1緒論

1.1課題研究背景
隨著近些年氣候變化反常及極端天氣等自然災(zāi)害的頻繁出現(xiàn),對(duì)于環(huán)境問(wèn)題的關(guān)注己漸趨全球化。許多國(guó)家已經(jīng)起草空氣污染立法草案以期到2020年將發(fā)電業(yè)的碳排放減少20%,而一些國(guó)家也通過(guò)了若干新法規(guī)并制訂了進(jìn)一步降低傳統(tǒng)非可再生能源發(fā)電所占比例的計(jì)劃⑴。在注重環(huán)境保護(hù)與低碳化的全球性主題背景下,我國(guó)的工業(yè)發(fā)展走入了戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段,如未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)經(jīng)濟(jì)保持平穩(wěn)增長(zhǎng),全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量有望在2020年達(dá)到約15億千瓦[2]。顯而易見(jiàn)的是供電電源系統(tǒng)存在著比較巨大的開發(fā)潛能;而另一方面,過(guò)去的許多年里電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)得益于自由化的進(jìn)程而相對(duì)放開,化石能源及其供應(yīng)安全在未來(lái)仍具有較大不確定性。因此,為了改善電源體系格局,落實(shí)節(jié)能減排以及清潔發(fā)展,可再生能源發(fā)電的研究及并網(wǎng)應(yīng)用成為不容規(guī)避的電力技術(shù)革新之路。可再生能源發(fā)電在配電網(wǎng)等級(jí)的分布式滲透,能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)和用戶帶來(lái)多方面的收益。例如,在停電事故發(fā)生時(shí)保證用戶的用電可靠性、用戶電能自產(chǎn)自用從而降低用電成本;為電網(wǎng)延緩了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)充的投資,尤其是在傳統(tǒng)集中式發(fā)輸電能力相對(duì)薄弱的受電區(qū)域[3]。此外,除了具有上述的諸多運(yùn)行便利及經(jīng)濟(jì)方面的效益,從更為長(zhǎng)遠(yuǎn)和更高格局的角度來(lái)看,風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源分布式接入發(fā)電,能夠有效利用分散于全國(guó)各地充裕的清潔能源,不僅減輕了對(duì)儲(chǔ)量漸少的化石能源的依賴度,而且在環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展方面也有所裨益。清潔能源被納入發(fā)電系統(tǒng)有望減少碳排放,減輕環(huán)境壓力,有益改善日益惡化的氣候條件。提高未來(lái)電網(wǎng)中可再生能源發(fā)電所占份額,大量開發(fā)利用可再生能源建設(shè)分布式的智能網(wǎng)絡(luò)以供給電能,為實(shí)現(xiàn)脫碳發(fā)電提供了可行的途徑。
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1.2國(guó)內(nèi)外研究概況
針對(duì)可再生能源和分布式發(fā)電的特點(diǎn)及其給電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性帶來(lái)的困擾,提高系統(tǒng)對(duì)間歇性擾動(dòng)源的有效接納能力是該課題的技術(shù)難點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外的研究重點(diǎn)放在電能存儲(chǔ)技術(shù)方面。通過(guò)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的綜合控制與有效調(diào)控,電力系統(tǒng)能夠改善繁雜多樣的能源資源的整合程度,穩(wěn)定由可再生能源供電造成的間歇性擾動(dòng)丨19]。儲(chǔ)能裝置在消除系統(tǒng)擾動(dòng)方面的作用主要體現(xiàn)為:1)能量存儲(chǔ)裝置可以適時(shí)吸納及釋放風(fēng)能、太陽(yáng)能和其它可再生能源發(fā)電受外界因素干擾的輸出功率波動(dòng),以確保電能供應(yīng)的持續(xù)與可靠;2)能量存儲(chǔ)裝置的應(yīng)用是提高電力系統(tǒng)電壓和頻率保真度的有效方式,改善了系統(tǒng)的電能質(zhì)量;3)含分布式可再生能源發(fā)電的系統(tǒng)需要有應(yīng)急電源支持等服務(wù),一些分布式可再生能源發(fā)電由于受到外部條件因素的制約,使系統(tǒng)難以擬定具體的發(fā)電計(jì)劃,而有了能量存儲(chǔ)裝置,就能夠很合時(shí)宜地提供所需功率,無(wú)需關(guān)注擾動(dòng)源在某一時(shí)刻的即時(shí)發(fā)電功率,可依舊按預(yù)先設(shè)定的計(jì)劃發(fā)電[20]。綜合考慮儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用,可將其歸納為:1)配置在電力供應(yīng)端,穩(wěn)定輸出擾動(dòng),按照調(diào)度規(guī)劃輸出,以達(dá)到套利操作,增加可再生能源發(fā)電的可預(yù)見(jiàn)性,改善系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性;2)配置在電力網(wǎng)絡(luò)側(cè),以達(dá)到峰谷平衡、用電跟蹤、壓頻調(diào)控、雙機(jī)熱備和電能質(zhì)量管理等效用,使系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力大幅提升;3)配置在用戶端,可以運(yùn)用電動(dòng)汽車儲(chǔ)能構(gòu)成參與分布式可再生能源調(diào)節(jié)的虛擬電源.
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2分布式穩(wěn)壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)

2.1電壓擾動(dòng)分析
電力系統(tǒng)中的大部分工業(yè)用電負(fù)荷如各式各樣的電機(jī)基本上要依據(jù)法拉第定律運(yùn)行,在其運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)需要維持交變的電場(chǎng)與磁場(chǎng),這就涉及到了能量的轉(zhuǎn)換,即瞬時(shí)功率在不同的能量形式間來(lái)回交換。但是根據(jù)在電路原理中的推導(dǎo),這部分未經(jīng)耗損的功率會(huì)在供電點(diǎn)與感性或容性負(fù)載間循環(huán)往復(fù),并不能轉(zhuǎn)化為電磁能以外的能量而消耗,即不對(duì)外界做功,亦即能量在某元件及與其連接的外部系統(tǒng)間以周期性的等量交換(一個(gè)具體周期中功率的進(jìn)出保持等量)作為存在形式,因而這種無(wú)法定義為有功功率(可有效轉(zhuǎn)變成其他形式能量而被利用)的功率表現(xiàn)形式被稱作無(wú)功功率[29]。由于系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中除了純阻性的等效元件之外,還存在著許多感性的或容性的設(shè)備設(shè)施,常見(jiàn)的有諸如上述的異步電機(jī),以及輸配電網(wǎng)中傳輸變換電能的各種電壓等級(jí)的架空線路、電纜與各種容量變電站中的變壓器等,因而在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)會(huì)有大量的無(wú)功電流在各元件中流動(dòng),存在著無(wú)功功率交換。
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2.2補(bǔ)償位置選擇

類似于對(duì)分布式電源接入位置及其相應(yīng)效果的研究結(jié)論,相同容量的無(wú)功補(bǔ)償裝置接入在不同位置時(shí)所造成的電壓分布管理效果有較大差別。補(bǔ)償點(diǎn)越接近系統(tǒng)末端節(jié)點(diǎn)對(duì)線路電壓分布的影響越大,而越接近上游的變電站母線對(duì)線路電壓分布的影響越小;補(bǔ)償裝置集中在同一節(jié)點(diǎn),對(duì)電壓的支持效果要弱于分布在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上。在一般情況下,很容易調(diào)節(jié)電氣距離遠(yuǎn)離剛性電壓源(如上游的中壓腐壓網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng))節(jié)點(diǎn)位置上的電壓[33]。若無(wú)功補(bǔ)償器遠(yuǎn)離上游的中高壓網(wǎng)絡(luò),其所承受的負(fù)擔(dān)會(huì)降低,而且相比裝設(shè)于上游的補(bǔ)償器,其所需要的無(wú)功補(bǔ)償功率也更少。這可以通過(guò)分析圖1中所示的簡(jiǎn)單電路來(lái)解釋說(shuō)明�，F(xiàn)有的STATCOM補(bǔ)償器能夠在所裝設(shè)的系統(tǒng)上游節(jié)點(diǎn)調(diào)節(jié)連接點(diǎn)的電壓,但負(fù)荷母線下游仍會(huì)有天然的電壓降落,因而系統(tǒng)末端電壓仍然可能較低,即使在STATCOM母線上的電壓標(biāo)么值被穩(wěn)定在1.0。STATCOM作為集中式電壓控制器,通常裝設(shè)于MV/LV系統(tǒng)饋線的PCC點(diǎn)處,所以如果STATCOM停止運(yùn)行整個(gè)下游系統(tǒng)饋線易受影響。綜上所述,在達(dá)到相同電壓調(diào)節(jié)效果的條件下,補(bǔ)償點(diǎn)位于遠(yuǎn)離上游剛性電壓源系統(tǒng)的補(bǔ)償器將比位于MV/LV系統(tǒng)饋線處的集中式補(bǔ)償器(如STATCOM)需要更少的無(wú)功功率;集中式單點(diǎn)補(bǔ)償器能夠調(diào)節(jié)連接點(diǎn)的電壓,但無(wú)法改變?cè)擖c(diǎn)下游系統(tǒng)的電壓自然降落;集中式單點(diǎn)補(bǔ)償器若運(yùn)行異常,其補(bǔ)償點(diǎn)下游的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將受到影響。因而,采用分布式的小容量補(bǔ)償器對(duì)于用戶側(cè)低壓系統(tǒng)的電壓管理有著明顯的優(yōu)勢(shì)。

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3控制策略與實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)......39
3.1可控逆變的控制原理......39
3.2逆變電流源的控制方法與策略......40
3.3逆變電壓源的控制方法與策略......42
3.4本章小結(jié)......45
4分布式穩(wěn)壓拓外的仿真分析......47
4.1 仿真軟件介紹......47
4.2穩(wěn)壓拓?fù)涞哪Ｐ徒榻B......48
4.2.1 ES的仿真模型及參數(shù)設(shè)置......48
4.2.2改進(jìn)型拓?fù)涞姆抡婺Ｐ图皡?shù)設(shè)置......50
4.3 仿真分析......52
4.4本章小結(jié)......63
5 結(jié)論與展望......65
5.1 結(jié)論......65
5.2展望......66

4分布式穩(wěn)壓拓?fù)涞姆抡娣治?br/>
4.1仿真軟件介紹
MATLAB是Matrix laboratory (矩陣實(shí)驗(yàn)室)的簡(jiǎn)稱,該仿真軟件是由MathWorks Corporation于1980年代所開發(fā)的一種數(shù)學(xué)計(jì)算與工程應(yīng)用仿真軟件。它集科學(xué)計(jì)算、自動(dòng)控制、信號(hào)處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖像功能處理等為一體。具有編程效率高、圖形功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。目前,它己是適合多學(xué)科、多種工作平臺(tái)的功能強(qiáng)大的仿真軟件。而SIMULINK則是Math works Corporation開發(fā)的配套MATLAB仿真環(huán)境的、與其同步推出的多用途多功能的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模及多種工程應(yīng)用的通用型離線仿真平臺(tái)。此平臺(tái)內(nèi)添加了豐富的基本功能模塊庫(kù)和眾多專業(yè)領(lǐng)域的工具箱,其中電力系統(tǒng)的模塊庫(kù)集為Power System Blockset(PSB),里面含有電源、元器件等眾多模塊庫(kù),可以用來(lái)進(jìn)行電力系統(tǒng)方面的建模仿真。SIMULINK作為MATLAB軟件特有的一種仿真系統(tǒng),其本身自帶有電力系統(tǒng)中的各種元件模型,任意搭建用戶所需的各種模型,通過(guò)設(shè)置各個(gè)元件模型的參數(shù)或者改變模型的結(jié)構(gòu)來(lái)模擬各種情況從而得到各種想要的結(jié)架。相對(duì)于MATALAB, SIMULINK比較突出的特點(diǎn)是用戶不用通過(guò)語(yǔ)言編程,而是通過(guò)直接搭建各種模型就可以得到仿真結(jié)果。模型化圖形輸入是SIMULINK獨(dú)有的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),是指用直接搭建模型來(lái)代替語(yǔ)言的編程,這樣一來(lái)就使得仿真變得非常簡(jiǎn)單,不再僅限制于編程人員能使用,更適用于各種初學(xué)者,不需要了解每個(gè)元件模型的內(nèi)部結(jié)果以及如何用語(yǔ)言實(shí)現(xiàn),只需要通過(guò)搭建模型,簡(jiǎn)單調(diào)整模型中的元件參數(shù),就可以在最短的時(shí)間內(nèi)得到理想的仿真的效果。
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結(jié)論

隨著風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電等清潔電能的發(fā)展與應(yīng)用,對(duì)平衡清潔能源發(fā)電并網(wǎng)擾動(dòng)、改善可再生電力電能質(zhì)量的技術(shù)也提出了較高的要求,因而為儲(chǔ)能與無(wú)功補(bǔ)償?shù)刃枨笄髠?cè)管理技術(shù)提供了有利的發(fā)展契機(jī)。本文以分布式穩(wěn)壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析構(gòu)建為主線,緊緊圍繞其運(yùn)行機(jī)制、數(shù)學(xué)模型、控制策略和實(shí)現(xiàn)方式展開了詳細(xì)的分析介紹。針對(duì)需求側(cè)管理領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題,即分布式補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功擾動(dòng)的方案,進(jìn)行了大量分析,并通過(guò)MATLAB/SIMULINK仿真軟件提供的仿真平臺(tái)搭建了 ES與改進(jìn)型拓?fù)涞南到y(tǒng)模型,對(duì)文中的理論分析做了仿真驗(yàn)證。全文的研究?jī)?nèi)容和所得成果如下:
1)對(duì)可再生能源發(fā)電接入造成的電壓擾動(dòng)進(jìn)行分析,得出擾動(dòng)主要是由于間歇性可再生能源的發(fā)電功率,特別是無(wú)功功率的注入以及在系統(tǒng)中的分布得不到合理的管控而造成的;繼而對(duì)于穩(wěn)定電壓所需要接入補(bǔ)償裝置的有效補(bǔ)償位置進(jìn)行了討論,采用理論分析與公式推導(dǎo),說(shuō)明了在遠(yuǎn)離系統(tǒng)主要網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的低壓配電網(wǎng)下游末端進(jìn)行補(bǔ)償所具有的優(yōu)勢(shì),以及分布式接入補(bǔ)償裝置對(duì)比單點(diǎn)集中式補(bǔ)償所具有的優(yōu)越性,得出了分布式穩(wěn)壓方案的合理性;
2)對(duì)最近提出的分布式穩(wěn)壓技術(shù)ES作了詳細(xì)的原理分析,說(shuō)明了其各種工作模式與運(yùn)行條件,并指出了 ES在實(shí)際運(yùn)行條件下存在的局限性,如補(bǔ)償點(diǎn)處兩類負(fù)荷所占的比例不同對(duì)ES補(bǔ)償能力的限制以及ES所串接負(fù)荷的端電壓耐受能力存在一定的限額�；贓S的局限性提出了一種改進(jìn)型的拓?fù)?說(shuō)明了該拓?fù)涞倪\(yùn)行機(jī)理,并對(duì)構(gòu)成該拓?fù)涞闹饕Y(jié)構(gòu)作了介紹,最后詳細(xì)分析了該拓?fù)涞幕酒骷跋鄳?yīng)的參數(shù)范圍。
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參考文獻(xiàn)(略)

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本文編號(hào)：44006