第 1 章 緒論 

1.1 研究背景
近年來分布式發(fā)電技術得以在供配電網(wǎng)中廣泛應用。然而隨著分布式發(fā)電規(guī)模的滲透，分布式發(fā)電自身的功率輸出的波動性與隨機性、容量限制等既有問題也逐漸被人們所認識與了解，這些問題極大程度限制了分布式電源的發(fā)電結構發(fā)揮分布式發(fā)電的特點與優(yōu)勢[1]。 隨著電力電子接口技術和現(xiàn)代控制理論在電力系統(tǒng)工程技術中越來越廣泛的研究與應用，同時為了最大范圍與最大程度地發(fā)揮分布式電源的優(yōu)勢作用，研究人員提出微網(wǎng)(Microgrid)的概念。微網(wǎng)將容量為幾兆瓦只十幾兆瓦的小型發(fā)電單元——微源（Microsource）與多種先進控制技術互相結合統(tǒng)一。微源將局部負荷、儲能平擾設備、控制實現(xiàn)裝置統(tǒng)一為整體，形成一個獨立并且可控的功率單元，即可作為負荷、又可作為電源，向外提供的能量形式可同時包括電能、冷和熱能。微網(wǎng)可以靈活地控制分布式電源并網(wǎng)運行時切機與重連，是一種能夠充分發(fā)揮分布式電源優(yōu)勢的高效途徑[2]。 微網(wǎng)技術將全新的電力電子工程技術、可再生能源發(fā)電技術、清潔能源發(fā)電技術、現(xiàn)代工程控制技術有機結合一體，有效地支撐了分布式發(fā)電技術在輸配電系統(tǒng)中的大規(guī)模廣泛應用，進而推進供配電系統(tǒng)面向高效、經(jīng)濟與環(huán)保節(jié)能的方向質變發(fā)展。故微電網(wǎng)將在未來的智能化電力系統(tǒng)中發(fā)揮其靈活、高效與經(jīng)濟的作用[3-4]�，F(xiàn)有理論研究和工程實踐普遍表明，以交直流混合、協(xié)調控制策略的微網(wǎng)形式實現(xiàn)分布式電源的組網(wǎng)接入，以及與輸配電網(wǎng)的互相動態(tài)支撐，是最能夠高效、環(huán)保地發(fā)揮分布式電源在效能方面強大作用的應用方式，具有顯著的社會與經(jīng)濟意義[5]。 
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1.2 課題意義
微網(wǎng)目的旨在最大限度發(fā)揮分布式發(fā)電的優(yōu)勢，使得系統(tǒng)負荷端供電可靠性與經(jīng)濟性得以保證與提高。供電可靠性是微網(wǎng)穩(wěn)定供電的保證，微網(wǎng)電壓穩(wěn)定是可靠供電的重要前提，所以微網(wǎng)電壓穩(wěn)定性是微網(wǎng)能夠穩(wěn)定運行的必需條件。 國家標準 GBl2325－90 規(guī)定 10kV 及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的土7％。此外 GB/T 12325-2008《電能質量  供電電壓偏差》中規(guī)定例如光伏等微源并網(wǎng)點要求 20kV 及以下三相公共連接點電壓偏差為標稱電壓的±7%。微網(wǎng)電壓等級大多在10KV 以下，大部分微源通過可再生能源為發(fā)電能源，如風力發(fā)電機、光伏電池等，其功率性能受自然條件影響與制約，導致功率輸出并非保持穩(wěn)態(tài)，出現(xiàn)微源端的功率波擾，此種現(xiàn)象可能影響到微電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性，于是對微電網(wǎng)的工況下抗擾動能力提出嚴苛要求。大量資料和運行事故經(jīng)驗表明，相比于同步運行穩(wěn)定性、頻率穩(wěn)定性事故，電壓失穩(wěn)事故更加的突發(fā)和隱蔽。而微網(wǎng)存在以下特點，致使其微網(wǎng)電壓穩(wěn)定性問題比較于其他電網(wǎng)形式更加嚴重，也更加復雜。微網(wǎng)存在區(qū)別于傳統(tǒng)電網(wǎng)的獨有特點，部分微網(wǎng)的獨有特性導致微網(wǎng)存在電壓穩(wěn)定性問題，并表現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)輸電網(wǎng)電壓穩(wěn)定方面問題的新特點。出現(xiàn)電壓穩(wěn)定性問題后，微網(wǎng)無法繼續(xù)向負荷持續(xù)有效供能，嚴重影響甚至破壞微網(wǎng)的穩(wěn)定運行狀態(tài)。 
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第 2 章 微網(wǎng)數(shù)學模型及仿真平臺建立

微網(wǎng)的數(shù)學模型構建是分岔理論應用于微網(wǎng)電壓穩(wěn)定性分析的基礎性工作。微網(wǎng)中包含的微源有風機、光伏電池、燃料電池、燃氣輪機等，負荷有靜態(tài)負荷與異步電動機等類型，網(wǎng)架通常為低壓輻射型結構。微網(wǎng)的元件及網(wǎng)架結構與輸電網(wǎng)有很大不同，其中各個元件的模型也有獨特特點。微網(wǎng)中的風機模型包含風速風力模型、風力機軸模型與本體異步發(fā)電機模型幾個部分。燃料電池與光伏電池通常有光伏電板或燃料堆、斬波器、逆變器與控制策略模型幾個部分，有時需要考慮濾波器與變壓器環(huán)節(jié)，等。 系統(tǒng)的動態(tài)模型密切決定分岔的演變過程，而每一種元件的動態(tài)模型都可以使用有限數(shù)量的微分代數(shù)方程形式數(shù)學模型來進行動力學描述。由該模型出發(fā)，依據(jù)非線性動力學中的分岔理論能夠完整地分析與解釋系統(tǒng)的運行點運動狀態(tài)，并從理論層面上深刻解釋電壓崩潰的動力學因素與機理[39]。由于任何微源（例如異步風機、燃料電池）及其控制策略在具體微網(wǎng)中并網(wǎng)運行的靜、動態(tài)特性都可以通過建立一組微分代數(shù)方程來準確描述，所以理論上來說，包含任何微源的微網(wǎng)電壓穩(wěn)定狀態(tài)都可由分岔理論相關方法來分析與評價，所以微網(wǎng)中各個元件的數(shù)學模型建立是實現(xiàn)分岔理論應用的重要內容。

2.1 微電網(wǎng)的主體結構
交流微電網(wǎng)目前廣泛用于國內外所采用的微電網(wǎng)結構中，交流微電網(wǎng)特點是不改變原來的電網(wǎng)結構，適合運用于將原有配電網(wǎng)絡直截改造為微電網(wǎng)網(wǎng)架結構中[40-41]。 交流微電網(wǎng)通常與供電配電網(wǎng)相聯(lián)系，其典型結構與配電網(wǎng)具有相似性。配電網(wǎng)線路通常采取放射式、樹干式、環(huán)形等接線方式，基本來說交流微電網(wǎng)的接線方式也依據(jù)此三種典型方式為主，并共同經(jīng)由一個開關與大電網(wǎng)并聯(lián)[42-44]。其中放射模式接線的微電網(wǎng)基本結構為多條饋線在某幾處公用鏈接點并聯(lián)，使得整個網(wǎng)絡呈放射形狀；樹干式微電網(wǎng)與放射式電網(wǎng)類似，樹干式趨向網(wǎng)狀，沒有明顯的主干線路，歐盟微網(wǎng)典型工程 ARMINES 采用了單饋線輻射形結構，如圖 2.1 所示，由其改進的 PSCAD 中仿真平臺如圖 2.2。 由于我國在配電原則上難以實現(xiàn)構成環(huán)形微電網(wǎng)，我國的微電網(wǎng)很少使用環(huán)形接線方式，故不形成回繞式供電線路。對于些負荷的供電可靠性要求，為防止因故障造成的缺電，可以構造合適的環(huán)網(wǎng)供電[45-50]。
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2.2 微源數(shù)學模型
風力發(fā)電通過風輪機的槳葉片吸收風能，風力渦輪機槳葉片捕獲恒速或變速風，將風能量轉換成傳動設備旋轉能量，經(jīng)由機械轉矩轉至發(fā)電機械，最終由異步機轉化為電能并網(wǎng)。得益于技術改進，目前新型風機已經(jīng)能夠在微風(3m/s)中保持供電。風力發(fā)電技術相對于其它可再生能源發(fā)電技術更為完善，且具有較為廣泛的運用環(huán)境和運用背景[50-51]。光伏電池發(fā)電依靠光照入射于半導體面產(chǎn)生的半導體光電效應。當太陽光照射于光伏電池板時，太陽光中不同波長的光線所蘊含能量強度以及在光伏電池半導體板中的穿透力各不相同，故折射于光伏電池板內部的不同波長太陽光線共同催生光生電流。近年來光伏發(fā)電系統(tǒng)之中多使用以硅半導體為基體材料所生產(chǎn)制造的硅光伏電池，因此可以以硅光伏電池模型為主要數(shù)學建模研究對象。
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第 3 章 微網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的分岔分析 ..... 27 
3.1 分岔理論簡介 .......... 27 
3.2 分岔理論及其電壓穩(wěn)定分析方法的算法原理 ....... 28 
3.2.1 直接法原理 ..... 28 
3.2.2 延拓法原理 ..... 28 
3.2.3 分岔點判別算法 ........... 31 
3.3 分岔分析法的準確性與適用性 .......... 33
3.4 小結 ..... 41 
第 4 章 一種同步相量測量實現(xiàn)的微網(wǎng)在線電壓穩(wěn)定判別指標 .......... 43 
4.1 微網(wǎng)在線電壓穩(wěn)定判別指標的提出 ......... 43 
4.2 微網(wǎng)電壓穩(wěn)定 LZ 指標判據(jù) ......... 44 
4.2.1 在線電壓穩(wěn)定指標判據(jù)的建立 ........ 44 
4.2.2 LZ 指標判據(jù)的計算方法 ..... 45 
4.3 算例分析 ........... 48
4.4 LZ 指標的工程應用特點 ....... 52 
4.5 本章小結 ........... 53 
第 5 章 結論 .......... 54 

第 4 章 一種同步相量測量實現(xiàn)的微網(wǎng)在線電壓穩(wěn)定判別指標

4.1 微網(wǎng)在線電壓穩(wěn)定判別指標的提出

分岔理論及其相關的算法在微網(wǎng)含有多種特性元件時，能夠通過數(shù)學模型的建立，準確求取電壓穩(wěn)定臨界值，進而得到較理想的電壓穩(wěn)定裕度指標。由于規(guī)模龐大，分岔理論適合于對既定的微網(wǎng)系統(tǒng)的離線分析方法。但有些時候微電網(wǎng)的元件或線路存在頻繁投切，其整網(wǎng)元件的模型并不總是固定的，加上微電網(wǎng)自身的低慣性特質，注定其不能承受過久時間的電壓降落與波動狀態(tài)，此時需要計算迅速、且不強依賴于元件與網(wǎng)架參數(shù)模型來構建的電壓穩(wěn)定性分析方法來進行電壓穩(wěn)定性評價。所以有些時候我們關心的是能夠實時監(jiān)測的電壓穩(wěn)定評價指標，能夠在計算速度方面更加提高，使之能夠在線實現(xiàn)。 實際上計算的高速性與模型的全面性是互相矛盾的，更多數(shù)時候我們是在二者之間取某一種折中，即用比較簡化的方式代替對于元件與網(wǎng)架模型的全面考慮。一般來說基于如下兩種核心思想進行簡化。 ①  即使不包含微網(wǎng)諸多元件的數(shù)學模型，元件特性對于電壓與潮流的影響依然存在，并且可以通過電壓與功率潮流的實測數(shù)據(jù)中依某種規(guī)則表現(xiàn)出來。 ②  排除獲取整網(wǎng)信息之外，單純依靠局部的功率與電壓的同步相量測量數(shù)據(jù)來構建指標也是可以實現(xiàn)的。 前者可以簡化對于元件模型的考慮，后者可以進一步簡化對于網(wǎng)架參數(shù)的考慮。一般如果能夠滿足并實現(xiàn)如上兩條思想，則可以顯著提高計算速度，并通過實時同步相量測量數(shù)據(jù)來構建指標計算，使在線電壓穩(wěn)定評估指標成為可能。 

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結論

微網(wǎng)系統(tǒng)具有區(qū)別于傳統(tǒng)輸電網(wǎng)的特點，，傳統(tǒng)電壓穩(wěn)定性分析方法在應用于微網(wǎng)環(huán)境時存在使用困難、精度不足等問題。本文針對微網(wǎng)系統(tǒng)自身特征，選擇分岔理論作為微網(wǎng)電壓穩(wěn)定性分析方法，以 9 節(jié)點單饋線型微網(wǎng)為仿真平臺，推導微網(wǎng)中各個元件的數(shù)學模型；而后通過分岔理論分析微源不同特性對微網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響規(guī)律；最后針對微網(wǎng)電壓穩(wěn)定在線評估的需求，推導一種微網(wǎng)電壓穩(wěn)定性在線判別指標。綜合以上研究成果，本文得到以下結論： （1）分岔理論能夠適用于求取微網(wǎng)電壓穩(wěn)定裕度以及分析微網(wǎng)電壓穩(wěn)定性。微源的數(shù)學模型是其輸出電壓功率對應于風速、溫度、光照強度等自然因素的多元微分方程，能夠包含多種參量對微源功率或電壓輸出的影響規(guī)律。基于微源數(shù)學模型的分岔理論分析法能夠考慮微源動態(tài)特性，并對微網(wǎng)電壓穩(wěn)定裕度進行求取，所得到的裕度結果能夠體現(xiàn)多種因素對于微網(wǎng)電壓穩(wěn)定裕度的影響效果，故對于求取微網(wǎng)電壓穩(wěn)定臨界值具有適用性與準確性。 （2）微源類型、容量、并網(wǎng)位置等特性對微網(wǎng)的電壓穩(wěn)定裕度存在影響。當微源容量上升時，異步風機的無功吸收伴隨著有功輸出增加而增加，使微網(wǎng)電壓穩(wěn)定裕度先升高后降低，存在最優(yōu)容量；燃料電池由于并網(wǎng)功率輸出受控制策略與容量制約，在配置容量時需注意裕度的缺損與浪費。隨著并網(wǎng)位置逐漸接近負荷點，異步風機使電壓穩(wěn)定裕度降低，而燃料電池與光伏電池使電壓穩(wěn)定裕度升高。在選擇并網(wǎng)位置時，異步風機應盡量遠離負荷節(jié)點，燃料電池應當盡量靠近負荷節(jié)點，光伏電池在光照條件穩(wěn)定、容量充足時也可靠近負荷節(jié)點。 
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參考文獻(略)

本文編號：37856