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1、摘 要微电网为新能源并网发电规模化应用提供了有效技术途径，微电网技术可以对分布式电源进行有效管理，降低分布式电源对大电网安全运行的影响，有助于实现分布式电源的“即插即用”，同时可以最大限度地利用可再生能源，符合我国新能源发电和可持续发展战略的要求。随着微电网技术不断发展的新需求，微电网中微电源的协调控制、微网运行模式切换等诸多问题亟待解决，因此，本文将从微电网的控制系统角度进行研究，以实现微网技术的规模化应用。 首先，本文系统详细的阐述了微网主要的整体控制策略以及微电源逆变器接口侧的控制方法，并对各种控制策略的工作原理、适用范围以及优缺点进行分析；其次，提出了基于P-f /Q-V下垂控制的微网
2、功率最优分散协调控制方法。针对微电网功率分配因微电源到负荷线路的影响而分配不合理的问题进行了深入的研究;分析了传统P-f /Q-U下垂控制的缺点，给出了P-f/Q-V下垂控制方法，建立了微网的数学模型，通过部分输出量反馈最优分散协调控制方法，使微网在实现微电源功率合理分配的基础上，保证电压和频率处在正常范围内，仿真结果表明微电网在输出有功功率分配不受影响的前提下，输出无功功率的分配情况得到明显的优化，而且微网始终处于稳定运行状态。最后，提出了将对等控制与主从控制相结合的控制策略。针对微网运行模式转换时存在的问题，给出了符合我国国情的微电网运行模式转换的条件，通过分析对等控制以及主从控制在微网运
3、行模式切换时的优缺点，提出了将两者相结合的控制策略，并结合控制器状态跟随的平滑切换控制方法实现了微网运行模式的平滑、可控切换，减小了切换过程对微网的冲击，通过仿真实验验证了该控制策略的可行性。关键词:微网;功率分配;协调控制;并网运行模式;孤岛运行模式 目录摘要目录第1章 绪论 1.1 课题研究背景1.2 微电网的研究现状与前景1.2.1 微电网的定义1.2.2 国内外微电网的研究现状与概况 1.3微电网运行控制研究现状与发展趋势 1.3.1系统控制层面 1.3.2分布式电源控制层面 1.3.3微电网运行层面 1.4本文所做的工作第2章 微电网内分布式电源仿真建模与特性分析 2.1光伏发电系统
4、建模及仿真 2.1.1光伏电池数学模型 2.1.2光伏电池建模与特性 2.1.3 MPPT最大功率点跟踪原理与建模 2.1.4光伏Boost升压控制器 2.1.5光伏发电系统特性分析 2.2微型燃气轮机发电系统建模及仿真 2.2.1微型燃气轮机系统结构 2.2.2永磁同步发电机模型 2.2.3微型燃气轮机的整流器的控制 2.2.4微型燃气轮机特性仿真 2.3蓄电池模型 2.3.1蓄电池通用模型 2.3.2蓄电池双向DC仍C变换器 2.3.3蓄电池系统充放电仿真分析 2.4本章小结 第1章 绪论 1.1课题研究背景能源与工业生产、交通运输、国防建设以及人类的日常生活各方面息息相关，在社会发展的进
5、程中扮演着至关重要的角色。尤其是近年来，随着全球经济的飞速发展，现代社会的生产方式和生活方式使人类对能源的需求量越来越大。然而，对能源的过渡依赖导致了传统化石能源的日益枯竭，经济高速增长的同时带来了日益严重的环境恶化问题，例如最近对我国北方地区影响很大的“雾霆”现象，以及各种自然灾害，己经开始威胁人类的生存环境。为应对这一系列的负面效应，世界各国政府都对能源政策做出了积极调整，要求加快对新能源的开发特别是清洁可再生能源的研究利用，并提高可再生能源发电所占的比重。在这种背景下，分布式发电(Distributed Generation, DG)受到了广泛的关注，常见的DG主要包括光伏发电、风力发电
6、、微燃机、燃料电池等。分布式发电与传统发电方式相比，具有污染小、成本低、安装运行方便等优点，而且分布式发电系统可以就近供电，减少线路损耗;还可以降低温室气体排放，减少环境污染，为社会提供清洁能源，实现低碳经济。尽管分布式发电优势很明显，但是分布式发电输出功率的波动性、随机性、间歇性等特点，也给大电网带来许多问题，例如大规模的分布式电源并网时，会对大电网的电能质量以及电网安全可靠性造成很大的影响。为了解决上述问题，充分发挥分布式发电的优势，克服分布式发电对大电网造成的不良影响，提高电力系统运行的灵活可控性，微网(Microgrid)的概念应运而生。微网是一种由微电源(Microsources，即
7、:微网中的分布式电源)、储能装置、能量装换装置、负荷、监控和保护装置等汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统微网作为一个子系统与大电网相连，通过灵活的控制方式内部解决分布式电源直接并网产生的负面问题，相对于主电网来说，该子系统是可控的。微网技术提高了电力系统运行的安全性、可靠性，为分布式电源发电规模化应用提供了新的有效技术途径。微网已经成为电气工程研究领域的最新的热门课题之一，受到了世界各国越来越多的关注。但是微网技术仍然存在许多问题亟待解决。在微网中，微电源主要通过电力电子接口并入微网系统，这导致微电源的输出特性与传统发电机有很多的迥异，为保证微电源与微网之间
8、，以及微网与主电网之间功率传输的稳定、可控，对微网协调控制策略进行深入研究具有重要的意义。而如何控制微网中的各个微电源在线路阻抗的影响下对功率进行合理分配且使微网的电压和频率运行在正常范围内;如何实现微网运行模式的平滑、可控的切换是保证微网能够安全、稳定运行的重要条件。1.2微电网的研究现状与前景 1.2.1微电网的定义为了更充分地发挥DG的价值与效益，国内外学者在广泛研究DG运行控制的基础上提出了一个新的概念微电网(MicroGrid，MG)。美国方案联合会(CERTS)对微电网的定义为：微电网是一种由负荷和分布式电源共同组成的系统，它可以向用户提供电能和热能；微电网内的电源主要由电力电子器
9、件负责能量的转换，并提供必要的控制；微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并可以满足用户对电能质量和供电安全等方面的要求。欧盟对微电网的定义是：微电网是一种连接到低压配电网的小型电力系统，可以充分利用一次能源，将模块化的小型分布式电源互联，提供冷、热、电联供，并配有储能装置，使用电力电子装置进行能量调节。日本则在发电容量等级上对微电网进行分类，将微电网分为大规模(1000MW等级)、中规模(1OOMW等级)、和小规模(1OMW等级)三类，其分别应用于工业区，可再生能源工业区以及住宅楼、岛屿和偏远地区等小型区域电网。1.2.2 国内外徼电网的研究现状与概况国外发达国家和地区对微网率先进行了
10、研究，提出了一种含多个分布式电源(DG)的微网能量管理系统，通过建立一个多DG的微网系统的小信号动态模型，系统地评价了微网的稳定性。针对微网的动态稳定性问题提出了评价指标和基于神经网络的评价方法，并针对微网的不安全运行状态提出了治理措施。对不同运行方式下的微网控制进行了研究，提出了保持微网运行稳定性的方法。目前美国“通用电气(General Electric Company, GE)全球研究( Global Research ) 计划旨在研发出一种全新的微电网能量管理系统(Microgrid Energy Management MEM)，该系统不仅能够为微电网中各种装置提供完整的保护和控制，而
11、且可以对内部能量进行统一管理和调度。这项计划解决了微电网中多个分布式电源之间以及分布式电源与互联元件之间的协调控制矛盾，最终满足用户负荷提出的各种需求。美国更重视配电侧和用电侧，重点发展具有商业前景的模式，进一步研究和实现分布式发电与电力储能技术，并最终发展为高温超导电网欧盟分别通过了第五框架、第六框架和第七框架研究计划，并投资了Microgrids项目和More Microgrids项目。Microgrids项目主要研究对象是微电网中央控制器、黑启动控制和继电保护方案，以及如何对分布式电源建模怎样实现并/离网的无缝切换等。More Microgrids0项目研究集中体现在如下几个方面:1)多
12、个微电网与配电网相连时需要采用的控制策略，以及各微电网间能量协调管理方案;2)系统继电保护方案和经济调度解决方案以及协调控制方案;3)微电网对配电网内部用电负荷的影响等内容。4）微网在孤岛模式下运行下电压和频率会随着功率的波动而改变近年来，可再生能源和新能源一直备受口本电力行业的关注，其被重视程度要超过其他国家。为此，新能源与工业技术发展组织伽ew Energy and Industrial Technology Development Organization NEDO)开发重点放在了可再生能源的发电出力预测、储能元件技术以及传统发电系统与储能装置配合工作的控制系统研究。同时因为属于岛国，日
13、本格外重视微电网孤岛自治运行技术研究和示范工程建设。通过总结可以看出，因各国自身能源构造、经济模式和电力发展方向的不同，其微电网研发重点和发展目标也略有不同。虽然我国微电网项目的研究相比西方国家来说较晚，但国家863项目、973项目、国家自然基金项目等大型科学科研政策的导向性支持，目前，国内电力企业、众多高校和科研机构逐步投入大量人力、物力和财力来资助微电网相关技术的研究,主要是在示范项目和实验室层面上对微电网的控制、运行及稳定性进行了研究。1)国家风光储输示范工程。该工程整合了风电、光伏发电、储能及输电工程四位于一体，并首创了世界第一套风光储输技术，并实现了对新能源的可预测、可控制和可调度。
14、2)国家进一步研究微电网通过公共耦合点与大电网相连接，在公共耦合点处设一个主接口，通常由微电网并网控制开关固态断路器或背靠背式的AC/DC/AC电力电子换流器构成3) 在实际工程方面，国家电网公司建设的河南财专微电网示范工程，作为国内第一个正式投入运行的微电网试点项目，取得了良好的运行业绩和社会效益； 4) 浙江省电力试验研究院设计的浙江东福山岛风光柴海水淡化综合系统，安装7台单机容量30kW的风力发电机组、100kWp的光伏发电系统及一套50t/d海水淡化系统，总装机容量300kW，并装设有蓄电池组进行调节，是目前国内最大的离网型综合微电网系统。1.3微电网运行控制研究现状与发展趋势 1.3
15、.1系统控制层面目前针对微电网的运行控制，国内外研究人员主要提出了三种控制方式：主从控制、基于多代理系统的分布式控制和对等控制。i)主从控制，首先通过中央控制器(Micro Grid Central Controller，MGCC)对布式电源的发电功率和负荷需求进行预测，制定相应的运行计划；然后检测系统中各种电气量对运行计划进行实时调整，借助通信统一控制“从属”DG和可控负荷的启停和输出来维持系统的功率平衡，使电压频率稳定在额定值。主从控制是一种常规的控制方式，研究和应用的比较多。如文献介绍了一种典型的微电网主从控制方案，该方案通过MGCC优化各DG的发电量以及与配电网的交换功率，并考虑到市场政策以实现微电网的经济运行；又如文献介绍了一种采用TBMGG结构的含多种能源发电的微电网实验平台，包括发电单元物理系统的电气集成、基于IEC61970的能量管理系统信息集成，以及能量控制与管理策略等。ii)分布式控制，即采用基于多代理系统(MultiAgent System，MAS)的思想，将微电网及所属配电网划分为不同层次，在每层设置相应的代理(Agent)，利用多个分布代理之间的协作
