含多种分布式电源和储能的微电网控制技术（可编辑）

1、含多种分布式电源和储能的微电网控制技术 ,/,论文作者签名:趔霞型露指导教师签名:堑全丞 艺沈乙/论文评阅人:匿名谖阅评阅人:匿名迁因厶评阅人.匿名证闼厶三 .一一评阅人:评阅人:答辩委员会主席:黄民翅塾援 逝江太堂电氢工程堂院委员:江全丞熬拯 逝江太堂鱼氢王猩堂院委员:拯蕴 副塾援逝江太堂电氢王猩堂院委员: 赵这直王 逝逗省电左达验硒塞院委员:。厂浙江大学研究生学位论文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。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,也不包含为获得逝望盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材

2、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?一:叫霞黼眦啦年乡月多日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解逝江太堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权塑幽拦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和传播,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导师签名:豁叫嚣签字日期夕年弓月多日 签字日期: 年。月/日签字日期:沙坦年弓月歹日浙江大学硕士学位论文致谢在此论文定稿之际,我愿借此机会,向在我攻读硕士学位期间指导、帮助、支持和鼓励我的老师、同

3、学、亲人和朋友们,表达我最诚挚的谢意。本研究及学位论文是在我的导师江全元教授的亲切关怀和悉心指导下完成。所以首先要感谢江老师给予我的悉心教导和亲切关怀。江老师严谨、踏实的工作作风和治学态度使我获益匪浅。他不仅指导我如何正确地分析问题、思考问题、解决问题,而且还教会了我许多做人和做事的道理。刻苦钻研的精神和追求创新的意识是我从他那里学习到的最宝贵的财富,我将在今后的工作和学习中不断地发扬,争取更大的成绩。感谢耿光超、王云、姚国强、石庆均、陈宏伟、程玮等在学习生活上,我们相互帮助,共同提高。忘不了在周会上,大家高谈阔论;忘不了一起在食堂吃饭时的欢声笑语。感谢室友陈越、李朵共同营造了良好的寝室环境,

4、在生活上给予了很多照料。最后,我要衷心感谢我的父母,一直以来他们默默奉献,虽然我远离家乡一年也难得团聚一两次,但是你们给我的关爱和支持是我最坚强的后盾。浙江大学硕士学位论文摘要随着用电负荷不断增长,传统电网的稳定性、可靠性降低,能源利用效率低下,环境危机和能源问题日益严重,电力工业发展受到了严峻的挑战。鉴于以上问题,各国开始广泛研究环保、灵活、高效的分布式发电技术。而微电网作为一种融合多种分布式发电为本地负荷供电的配电网,将电源、负荷、储能装置等结合成一个单一可控的单元,不仅可以解决分布式电源大规模接入的问题,充分发挥分布式电源的优势,而且可以进一步提高供电的可靠性和稳定性,为用户带来多方面的

5、效益。微电网中分布式电源具有多样性,分布式电源输出功率也存在间歇性、波动性,微网中的多种电力电子器件控制复杂等等因素使得微网供电质量受到很大的影响,并成为限制其并网的关键因素。储能作为一种能量缓冲环节,能够有效的改善微电网的电能质量,提高电网的稳定性和可靠性,在微电网中起着至关重要的作用。本文研究了多种适用于电力系统的储能方式,包括各类电池储能、飞轮、超级电容器等等,对各种储能的运行机理,充放电特性,运行特点和适用范围做了详细的说明,并在,/环境下建立了各种储能元件的数学模型,以精确模拟储能单元的动作。微电网中多种微源的协调运行,微网在各种运行模式间有效切换等都要基于良好的控制策略。本文根据分

6、布式电源和储能类型不同,对微源设计了不同的控制策略。控制可以实现分布式电源有功和无功指定控制;压频控制可以保证微源逆变器输出的电压和频率稳定,但是这种控制策略只适用于孤岛模式;而基于下垂特性的控制则可以实现在负荷变化时,自动分配不同分布式电源的功率,保证合理的电压和频率水平,且可以灵活的运行在孤岛和并网模式下。储能装置的双向/控制可以实现能量的双向流动,使储能跟踪上充放电指令。微电网的控制分为主从控制和对等控制两种模式。通过搭建具有典型结构的三母线十四节点微网系统和以浙江中试微网实验室为原型的微网系统两个算例,验证了本文提出的各种控制策略的正确性和有效性。本文还研究了复合储能在平抑风光混合系统

7、功率波动方面的应用,提出了复合储能系统的协调控制策略,包括变时间常数控制、最大功率限制控制等多种控制方法,优化储能系统运行,减少储能容量,提高整个风光储系统的经济性。为将本文中搭建的微源或微网的模型以一种具有自主知识产权,独立开发、独立运行的方式呈现出来,本文将这些模型以一种灵活通用的软件构架进行处理和封装,用统一的接口与图形界面交互,开发了微电网数值仿真平台。该软件可以提供微网结构与参数修改功能,实现对微网稳态和暂态过程精确的仿真,为进一步研究微电网提供了基础。关键词:分布式发电;微电网;储能;微网控制;仿真平台浙江大学硕士学位论文, ,恤, 切 、 吐 锣狮碰;, ,啦嘶 仃 . , 巧的

8、衄伍,曲衔谢 枷丘.仃 删. ,科瑚喀,嘶臼. 疵. ,如略 、 ,:, 够虹够.谢啊】 饥砌、 毋 ,血 】 印 证 仔 ,.曲, 毋鼬毋卸掣毋 【.髓廿 .,坞吼,臼,印,玛 ,弛培觚吼/【舭枷 锄切. 嘶臼 ,酊衄:,嘶 :.行 【疵 证舭“ 仃觚叙. ,而 ;毗/.:山 讪巾玎 ? . 缸掣,仃.氐猡也. ?/衄 日昏西 ?协彻 , 留魄铆 也 .燃娜栅.嘶:培也嘶、 伽埘 ,也,母删。玛, 锄浙江大学硕士学位论文: 洳:, .: 仃:.印 池也 印、,?廿们.嬲撕仃影 ?锄缸, 缸 啪盯够 , , 蛳,吐 . 吐毋.【 旺. 够,印 趾 ,嘶 啪嘶,仃。咖 .【 缸 缸趾匆培觚试,鼬

9、嬲 谢廿 . 廿酗玎,培 面,眦咄丘如吐 , 删 嘶.: ;嘶; ;嘶 臼;】硼浙江大学硕士学位论文目录;改谢?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.摘要仃.目录第一章绪论?.课题研究背景与意义.微电网研究现状与前景.微电网综合控制技术?.本文的主要工作第二章微电网中的储能技术?.储能技术在分布式电源中的应用.电力系统中常用的储能技术概述?.储能技术在分布式发电和微电网技术中的作用.电池类储能?.铅酸蓄电池储能?.锂电池模型.飞轮模型?。.超级电容器模型?.第三章微电网综合控制技术?.微电网的组成与结构.微电网中的分布式发电技术.微电网结构.微电网的控制?.微源的控制.

10、微电网控制策略?.飞轮用于不问断供电时的控制模式.柴油发电机的建模与控制?.柴油机建模.仿真结果?.算例仿真.十四节点系统算例.浙江中试微网仿真算例?.浙江大学硕士学位论文第四章复合储能技术在风光混合系统中的应用.风光混合系统概述.风光发电输出功率特性和并网标准.风光储混合系统结构?.风光储混合系统中储能的优化协调控制?.复合储能技术?。.变时间常数控制?.最大输出功率限制控制?.储能的容量和协调控制参数的计算.典型算例与仿真分析结果第五章微电网数值仿真平台软件开发?.微网系统数值仿真平台架构设计?。.关键技术?.软件架构?.软件开发?.基于.的肌模型导出技术?. 沁.工具箱.模型输入输出标准

11、化.模型仿真参数设置.模型导出与验证?.驱动方式?.基于内存转储技巧的微源模型动态加载技术?。.内存转储技巧. 算法流程?. 程序实现?.基于代码收集方法的微网独立仿真技术?。.代码集成原理.代码集成步骤. 微电网数值仿真平台成果展示?。.软件介绍?.使用说明第六章结论与展望.结论浙江大学硕士学位论文.展望参考文献?.攻读硕士学位期间研究成果?.浙江大学硕士学位论文第一章绪论.课题研究背景与意义随着社会的日益进步,工业生产、社会经济的迅速发展,电力需求量逐渐增大,传统电力工业也得到了快速发展。电网发展使得各个地方性的小型发电系统转变成远距离、大容量、超高压交直流输电线路所连接的跨省、跨区甚至跨

12、国的复杂互联系统。电力系统发展成为大机组、高电压、大电网系统后,具有许多优越性:抗抗干扰能力强;能实现区域电力互补;能提高能源使用效率;相对减少维护及操作人员;降低运行成本等等。但是这种跨区集中发电模式也对系统运行可靠性提出了更高的要求,对技术、管理水平的要求也进一步提高。随着电能需求的不断增大,电网发展速度跟不上需求的增长速度,使得电力系统常常运行在极限情况,区域性互联大电网系统因此也暴露出一系列的弊端如:电网负荷峰谷差越来越大,夏季空调负荷和冬季取暖负荷的激增会造成电力供应的短时不足,给电网安全稳定运行带来严峻的压力;峰谷差的增大,也使得电网设备的利用率降低;偏远地区的输配电系统投资大,而

13、这些地区负荷量小,供电效益不好;大型互联电力系统中,局部事故极容易扩散,造成电网故障的连锁反应,导致大面积停电等等。另一方面,众所周知,全球面临着能源危机和环境危机。当前世界能源消费以化石资源为主,其中中国等少数国家是以煤炭为主,其它国家大部分则是以石油与天然气为主。根据经济学家和科学家的普遍估计,到本世纪中叶也即年左右,石油资源将会开采殆尽,当其价格升到很高,不适于大众化普及应用的时候,如果新的能源体系尚未建立,能源危机将席卷全球。其他常规能源如煤的储量最多的也能维持一、两个世纪人类生存的需求。表.详细的表明了世界能源的分布,储量以及采用年限等情况。表.世界能源分布情况品类 分布区域 世界储

14、量 可开采年限 中国开采年限石油主要分布在断裂陷落和浅海大 亿桶,估计储量:陆架的中东地区,中亚以及俄国 .×吨煤 北半球高中纬度,澳大利亚、中 估计储量.×吨, 国埋藏量亿吨天然 中东、俄罗斯 万亿立方米,估计储气 量:.×铁 巴西、俄罗斯、加拿大、澳大利 总资源量亿吨,探明 亚、乌克兰等 储量亿吨浙江大学硕士学位论文铜 智利和秘鲁、美国、澳大利亚、 .亿吨俄罗斯、赞比亚等铝 几内亚、澳大利亚、巴西、牙买 多亿吨加、印度年月日,国际能源署在伦敦发布了最新的“全球能源展望”报告【】。作为旗舰式的报告,其指出,如果没有明确的政策目标,全球将向着不安全的、低效的和高碳

15、排放的能源系统发展,现在仍有时间改变,但机遇的大门正在关闭。如果我们继续以不安全的、破坏环境的方式来使用能源,整个社会将面临极其危险的情况。福岛核事故,中东和北非部分地区的骚乱以及年的能源需求急剧,提高都促使排放达到新高,这都告诉我们能源问题的紧迫性和面临的极大挑战。为了解决能源和环境问题,同时避免大电网弊端,各国开始纷纷转向分布式发科】.【】。分布式发电系统是指利用各种可用的分散存在的可再生能源太阳能、生物质能、小型风能、小型水能、波浪能等和本地可方便获取的化石类燃料主要指天然气进行发电供能的系统。其容量通常在几百千瓦,大容量的分布式电源可到兆瓦级。分布式电源的主要特点是电力的生产和使用在同

16、一地点或限制在局部区域内,可以经济、高效、可靠的发电。分布式发电能源接入电网后具备很多优点,如:分布式电源可以有效配置在负荷区,能就地消化电力,减少电网设备投资,减少集中输电的线路损耗和保证经济运行;分布式发电大电网供电互为补充,改善电网峰谷性能:提高供电可靠性,改善电网电压和负荷功率因数;延缓系统的更新速度;减少对环境的污染等。尽管分布式电源优点突出,但随着分布式电源穿透功率的提高,其缺点也逐渐显现出来。如分布式电源单机接入成本高、控制困难:分布式发电具有分散、随机波动的特点,会引起电压和频率的波动,导致电网供电的电能质量下降;分布式电源的启动与退出运行,分布式电源输出功率的短时巨变会带来电

17、压闪变等问题;而且分布式发电基本都是经过电力电子器件接入电网运行,大量的电力电子器件转换器会增加注入电网的谐波;单独的分布式发电单元接入电力系统,将会改变传统的配网辐射状、单向功率传输的状态,影响潮流计算、保护的设计与整定等;分布式系统电压需要多级变换,系统设计比较复杂;另外,由于分布式电源的不可控性和随机性,一旦大电网发生故障,分布式电源必须立刻与大电网断开,停止运行,这种运行模式极大地限制了分布式电源的利用和使用效率。为了整合分布式发电的优势,弥补分布式发电的缺点,提出了微网的概念【引。目前对微网还没有一个确定的定义,但是对微网普遍接受的说法为:微电网是一个由多种分布式电源、储能、负荷、控

18、制监测装置和保护装置组成的系统,运行方式灵活,可以运行在并网模式和孤岛模式,并能通过静态开关在两种运行模式之间进行切换,能同时向用户提浙江大学硕士学位论文供电和热,微电网的容量一般在几百千瓦和几兆瓦之间,通过公共连接点与大电网相连,点电压为中低压水平。实践表明,将分布式发电系统以微网的形式并网运行,是发挥其供能效能最有效的方式。微电网与大电网相互支撑,互为备用,可以增加供电的可靠性。与分布式发电不同的是,微网是一个可以实现自我控制、保护和管理的自治系统,对外表现为一个单一的受控电源。总之,微网具有独立、灵活、交互、经济的特征,是一种全新的供电方式,也是未来电网的主要发展方向之一。.微电网研究现

19、状与前景目前各国都非常重视新能源的利用和开发工作,分布式发电技术和微电网技术发展迅速。微网的概念提出就受到了广泛的关注,其中美国、欧洲、日本等发达国家在这方面的研究较为突出,并且都建立了相关的示范工程【。欧洲分布式发电技术起步最早,分布式技术和微电网技术的发展也十分成熟。若能够保证微电网的协调和有效运行,微电网将是未来利用分布式电源供电最主要的形式和最基本的电网构架。欧盟早第五、第六和第七框架计划中支持了一系列的与可再生能源和分布式发电相关的研究项目,开展了“能源、环境与可持续发展的主题。其中第五框架计划中,由雅典国立科技大学牵头的“分布式电源大范围接入低压电网的集成项目,吸引了欧盟个国家的名

20、机构的参与,主要目标包括研究微网运行,增加分布式电源的穿透功率的同时减小碳的排放,研究微电网与大电网的并列运行,发展微电网控制和能量管理策略,保证微网可靠、高效、经济运行,在实验室中仿真微电网运行等等。第六框架计划.中又开展了“多个微网的高级构架与控制理念等项目课题。在希腊、荷兰、德国、丹麦、西班牙、葡萄牙等国都建立了示范工程。欧盟己制定发展计划到年其可再生能源的发电将占发电装机总量的%。欧盟于年开始实施第七框架计划.,在原有微电网的基础上提出了发展智能电网的构想,主要是为了实现在欧洲建立知识型经济社会,在能源领域的目标是优化能源结构,以无污染、可再生能源为基础,充分利用分布式能源,实现分布式

21、供电和集中供电的结合,减少对进口燃料依赖的同时提高能源效率,以应对气候变化和能源问题等,提高欧洲的工业竞争力。美国的微电网研究方面近年来在稳步的发展之中,这些研究由美国能源部下属电力输送与电力可靠性办公室和加州能源委员会下的公共利益能源研究计划支持。美国的电力可靠性技术解决方案协会最早提出了微网的概念,并在俄亥俄州美国电力公司的测试基地建立了实验系统,该系统代表了最典型的微电网结构。通过该实验平台,研究了微电网的动态特性,微网在并网和孤岛两种运行模式下的无缝切换,微电源的响应速度、继电保护、电能质量以及不同类型负荷下的系统运行状况,负荷跟踪等等。美国北方电力系统承建了美国第一个汀微网测试平台;

22、美国北方电力系统建.。.?一浙江大学硕士学位论文立了微网,它是美国的第一个微网示范工程。此外汀还开发了¨嘶和.两个微网研究工具。美国能源部与通用电气公司合作,提出了微电网能量管理框架,将微电网的控制、保护和能量管理结合在一起。此外的微网研究项目还包括加卅能源委员会资助的研究搞穿透率分布式发电与配电网集成的项目。日本在微电网示范工程方面处于世界领先地位,并设立了要大力开发新能源如光伏发电和风力发电的雄伟目标。微网内间歇式新能源的输出功率随机波动对电网电能质量的产生了严重的影响,通过调节微电网内部可控原动机,可以平衡负荷的波动和新能源的输出,使得微网对大电网表现为一个恒定的负荷,因此日本

23、在研究微电网技术时十分重视对储能元件和控制的研究。日本政府为开发可再生能源专门设立了“新能源与工业技术发展协会,该组织在微网研究领域非常活跃,主要负责协调国内高校、企业和其他研究机构在新能源领域的研究工作。于年启动了“含有可再生能源的区域电网项目,日本现已经建成的示范工程包括工程、工程以及示范工程。工程于年投入运行,该工程年月到年月测评过程中,显现出具有高效率,低成本,低排放等优点。京都微网项目于年月开始建设,微网中包括一台的光伏阵列电池、的风机、台的沼气发电,的熔融碳酸盐燃料电池,以及的电池储能,该微网主要研究使用协议通过电信网络与分布式电源实现通信并建立配套的能量管理系统。我国对分布式发电

24、和微电网领域的研究起步较晚,与发达国家相比也存在着一定的差距。但是我国十分重视新能源领域的发展。国家发改委在年月能源规划“十一五规划中已将积极推动可再生能源的发展作为中国重点发展战略之一。国家自然科学基金、计划、国家重点基础研究发展计划等等都设立了一系列的新能源、微电网和分布式发电技术相关项目。目前我国对分布式发电技术的研究,主要集中在单个的分布式发电如光伏阵列、燃气轮机、尤其是风力发电等研究及其相关并网技术,也有关于小型混合系统的研究,科研方向围绕着理论研究、技术攻关、实验平台和示范工程的主线进行,在我国已经投产的分布式发电示范工程主要分布在北京、上海。年,南方电网公司与天津大学开展了“兆瓦

25、级冷热联产分布式能源微网并网关键技术和示范工程项目,并建立了基于燃气轮机的热电联产微网系统。年月,该项目通过国家科技部组织的中期检查。年月,由天津大学、上海交通大学、合肥工业大学、西安交通大学、华北电力大学等多个高校及南方电网公司技术中心等一起承担了“计划项目“分布式发电供能系统研究”,该项目以微电网及其接入的大电网为研究对象,以保证大电网和微网的安全经济稳定运行为目标,紧紧围绕这分布式供电系统展开研究。年月,浙江省电力试验研究院以国家重点技术研究发展计划项目?分布式发电供能系统的相关基础研究项目为依托,建立了一个结构灵活多变,含多种分布式电源的微网?.。?.。.一浙江大学硕士学位论文实验室,

26、该实验室包括了中心控制室、飞轮储能室、蓄电池储能室、柴油发电室、模拟风力发电室、光伏、风机发电系统、二次监控与仿真实验室等,为未来电网的研究和发展奠定了坚实的基础。此外,年至年,天津大学、浙江大学、合肥工业大学等多个高校先后建立了微网实验室平台,进一步研究多种分布式电源组成的典型微电网运行结构、微电源控制、微电网与大电网相互作用机理、微电网的继电保护与控制和通信以及微电网的建模仿真、能量优化管理等多个方面。.徽电网综合控制技术虽然微电网的应用可以潜在的减小对传统电网扩张的需求,但同时控制多种分布式电源和储能对电网的安全有效运行提出了新的挑战。微电网接入大电网中最重要的目标就是保证微网与大电网的

27、稳定和微网的高效运行。微网灵活运行方式与高质量的供电服务,离不开完善和稳定的控制系统,鉴于微网的特点,其控制需要满足以下几点要求【】:,保证供电质量,尤其是电压和频率。,保证绿色能源的充分利用。,正确灵活的解裂和连接,并在联网和孤岛两种运行方式下正常运行。,微电源能够即插即用,而不影响供电质量。,具有矫正电压跌落和系统不平衡的能力。对微网的研究中关键的技术主要包括以下几个方面:控制技术根据分布式电源与微网的接口不同,微源可以分为两类,一类通过旋转电机直接与微电网相连,如柴油发电机,分轴式燃气轮机等,对这类微源的控制主要是调速器励磁器的控制。另一类通过电力电子器件实现与微电网相连,这类分布式电源

28、产生的电能形式主要有直流和非工频交流两种,产生直流电的微电源主要有光伏发电、蓄电池、燃料电池等,可以通过/逆变器接入电网,必要时可在前面加一级/升压环节;产生非工频交流电的分布式电源有风力发电、飞轮、单轴微型燃气轮机等,它们一般采用/变流结构接入电网。电力电子转换器是分布式电源接入电网的主流形式,分布式电源的控制技术主要是指变流器的控制技术,变流器不仅实现微源与电网的接口,还能通过下垂控制保持微电网的电压频率稳定。文献介绍双馈感应电机整流器和逆变器的控制策略,整流器采用基于定子磁链定向的矢量控制,逆变器采用基于电网电压定向的矢量控制,代表了风机控制中最经典的控制策略。文献】详细设计了采用电流正

29、弦调节方法的分布式电源电压型逆变控制器的控制策略,即控制策略,该控制方法能很好的对分布式电源进行定功率控制,但是采用此控制时分布式电源必须由外界提供稳定的电压和频率。文献】不考虑微源原动机的动态特性,将所有分布式电源等效成直流电压源,详细介绍了两种基本的逆变器的控制策略即基于下垂特性的电压/频率控制与控制。文献【】介绍了采用下垂与倒下垂结浙江大学硕士学位论文合的逆变器控制策略,是一种有差自适应控制过程。微电网控制技术典型的微电网中含多种分布式电源、储能、负荷等等,微电网灵活稳定的运行,依赖于多个电源和储能之间的配合,如何协调每个电源的出力,实现有功无功控制,保证合理的电压和频率水平,是微电网稳

30、定可靠运行的保证。微电网的控制要分并网运行和孤岛运行两种模式讨论。并网运彳甜,为了最大限度的利用太阳能、风能等可再生能源,分布式电源应以有功功率最大出力运行,由于微电网容量相对于主电网来说很小,主电网有能力对电压和频率进行有效的控制,微电网可不参与调节。当微网运行在孤岛模式下时,如果分布式电源继续按最大有功出力,则会造成系统的有功出力与负荷不平衡,微电网内部的电压和频率将失去平衡,微电网不能稳定的运行。在孤岛运行模式下,分布式电源必须担负起微电网内电压和频率控制的任务。根据控制方式的不同,可以采用部分分布式电源参与调节控制,也可以采用其中一个容量较大,能满足调节速度的分布式发电来调节,具体控制

31、方法见第三章。文献研究了低压微电网采用对等控制策略时的动态行为,很好的采用储能改善微电网在模式切换过程中的动态特性。文献】则研究了孤岛运行下微电网的次级负荷.频率控制策略。文献】则基于分布式电源的下垂特性提出了微电网自动控制策略。开关技术、故障检测和保护静态开关是连接微网与大电网的公共连接点,当大电网发生故障时,静态开关应当能够自动断开,电网恢复正常时自动合上,并实现一些保护、测量和通信功能。与传统电网不同,微网中除了过电压和低电压保护外,微网中还增加了反孤岛保护、低频保护,同时微电网的结构与传统电网的不同,功率可以实现双向流动,微网中的短路电流与传统电网存在很大的差别,使得传统的继电器和保护

32、装置有可能在故障时不再动作,甚至导致断电等,因此有必要在微网中开发和研究新的检测保护装置。通信微电网的运行是由多种网络层、微网层和分布式单元层的控制器合作实现的,这些控制器动作都是基于通信和收集各种分布式电源的信息和控制命令,良好的通信也是保证微网稳定可靠运行的一个重要方面此外,还有为保证供电质量,其中分布式电源和微电网的控制.本文的主要工作从研究微电网中常见的单个些单元建立了详细的电磁暂态仿浙江大学硕士学位论文优缺点和应用场合,选择复合储能系统,将其应用于改善间歇式新能源的并网特性和稳定性,平抑间歇式能源输出功率的波动。基于单个分布式电源和储能单元元模型,研究它们构成的微电网整体协调控制策略

33、,最后开发了微电网数值仿真平台,能精确仿真和模拟微电网中各种复杂的动态行为,为进一步研究微电网特性提供基础。具体包括:微电网中的储能单元和分布式电源的研究作为能量缓冲环节的储能系统是微电网的一个重要组成方面,它们对实现微网的稳定可靠经济运行有着十分关键的作用。电力系统中已经应用的储能技术主要有:电池类储能、飞轮储能、超导磁储能、超级电容器储能等等。为了更好的利用储能技术,本课题首先研究各种储能技术的特点,运行机理以及其优缺点和使用范围,对他们建立了详细的电磁暂态仿真模型。此外,本文还对微网中主要的分布式发电包括光伏发电、风力发电、燃料电池、燃气轮机等进行了研究,重点讨论了在微网孤岛运行时充当主

34、电源的柴油发电机的控制策略,建立了柴油发电机仿真模型。微电网控制技术微电网的控制技术是其稳定可靠和有效运行的保障。传统的电网有调度中心对整个系统进行统一协调控制。对于微电网而言,尤其在孤岛运行的时候,难以寻求中心控制点对整个系统做出快速反应并进行相应的控制,微电网的控制应该尽可能基于本地信息。本文研究的微电网控制技术主要包括协调微电网内部各个,微点电网的电压频率稳定,孤和的能于了的接浙江大学硕士学位论文第二章微电网中的储能技术.储能技术在分布式电源中的应用.电力系统中常用的储能技术概述分布式电源以微电网的形式接入大电网中,与大电网互为支撑,是发挥分布式功能系统效能最有效的方式,也被认为是未来电

35、力系统电网的主要发展方向之一。但是微电网内部也存在着对大电网造成冲击,影响电网的供电质量等一系列问题。尤其是像风力发电光伏发电等分布式发电技术中的主流电源,其间歇性和随机波动性在严重时甚至会对大电网引发大规模的恶性事故。因此研究与风光容量相匹配的高效储能装置及其配套设备,确保系统的安全稳定已成为微电网技术中的关键。电力系统中,应用在微电网技术中比较成熟的储能技术【卜【】主要可分为化学类储能和物理类储能两大类。化学类储能主要包括电池类储能、超导磁储能、超级电容器储能;物理类储能包括飞轮储能、抽水蓄能、压缩空气储能等等。随着可再生能源的不断应用,大规模的储能技术的开发已经进入一个蓬勃的发展时期,主

36、要研究围绕无污染、低成本、高寿命等方向进行。.蓄电池储能蓄电池是分布式电源中应用最为广泛,技术最为成熟,容量也比较大的储能方式。一般来说,蓄电池主要包括:铅酸蓄电池、锂电池、钠硫电池、液流电池等。铅酸电池是使用最早的蓄电池,目前己广泛的应用于太阳能电池、电动汽车、计算机等的电源或者备用电源。铅酸电池原材料丰富,稳定性好,电池容量比较大,是现阶段最成熟的储能技术之一。钠硫电池和液流电池是新兴的、高效的具有广阔应用前景的储能电池。钠硫电池体积仅为铅酸电池的/,储能密度很高,循环寿命超过次,单体寿命可达年,系统效率可达%,且便于模块化制造,建设周期短。液流电池也称氧化还原液流蓄电系统,其活性物质以液

37、态的形式存在,它既是电解质溶液又是电极活性材料。液流电池造价较低,使用寿命长,可达.年,其容量和功率可以灵活改变,相对铅酸电池来说,液流电池无毒,更有利环保,而且液流电池可以%深度放电,且无需保护,增加了利用效率并能减小其容量配置需求。尽管蓄电池在电力系统中应用最多,但是蓄电池体积较大,寿命也不长,在充放电过程中受到环境温度的影响很大,频繁的充放电对蓄电池寿命影响很大,而且蓄电池报废后会对环境造成一定的污染。.超级电容器储能超级电容器根据电化学双电层理论研制而成,按照存储电能的机理不同可分为法拉第准电容器和双电层电容器两种。目前在电力系统中广泛应用的是双电层电容器,其储能原浙江大学硕士学位论文

38、理为:当固体电极插入电解液中,由于电极上带有电荷,将吸引电解液中带异种电荷的离子,使它们在溶液界面上排成一排,形成一个电荷数量与电极表面剩余电荷相等电性相反的一个界面层,双电层就是指的电极上和溶液中得两层电电荷层。为了形成稳定的双电层,一般采用高比表面积的活性碳作为电极材料以增加电容量。法拉第准电容器工作原理与超级电容器相似,最大区别在与法拉第的电极材料是电活性物质而不是活性炭材料。超级电容器能量密度很高,可以提供强大的脉冲功率,充放电速度快,次数可达十万次,循环寿命很长。超级电容器在运行过程中没有运动部件,维护工作量小,可靠性很高。但是超级电容器价格昂贵,虽然其瞬时功率很高,但一般容量不大,

39、不适合长期储能。.超导储能超导储能是一种将电能以直流电流的形式用直流磁场进行电能储存的储能装置,储能系统利用超导线圈储存磁场能量。超导储能具有快速的电磁响应特性,由于储能装置中载流导体工作在低温环境下,产生磁场时,磁体不损耗功率,因此超导储能的储能效率非常高,充放电效率超过%。但是超导储能比较复杂,价格也较为昂贵,在中小型分布式发电系统中应用不多。.飞轮储能飞轮储能是一种利用高质量超高速旋转的飞轮储存能量,并通过机电转换装置实现电能和机械能之间的转换的储能。储能器中没有任何化学活性物质,也没有任何化学反应,纯粹为机械运动。当飞轮运行在充电模式时,电能通过电力电子器件转换后控制飞轮转子加速,电能

40、转为动能储存在飞轮转子中;运行在保持模式时,飞轮转速维持不变,跟电网没有能量交互;运行在放电模式时,飞轮带动电机降速运行,飞轮动能通过发电机转化为电能注入电网。飞轮主要优点有:储能过程十分稳定,不受环境影响;有较快的充放电速度;飞轮储能系统具有很高的效率,能到%以上;是一种清洁的储能方式,对环境无污染;使用寿命很长,有很高的充放电次数。近年来,高温超导磁悬浮技术的发展,实现了磁悬浮轴承,极大减小了飞轮在运行过程中得摩擦损失;新材料的出现,尤其是最近研制的高强度碳素纤维和玻璃纤维出现,使得飞轮允许的最大边缘速度极大提高,最高可达州以上;电力电子技术的发展,给飞轮提供了电能量转换的灵活通道。这些技

41、术的发展,使得飞轮技术近年来取得很大突破,其应用领域和价值也逐渐体现出来。.压缩空气储能压缩空气储能是指在电网负荷低谷期将电能用于压缩空气,将空气高压密封在报废矿井、沉降的海里储气罐、山洞、新建储气井或者过期油气井中,在电网高峰时释放压缩空气推动汽轮机发电的储能方式。压缩空气储能特别适用于大规模风电场,风能产生的机械功可以直接驱动压缩机旋转,减少了中间转换成电的环节,提高效率。压缩空气储能规模上仅次于抽水蓄能,可以到几十甚至几百兆瓦,成本较低,寿命长,通过维护可达浙江大学硕士学位论文年,压缩空气储能的响应时间和抽水蓄能的响应时间接近,启动时间约为分钟,比电池、超级电容器、飞轮储能响应时间慢,但

42、容量更大,小型的也可做到。但是由于我国并未掌握燃气轮机的核心技术,而且我国石油和天然气储量很少,加之压缩空气储能需要大容量的储气装置等等因素,使得压缩空气储能在我国并未得到广泛应用。.抽水蓄能储能抽水蓄能技术以一定的水量作为能量载体,通过能量转换向电力系统提供能量。一般在上下游分布有两个水库,电力负荷低谷时利用电力系统剩余电能,将下游水库中的水抽到上游水库,以位能的形式存储起来;待到电力系统负荷高峰时,再将上游水库的水放下,驱动水轮发电机组发电,在电力系统中一般承担着调峰、填谷、备用、调频、调相等作用。最大的特点是存储通量非常大。抽水蓄能容量调节到位和很大,储存容量释放时间可以从几小时到几天,

43、效率在%一%之间。表.各种储能技术性能比较储能类型 额定容量 比容量 连续放电时比功率 效率 成本 寿命/次 响应时间/ 觞间心四 嘲 §嗽蚋. ? ×以 铅酸电池 改钠硫电池 ? 数× 液流电池 . ?徽 .× ×. 一锂电池 ?改 ? 超导储能 ×. 一 ? . . ,×超级电容器 . 母 .飞轮 × .抽水蓄能 × × 阻 压缩空气储 ×× .能.储能技术在分布式发电和微电网技术中的作用分布式电源中的风力发电和光伏发电等都具有不可控性,其功率波动难以预测和控制,大量的分

44、布式电源组成的微网系统正常运行将是一个突出的问题。电力系统稳定运行最基本的要求就是供需平衡,一旦这种平衡遭到破坏,则会使系统频率下降,电压不稳,电能质量下降,甚至引发停电事故。储能加入微电网中,能够提高电网运行的安全性、经济性灵活性,具体来说主要有:?浙江大学硕士学位论文,提高电网供电可靠性。储能技术可以作为不问断电源,提高智能电网运行可靠性。同时储能系统可以提供短时间内有功功率的支持,从而解决电网运行过程中电工频率漂移的问题。适量的储能能在分布式电源不能正常运行时起过渡作用。,有效利用可再生能源。储能与可再生能源结合,可最大限度的发挥光伏发电和风力发电的经济效益,满足电力系统的供需平衡;同时

45、储能技术可以使原来功率不可控的分布式电源按照预先制定的规划进行发电,从而把不可调度的变成可调度机组单元运行。,提高系能源发电并网性能,提高电能质量。分布式发电具有间歇性和随机波动性,其输出功率不断波动会对电网造成一定的影响,储能装置能平抑分布式点出输出功率波动,减少谐波和其对电网电压、频率的影响。,提高电能利用效率,优化能量管理。储能与大电网配合,能对大电网负荷进行削峰填谷,优化电网运行,提高电网经济性。,提高电网的稳定性。微电网在孤岛运行时,储能技术能作为微网主电源,为微网提供电压和频率支撑,并自动补偿分布式发电和微网内负荷之间的不平衡功率,保证微电网孤岛模式下的稳定运行。.电池类储能.铅酸

46、蓄电池储能铅酸电池正负电极为二氧化铅和铅,以硫酸为电解质。铅酸电池组具有吸附电解质结构,工作时形成的氧能够复合,并能在浮充和深循环应用下工作。虽然铅酸电池占有空间一一比较大,效率受周围环境温度影响比较大,且对环境有一定的污染,但是其成本低廉,原材料丰富,制造技术成熟,能够实现大规模生产且销售渠道广,因此得到了十分广泛的应用。本文的铅酸电池模型采用经典模型【】.【。此模型的建立主要是基于所示图.的电路图,此电路图中,蓄电池的特性主要由电压源和一个可变内阻描述。图.电池等效电路图%毛%足.充电方向为正,毛为电池内部电动势,它是电浙江大学硕士学位论文池荷电状态的函数,足是电池的内阻。本文中所建电池容

47、量为表示当电池以恒定电流放电小时的容量。电池容量胁表明了电池能够充放电电量的大小,与平均放电电流的大小有关:.妇,:。?訾.丁.等一式中:为实际温度与标准室温的温差,为平均放电电流大小,上为额定充放电电流,本模型中为。为标准容量。在计算电池容量中,平均放电电流是一个非常重要的量,它只代表了放电电流的平均值,而充电电流没有计算在内,当电池充电到达上限时,平均放电电流就会重置。蓄电池的荷电状态为:.观:一盟:一丝.、 乙 %上述电气模型表明,电池容量的瞬时值是随平均放电电流不断变化的,当平均放电电流小于厶时,电池容量大于标准容量;当平均放电电流大于上。时,电池瞬时容量小于标准容量,因此电池运行过程

48、中瞬时容量不仅与时刻的运行模式有关,也与到之前电池的使用状态有关。由电池的电压等式,可以导出电池在充电下标、放电下标以及过充下标状态下的电压方程。忡.胱一掣击器.”.乃仁,纠舶胱卜掣蔷舞卜竹,.名吃一%一÷表达式中前一项表示电池的内部电动势,是荷电状态的函数,后一项表示电池内阻的压降,与充放电电压,电池电压就达汽化电压时间。时间常数表达式为浙江大学硕士学位论文,.吃.掣一。舳乃,.圪.掣一.乃亿功堕。?毛矗静上述模型中,在电池充放电过渡时,电压可能出现不连续的情况,为了解决这个问题,提出了一个中间状态。当电池在充放电状态间转换即电池电流方向改变的过程中,取电池电流绝对值小于一个区间作

49、为过渡状态,在这个状态下,电池电压表达式为:.圭圪圪鲁一屹根据以上公式,在:,/删【下建立蓄电池模型。蓄电池的容量为,额定电压为。荷电状态限为.,得到仿真结果如图.:螽笼御图.蓄电池瞬时容量基于平均放电电流的变化情况从图.可以看出,电池的瞬时容量在充放电过程中不断的变化,当平均放电电流绝对值大于额定电流时,电池容量小于额定容量,当反之则大于额定容量。由此可见,电池的瞬时容量不仅与电池的当前时刻充放电状态有关,而且与电池到当前状态的累积使用情况有关。浙江大学硕士学位论文图.铅酸蓄电池以额定电流充放电时电压仿真波形图.中左图显示了以额定电流进行充电,初始荷电状态为.时,电池电压的变化,随着充电的不

50、断进行,充电电压随荷电状态上升呈非线性上升的状态,当继续充电时,越接近充电上限,电压上升越快,最后可能到达汽化电压而进入过充状态,到达充电截止电压时便停止充电。图.中右图显示了以额定电流放电,初始荷电状态为.时,电池电压随的变化情况,随着放电的进行电池电压不断减小放电功率减小,即放电能力不断减小。.锂电池模型锂电池【均输出电压等式为:,矗一,阳丁.式中:为电池开路电压,、厶删为电池出口电压电流,卵为电池内阻,丝为电池的温度修正电势。电池开路电压与其荷电状态有密切的关系,开路电压表达式为:.磊一.鼠.一.荷电状态表达式为:.?%一/矽电池的可用容量基于容量衰减不断变化。电池容量衰减是指电池随着使用时间增加导致容量损失的现象。一般来说,电池的容量在其初始容量的%以上时,仍是可用的。电池的容量损失主要来自两方面,一种是使用寿命损失,一种是循环使用次数造成的损失。它们都与时间呈非线性关系,且在温度急剧上升时,容量损失也大大增加。因此电池的容