交直流混合微网协同控制及主动负荷响应策略研讨.doc

硕士学位论文硕士学位论文 交直流混合微网协同控制及主动负荷响应策 略研究 RESEARCH ON REGULATION SCHEME OF HYBRID AC DC MICRO GRID AND RESPONSE BEHAVIOR OF ACTIVE LOAD XXX XXXXXXXXXXXX 2015 年年 6 月月 国内图书分类号 TM76 学校代码 10213 国际图书分类号 621 31 密级 公开 工学硕士学位论文工学硕士学位论文 交直流混合微网协同控制及主动负荷响应策 略研究 硕士研究生 XXX 导 师 XXX 教授 申请学位 工学硕士 学科 电气工程 所 在 单 位 电气工程及自动化学院 答 辩 日 期 2015 年 6 月 授予学位单位 XXXXXXX Classified Index TM76 U D C 621 31 Dissertation for the Master Degree in Engineering RESEARCH ON REGULATION SCHEME OF HYBRID AC DC MICRO GRID AND RESPONSE BEHAVIOR OF ACTIVE LOAD Candidate XXXXX Supervisor XX Academic Degree Applied for Master of Engineering Speciality Electrical Engineering Affiliation School of Electrical Engineering and Automation Date of Defence June 2015 Degree Conferring Institution XXXX 摘 要 近几年 微网系统凭借其诸多的优点使得现代电力系统研究进入了新的时代 其通过整合各种微源的优势极大的促进电力系统的发展 微网具有交流结构 直 流结构和交直流混合结构 与传统直流微网或交流微网相比 交直流混合微网结 构灵活 能量利用率高 但控制复杂 为了保证不同运行状态下交直流混合微网 在小扰动下能够稳定运行 本文对不同运行模式下的控制策略进行了研究 为了 减小弃风弃光 提高系统综合利用效率 实现削峰填谷 本文对利用群智能算法 进行主动负荷响应进行了研究 首先 本文建立了典型微源的数学模型 其中包括 太阳能光伏发电 风力 发电和储能单元 对于光伏发电 利用所建立模型分析了不同环境下光伏电池板 的输出特性 根据功率电压特性曲线 利用扰动观察法在 DC DC 变流器实现最 大功率追踪 保证光能的最大利用率 对于风力发电 详细分析了其各模块的数 学模型 建立其仿真模型并验证了模型的有效性 为后续风电参与频率调节奠定 基础 对于蓄电池 详细分析了其出口双向 DC DC 变流器的工作原理 并通过 仿真验证了其可有效调节直流母线电压 其次 本文根据交直流混合微网系统结构和运行特点提出了混合微网系统协 同控制策略 在联网运行状态下 光伏发电和风力发电以最大功率输出以充分利 用可再生能源 微网管理系统通过控制微型燃气轮机的出力来调节与外电网的交 换功率 蓄电池仅参与直流母线电压调节 在孤网运行状态下 光伏发电仍以最 大功率输出 蓄电池 风力发电和燃气轮机三者对系统进行协同控制 以保证系 统频率电压的稳定 利用所建立的仿真模型 通过对比仿真验证了所提控制策略 在控制交换功率 抑制频率变化 稳定直流电压上的有效性 最后 针对可再生能源波动性大 日负荷曲线与可再生能源输出曲线不相符 利用燃气轮机进行调节后其输出曲线峰谷差较大 综合利用效率低的问题 提出 了引入电价激励政策的主动负荷响应策略 该策略利用蚁群算法 以最小用电费 用为目标函数进行用电任务安排 通过对比验证 证明了本文所用蚁群算法可高 效 快速的实现主动负荷响应 有效的缩小燃气轮机输出峰谷差 提高系统综合 利用效率 本课题由国家自然科学基金委 NSFC 提供资助 项目名称 智能电网 与电动汽车环境友好集成与交互基础理论和关键技术研究 51361130153 关键词 混合微网 协同控制 主动负荷响应 蚁群算法 削峰填谷 Abstract In recent years micro grid system has brought modern electric power systems research into a new era because of its advantages it promotes the development of power system greatly by integrating the advantages of a variety of micro sources Comparing with traditional AC or DC micro grid a hybrid AC DC micro grid has flexible structure and high energy efficiency but complex control This paper researched on the control strategy of hybrid AC DC micro grid in different operating status to ensure the stable operation in small perturbations In order to reduce abandoning wind and sun improve the utilization efficiency and realize load shifting this paper researched on the active load response by swarm intelligence algorithm Firstly this paper established the mathematical model of typical micro sources including photovoltaic PV wind turbine and battery BA For PV this paper used the established model analyzing the output characteristic in different environments realized the maximum power point tracking by disturbance observer method in DC DC converter to ensure maximum utilization of light energy For wind turbine this paper analyzed the mathematical model of each module and the simulation result proved the mathematical model was effective which laid a foundation for participation in frequency regulation of wind turbine For BA this paper analyzed the working principle of the bidirectional DC DC converter and the simulation result proved the model can effectively keep the stable of the DC bus voltage Secondly according to the structure and operational characteristics of hybrid AC DC micro grid this paper proposed a coordinated control strategy In grid connected mode PV and wind turbine work in maximum output power to take full use of renewable energy micro grid management system adjusted the exchange power by changing the output power of micro gas turbine and the battery only adjusted the DC bus voltage In island mode the PV still worked in maximum output power the battery wind turbine and gas turbine cooperatively adjusted the system to keep the stable of frequency and voltage The simulation result proved the proposed cooperative control strategy was effectively on controlling exchange power restricting frequency fluctuation and keeping DC Voltage stable Finally as the renewable energy has large fluctuations the daily load curve and renewable energy output curve doesn t match the output curve of gas turbine has large peak and valley difference after adjusting and the system has low efficiency this paper proposed an active load response strategy with price incentive policy The strategy used ant colony algorithm and made minimum electricity costs as the target function to arrange the power task By contrast verification the result proved the ant colony this paper used could quickly and efficiently realize active load response efficiently reduce the output peak and valley difference of gas turbine and improve the comprehensive utilization efficiency of the system This Project was funded by the National Natural Science Foundation of China NSFC Project name The Basic Theory and Key Technology of Environment Friendly Integration between Smart Grid and Electric Vehicle 51361130153 Keywords hybrid micro grid cooperative control active load response ant colony algorithm load shifting 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 第 1 章 绪 论 1 1 1 课题的研究背景及目的意义 1 1 2 微电网的发展 2 1 3 微电网研究现状 4 1 3 1 微网系统的拓扑结构 5 1 3 2 微网系统的控制策略 6 1 3 3 微网系统主动负荷响应 7 1 4 本文的主要工作 8 第 2 章 微网系统结构及微源建模 9 2 1 引言 9 2 2 交直流混合微网的结构 9 2 3 光伏阵列建模及最大功率追踪 10 2 3 1 光伏阵列等效电路及数学模型 10 2 3 2 光伏出口 DC DC 转换电路 13 2 3 3 光伏电池板最大功率追踪策略 13 2 4 风电机组建模 15 2 4 1 风力机组风轮系统数学模型 15 2 4 2 传动机构数学模型 16 2 4 3 异步发电机数学模型 16 2 4 4 风电场等值 18 2 4 5 风电场 Matlab Simulink 仿真 19 2 5 蓄电池及双向 DC DC 模型 20 2 5 1 蓄电池模型 20 2 5 2 双向 DC DC 模型 20 2 5 3 蓄电池模块仿真 22 2 6 双向 AC DC 变流器建模 24 2 7 本章小结 26 第 3 章 混合微网协同控制策略研究 27 3 1 引言 27 3 2 微网的分层协同控制系统结构设计 27 3 3 微网联网运行控制策略研究 28 3 3 1 微网联网运行控制策略 28 3 3 2 微网联网运行控制效果仿真分析 30 3 4 微网孤网运行控制策略研究 33 3 4 1 微网孤网运行控制策略 33 3 4 2 微网孤网运行控制效果仿真分析 36 3 5 本章小结 42 第 4 章 微网系统主动负荷响应 43 4 1 引言 43 4 2 蚁群算法介绍 43 4 3 蚁群算法在主动负荷响应中的应用 44 4 4 电价激励政策的建立 46 4 5 电器模型的建立 48 4 6 主动负荷响应效果仿真分析 50 4 7 本章小结 52 结 论 53 参考文献 54 攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果 58 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 59 致 谢 60 第 1 章 绪 论 1 1 课题的研究背景及目的意义 能源是人类社会进步的基础 将各种能源转化为电能供人们使用极大的促进 了社会的发展 方便了人们的生活 随着经济发展 人民生活富足 人们不仅加 大了对电量的需求 还提高了对电能质量的要求 但是随着化石能源的逐渐枯竭 核电项目受限 电力结构老化 环境污染严重 传统电力系统容易受到攻击 城 市配电系统升级缓慢以及多次大规模停电事故等问题相继出现 1 4 多国认识到传 统的电网结构已经不跟不上社会发展的步伐 在这种背景下 以可再生能源发电 为主的分布式发电应运而生 分布式发电以其容量相对较小 建设时间短 投入资金少 发电方式灵活 可转化的能源种类丰富 大部分电能就地消化 降低输电网送电压力 节省输电 成本 利用可再生能源 与环境兼容性好 污染小等优点得到各国的重视 5 7 但 因分布式发电受环境影响随机性较大 将其大量联网运行可能会给电力系统带来 较大的冲击 并导致相应的电网安全性和稳定性降低以及电能质量不能够满足最 低要求等一系列严重问题 此外 对于整个电力系统来说 分布式发电输出随机 性强 可控性差 所以电力系统总是试图使其脱网来降低分布式发电对整个系统 产生的影响 8 为了解决分布式发电与电网融合性差的问题 将一种或几种分布 式发电整合到一起 以一定的控制策略实现其安全稳定运行的微网应运而生 9 12 微网的概念一经提出 由于其同时具备环境友好型和资源节约型特性 适应 时代的发展 可为人类提供源源不断的能源 实现可持续发展 节能减排的目标 很快就受到了各国科学家的关注 并取得了很多研究成果 13 16 按照微网的结构及运行特点 可将其分为交流微网 直流微网和交直流混合 微网 传统的交流微网和直流微网因其存在交直流形式的转换致使网内大量使用 电力电子转换设备 交直流混合微网含有交直流两条母线 可以有效的减少电力 电子转换设备的使用 减小网络建设成本 提高系统综合利用效率 17 因此研究 交直流混合微网具有重要意义 交直流混合微网具有联网运行与孤网运行两种状态 在联网运行状态下 混 合微网系统的频率和电压由外电网调节 其抗干扰能力较强 但其存在与外电网 交换功率控制 交直流母线交换功率控制以及蓄电池充放电控制等问题 因此 研究联网运行状态下交直流混合微网的控制策略具有重要意义 当外电网发生事故或者电能质量低于最低标准时 微网系统转入孤网运行状 态 孤网运行状态下 系统频率和电压得不到外电网的支撑 如何保证投切负荷 后系统的稳定 如何保证交直流分离后交流侧和直流侧的稳定 如何保证蓄电池 最大备用容量 如何利用系统内部微源进行协调控制具有重大研究意义 由于微网中部分微源具有随机性 其输出受环境影响波动性较大 容易形成 负荷高峰期无电可卖 负荷低谷期无人买电的尴尬局面 出现弃风 弃光现象 造成能源的浪费 通过引入激励政策可以改变用户的用电规律 实现削峰填谷 提高微网系统的综合利用效率 如何引入激励政策 来实现主动负荷响应具有重 要研究意义 本课题由国家自然科学基金委 NSFC 提供支持 项目名称 智能电网 与电动汽车环境友好集成与交互基础理论和关键技术研究 Intelligent Grid Interfaced Vehicle Eco charging iGIVE 51361130153 1 2 微电网的发展 Lasseter B 教授在 2001 年的冬季电力工程协会上首次提出了微网概念 随着 微网研究的逐渐深入 其研究重点逐渐从交流微网 直流微网转移到结合了交流 微网与直流微网各自优点的交直流混合微微网 18 20 交流微网结构简单 技术成熟 目前已有许多示范工程 具有代表性的为美 国 CETRS 出资建设的微电网 其单线图如图 1 1 所示 DG DGDG 可中断负荷 不可中断负荷 敏感负荷 储 能 光 伏 储 能 燃 气 轮 机 断路器1 断路器2 断路器3 断路器4 断路器5 能量管 理系统 外电网 馈线A 馈线B 馈线C PoC 交 流 母 线 电力传输线 信息传输线 图 1 1 CETRS 微网结构 图 1 1 中的 CETRS 微网系统为典型交流微网 含有三条馈线 馈线 A 馈线 B 和馈线 C 馈线 A 上的负荷为敏感负荷 这对电能质量的要求较高 因此在馈 线上连接储能及光伏发电等微源 当交流母线电能质量不达标时 可通过断开断 路器 1 并利用储能及光伏发电维持馈线 A 的运行 馈线 B 上的负荷为可中断负荷 在微网系统供能不足时可以适当切除部分可中断负荷以保证系统的稳定性 馈线 C 上的负荷为不可中断负荷 为了保证馈线 C 的电能质量及供电稳定性 在馈线 C 上连接燃气轮机和蓄电池 燃气轮机可以保证馈线 C 电能不中断 各馈线通过 断路器与交流母线相连 交流母线通过公共藕合点 PoC 与外电网相连 21 22 整个微网的安全稳定运行主要通过微网能量管理系统控制 虽然交流微网技术成 熟 但是直流微源出口处大量使用电力电子器件 照成建设成本及运行成本的增 加 与交流微网相比 直流微网凭借其控制简单 能量利用率高而得到广泛研究 23 25 直流微网系统典型结构如图 1 2 所示 DC负荷DC负荷 DC DC PoC DC DC AC负荷 DC AC AC负荷 DC DC AC DC AC DC 能量管 理系统 AC DC 断路器 断路器 燃气轮机 风力发电机 外电网 储能单元 光伏发电 直流母线 电力传输线 信息传输线 图 1 2 直流微网结构图 图 1 2 中 直流微网仅含有一条直流母线 光伏发电和储能单元等直流微源 与直流负荷直接或者通过 DC DC 变流器与直流母线相连 风电发电机和微型燃 气轮机等交流微源与交流负荷通过 AC DC 变流器与直流母线相连 直流母线通 过联网 AC DC 变流器与外电网相连 通过对联网 AC DC 变流器或者 PoC 的控制 可以实现直流微网的联网 孤网运行 微网能量管理系统负责整个直流微网的安 全稳定运行 直流微网控制简单 仅需保证母线电压恒定 但其也大量应用电力 电子器件 综合利用率较低 为了减少微网中电力电子器件的使用 减小损耗 提高微网系统的综合利用 效率 各国逐渐开展了对含有交流母线和直流母线的交直流混合微网的研究 交 直流混合微网可以较好的继承传统微网的优点 相对于单一的交流或直流形式 混合微网具有如下特点 1 具有交流和直流两根母线 直流单元连接到直流母 线上 交流单元连接到交流母线上 交直流母线之间通过双向 AC DC 变流器连 接 这种结构可以减少 AC DC DC AC 等变流器的使用 可以有效地降低建设 成本 并减少系统中的谐波 2 家用电器中电脑 电视等利用直流电工作的电 器直接或者通过 DC DC 与直流母线相连 电冰箱和风扇灯等利用交流电工作的 电器与交流母线相连 这样可以减少变流器装置的使用 减小电器体积 降低电 器制造成本 3 大量减少整流 逆变装置 使控制更加灵活 降低网络损耗 提高系统的可靠性和经济性 基于以上优点 各国逐渐加大了对交直流混合微网 的研究 26 31 典型交直流混合微网结构如图 1 3 所示 断路器 PoC DC负荷 AC DC DC DC 直 流 母 线 DC负荷 DC DC DC DC 断路器 断路器 AC负荷 AC负荷 燃气轮机 风力发电机 微网管 理系统 断路器 外电网 交 流 母 线 光伏发电 储能单元 DC DC 电力传输线 信息传输线 图 1 3 交直流混合微网结构 图 1 3 中燃气轮机 风力发电机等交流微源和交流负荷与交流母线相连 光 伏发电 储能单元等直流微源和直流负荷与直流母线相连 交直流母线间通过双 向 AC DC 变流器相连 交流母线通过 PoC 与外电网相连 通过控制交直流母线 间断路器可以使交直流部分各自孤立运行 整个系统通过微网能量管理系统保证 其运行的安全性与稳定性 1 3 微电网研究现状 2014 年 5 月 27 日 国家电网宣布 将向社会资本全面开放分布式电源联网 工程与电动汽车充换电设施两大领域 这表明我国对分布式发电的大力支持 可 以预测 在未来的电力系统中 分布式发电将具有重要地位 目前 各国对微网的研究主要集中在微网系统的结构分析 微网系统的控制 策略和提高微网系统内微源综合利用率上 1 3 1 微网系统的拓扑结构 对微网进行研究首先要根据微源及负荷性质等建立合适的拓扑结构 由于传 统输配电网及家用电器都利用交流电 在最初的研究阶段 各国将研究重点放在 了交流微网的研究上 交流微网拓扑结构基本相似 大部分为辐射状结构 交流 单元通过变压器与交流母线连接 直流单元通过电力电子变流器与交流母线连接 系统通过 PoC 与外电网连接 通过对 PoC 开断的控制 可以实现微网的不同运 行状态 文献 32 根据交流微网拓扑结构与系统内分布式发电容量的大小以及负荷的 重要程度将交流微网分成 3 类 大容量接入输电网的电场级微网 中等容量接入 配电网的配网级微网 小容量孤网运行的村级微网 虽然各个等级的交流微网可 以充分发挥微网的优点 实现能源的可持续发展 但是其大量使用电力电子设备 增加了微网的控制难度 建设成本 且很多微源经过多次电能转化 造成了很大 的浪费 文献 33 根据各个微源及负荷与母线的结合方式将其分为并联形式与串联形 式 含多条馈线的交流微网中 馈线上的微源组成串联结构 各条馈线组成并联 结构 这样的结构使微网结构简单明了 易于实现微网的建设 但是其还是存在 使用大量电力电子设备 谐波严重 成本相对较高的缺点 因大部分交流微网存在大量使用电力电子设备 谐波污染严重 成本相对较 高 电能损失较大 控制难度相对较大的缺点 在交流微网系统运行保护技术相 对成熟之后 各国科学家展开了对直流微网的研究 与交流微网相比 直流微网 相对简单 系统中各交流微源和交流负荷通过电力电子器件与直流母线相连 直 流微源和直流负荷直接或通过升压降压与直流母线相连 直流母线通过变流器与 外电网相连 直流微网稳定性较高 仅需保证直流母线电压稳定 不需要考虑频 率 电压相位 涡流以及无功功率等 文献 34 根据微源负荷的连接及运行特点 介绍了直流微网的多环结构和辐 射结构 其中 多环微网采用环状结构可以提高系统稳定性 辐射状微网结构简 单 可以减少断路器的数量 虽然直流微网结构可以提高系统稳定性 降低电力 电子器件的使用数量 但是直流微网中含有燃气轮机等旋转设备 其接口还是需 要 AC DC 转换装置 文献 35 介绍了日本多个已建成并成功运行的微网示范性工程 其中在日本 Sendai 建立的智能微网示范工程包括一根交流母线和一根直流母线 是一个典型 的交直流混合微网 该微网的直流母线连接储能单元 PV 和直流负荷 交流母 线连接燃汽轮机 交流负荷 并通过 DC AC 变流器连接 PV 和燃料电池 交流母 线与直流母线之间通过双向 AC DC 变流器连接 系统在交流母线上通过公共耦 合点与外电网相连 整个交直流混合微网系统通过中央控制器 微网管理系统 进行控制 该系统结构简单 层次分明 利用中央控制器控制方式灵活 但是依 赖较高的通信系统 总结已有的微网结构 现在已建立的大部分微网采用传统交流结构或直流结 构 这两种结构中会大量使用电力电子器件 不仅增加系统的建设成本 电能在 交直流转换过程中 会照成大量的浪费 降低微网的综合利用效率 1 3 2 微网系统的控制策略 文献 36 38 总结了微源层面的 P Q 控制 有功无功控制 V f 控制 频率电 压控制 和 droop 控制 下垂控制 微网层面的主从控制 对等控制和分层控制 并详细的分析了各种控制模式的优缺点 其中 主从控制需要一个容量相对较大 的微源采用 V f 控制 并且需要中央处理系统处理系统信息 分配各 DG 的有功 功率和无功功率 比较依赖通信系统 对等控制不能保证可再生能源的最大化利 用 有可能产生弃风 弃光现象 且若系统功率缺额过大会导致系统失稳 分层 控制方式过分依赖通信系统 若通信系统发生故障 系统很难维持稳定 文献 39 提出了一种新方法以实现对交直流混合微网中双向 AC DC 变流器的 控制 该方法在传统的双向 AC DC 变流器中加入了交换功率控制模块用于控制 交流母线与直流母线之间的功率流动 在联网运行时 新方法通过在直流侧电压 外环中设定内环电流参考值来实现对交直流交换功率的调控 孤网运行时 新方 法以交直流电压差值作为外环 控制交直流交换功率 新方法提高了混合微网系 统运行的安全性 稳定性和可靠性 并使控制更加灵活 文献 40 提出了交直流混合微网的直流分层控制系统 该策略可以有效的提 高交直流混合微网中直流母线电压的性能 该控制策略分为两层 第一层利用 droop 控制方式保证直流母线电压和交流母线电压 频率稳定 并完成负荷的分 配 第二层控制利用电压补偿控制系统补偿由 droop 控制导致的电压变化 进一 步保证电压质量 该控制系统能够有效的实现对混合微网的控制 文献 41 研究了混合微网的离网过程和联网过程 提出了利用双向 AC DC 变 流器快速改变微网频率和相位的 PoC 无冲击投切策略 通过该控制策略的调节 在收到联网信号后 混合微网交流母线的频率 相位可以快速接近外电网 并在 其达到规定范围内时迅速联网 在孤网运行状态下双向 AC DC 变流器采用电压 源电压控制方式 联网前 先将变流器输出电压的频率和相位调节到与外电网相 同 然后闭合 PoC 断路器实现联网 联网后变流器工作方式变为电压源电流控制 模式 总结现在已有的微网系统控制方法 传统交流或直流微网控制策略可有效的 实现交流频率 电压和直流母线电压的控制 但其母线种类单一 并不适合交直 流混合微网 已有的交直流混合微网控制策略主要是对交直流连结双向 AC DC 变流器进行控制 且并没有考虑蓄电池容量的限制 所建立交直流混合微网系统 结构比较简单 系统参与调节的微源种类单一 对于多微源协同调节以及交直流 离合等研究较少 1 3 3 微网系统主动负荷响应 因大部分微网系统内的微源利用可再生能源发电 其受到外界天气的影响输 出波动性较大 如光伏发电和风力发电等受到光照强度和风速的影响 会导致其 出力时刻改变 夜晚风力输出较大 白天光伏输出较大 这会导致用电低谷有电 无人用 用电高峰需电无人发的局面 为了进一步充分利用可再生能源 减少弃 风 弃光现象 并且保证与外电网的交换功率在规定范围之内 需要利用燃气轮 机进行调节 这会导致燃气轮机出力峰谷差过大的问题 燃气轮机过大的峰谷差 会导致其综合运行效率低下 随着智能电网以及智能家电的研究的逐渐深入 智能化家居渐渐走入居民的 家庭中 智能化家居可以实现对家中电器的自动协调 远程控制 42 43 通过引入 激励政策 进行主动负荷响应 调节各电器设备的运行时段 可有效的缩小燃气 轮机输出峰谷差 提高燃气轮机综合利用效率 文献 44 利用智能家居技术 根据一定的优化约束建立一定的激励政策利用 遗传算法进行主动负荷相应 可以有效的实现用电任务的安排 但是采用遗传算 法效率较低 容易过早收敛 若用电设备过多 不易找到最优解 文献 45 研究了一种基于改进遗传算法的家庭智能用电调度优化模型及优化 算法 其根据家庭用电的主要特征 将家庭用电任务分为连续运行与中断运行两 类 模型以降低一天中的用电负荷峰值或用电费用为优化目标 并通过典型家庭 中家用电器的特性模型和分时价对遗传算法的效果进行仿真验证 但是其采用单 一峰谷电价 算法不能很好的适应多种价格的分时电价政策 文献 46 提出了绿色家园服务 GHS 来进行家庭能源管理设计和实施 该 方法很好的解决了智能电网家庭能量管理的关键问题 提高了负荷的可管理性 并提出了基于任务时常的算法有效的实现了削峰填谷 合理的安排了各负荷运行 的时间 但该算法并没有考虑电价因素 无法实现降低用电成本的目标 总结国内各位学者关于主动负荷响应的研究 主要采用遗传算法 并根据一 定的激励政策 以降低用电费用或者实现削峰填谷为优化目标 该算法可以实现 对用电任务的安排 但国内关于其他优化算法在主动负荷响应上的研究较少 1 4 本文的主要工作 本文以交直流混合微网系统为研究对象 建立含有燃气轮机 风力发电机组 太阳能光伏发电站 储能单元以及 D STATCOM 的模型 分析各微源的运行特性 研究联网运行与孤网运行状态下微网系统的控制策略 解决微网系统稳定运行的 问题 为了提高微源的利用效率 研究适当的主动负荷响应策略 实现削峰填谷 具体的工作包括 1 建立太阳能光伏阵列的数学模型 并详细研究其最大功率追踪策略及实 现方法 以保证光能的最大利用率 建立双馈异步风力发电机的基本数学模型 并分析其基本工作原理 为风电机组参与调频提供基础 建立双向 AC DC 变流 器的数学模型 并详细分析其在微网不同运行模式下的控制方式以实现对微网状 态的调节 2 针对联网运行状态下 微网内功率波动过大会对外电网产生影响以及过 大的交换功率会导致离网后系统失稳的问题 研究联网运行控制策略 达到可再 生能源利用率最大化 减小微网对外电网的影响的目的 针对孤网运行状态下 必须保证交流侧与直流侧稳定 以及蓄电池容量有限不能长时间充放电的问题 研究微网系统孤网运行状态下燃气轮机 风力发电机组和蓄电池协同控制策略 协调好各微源的调节作用 保证系统稳定运行 并实现蓄电池调节功率快速归零 保证最大备用容量 3 针对充分利用风能和光能情况下燃气轮机输出峰谷差过大的问题 研究 一种基于蚁群算法的主动负荷响应策略 通过在微网系统内引入电价激励政策来 实现家庭用电费用最小化的同时 减小燃气轮机输出峰谷差 提高燃气轮机的综 合利用效率 第 2 章 微网系统结构及微源建模 2 1 引言 随着与微网相关的研究成果不断增多 学者发现含有交流和直流两条母线的 交直流混合微网可有效地解决传统单一母线微网因大量使用电力电子器件而造成 损耗较大 综合利用效率低等问题 交直流混合微网以其综合利用率高 控制灵 活逐渐成为人们研究的重点 本章首先确立了交直流混合微网的系统连接结构 然后建立了混合微网内典 型微源的数学模型 其中包括光伏发电场 风力发电机组 储能单元以及交直流 母线连结双向 AC DC 变流器 分析了各个模块的工作原理 为下一章混合微网 协同控制策略研究做铺垫 2 2 交直流混合微网的结构 为了对交直流混合微网不同运行模式下的控制策略进行研究 根据已有微网 结构特点来确定本文所研究的交直流混合微网系统结构 交直流混合微网具有一条交流母线和一条直流母线 直流侧微源 储能系统 负荷等经 DC DC 变流器连接到直流母线 交流微源以及交流负荷通过变压器连 接到交流母线 为了充分体现交直流混合微网的特性 本文研究微网系统连接方 式如单线图 2 1 所示 50MW 燃气轮机 13 8 35kV 0 575 35kV 15 1 5MW DFIG 4MW PV 5MW BA 35kV配电网 断路器1 D STATCOM PoC 无功补偿 AC 负荷1 AC 负荷2 DC DC RLC 滤波 DC 负荷1 DC 负荷2 DC DC 断路器2 DC DC 1kV 升压斩波 双向DC DC 双向 AC DC AC母线 DC母线 35 0 38kV AC DC 图 2 1 交直流混合微网单线图 如图 2 1 所示 4MW 光伏发电 PV 5MW 储能单元 BA 直流负荷等直流设 备通过 DC DC 变流器与 1kV 直流母线相连 22 5MW 风力发电厂 50MW 小型 燃气轮机等旋转发电设备与交流负载通过变压器与 35kV 交流母线相连 交流母 线与直流母线之间通过双向 AC DC 变流器相连 交流母线通过公用耦合点与 35kV 外电网相连 该结构通过一个双向 AC DC 变流器代替原来每个直流单元出 口的双向 AC DC 变流器 这样可以有效的减小电能在变流器上的损耗 减少系 统的建设费用 提高系统综合利用效率 但该结构包含交流和直流两条母线 为 了维持系统稳定性高需对交流侧和直流侧同时控制 增加了控制的难度 2 3 光伏阵列建模及最大功率追踪 太阳能以其污染小 储量丰富 转化方便等优点得到广泛应用 其中应用最 广的是太阳能光伏发电 当光线照射半导体界面时 其表面发生光生伏打效应 该效应可使光能直接转化成电能加以利用 利用该效应研发出光伏电池板 光伏 电池板通过串联和并联再进行封装和保护可形成功率较大的太阳能电池组件 将 太阳能电池组件加以功率控制 再进行并联可建成光伏发电站 2 3 1 光伏阵列等效电路及数学模型 基于二极管的光伏阵列等效模型 47 如图 2 2 所示 图中为光生电流 相当 sc I 于一个电流源 其大小取决于光照强度 是光伏阵列输出电压 是光伏阵 pv U pv I 列输出电流 为流经等效二极管的电流 为等效二极管两端电压 为漏 d I d U sh R 电损耗的等效电阻 一般阻值较大 超过1k 为光伏电池板串并联后的等效 s R 输出电阻 一般较小 Rs Ipv Upv IshId Rsh Isc Ud 图 2 2 基于二极管的光伏阵列模型 根据图 2 2 中的光伏阵列等效模型计算其输出电压与输出电流关系可得到式 2 1 和式 2 2 2 1 d scdpv sh 0 U III R 2 2 dpvspv UURI 设二极管的等效漏电流为 等效反向电压为 则 0 I t U 2 3 pvspv d0 1 t UR IU IIe 式 2 1 2 3 即为图 2 2 的数学模型 将式 2 2 和式 2 3 带入式 2 1 得到 2 4 pvspvt pvpv pvsc0 sh 1 UR IU UI IIIe R 式 2 4 中明显含有代数环 代数环除了会大幅度减缓模拟仿真速度外 在某 些仿真环境下甚至会影响仿真的精度 导致仿真结果有较大误差甚至产生错误结 果 根据文献 48 同时根据光照强度变化和环境温度变化等因素对光伏发电的 影响 在误差允许范围内 利用等效模型消除代数环 设定一定光强 一定温度 下光伏阵列的短路电流为 开路电压为 输出最大功率时的电流为 电 sc I oc U m I 压为 则光伏阵列输出电压电流之间关系如下 m U 2 5 3 sc1I 1 1 C IIC eD 其中 为输出电流 都为参量 各参量的计I 1 C 2 C 3 C I D V D T D 算公式如下 2 6 m2oc 1msc 1 VC V CIIe 2 7 2mocmsc 1 ln 1 CVVII 2 8 V 3 2oc UD C C U 2 9 Isc refref 1 T SS DDI SS 2 10 VTsI DDRD 2 11 Tcref DTT 其中 为输出电压 为光照强度 单位 为照射光伏阵列表面US 2 W m ref S 的光照强度参考值 一般取 1000 为光伏阵列表面温度参考值 一般取 2 W m ref T 25 的大小决定温度对电流的影响程度 的大小决定温度对开路电压的影 响程度 根据式 2 5 至式 2 11 在 Matlab Simulink 仿真软件中建立等效模型的仿真模 型 由于单块电池板容量有限输出功率较小 满足不了系统需求 又考虑到出口 DC DC 变流器 母线电压等因素 本文将采用 15 1760 的光伏阵列 设定参考条 件下单块电池板短路电流 开路电压 43 5V 输出最大功率时电流 sc 5 1A I oc U 4 55A 电压 35V 电流影响系数 0 0025 电压影响系数 0 5 m I m U 利用所建立的光伏阵列 Matlab Simulink 仿真模型对不同光照强度相同温度条 件 相同光照强度不同温度条件下的光伏阵列进行仿真 分别选取光照强度 1000W m2 800W m2 600W m2 400W m2 温度 80oC 60 oC 40 oC 20 oC 仿真得到的输出电压电流特性曲线和输出电压功率特性曲线如图 2 3 至图 2 6 所 示 图 2 3 不同光强下电压电流关系 图 2 4 不同光强下电压功率关系 图 2 5 不同温度下电压电流关系 图 2 6 不同温度下电压功率关系 从图 2 3 至图 2 6 中可以看出光伏阵列的输出电压 输出电流和输出功率不 仅与自身的参数设置 型号结构有关 还与周围环境和工作状态有关 图 2 3 图 2 5 显示出一定的外部环境 固定光强和温度 下光伏阵列的输出电压越高 其输出电流越小 图 2 4 图 2 6 显示出一定的外部环境下光伏阵列的输出功率随 着输出电压的增大先增加后减少 存在一个极大的功率值 该值并不是固定不变 的 它随着光照强度 周围温度的变化而不断变化 为了使光伏阵列的输出功率 处于最大状态 充分利用太阳能 需要运用一定的控制方法使光伏阵列一直工作 于最大功率点上 2 3 2 光伏出口 DC DC 转换电路 无论是光伏阵列与蓄电池结合组成太阳能电池还是光伏阵列连入电网都需要 DC DC 变流器进行稳压 光伏模块出口 DC DC 变流器一般为升压斩波电路 其 结构如图 2 7 所示 g Upv L D C Udc 图 2 7 升压斩波 DC DC 转换电路结构图 图 2 7 中为光伏电池板输出电压 为稳压电容 为 DC DC 变 pv UC200uF dc U 流器高压侧的输出电压 为平波电抗 D 为理想二极管 g 为理想 IGBTL10mH 的控制端 通过对 DC DC 变流器的控制可以改变光伏阵列的工作状态 2 3 3 光伏电池板最大功率追踪策略 利用最大功率点追踪可以使光伏电池板工作于功率极值点上 使其输出功率 达到最大 利用率达到最高 传统光伏电池最大功率追踪可以在 DC DC 模块或 者在 DC AC 模块进行 因本文所建模型共用同一个双向 AC DC 变流器 若在此 实现最大功率追踪会导致其控制器结构复杂 控制困难 所以本文采用在 DC DC 模块进行最大功率点追踪的策略 目前最大功率点追踪策略主要有 恒电压控制法 扰动观察法 扫描法和电 导增量法 49 比较几种方法在准确性 稳定性 速度 效率等方面的优缺点 考 虑到现在光伏阵列最大功率点追踪普遍采用扰动观察法 其实现简单并能够准确 的找到最大功率点 只要限定占空比减小步长就能够有效的减小震荡幅度 本文 采用扰动观察法 其原理如图 2 8 所示 测量Ppv 初始化Upv Ipv Dg Dg Pnew Pold Unew Uold Unew Uold Dg Dg Dg Dg Dg Pold Pnew Y N YN YN 图 2 8 扰动观察法追踪最大功率点 如图 2 8 所示 本文通过逐渐改变占空比来寻找功率极值点 图中是 g D pv U 和变流器占空比有关的量 会随着的增大而减小 当 g D pv U g D new P old P new U 或者 g D pv U new P old P 或者时 光伏阵列工作点处于最大功率点右侧 通过 new U old U old P new U old U 增大占空比减小输出电压使工作点左移靠近最大功率点 g D pv U 对本文采用的光伏阵列最大功率追踪策略进行仿真验证 在 1s 的时候将光强 从 1000W m2降到 800W m2 其仿真结果如图 2 9 所示 阶梯改变直流母线电压 光伏阵列输出功率如图 2 10 所示 图 2 9 不同光强下最大功率追踪 图 2 10 不同母线电压下最大功率追踪 从图 2 9 中可以看出 光强改变后 光伏阵列瞬间找到该状态的最大功率点 证明了本文采用的最大功率追踪策略在光强改变的情况下能够准确 快速的找到 功率极值点 从图 2 10 中可以看出 改变光伏阵列出口电压会对其输出的功率照 成短时间影响 但 4s 之后其以原功率输出 采用本方法可以有效的保证光能的充 分利 证明了本文所建光伏发电模型的有效性 2 4 风电机组建模 目前 风力发电机发展快速 双馈异步风力发电机因其控制灵活 联网简单 无冲击电流 风能转化效率高等优点而获得广泛应用 其结构如图 2 11 所示 控制器 风力机 齿轮箱 异步电机 桨距角 配电网 变压器 直流 交流交流 变换器变换器 图 2 11 双馈异步风力发电机 由图 2 11 可知 双馈异步风力发电机主要由风力机 齿轮箱 异步发电机以 及控制系统等组成 2 4 1 风力机的数学模型 风力机的机械输出功率以及输出转矩可用式 2 12 式 2 13 表示 2 12 23 cp 0 5 Prv C 2 13 cc TP 式中表示风轮的输出机械功率 表示风轮的半径 为常数 表示空气 c Pr 密度 为常数 表示风速 表示风能利用系数 表示叶尖比速 表示风v p C 轮桨叶节距角 表示风力机输出转矩 表示风轮角速度 c T 根据式 2 12 式 2 13 可知 若想计算风轮输出转矩 必