【海岛微电网结构及电源与负荷特性分析8100字】

海岛微电网结构及电源与负荷特性分析目录TOC\o"1-3"\h\u4262海岛微电网结构及电源与负荷特性分析 1155211.1海岛微电网结构 1171941.1.1海岛微电网分布式电源特性 2254231.1.2海岛微电网负荷特性 5117971.2微电网控制技术 6145521.1.1主从控制 6207961.1.2对等控制 7123421.1.3分层控制 7256761.3逆变器控制技术 8145061.3.1恒功率控制 8324161.3.2恒压恒频控制 9257941.3.3下垂控制 111.1海岛微电网结构海岛微电网通常主要包含多种类型的分布式微电源、大容量储能电池、电力电子设备、电网保护和监控设备以及岛上用电负荷等等，这些设备可以实现和保证与传统电力系统类似的电能生产、传输和使用，但是由于海岛地处偏僻而且电网规模较小，所以我们把它称之为海岛微电网。海岛微电网根据是否与外面大电网相连可以划分为两种，一种是与陆地大电力系统相连接的并网型海岛微电网，此种模式下海岛微电网的电压和频率主要依托于大电力系统支撑，从而为海岛负荷提供稳定可靠的电能质量，另一种是与大电网不相连接的孤岛型海岛微电网，海岛微电网系统的稳定运行需要靠自身来维持。目前由于海岛微电网地理位置偏远，与大陆电网相连较困难，所以目前海岛微电网中孤岛型海岛微电网占了绝大多数的比例。图1.1.1是一个孤岛型海岛微电网的简略示意图，该微电网中不仅包含如光伏、风电和波浪能等可再生能源的微电源，也有如燃料电池和柴油发电机等不可再生能源的微电源。在微电网中，微电源为海岛上的负荷提供电能，直流电通过电力电子装置转变为海岛所需的交流电实现电能转换，储能装置可以有效减弱和补偿由于不可控的间歇性微电源引起的电压和频率波动，自动化设备如监控可以监视微电网的运行状态，保护装置可以可靠消除系统故障，保证海岛微电网安全稳定可靠运行。图1.1.1海岛微电网的结构1.1.1海岛微电网分布式电源特性海岛周围拥有种类多样易获得的可再生能源，开发利用这些可再生能源既能对海岛和海洋生态环境起到保护作用又能为海岛居民提供生活保障。由于海岛所处地理环境的特殊性，海岛上适合开发利用的可再生能源有风能、太阳能和波浪能。由于海岛上可再生能源的不可控性和间歇不稳定性的特点，并参考陆地多种能源互为补充的经验，采用两种或多种可再生能源互为补充发电的模式可以确保海岛微电网供电的可靠稳定性，同时可以大幅度减小储能装置的规模和容量，从而削减系统的运行成本。1.1.1.1风力发电风能是空气流动所产生的动能，是一种广泛存在、丰富的的清洁可再生能源。风能是一种储量大、分布广，但它的能量密度低，并且不稳定的可再生能源。风轮机和发电机是风力发电系统的主要构成部分，风力发电是指以风能作为动力来源，风推动风轮机转动使其转变为机械能，风轮机与发电装置通过机械装置连接，风轮机转动的同时带动发电机转动并产生电能的发电技术[35]。因为风力发电机的转速是固定不变的不能随着风速的变化而改变，从而无法进行最大风力跟踪，而且风力发电机组直接与大电网相连接，风能大小的间歇性与不可控性将影响电网的电压和频率的波动进而影响电能质量。风力发电机系统按照发电机运行方式一般可以分为两类：恒速恒频风电机组（ConstantSpeedConstantFrequency，CSCF）和变速恒频风电机组（VariableSpeedConstantFrequency，VSCF）。恒速恒频发电系统具有结构比较简单、所需成本较低、过载能力强以及运行可靠性高等优点[36]。变速恒频发电系统具有风能利用率最大化、桨距角的控制较为简单等优势。1.1.1.2光伏发电太阳能是由太阳里面持续不断发生核聚变所产生不可估量的核能而产生的辐射能量，是一种可再生能源，其开发和利用几乎不产生任何污染，加之其资源丰富无穷无尽，发展前景广阔，是人类理想替代的可再生清洁能源。太阳能发电可以划分为两个类别：一类是太阳能热发电，另一类是目前在我国使用较为广泛的太阳能光伏电池发电。光伏发电技术能在任何有光照的地方利用太阳能发电，发电稳定可靠，故障时易维修，同时光伏系统可以根据需要随意配置发电容量。太阳能光伏电池发电技术是在太阳的光照下利用半导体器件产生电压差，这种现象就是光生电的光伏效应，从而将太阳能转变成直流电能，然后经逆变器变换变成三相交流电能。在使用光伏电池时，一般通过使用串并联的方法将太阳电池封装成组件，解决光伏电池单体输出电压和电流都比较低的问题[37]。光伏发电既可以独立运行，也可以并网运行，其输出由于受地理位置和自然条件的影响，光伏发电的输出功率存在间歇性和随机性。由于海洋中的岛屿具有光照射时间比较长，辐射较强等明显特点，海岛光伏发电具有得天独厚的天然优势。光伏发电系统一般由光伏电池阵列、汇流箱、光伏并网逆变器构成。光伏发电的光伏电池阵列通过光伏效应产生直流电，然后通过并网逆变器将直流电转变成满足与公共电网并网条件的三相交流电[38]。典型的光伏发电系统原理如图1.1.2所示。图1.1.2光伏发电系统原理图1.1.1.3波浪能发电波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。海洋中的波浪一直处在运动状态，波浪能的本质是波浪吸收了风能的能量而形成的，波浪可以用波高、波长和波周期等特征来描述[39-41]。波浪能发电一般由三级转换方式来完成：①将波浪前后运动所产生的动能和上下起伏所产生的势能转换成装置所持有的动能、势能或者压能等；②本级将上一级所得到的能量转换成机械旋转的动能传递给下一级；③通过发电机利用电磁定律将动能转换成所需的电能。将波浪能发电技术可以划分为振荡水柱技术、振荡浮子技术和越浪技术三种。1.1.1.4储能电源适用于新能源发电的电能存储方式主要包括电化学储能、物理储能、电磁储能等。储能系统可以抑制新能源功率输出的波动性、不稳定性，从而可以大大减弱海岛微电网的电压和频率的波动，使电能质量保持在合格范围之内；储能系统的作用是当微电网中的功率超出负荷的需求时，剩余电量被储能系统吸收并保存起来；反之当微电网功率小于负荷的需求时，储能系统会对微电网进行放电补充电量，储能装置在微电网系统中可以起到均衡负载所需电能并合理进行能量调整的作用[42-43]。各种储能技术在各参数方面有着显著的差异，这里仅介绍两种常见的储能。（1）蓄电池储能蓄电池储能目前是使用最普遍，技术最可靠，有不错的储能容量的一种储能方式。蓄电池拥有较大的体积，使用周期不长，温度过低时充放电速度过慢，而且过多的充放电次数也会加剧缩短电池的使用寿命，同时蓄电池废弃时处理不当会对环境造成严重的污染。（2）超级电容器储能超级电容器是一种新型的储能装置，与传统的电池不同的是超级电容充放电过程几乎不存在化学反应的，因此其充放电过程可以有数十万次，寿命可以达到十年之久，它的突出优点就是充放电速度快。但是超级电容器制造成本昂贵、体积偏大，而且储能容量不大，所以一般仅仅适用于长久储能方式。采用蓄电池和超级电容复合储能的方式来抑制微电网中微电源发电功率的波动，综合考虑功率型和能量型储能介质各自的优点可以得出，将超级电容用于存储尖峰负荷相对应的能量，主要用于抑制微电网中微电源发电功率剧烈的变化，而蓄电池用于存储基荷相对应的能量[44]。表1.1.1为超级电容器、蓄电池性能参数表。蓄电池因其拥有较大的能量密度被大量应用在微电网储能中，在微电网负荷剧烈波动时，因蓄电池的功率密度比超级电容小得多，输出能快速达到所需功率，所以超级电容能满足微电网中电源与负荷的动态平衡。超级电容的缺点的是能量密度比较低，因此可使用这两种储能方式的互相补充性将这两种储能元件组合构成复合储能系统，利用两种储能的优势来提高微电网的稳定可靠性。表1.1.1超级电容器、蓄电池性能参数表参数类型超级电容器铅酸蓄电池功率密度/（）300~5000150~315能量密度/（）1.5~1.575~200循环寿命/次＞1000001000~3000充电时间1秒~数分钟数小时充放电效率（%）80~9575~90能量状态使用范围0.05~0.950.2~0.81.1.1.5柴油发电柴油发电机是一种以柴油机作为同步机的原动机来提供机械能，使同步机动作带动发电机发电，并以柴油等作为燃料的小型发电设备。在海岛微电网系统中柴油发电机既可以作为微电源接入海岛微电网系统中，同时也可以在海岛微电网系统崩溃时作为系统的备用电源。当海岛微电网系统风能、太阳能、波浪能输出功率不能满足负荷的需求时，需要启动柴油发电机补充所需功率，使得海岛微电网系统达到平衡状态。柴油发电机的常运行在恒压恒频工作模式和恒功率工作模式。当蓄电池的剩余电量值较低时，柴油发电机工作于恒压恒频工作模式，作为系统的主单元;当蓄电池的剩余电量值较高时，柴油发电机工作于恒功率模式。1.1.2海岛微电网负荷特性海岛微电网系统用电负荷主要分为:日常用电负荷、海水淡化系统负荷。其中日常负荷又可以划分为重要负荷与常规负荷，重要负荷包含灯塔、基站、边防驻军等用电负荷，日常负荷主要是居民日常生活所用的用电负荷。其中海岛日常负荷为不可控负荷，海水淡化负荷为可控负荷。1.1.1.1日常负荷（1）发展渔港型海岛负荷如今科学技术水平发展迅速可谓日星月异，现代渔业已经从传统仍方式逐步实现自动化，渔业生产操作与渔业用电息息相关，在鱼类处于生长期的期间需要保证鱼塘的温度在合理的范围之内，鱼塘的氧气含量要时刻充足，如果停电后未在需要时间内恢复供电，会给渔民带来巨大的财产亏损，处于鱼类生长期时渔业活动比较少，用电量比较平稳。而处于捕捞期渔业期时因生产活动增多特别是保鲜冷冻会导致用电量大幅度上升，给海岛微电网的可靠运行带来挑战。（2）发展旅游业型海岛负荷作为第三产业的旅游业对用电量的需求较高，而且具有明显的季节交替性。岛上旅游处于淡季时，岛上负荷主要以居民用电负荷为主。岛上旅游处于旺季时，岛上负荷会明显增加，特别是有关旅游设施的用电负荷为重要负荷，发生停电时会对安全和经济造成巨大的影响。（3）承建军港或工业基地型海岛负荷海岛的用途与政府的政策息息相关，有的海岛被用来承建军港或者工业基地，这些岛屿上多为重要负荷，对供电的可靠性有着较高的要求。军港型的负荷主要为交通运输及海岛建设负荷，这些负荷需求一经确定就比较平稳如军用机场，海港港口等，但考虑这些负荷的重要性需要配备备用电源。工业基地型海岛上的负荷主要是大型工业设施，部分设备一旦开启不能轻易断电或不能断电，否则会造成设备损坏。因此工业基地型海岛上的负荷不仅要保证供电可靠，还要配备备用电源。1.1.1.2海水淡化系统负荷由于海岛地处海洋之中的独特地理位置，岛上淡水资源有限、河流湖泊较少及水资源开发难度大导致海岛上淡水资源缺乏严重。目前常用的海水淡化方法主要有两种，分别是蒸馏法和反渗透法。特大型海水淡化处理及热能丰富的地方一般采用蒸馏法。反渗透膜法具备脱盐率很高等优势，目前基本在所有海岛上被大量使用[45-46]。反渗透海水淡化系统主要由高压泵、升压泵、反渗透(ReverseOsmosis，RO)单元和能量回收装置组成。其中，高压泵、升压泵作为主要耗能设备将在海水淡化负荷建模中作为系统负荷。海水淡化负荷在海岛微电网运行过程中可以根据电网实际运行状况灵活调整投入或切除机组的数量，这样可以作为一个可控负荷随着系统的需要改变输出功率。为了提高对风能、太阳能和波浪能等可再生能源的使用率，在这些可再生能源输出功率较大时，尽可能多的投入海水淡化系统负荷，来增大需水量满足居民日常负荷需求。反之在这些可再生能源输出功率较小时，为保证日常负荷正常运行，依据情况适当进行海水淡化系统负荷的投切。1.2微电网控制技术目前微电网的系统控制主要有主从控制、对等控制、分层控制这三种常见的控制模式[47]。因为微电网中微电源数量和种类较多，控制策略直接影响着海岛微电网的可靠运行和负荷的供电质量，所以研究海岛微电网控制策略显得格外重要。1.1.1主从控制主从控制是指多个微电源为从控制单元，一个微电源作为主控制单元的运行模式。孤岛型微电网运行时经常采用主从控制模式，系统为获得系统频率和电压的支撑从电源通常采用恒功率（PQ）控制模式，主电源通常采用恒压恒频（V/f）控制模式。微电网并到大电网运行时，大电网依旧要给电压和频率作支撑，主电源需要转换到恒功率控制模式，不再采用孤岛模式下的恒压恒频控制模式，但是此时从微电源仍需要采用恒功率控制模式来保证电能质量。主从控制下的储能电池和主控制器的分布式电源需要满足以下要求，首先是要拥有较大的容量并且能够满足负荷需求，同时要求能够快速响应负荷的变化，此时储能装置处于蓄能状态。反之当海岛微电网系统进入孤岛模式运行时，承担主控制模式的储能电池或分布式电源也需要能在两种控制模式间迅速变换。主从控制有许多优点，主电源会随着负荷的调整而自适应改变电流的大小。但是主从控制也存在一些缺点，整个微电网彻底故障经常出现，主要原因还是主电源的容量达到了峰值或者微电网发生了严重故障。同时主从控制需要依靠通信来实时传送电源的输出，确保主电源拥有足够的可用容量来平衡功率波动。常见的主控制单元包括以下几种：（1）储能装置作为主控制模块。负荷大小和输出功率的改变是通过储能电池的充放电来追踪的。在特别恶劣的运行环境下，需要储能电池一直处于放电状态，如果一直持续下去，不仅储能电池的电量会消耗殆尽，而且系统的电能质量无法保证。（2）分布式电源作为主控制模块。当分布式电源作为主控制模块时，分布式电源的选取有一定的要求，不可控的能源不能根据需要调节功率输出，因而风电、光伏、波浪能不能作为主控模块。而输出功率可以随着海岛微电网系统的需要进行调整，可靠且方便控制的燃气轮机比较适合作为主控制模块。1.1.2对等控制对等控制模式下，将微电网所有分布式电源以及储能装置都放在同等地位。因此，微电网内的微电源都有可能参与系统电压和频率的调节过程。相比较主从控制而言，这种控制方式不需要依赖任何通信，只采集输出的电压和电流信息，便可以动态合理分配功率，易于实现分布式电源“即插即用”，相对提高了系统的可靠稳定性和实用性[48-49]。对等控制不需要通信装置且便于拓展，负荷的有功功率及无功功率功率的动态合理分配更加容易实现。然而，对等控制模式也存在着一些缺陷，微电源的输出阻抗特性会影响系统的下垂特性，特别是在低电压等级的线路中输出阻抗近似呈纯阻性，它的有功功率和无功功率存在耦合，导致有功功率和无功功率不能单独控制。由于该控制方法要求分布电源采用本地变量进行控制，由于不同分布式电源间的控制不依靠通信，所以能增强海岛微电网系统的稳定性并削减系统费用。1.1.3分层控制微电网分层控制模式是将部分控制权下放给微电网中各个部分，由各部分根据微电网中央控制器的控制指示自行调整的控制方式。中心控制器在整个系统中的控制作用体现在可以随时控制系统的正常工作与停止运行，也可以通过提前预测负荷所需的功率来控制系统有功功率和无功功率的输出。分层控制与其他控制方法最本质的不同是有一个用以对微电网中的各分布式电源以及其他装置发出控制指令，统筹管理控制微电网各项运行的微电网中央控制器(Micro-gridCentralControl，MGCC)。分层控制与对等控制最大的不同是，分层控制需要与分布式电源进行实时通信进行控制指令的传输，由于系统对通信的过度依赖，如果通信中断则会造成分层控制系统的异常。1.3逆变器控制技术微电网中微电源电压的大小取决于直流输出电压和逆变器的控制作用，即逆变器的控制决定了电源输出电压的幅值。所以合理选择逆变器的控制策略对保证微电网电压有着重要意义[50]。通常电源逆变器控制策略主要有：恒功率控制（PQ控制）、恒压恒频控制（V/f控制）和下垂控制（Droop控制）。1.3.1恒功率控制恒功率控制是指在微电网中逆变器按照设定的功率进行输出，其输出功率一直保持不变，由此可知当输出功率均不受系统频率和输出电压影响的电源适合采用恒功率控制方式，但其电压和频率需要特定的单元来维持。恒功率(PQ)控制适合实现最大功率追踪以及控制容量不大的微电网并网。在风力发电等可再生新能源电源中PQ控制是最常用的控制方法，这样可以减少弃风、弃光现象的发生，能合理有效地使用新能源发电。分布式电源采用恒功率控制方式不参与系统频率和电压的调节与大电网并联运行，系统频率和电压由主网来承担，微电源根据电网的频率和电压值的大小调整自身出力。PQ控制方式对参考电流进行追踪，从而动态调整有功电流和无功电流的大小，从配电网的角度考虑，希望分布式发电可以具有负荷一样的特性，以体现“即插即用”的特征。通常逆变器按恒功率控制运行时，无功功率为调节节点电压由微电网中央控制器设定，有功功率的设定值由原动机所能提供的功率最大值决定。恒功率控制可以在电流源或电压源逆变器上实现，区别在于分布式电源从接口逆变器端看进去就是一个受控电流源，而电流源逆变器控制结构相对简单。其控制原理图如下所示：a)频率特性b)电压幅值特性图1.3.1恒功率控制曲线图假设系统开始时，微电源输出的有功功率设定为Pref，输出的无功功率设定为Qref，当在平衡点A时，输出电压幅值为Vn，输出的频率为fn；当部分负荷退出系统运行时，微电源逆变器保持有功功率和无功功率输出不变，此时点A向点B运动，电压频率和电压幅值将逐步升高；当有负荷投入运行时，此时A点将向C点运动。在频率允许的变化范围内（fmin≤f≤fmax），有功功率输出维持Pref不变；电压幅值允许变化范围内（Vmin≤V≤Vmax），无功功率输出维持Qref不变。因此，PQ控制方法中系统的频率和电压是在一定范围内变化的量，不能保持稳定。所以如果微电网处于孤岛运行时，则一定要有能保证频率和电压稳定的电源，否则系统不能采用这种控制方法。PQ控制框图如图1.3.2所示。图中Pref、Qref、P、Q分别为功率给定参考值以及实测值；idref、iqref、id、iq分别为交流侧电流dq轴分量的参考值及实际值；udl、uql分别为输出电压dq轴分量的参考值。图1.3.2PQ控制框图1.3.2恒压恒频控制恒压恒频控制是指在微电网中不管电源输出的功率发生什么变化，其输出电压的频率和电压均保持为设定值。微电源的输出功率在这种控制模式下可以随时改变。恒压恒频控制的控制目标是指当分布式电源出力发生改变时，输出电压和系统频率能够稳定在设定值。微电源采用恒压恒频控制时相当于可控制的电压源，其功能主要如下：1)逆变器输出端口电压和系统频率保持在设置好的固定值，可以作为微电网其它控制单元的电压参考值和频率参考值；2)如果微电网中微电源输出功率不能满足用电负荷的需求，微电源采用恒压恒频运行方式时能够快速动态调整功率，以保证系统的频率和输出电压在合格范围之内。通常将恒压恒频控制作为微电网主控制电源的控制策略，从而可以实现微网频率和电压稳定，在孤岛型微电网中恒压恒频控制策略能对电压和频率进行支持。考