第一章 緒論

1.1 課題背景與研究意義
在人類社會快速發(fā)展的今天，能源作為社會發(fā)展的重要動力，我們對能源的依賴越來越重。自古以來，傳統(tǒng)石化能源一直是我們最主要的能量來源。但傳統(tǒng)石化能源不僅儲存數(shù)量有限，而且在石化能源燃燒過程中產(chǎn)生了大量的 CO2，直接造成了溫室效應(yīng)，同時釋放其他有害于人類健康的化學(xué)污染物質(zhì)。因此，尋找人類社會能源危機這一重大困擾我們發(fā)展的問題的解決方案已經(jīng)日益緊迫。可再生能源的開發(fā)為解決能源危機帶來了曙光。而風(fēng)電目前已經(jīng)成為最重要的、發(fā)展最為迅速的可再生能源。加快風(fēng)電發(fā)展，對于增加清潔能源供應(yīng)、保護(hù)環(huán)境、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1]。根據(jù)全球風(fēng)能理事會（GWEC）于 2012年 2 月發(fā)布的全球風(fēng)電裝機情況的統(tǒng)計報告顯示[2]，全球至 2011 年年底總裝機容量達(dá)到 237,700MW，同比增長高達(dá) 22.3％，世界各國總量年度市場規(guī)模增長率已然超過 6％，如圖 1-1 所示。全球具備商業(yè)化風(fēng)電機組和風(fēng)力發(fā)電設(shè)施的國家和組織的數(shù)目前已經(jīng)超過 80 多個，而擁有總風(fēng)力發(fā)電量大于 1.1GW 數(shù)量的國家已經(jīng)超過 20 個，這 20 個國家中很多都隸屬于新興市場。2013 年全球風(fēng)電新增裝機排名前十位的國家和 2013 年風(fēng)電累計裝機前十位的國家如表 1-1 和 1-2所示。從表中不難看出，中國既是 2013 年全球風(fēng)電新增裝機第一名，市場份額占據(jù)了約二分之一，同時中國又是 2013 年風(fēng)電累計裝機第一名。除此之外，德國、美國等國家也有相當(dāng)量的裝機的容量。根據(jù)權(quán)威機構(gòu)統(tǒng)計，目前世界電力總量的 2%來源于風(fēng)力發(fā)電，而風(fēng)力發(fā)電總量更是超過整個歐洲國家電力總量的5%。根據(jù)權(quán)威機構(gòu)的預(yù)計[2]，截止到 2020 年全球風(fēng)電供應(yīng)量占全球電力供應(yīng)總量的百分比將首次超過 10%，達(dá)到 12%。
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1.2 含風(fēng)能微電網(wǎng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
微網(wǎng)的控制方法主要有基于電力電子技術(shù)的即插即用控制(plug and play)和對等(point to point)控制[11]、基于功率管理系統(tǒng)的控制[12]和基于多代理技術(shù)的微網(wǎng)控制[13-14]。國內(nèi)外學(xué)者對微網(wǎng)控制做過多方面研究工作：文獻(xiàn)[15-17]在并網(wǎng)和孤島運行模式轉(zhuǎn)換時進(jìn)行了控制策略的切換，增大了控制器在切換過程中平滑過渡的難度，容易產(chǎn)生較大沖擊；文獻(xiàn)[18]提出了孤島運行時一種基于下垂控制的無差 V-f控制，但是這種控制只能應(yīng)用于一個主控分布式電源，，不利于實現(xiàn)孤島時各分布式電源功率的合理分配；文獻(xiàn)[19]在并網(wǎng)和孤島運行時外環(huán)利用 f-P 和 V-Q 下垂控制方法，內(nèi)環(huán)采用有功功率和無功功率分別來調(diào)節(jié)逆變器輸出電流的 d 軸和 q軸分量，這種控制更適合于電流源逆變器，而實際應(yīng)用中的并網(wǎng)裝置更多為電壓源逆變器；文獻(xiàn)[20]提出了 P-f(Q-V)和 f-P(V-Q)相結(jié)合的控制方式，但其動態(tài)過程中產(chǎn)生較大的功率振蕩；文獻(xiàn)[21-22]在并網(wǎng)和孤島運行時外環(huán)利用 P-f 和 Q-V下垂控制方法，但是沒有考慮孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)時利用下垂控制的同步并網(wǎng)問題；文獻(xiàn)[23]簡要介紹了同步并網(wǎng)控制，但是其內(nèi)環(huán)控制較為復(fù)雜，參數(shù)設(shè)計受系統(tǒng)影響較大。微網(wǎng)的穩(wěn)定性分為小信號穩(wěn)定性和暫態(tài)穩(wěn)定性。目前，已有一些關(guān)于微網(wǎng)穩(wěn)定性研究的綜述文獻(xiàn)。文獻(xiàn)[24]對小信號穩(wěn)定性問題進(jìn)行了總結(jié)，但對小信號穩(wěn)定性問題的闡述尚不完善，未考慮系統(tǒng)故障等情況對微網(wǎng)運行的影響。文獻(xiàn)[25]借鑒傳統(tǒng)電網(wǎng)穩(wěn)定性的分析結(jié)論，對微網(wǎng)穩(wěn)定性的一些方面進(jìn)行了總結(jié)，但未根據(jù)微網(wǎng)自身特點對短路故障等大擾動引起的暫態(tài)穩(wěn)定性問題以及提高微網(wǎng)穩(wěn)定性的措施等進(jìn)行全面總結(jié)。
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第二章 含風(fēng)能微電網(wǎng)的建模

2.1 引言
含風(fēng)能微電網(wǎng)主要由風(fēng)電機組和儲能系統(tǒng)、負(fù)荷構(gòu)成。儲能常見的接入方式分為分散式接入和集中式接入兩種方式。集中式充分考慮了風(fēng)場各臺風(fēng)機間的互濟作用，整場的輸出功率波動要小于各臺風(fēng)機的波動累加值。因此，在同一控制目標(biāo)下整場集中配置儲能較分散式配置儲能節(jié)省儲能容量，這在當(dāng)前儲能成本較高的情況下顯得尤為重要。采用分散式配置儲能多是針對單臺風(fēng)機，這樣所需的儲能容量要比集中式小的多，靈活方便。但隨著大規(guī)模集群風(fēng)電場的發(fā)展，風(fēng)電機組經(jīng)常維護(hù)和檢修，分散式儲能的工作量要明顯加大，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜也降低了系統(tǒng)的可靠性。雖然分散式儲能的單體容量要小的多，但是對于整個風(fēng)場來說總的容量要比集中配置儲能容量大。因為分散式儲能沒有充分考慮風(fēng)場各臺風(fēng)機的互濟作用。因此風(fēng)電場或風(fēng)電場群采用集中式配置儲能系統(tǒng)更有優(yōu)勢，所以本文中儲能配置方式采用集中式儲能結(jié)構(gòu)。本文中所用風(fēng)能為雙饋風(fēng)力發(fā)電機組，儲能形式為電池儲能。由上文討論可知，儲能接入方式本文為集中接入。在并網(wǎng)運行時，儲能可以實現(xiàn)風(fēng)能對調(diào)度的響應(yīng)，實現(xiàn)削峰填谷等功能，增強電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高風(fēng)電利用率，優(yōu)化風(fēng)電經(jīng)濟運行。當(dāng)微網(wǎng)獨立運行時，波動的風(fēng)功率經(jīng)過電池儲能系統(tǒng)的平抑后向負(fù)荷提供質(zhì)量較好的電能。下面研究微電網(wǎng)的組成、結(jié)構(gòu)特性以及各部分的詳細(xì)原理、結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型。
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2.2 微網(wǎng)組成和結(jié)構(gòu)特性

認(rèn)可度高的 CERTS 微網(wǎng)[29]的基本結(jié)構(gòu)如上圖所示，圖中包含了多個分布式發(fā)電源（Distributed Generation Source，DGS ）和儲能元件，這些系統(tǒng)和元件聯(lián)合向負(fù)荷供電，整個微網(wǎng)相對大電網(wǎng)來說是一個整體，通過一個斷路器和上級電網(wǎng)的變電站相聯(lián)系。微網(wǎng)內(nèi)的 DGS 可以含有多種能源形式。在交流微網(wǎng)中，分布式電源的同步并網(wǎng)，變壓器、電動機的勵磁涌流，三相不對稱，控制復(fù)雜等問題的存在與用戶希望微網(wǎng)能夠提供高效、可靠、高電能質(zhì)量供電服務(wù)的要求存在矛盾。直流結(jié)構(gòu)形式的微網(wǎng)在以上這些方面的擁有一定的優(yōu)勢。目前直流微網(wǎng)仍處于剛開始起步階段[30]。

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第三章 風(fēng)電機組出力特性分析..........34
3.1 研究意義和研究現(xiàn)狀......34
3.3 30 秒數(shù)據(jù)出力特性分析........48
3.4 本章小結(jié)......53
第四章 微電網(wǎng)中風(fēng)儲容量的優(yōu)化配置.....54
4.1 容量配比優(yōu)化模型..........54
4.2 算例分析.....57
4.3 本章小結(jié).....58
第五章 含風(fēng)能微電網(wǎng)的運行仿真......59
5.1 風(fēng)機仿真驗證....59
5.2 儲能系統(tǒng)仿真論證..........61
5.2.1 儲能電池仿真驗證.......61
5.2.2 電池儲能系統(tǒng)多時間尺度特性分析..... 67
5.2.2.1 電池儲能系統(tǒng)暫態(tài)特性.........69
5.2.2.2 電池儲能系統(tǒng)中長期特性......69
5.3 微電網(wǎng)仿真驗證.......70
5.3.1 微電網(wǎng)并離網(wǎng)運行仿真......70
5.3.2 微電網(wǎng)在負(fù)荷擾動下的穩(wěn)定性仿真...... 72
5.4 本章小結(jié).....72

第五章 含風(fēng)能微電網(wǎng)的運行仿真

本章將在前文基礎(chǔ)上進(jìn)行整個微電網(wǎng)的仿真驗證。首先在第二章數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，在 Matlab/Simulink 中建立風(fēng)電機組和儲能電池系統(tǒng)等各部分模型，分別進(jìn)行仿真實驗，最后建立整個微電網(wǎng)仿真模型，對微電網(wǎng)的運行特性設(shè)計仿真實驗。

5.1 風(fēng)機仿真驗證
接下來進(jìn)行仿真研究。風(fēng)電機組重要特性就是能響應(yīng)實時變化的風(fēng)速，因此本文設(shè)計仿真實驗，研究模型在波動風(fēng)速下的運行情況。仿真步長設(shè)置為電力系統(tǒng)仿真研究中最常用的 5 微秒，仿真算法為定步長算法仿真條件：風(fēng)速為階躍輸入，在 0 到 0.1 秒為 12 米每秒,0.1 到 0.2 秒為 8 米每秒，仿真結(jié)果如下：從上圖可以得知仿真模型的電池內(nèi)阻 r0 約為 166.86 毫歐，而實際生活中，電池的內(nèi)阻一般是小于 200 毫歐，所以模型內(nèi)阻是真實有效的。綜合以上三個方面，可以得出結(jié)論，本文所建立的電池模型是真實有效的。接下來本文在建立的正確的模型上，做了大量的仿真實驗，來研究充放電倍率、溫度等因素對電池特性的影響，以及電池充電電流建立過程，和充電電量的隨 SOC 的變化關(guān)系等問題。
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結(jié)論

目前，風(fēng)能已成為新源領(lǐng)域中技術(shù)最熟、具規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化展景的發(fā)電方式之一。然而，風(fēng)能具有隨機性、波動間歇等特點造成電場出力波動，也給能質(zhì)量和網(wǎng)的穩(wěn)定運行等造成負(fù)面影響，限制了風(fēng)電的影響。儲能系統(tǒng)具有動態(tài)吸收和釋放能量的特點，合理地在風(fēng)電場中配置儲能設(shè)備可以有效彌補風(fēng)電的間歇性和波動性，改善風(fēng)電輸出功率的可控性，增強穩(wěn)定性，并改善電能質(zhì)量及優(yōu)化系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。本文基于含風(fēng)能和儲能電池的微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，做了如下研究工作：
1）首先分析了微電網(wǎng)的特性和結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上提出了本文研究所用的含風(fēng)能微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。之后詳細(xì)研究了風(fēng)力發(fā)電機組原理和儲能電池系統(tǒng)工作原理后，建立了包含風(fēng)機、傳動鏈、雙饋電機、變流器在內(nèi)的雙饋風(fēng)電機組模型，和包含鋰離子電池單體和儲能變流器在內(nèi)的儲能系統(tǒng)模型，并建立了動態(tài)風(fēng)場和風(fēng)速等值模型。最后建立了微電網(wǎng)的變壓器、線路和負(fù)荷等電力部件模型。
2）研究了風(fēng)功率特性。基于兩種實測數(shù)據(jù)進(jìn)行了風(fēng)功率出力特性的分析，首先從出力情況，不同時間尺度的變化率、單機和風(fēng)場出力相關(guān)性、風(fēng)速和風(fēng)電機組功率相關(guān)性等多種角度進(jìn)行了分析。而在進(jìn)行了平穩(wěn)性分析后，得出風(fēng)功率出力序列是非平穩(wěn)的序列，因此引入了小波變換，首先利用已有的 Matlab 工具箱進(jìn)行了單尺度分解，多尺度分解和完全分解，為了進(jìn)一步找到序列中的周期分量，進(jìn)行了小波方差分析。在得到主周期分量后，又做了一系列的對比仿真，驗證了周期分量的唯一性和正確性。
3） 對含風(fēng)能微電網(wǎng)中風(fēng)電機組和儲能電池系統(tǒng)的容量配比問題進(jìn)行了研究。提出了配置模型的目標(biāo)函數(shù)和約束條件，構(gòu)建了一種配置原則和方法。在算例中以包括投資陳本、運行費用、購售電成本的綜合效益為優(yōu)化目標(biāo)，在滿足功率平衡、電源容量和可靠性的約束下，對含風(fēng)能微電網(wǎng)進(jìn)行了容量配置。
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號：59293