【摘要】：綜合能源系統(tǒng)是由如太陽能(光伏)發(fā)電系統(tǒng)、微型燃氣輪機、風力發(fā)電、小型水電、燃料電池等分布式發(fā)電單元組成的能源系統(tǒng)。由于綜合能源系統(tǒng)具有資源獲取便利性(尤其是風能或者太陽能等可再生能源),節(jié)能減排(使用清潔能源和具有環(huán)境友好性),結構簡單,運行可靠性及高效性,因此綜合能源系統(tǒng)已成為電力企業(yè)和電網(wǎng)中的重要部分。分布式發(fā)電(DGs)的日益普及,以及多個分布式發(fā)電相互就近電氣連接組成的混合分散能源系統(tǒng)衍生了微網(wǎng)的概念。微網(wǎng)是有明確電氣邊界的由相互連接的負載,分布式電源和能量存儲系統(tǒng)(ESS)組成的配電網(wǎng)。微網(wǎng)具有黑啟動能力,可以在獨立于主電網(wǎng)的孤島模式,也可以運行在與電網(wǎng)連接或與其他微網(wǎng)并列運行的并網(wǎng)模式。微網(wǎng)可以為最終研究機構/校園、醫(yī)院、大學、商業(yè)/工業(yè)設施,偏遠離網(wǎng)社區(qū)、軍事基地、數(shù)據(jù)中心、當?shù)卣冉K端用戶提供高質量,高效、可靠、安全、經(jīng)濟及可持續(xù)的電力如。然而,分布式電源與儲能系統(tǒng)組成微網(wǎng)系統(tǒng)及其雙模式運行給微網(wǎng)的規(guī)劃、建模、分析、能源管理、控制和保護帶來了挑戰(zhàn)和沖擊�；诖�,本文研究了能量優(yōu)化管理、仿真模型、多DER的運行在孤島模式或并網(wǎng)模式并且考慮高滲透率的可再生能源微電網(wǎng)的控制、保護。首先,本文提出了一種針對微網(wǎng)運行在含有高滲透率新能源的并網(wǎng)及孤島模式下的超前一天的能量優(yōu)化管理策略。該策略的性能目標包括:燃料成本最小化、運行維護費用和從電網(wǎng)購電費用,最大限度利用新能源及買電到電網(wǎng)利潤最大化。本文建立的能量優(yōu)化管理問題實際上是一個多參數(shù)目標函數(shù),屬于一類約束非線性問題。該目標函數(shù)考慮了可再生發(fā)電的不確定性和負荷需求、電網(wǎng)電價和不同的儲存選擇。準確的可再生能源發(fā)電預測(風能和太陽能)、負荷需求和電價對本論文提出的能源管理系統(tǒng)(EMS)模型起著至關重要的作用。重組的粒子群優(yōu)化(RegPSO)方法結合了傳統(tǒng)的粒子群優(yōu)化(PSO)算法和防止粒子過早收斂導致粒子優(yōu)化算法停滯的方法來解決EMS優(yōu)化問題。RegPSO對于EMS目標問題解決的是在未來的每一個小時里可調度發(fā)電單元(微型燃氣輪機、柴油發(fā)電機等)的發(fā)電量,充電/放電的儲能系統(tǒng)(ESS)單位及其與大電網(wǎng)的電力交換量,。仿真結果證明了在不同場景下本論文提出的EMS策略各個方面的有效性。其次,本文在PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)軟件環(huán)境搭建了基于實際金風(北京,中國)科技智能微網(wǎng)的控制策略和仿真模型,。無論是軟件還是硬件,搭建一套完整的微電網(wǎng)仿真模型對于研究微電網(wǎng)問題,如孤島現(xiàn)象和同期現(xiàn)象、暫態(tài)、動態(tài)和穩(wěn)態(tài)控制與穩(wěn)定問題、潮流分析、諧波分析和故障檢測和保護等都有著重要的意義。研究案例中的微電網(wǎng)系統(tǒng)由基本的電力系統(tǒng)元件模型組成,包括兩種可再生能源(風能系統(tǒng)模型(WES)和光伏(PV)發(fā)電系統(tǒng)),兩種可調度的能源模型(冷熱電聯(lián)供微型燃氣輪機組和柴油發(fā)電機),三種儲能模型(全釩液流電池(VRB),鋰離子電池和超級電容)、需求側(負荷)模型和公用電網(wǎng)等效模型。除了柴油發(fā)電機外,每個源模型都與對應不同組合、配置和控制策略的電力電子變換器相連接。本論文首先建立了各個微電網(wǎng)元件的模型,然后通過組合所有元件模型,建立了完整的微網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型。本文建立的完整微網(wǎng)系統(tǒng)模型能夠在在外部電網(wǎng)故障或者計劃孤島時候自動切換到孤島模式,當故障消除后或需要重合閘時能自動切換到并網(wǎng)運行。當微網(wǎng)并網(wǎng)運行的時候,所有的微電源模型工作在在PQ控制模式;然而當微網(wǎng)孤島運行的時候,ESS或者其他可調度的分布式電源具有工作在VF模式下的能力并為微網(wǎng)系統(tǒng)設置電壓和頻率的參考。本文在建立的微網(wǎng)模型上進行了一些模擬案例研究。得到的結果表明下,在PSCAD環(huán)境中開發(fā)的微電網(wǎng)系統(tǒng)能夠滿足在各種場景下仿真分布式可再生能源和本文提出的控制策略要求。最后,本文提出了一種適用于三相接地、兩線接地、單線接地、線間短路和高阻抗故障的微網(wǎng)綜合保護方案。分布式發(fā)電(DGs)的發(fā)展造成微電網(wǎng)或傳統(tǒng)配電饋線在控制和保護問題面臨許多挑戰(zhàn)。其中主要有:雙向潮流流動,故障下電流幅值的變化,即插即用的分布式電源及負荷、可再生能源分布式發(fā)電間歇性引起的不斷變化的運行特性。這個問題在微網(wǎng)包含多種變流器接口且運行在孤島模式時更為突出。因此,在孤島運行的微網(wǎng)出現(xiàn)故障或者擾動情況下,傳統(tǒng)的保護策略和繼電器技術不能滿足保護要求。為了保證變流器接口的微網(wǎng)安全運行,本文提出了一種由快速和可靠的通信支撐下的保護策略。通過使用基于數(shù)字繼電器的商業(yè)可編程微處理器的,該策略適用于小規(guī)模低壓和大規(guī)模的中壓微網(wǎng)保護。當通訊故障或者保護裝置故障時,還能提供后備保護。本文還詳細介紹了數(shù)字繼電保護的結構布局,并基于次進行了本文提出保護策略的設計。本文通過尋找其他方法對傳統(tǒng)可靠的小電流故障探測及經(jīng)常發(fā)生在變流器接口微網(wǎng)中的高阻抗故障做出了改進。提出了簡單、經(jīng)濟的母線保護方法。在基于實際運行的真實工業(yè)園區(qū)微網(wǎng)搭建的PSCAD復雜仿真模型上進行了一些不同的案例研究和故障場景模擬,驗證了本文提出的策略及其數(shù)字繼電器的有效性。
【學位授予單位】：華北電力大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM727
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本文編號：2697967