较为详细的推导和分析。同时本章还详细介绍了目前风力发电机的现状，并分析了目前应用和研究比较多的典型的二种风力发电机(鼠笼式感应风力发电机、变速恒频双馈式风力发电机和直趋式永磁同步发电机)的结构、工作过程以及各自的优缺点。然后根据各风机的特点和实验室仿真平台的需要选取了鼠笼式感应风力发电机作为本文的建模对象，详细描述了其各模块的工作原理和数学推导过程。文章最后对柴油发电机模型也进行了简单的介绍。本章的研究为下一步微电源模型的建立提供了详实的理论基础。3. 各微电源的建模与仿真3.1 光伏电池的建模与分析3.1.1光伏电池的Simulink实现根据光伏电池的理论分析，利用MATLAB软件构建了光伏电池的MATLAB模型，其如图3.1所示。模型的输入T、 R、VPV分别代表实时环境温度、太阳的辐射强度、光伏阵列的工作电压，电流I为模型的输出。其中Tref为参考条件下光伏电池温度；Im ，Vm为参考条件下光伏电池最大功率点的电流、电压。图3.1光伏电池的MATLAB模型其仿真的参数如表3.1所示。表3.1 50kW光伏电池模型的基本参数 参数名称 数值 开路电压(v) 320 参考温度() 20 短路电流(A) 10.65 最大功率点电压(V) 200 最大功率点电流(A) 10.25 短路电流温度效应系数 0.015 开路电压温度系数 0.700 并联电阻() 2000 参考太阳辐射强度(w/m2) 1000 3.1.2光伏电池模型的仿真运行由于实际中光照强度的变化不是特别明显，对于光伏电池模型考虑了太阳辐射强度的变化，在仿真时太阳辐射强度从450w/m2上升到950w/m2。则太阳的辐射强度及光伏电池的输出电流分别如图3.2，图3.3所示。图3.2 太阳辐射强度 图3.3 光伏电池的输出电流光伏电池模型是非线性的，但因此时模型的输入参数仅考虑了太阳辐射强度的变化，而忽略了大部分非线性因素的影响，所以光伏电池的输出近似于线性。仿真实验结果表明，上述所建立的光伏电池仿真模型实用性较强，该模型能模拟光伏电池阵列随光照强度变化所表现出的功率变化，符合复杂的光伏发电系统仿真研究。3.2 风力发电机的Simulink模型因为异步发电机的模型已比较成熟，故该仿真平台直接利用MATLAB中的异步发电机构建如下发电机模型。图3.4 风力机模型由于时间原因，仅仅根据风力发电机的数学模型构建了其MATLAB模型，并未对其做进一步的研究与分析。3.3 柴油发动机模型的仿真运行对于柴油发电机，已有很多学者做了大量的相关研究，本文以一台同步发电机来模拟柴油发电机的运行。柴油发电机励磁模块模型如图3.16所示。该励磁模块采用基于经典控制理论的PID控制，同时为了提高机组的阻尼特性引入了辅助控制环节电力系统稳定器(PSS)，从而改善了发电机系统的运行特性。图中m模块为从同步发电机侧测得的电机转速以及dq0坐标系下的dq轴电压。图3.5 柴油机励磁模型 图中能量管理系统模块模拟了柴油机部分，其输入为柴油发电机的实际转速与期望转速，输出为柴油机的机械功率。其通