交直流混合微網(wǎng)協(xié)同控制及主動(dòng)負(fù)荷響應(yīng)策略研究課件

1、碩士學(xué)位論文碩士學(xué)位論文交直流混合微網(wǎng)協(xié)同控制及主動(dòng)負(fù)荷響應(yīng)策略研究RESEARCH ON REGULATION SCHEME OF HYBRID AC/DC MICRO-GRID AND RESPONSE BEHAVIOR OF ACTIVE LOADXXX XXXXXXXXXXXX 2015 年年 6 月月 國內(nèi)圖書分類號(hào)：TM76 學(xué)校代碼：10213國際圖書分類號(hào)：621.31 密級：公開 工學(xué)碩士學(xué)位論文工學(xué)碩士學(xué)位論文交直流混合微網(wǎng)協(xié)同控制及主動(dòng)負(fù)荷響應(yīng)策略研究碩士研究生：XXX導(dǎo) 師 ：XXX 教授申請學(xué)位：工學(xué)碩士學(xué)科：電氣工程所 在 單 位：電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院答 辯 日 期

2、：2015 年 6 月授予學(xué)位單位 ：XXXXXXXClassified Index: TM76U.D.C: 621.31Dissertation for the Master Degree in EngineeringRESEARCH ON REGULATION SCHEME OF HYBRID AC/DC MICRO-GRID AND RESPONSE BEHAVIOR OF ACTIVE LOADCandidate：XXXXXSupervisor：XXAcademic Degree Applied for：Master of EngineeringSpeciality：Electrica

3、l EngineeringAffiliation：School of Electrical Engineering and AutomationDate of Defence：June, 2015Degree-Conferring-Institution：XXXX- I -摘 要近幾年，微網(wǎng)系統(tǒng)憑借其諸多的優(yōu)點(diǎn)使得現(xiàn)代電力系統(tǒng)研究進(jìn)入了新的時(shí)代，其通過整合各種微源的優(yōu)勢極大的促進(jìn)電力系統(tǒng)的發(fā)展。微網(wǎng)具有交流結(jié)構(gòu)、直流結(jié)構(gòu)和交直流混合結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)直流微網(wǎng)或交流微網(wǎng)相比，交直流混合微網(wǎng)結(jié)構(gòu)靈活、能量利用率高，但控制復(fù)雜。為了保證不同運(yùn)行狀態(tài)下交直流混合微網(wǎng)在小擾動(dòng)下能夠穩(wěn)定運(yùn)行，本文對不同運(yùn)行模式

4、下的控制策略進(jìn)行了研究。為了減小棄風(fēng)棄光，提高系統(tǒng)綜合利用效率，實(shí)現(xiàn)削峰填谷，本文對利用群智能算法進(jìn)行主動(dòng)負(fù)荷響應(yīng)進(jìn)行了研究。首先，本文建立了典型微源的數(shù)學(xué)模型，其中包括：太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和儲(chǔ)能單元。對于光伏發(fā)電，利用所建立模型分析了不同環(huán)境下光伏電池板的輸出特性，根據(jù)功率電壓特性曲線，利用擾動(dòng)觀察法在 DC/DC 變流器實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤，保證光能的最大利用率；對于風(fēng)力發(fā)電，詳細(xì)分析了其各模塊的數(shù)學(xué)模型，建立其仿真模型并驗(yàn)證了模型的有效性，為后續(xù)風(fēng)電參與頻率調(diào)節(jié)奠定基礎(chǔ)；對于蓄電池，詳細(xì)分析了其出口雙向 DC/DC 變流器的工作原理，并通過仿真驗(yàn)證了其可有效調(diào)節(jié)直流母線電壓。其次，本文

5、根據(jù)交直流混合微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點(diǎn)提出了混合微網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)同控制策略。在聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下，光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電以最大功率輸出以充分利用可再生能源，微網(wǎng)管理系統(tǒng)通過控制微型燃?xì)廨啓C(jī)的出力來調(diào)節(jié)與外電網(wǎng)的交換功率，蓄電池僅參與直流母線電壓調(diào)節(jié)；在孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下，光伏發(fā)電仍以最大功率輸出，蓄電池、風(fēng)力發(fā)電和燃?xì)廨啓C(jī)三者對系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同控制，以保證系統(tǒng)頻率電壓的穩(wěn)定。利用所建立的仿真模型，通過對比仿真驗(yàn)證了所提控制策略在控制交換功率，抑制頻率變化，穩(wěn)定直流電壓上的有效性。最后，針對可再生能源波動(dòng)性大，日負(fù)荷曲線與可再生能源輸出曲線不相符，利用燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)后其輸出曲線峰谷差較大，綜合利用效率低的問題，提出了

6、引入電價(jià)激勵(lì)政策的主動(dòng)負(fù)荷響應(yīng)策略。該策略利用蟻群算法，以最小用電費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行用電任務(wù)安排。通過對比驗(yàn)證，證明了本文所用蟻群算法可高效，快速的實(shí)現(xiàn)主動(dòng)負(fù)荷響應(yīng)，有效的縮小燃?xì)廨啓C(jī)輸出峰谷差，提高系統(tǒng)綜合利用效率。本課題由國家自然科學(xué)基金委（NSFC）提供資助。項(xiàng)目名稱：智能電網(wǎng)與電動(dòng)汽車環(huán)境友好集成與交互基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究 （51361130153） 。關(guān)鍵詞：混合微網(wǎng)；協(xié)同控制；主動(dòng)負(fù)荷響應(yīng)；蟻群算法；削峰填谷- II -AbstractIn recent years, micro-grid system has brought modern electric power syst

7、ems research into a new era because of its advantages, it promotes the development of power system greatly by integrating the advantages of a variety of micro-sources. Comparing with traditional AC or DC micro-grid, a hybrid AC/DC micro-grid has flexible structure and high energy efficiency but comp

8、lex control. This paper researched on the control strategy of hybrid AC/DC micro-grid in different operating status to ensure the stable operation in small perturbations. In order to reduce abandoning wind and sun, improve the utilization efficiency and realize load shifting, this paper researched o

9、n the active load response by swarm intelligence algorithm.Firstly, this paper established the mathematical model of typical micro sources, including photovoltaic (PV), wind turbine and battery (BA). For PV, this paper used the established model analyzing the output characteristic in different envir

10、onments, realized the maximum power point tracking by disturbance observer method in DC/DC converter to ensure maximum utilization of light energy. For wind turbine, this paper analyzed the mathematical model of each module and the simulation result proved the mathematical model was effective which

11、laid a foundation for participation in frequency regulation of wind turbine. For BA, this paper analyzed the working principle of the bidirectional DC/DC converter and the simulation result proved the model can effectively keep the stable of the DC bus voltage.Secondly, according to the structure an

12、d operational characteristics of hybrid AC/DC micro-grid, this paper proposed a coordinated control strategy. In grid-connected mode, PV and wind turbine work in maximum output power to take full use of renewable energy, micro-grid management system adjusted the exchange power by changing the output

13、 power of micro gas turbine and the battery only adjusted the DC bus voltage. In island mode, the PV still worked in maximum output power, the battery, wind turbine and gas turbine cooperatively adjusted the system to keep the stable of frequency and voltage. The simulation result proved the propose

14、d cooperative control strategy was effectively on controlling exchange power, restricting frequency fluctuation and keeping DC Voltage stable.Finally，as the renewable energy has large fluctuations, the daily load curve and renewable energy output curve doesnt match, the output curve of gas turbine h

15、as large peak and valley difference after adjusting and the system has low efficiency, this paper proposed an active load response strategy with price incentive policy. The strategy used ant colony algorithm and made minimum electricity costs as the target function to arrange the power task. By cont

16、rast verification, the result proved the ant colony this - III -paper used could quickly and efficiently realize active load response, efficiently reduce the output peak and valley difference of gas turbine and improve the comprehensive utilization efficiency of the system. This Project was funded b

17、y the National Natural Science Foundation of China (NSFC). Project name: The Basic Theory and Key Technology of Environment Friendly Integration between Smart Grid and Electric Vehicle(51361130153).Keywords: hybrid micro-grid, cooperative control, active load response, ant colony algorithm, load shi

18、fting- IV -目 錄摘 要.IABSTRACT.II第 1 章 緒 論.11.1 課題的研究背景及目的意義 .11.2 微電網(wǎng)的發(fā)展 .21.3 微電網(wǎng)研究現(xiàn)狀 .41.3.1 微網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).51.3.2 微網(wǎng)系統(tǒng)的控制策略.61.3.3 微網(wǎng)系統(tǒng)主動(dòng)負(fù)荷響應(yīng).71.4 本文的主要工作 .8第 2 章 微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及微源建模.92.1 引言 .92.2 交直流混合微網(wǎng)的結(jié)構(gòu) .92.3 光伏陣列建模及最大功率追蹤 .102.3.1 光伏陣列等效電路及數(shù)學(xué)模型.102.3.2 光伏出口 DC/DC 轉(zhuǎn)換電路.132.3.3 光伏電池板最大功率追蹤策略.132.4 風(fēng)電機(jī)組建模 .1

19、52.4.1 風(fēng)力機(jī)組風(fēng)輪系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型.152.4.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型.162.4.3 異步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型.162.4.4 風(fēng)電場等值.182.4.5 風(fēng)電場 Matlab/Simulink 仿真.192.5 蓄電池及雙向 DC/DC 模型.202.5.1 蓄電池模型.202.5.2 雙向 DC/DC 模型.202.5.3 蓄電池模塊仿真.222.6 雙向 AC/DC 變流器建模.242.7 本章小結(jié) .26第 3 章 混合微網(wǎng)協(xié)同控制策略研究.27- V -3.1 引言 .273.2 微網(wǎng)的分層協(xié)同控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .273.3 微網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行控制策略研究 .283.3.1 微網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行控制

20、策略.283.3.2 微網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行控制效果仿真分析.303.4 微網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行控制策略研究 .333.4.1 微網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行控制策略.333.4.2 微網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行控制效果仿真分析.363.5 本章小結(jié) .42第 4 章 微網(wǎng)系統(tǒng)主動(dòng)負(fù)荷響應(yīng).434.1 引言 .434.2 蟻群算法介紹 .434.3 蟻群算法在主動(dòng)負(fù)荷響應(yīng)中的應(yīng)用 .444.4 電價(jià)激勵(lì)政策的建立 .464.5 電器模型的建立 .484.6 主動(dòng)負(fù)荷響應(yīng)效果仿真分析 .504.7 本章小結(jié) .52結(jié) 論.53參考文獻(xiàn).54攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其他成果.58哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明及使用授權(quán)說明 .59致 謝.60-

21、 1 -第 1 章 緒 論1.1 課題的研究背景及目的意義能源是人類社會(huì)進(jìn)步的基礎(chǔ)。將各種能源轉(zhuǎn)化為電能供人們使用極大的促進(jìn)了社會(huì)的發(fā)展，方便了人們的生活。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人民生活富足，人們不僅加大了對電量的需求，還提高了對電能質(zhì)量的要求。但是隨著化石能源的逐漸枯竭、核電項(xiàng)目受限、電力結(jié)構(gòu)老化、環(huán)境污染嚴(yán)重、傳統(tǒng)電力系統(tǒng)容易受到攻擊、城市配電系統(tǒng)升級緩慢以及多次大規(guī)模停電事故等問題相繼出現(xiàn)1-4。多國認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)不跟不上社會(huì)發(fā)展的步伐。在這種背景下，以可再生能源發(fā)電為主的分布式發(fā)電應(yīng)運(yùn)而生。分布式發(fā)電以其容量相對較小，建設(shè)時(shí)間短，投入資金少，發(fā)電方式靈活，可轉(zhuǎn)化的能源種類豐富，大部分

22、電能就地消化，降低輸電網(wǎng)送電壓力，節(jié)省輸電成本，利用可再生能源，與環(huán)境兼容性好，污染小等優(yōu)點(diǎn)得到各國的重視5-7。但因分布式發(fā)電受環(huán)境影響隨機(jī)性較大，將其大量聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行可能會(huì)給電力系統(tǒng)帶來較大的沖擊，并導(dǎo)致相應(yīng)的電網(wǎng)安全性和穩(wěn)定性降低以及電能質(zhì)量不能夠滿足最低要求等一系列嚴(yán)重問題。此外，對于整個(gè)電力系統(tǒng)來說，分布式發(fā)電輸出隨機(jī)性強(qiáng)，可控性差，所以電力系統(tǒng)總是試圖使其脫網(wǎng)來降低分布式發(fā)電對整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響8。為了解決分布式發(fā)電與電網(wǎng)融合性差的問題，將一種或幾種分布式發(fā)電整合到一起，以一定的控制策略實(shí)現(xiàn)其安全穩(wěn)定運(yùn)行的微網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生9-12。 微網(wǎng)的概念一經(jīng)提出，由于其同時(shí)具備環(huán)境友好型和資源節(jié)約型

23、特性，適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，可為人類提供源源不斷的能源，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，節(jié)能減排的目標(biāo)，很快就受到了各國科學(xué)家的關(guān)注，并取得了很多研究成果13-16。按照微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行特點(diǎn)，可將其分為交流微網(wǎng)、直流微網(wǎng)和交直流混合微網(wǎng)。傳統(tǒng)的交流微網(wǎng)和直流微網(wǎng)因其存在交直流形式的轉(zhuǎn)換致使網(wǎng)內(nèi)大量使用電力電子轉(zhuǎn)換設(shè)備。交直流混合微網(wǎng)含有交直流兩條母線，可以有效的減少電力電子轉(zhuǎn)換設(shè)備的使用，減小網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，提高系統(tǒng)綜合利用效率17。因此研究交直流混合微網(wǎng)具有重要意義。交直流混合微網(wǎng)具有聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行與孤網(wǎng)運(yùn)行兩種狀態(tài)。在聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下，混合微網(wǎng)系統(tǒng)的頻率和電壓由外電網(wǎng)調(diào)節(jié)，其抗干擾能力較強(qiáng)。但其存在與外電網(wǎng)交換功率控制，

24、交直流母線交換功率控制以及蓄電池充放電控制等問題。因此，研究聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下交直流混合微網(wǎng)的控制策略具有重要意義。- 2 -當(dāng)外電網(wǎng)發(fā)生事故或者電能質(zhì)量低于最低標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，微網(wǎng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)入孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下，系統(tǒng)頻率和電壓得不到外電網(wǎng)的支撐，如何保證投切負(fù)荷后系統(tǒng)的穩(wěn)定；如何保證交直流分離后交流側(cè)和直流側(cè)的穩(wěn)定；如何保證蓄電池最大備用容量；如何利用系統(tǒng)內(nèi)部微源進(jìn)行協(xié)調(diào)控制具有重大研究意義。由于微網(wǎng)中部分微源具有隨機(jī)性，其輸出受環(huán)境影響波動(dòng)性較大，容易形成負(fù)荷高峰期無電可賣，負(fù)荷低谷期無人買電的尷尬局面，出現(xiàn)棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象，造成能源的浪費(fèi)。通過引入激勵(lì)政策可以改變用戶的用電規(guī)律，實(shí)現(xiàn)削峰填谷，提

25、高微網(wǎng)系統(tǒng)的綜合利用效率。如何引入激勵(lì)政策，來實(shí)現(xiàn)主動(dòng)負(fù)荷響應(yīng)具有重要研究意義。本課題由國家自然科學(xué)基金委（NSFC）提供支持。項(xiàng)目名稱：智能電網(wǎng)與電動(dòng)汽車環(huán)境友好集成與交互基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究（Intelligent Grid Interfaced Vehicle Eco-charging (iGIVE)） （51361130153） 。1.2 微電網(wǎng)的發(fā)展Lasseter B 教授在 2001 年的冬季電力工程協(xié)會(huì)上首次提出了微網(wǎng)概念，隨著微網(wǎng)研究的逐漸深入，其研究重點(diǎn)逐漸從交流微網(wǎng)、直流微網(wǎng)轉(zhuǎn)移到結(jié)合了交流微網(wǎng)與直流微網(wǎng)各自優(yōu)點(diǎn)的交直流混合微微網(wǎng)18-20。 交流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟

26、，目前已有許多示范工程，具有代表性的為美國 CETRS 出資建設(shè)的微電網(wǎng)，其單線圖如圖 1-1 所示。DGDGDG可中斷負(fù)荷不可中斷負(fù)荷敏感負(fù)荷儲(chǔ)能光伏儲(chǔ)能燃?xì)廨啓C(jī)斷路器1斷路器2斷路器3斷路器4斷路器5能量管理系統(tǒng)外電網(wǎng)饋線A饋線B饋線CPoC交流母線電力傳輸線信息傳輸線圖 1-1 CETRS 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖 1-1 中的 CETRS 微網(wǎng)系統(tǒng)為典型交流微網(wǎng)，含有三條饋線：饋線 A、饋線B 和饋線 C。饋線 A 上的負(fù)荷為敏感負(fù)荷，這對電能質(zhì)量的要求較高，因此在饋- 3 -線上連接儲(chǔ)能及光伏發(fā)電等微源，當(dāng)交流母線電能質(zhì)量不達(dá)標(biāo)時(shí)，可通過斷開斷路器 1 并利用儲(chǔ)能及光伏發(fā)電維持饋線 A 的運(yùn)行；饋

27、線 B 上的負(fù)荷為可中斷負(fù)荷，在微網(wǎng)系統(tǒng)供能不足時(shí)可以適當(dāng)切除部分可中斷負(fù)荷以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性；饋線C 上的負(fù)荷為不可中斷負(fù)荷，為了保證饋線 C 的電能質(zhì)量及供電穩(wěn)定性，在饋線C 上連接燃?xì)廨啓C(jī)和蓄電池，燃?xì)廨啓C(jī)可以保證饋線 C 電能不中斷。各饋線通過斷路器與交流母線相連，交流母線通過公共藕合點(diǎn)（PoC）與外電網(wǎng)相連21-22。整個(gè)微網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行主要通過微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)控制。雖然交流微網(wǎng)技術(shù)成熟，但是直流微源出口處大量使用電力電子器件，照成建設(shè)成本及運(yùn)行成本的增加。與交流微網(wǎng)相比，直流微網(wǎng)憑借其控制簡單、能量利用率高而得到廣泛研究23-25。直流微網(wǎng)系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖 1-2 所示。DC負(fù)荷

28、DC負(fù)荷DCDCPoCDCDCAC負(fù)荷DCACAC負(fù)荷DCDCAC DCAC DC能量管理系統(tǒng)ACDC斷路器斷路器燃?xì)廨啓C(jī)風(fēng)力發(fā)電機(jī)外電網(wǎng)儲(chǔ)能單元光伏發(fā)電直流母線電力傳輸線信息傳輸線圖 1-2 直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖圖 1-2 中，直流微網(wǎng)僅含有一條直流母線，光伏發(fā)電和儲(chǔ)能單元等直流微源與直流負(fù)荷直接或者通過 DC/DC 變流器與直流母線相連；風(fēng)電發(fā)電機(jī)和微型燃?xì)廨啓C(jī)等交流微源與交流負(fù)荷通過 AC/DC 變流器與直流母線相連；直流母線通過聯(lián)網(wǎng) AC/DC 變流器與外電網(wǎng)相連。通過對聯(lián)網(wǎng) AC/DC 變流器或者 PoC 的控制可以實(shí)現(xiàn)直流微網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)、孤網(wǎng)運(yùn)行。微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)直流微網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)

29、行。直流微網(wǎng)控制簡單，僅需保證母線電壓恒定，但其也大量應(yīng)用電力電子器件，綜合利用率較低。為了減少微網(wǎng)中電力電子器件的使用，減小損耗，提高微網(wǎng)系統(tǒng)的綜合利用效率。各國逐漸開展了對含有交流母線和直流母線的交直流混合微網(wǎng)的研究。交直流混合微網(wǎng)可以較好的繼承傳統(tǒng)微網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)。相對于單一的交流或直流形式，- 4 -混合微網(wǎng)具有如下特點(diǎn)：1）具有交流和直流兩根母線，直流單元連接到直流母線上，交流單元連接到交流母線上，交直流母線之間通過雙向 AC/DC 變流器連接，這種結(jié)構(gòu)可以減少 AC/DC、DC/AC 等變流器的使用，可以有效地降低建設(shè)成本，并減少系統(tǒng)中的諧波。2）家用電器中電腦、電視等利用直流電工作的電

30、器直接或者通過 DC/DC 與直流母線相連，電冰箱和風(fēng)扇燈等利用交流電工作的電器與交流母線相連。這樣可以減少變流器裝置的使用，減小電器體積，降低電器制造成本。3）大量減少整流、逆變裝置，使控制更加靈活，降低網(wǎng)絡(luò)損耗，提高系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，各國逐漸加大了對交直流混合微網(wǎng)的研究26-31。典型交直流混合微網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖 1-3 所示。斷路器PoCDC負(fù)荷ACDCDCDC直流母線DC負(fù)荷DCDCDCDC斷路器斷路器AC負(fù)荷 AC負(fù)荷燃?xì)廨啓C(jī)風(fēng)力發(fā)電機(jī)微網(wǎng)管理系統(tǒng)斷路器外電網(wǎng)交流母線光伏發(fā)電儲(chǔ)能單元DCDC電力傳輸線信息傳輸線圖 1-3 交直流混合微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖 1-3 中燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)力發(fā)電

31、機(jī)等交流微源和交流負(fù)荷與交流母線相連，光伏發(fā)電、儲(chǔ)能單元等直流微源和直流負(fù)荷與直流母線相連，交直流母線間通過雙向 AC/DC 變流器相連，交流母線通過 PoC 與外電網(wǎng)相連。通過控制交直流母線間斷路器可以使交直流部分各自孤立運(yùn)行。整個(gè)系統(tǒng)通過微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)保證其運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性。1.3 微電網(wǎng)研究現(xiàn)狀2014 年 5 月 27 日，國家電網(wǎng)宣布，將向社會(huì)資本全面開放分布式電源聯(lián)網(wǎng)工程與電動(dòng)汽車充換電設(shè)施兩大領(lǐng)域。這表明我國對分布式發(fā)電的大力支持，可以預(yù)測，在未來的電力系統(tǒng)中，分布式發(fā)電將具有重要地位。目前，各國對微網(wǎng)的研究主要集中在微網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析、微網(wǎng)系統(tǒng)的控制策略和提高微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)微

32、源綜合利用率上。- 5 -1.3.1 微網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對微網(wǎng)進(jìn)行研究首先要根據(jù)微源及負(fù)荷性質(zhì)等建立合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于傳統(tǒng)輸配電網(wǎng)及家用電器都利用交流電，在最初的研究階段，各國將研究重點(diǎn)放在了交流微網(wǎng)的研究上。交流微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本相似，大部分為輻射狀結(jié)構(gòu)，交流單元通過變壓器與交流母線連接，直流單元通過電力電子變流器與交流母線連接。系統(tǒng)通過 PoC 與外電網(wǎng)連接，通過對 PoC 開斷的控制，可以實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的不同運(yùn)行狀態(tài)。文獻(xiàn)32根據(jù)交流微網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與系統(tǒng)內(nèi)分布式發(fā)電容量的大小以及負(fù)荷的重要程度將交流微網(wǎng)分成 3 類：大容量接入輸電網(wǎng)的電場級微網(wǎng)；中等容量接入配電網(wǎng)的配網(wǎng)級微網(wǎng)；小容量孤網(wǎng)運(yùn)行的村

33、級微網(wǎng)。雖然各個(gè)等級的交流微網(wǎng)可以充分發(fā)揮微網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展，但是其大量使用電力電子設(shè)備，增加了微網(wǎng)的控制難度，建設(shè)成本，且很多微源經(jīng)過多次電能轉(zhuǎn)化，造成了很大的浪費(fèi)。文獻(xiàn)33根據(jù)各個(gè)微源及負(fù)荷與母線的結(jié)合方式將其分為并聯(lián)形式與串聯(lián)形式：含多條饋線的交流微網(wǎng)中，饋線上的微源組成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，各條饋線組成并聯(lián)結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)使微網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單明了，易于實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的建設(shè)，但是其還是存在使用大量電力電子設(shè)備，諧波嚴(yán)重，成本相對較高的缺點(diǎn)。因大部分交流微網(wǎng)存在大量使用電力電子設(shè)備，諧波污染嚴(yán)重，成本相對較高，電能損失較大，控制難度相對較大的缺點(diǎn)。在交流微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行保護(hù)技術(shù)相對成熟之后，各國科學(xué)家展

34、開了對直流微網(wǎng)的研究。與交流微網(wǎng)相比，直流微網(wǎng)相對簡單，系統(tǒng)中各交流微源和交流負(fù)荷通過電力電子器件與直流母線相連，直流微源和直流負(fù)荷直接或通過升壓降壓與直流母線相連，直流母線通過變流器與外電網(wǎng)相連。直流微網(wǎng)穩(wěn)定性較高，僅需保證直流母線電壓穩(wěn)定，不需要考慮頻率、電壓相位、渦流以及無功功率等。文獻(xiàn)34根據(jù)微源負(fù)荷的連接及運(yùn)行特點(diǎn)，介紹了直流微網(wǎng)的多環(huán)結(jié)構(gòu)和輻射結(jié)構(gòu)。其中，多環(huán)微網(wǎng)采用環(huán)狀結(jié)構(gòu)可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；輻射狀微網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單，可以減少斷路器的數(shù)量。雖然直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低電力電子器件的使用數(shù)量，但是直流微網(wǎng)中含有燃?xì)廨啓C(jī)等旋轉(zhuǎn)設(shè)備，其接口還是需要 AC/DC 轉(zhuǎn)換裝置。文獻(xiàn)35

35、介紹了日本多個(gè)已建成并成功運(yùn)行的微網(wǎng)示范性工程。其中在日本Sendai 建立的智能微網(wǎng)示范工程包括一根交流母線和一根直流母線，是一個(gè)典型的交直流混合微網(wǎng)。該微網(wǎng)的直流母線連接儲(chǔ)能單元、PV 和直流負(fù)荷；交流母線連接燃汽輪機(jī)、交流負(fù)荷，并通過 DC/AC 變流器連接 PV 和燃料電池；交流母線與直流母線之間通過雙向 AC-DC 變流器連接，系統(tǒng)在交流母線上通過公共耦- 6 -合點(diǎn)與外電網(wǎng)相連。整個(gè)交直流混合微網(wǎng)系統(tǒng)通過中央控制器（微網(wǎng)管理系統(tǒng)）進(jìn)行控制。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，層次分明，利用中央控制器控制方式靈活，但是依賴較高的通信系統(tǒng)。總結(jié)已有的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在已建立的大部分微網(wǎng)采用傳統(tǒng)交流結(jié)構(gòu)或直流結(jié)

36、構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)中會(huì)大量使用電力電子器件，不僅增加系統(tǒng)的建設(shè)成本，電能在交直流轉(zhuǎn)換過程中，會(huì)照成大量的浪費(fèi)，降低微網(wǎng)的綜合利用效率，1.3.2 微網(wǎng)系統(tǒng)的控制策略文獻(xiàn)36-38總結(jié)了微源層面的 P-Q 控制（有功無功控制） 、V-f 控制（頻率電壓控制）和 droop 控制（下垂控制） ，微網(wǎng)層面的主從控制、對等控制和分層控制。并詳細(xì)的分析了各種控制模式的優(yōu)缺點(diǎn)。其中，主從控制需要一個(gè)容量相對較大的微源采用 V-f 控制，并且需要中央處理系統(tǒng)處理系統(tǒng)信息，分配各 DG 的有功功率和無功功率，比較依賴通信系統(tǒng)；對等控制不能保證可再生能源的最大化利用，有可能產(chǎn)生棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象，且若系統(tǒng)功率缺額過大會(huì)

37、導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)；分層控制方式過分依賴通信系統(tǒng)，若通信系統(tǒng)發(fā)生故障，系統(tǒng)很難維持穩(wěn)定。文獻(xiàn)39提出了一種新方法以實(shí)現(xiàn)對交直流混合微網(wǎng)中雙向 AC/DC 變流器的控制，該方法在傳統(tǒng)的雙向 AC/DC 變流器中加入了交換功率控制模塊用于控制交流母線與直流母線之間的功率流動(dòng)。在聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，新方法通過在直流側(cè)電壓外環(huán)中設(shè)定內(nèi)環(huán)電流參考值來實(shí)現(xiàn)對交直流交換功率的調(diào)控；孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，新方法以交直流電壓差值作為外環(huán)，控制交直流交換功率。新方法提高了混合微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，并使控制更加靈活。文獻(xiàn)40提出了交直流混合微網(wǎng)的直流分層控制系統(tǒng)，該策略可以有效的提高交直流混合微網(wǎng)中直流母線電壓的性能。該控

38、制策略分為兩層，第一層利用droop 控制方式保證直流母線電壓和交流母線電壓、頻率穩(wěn)定，并完成負(fù)荷的分配；第二層控制利用電壓補(bǔ)償控制系統(tǒng)補(bǔ)償由 droop 控制導(dǎo)致的電壓變化，進(jìn)一步保證電壓質(zhì)量，該控制系統(tǒng)能夠有效的實(shí)現(xiàn)對混合微網(wǎng)的控制。文獻(xiàn)41研究了混合微網(wǎng)的離網(wǎng)過程和聯(lián)網(wǎng)過程。提出了利用雙向 AC/DC 變流器快速改變微網(wǎng)頻率和相位的 PoC 無沖擊投切策略。通過該控制策略的調(diào)節(jié)，在收到聯(lián)網(wǎng)信號(hào)后，混合微網(wǎng)交流母線的頻率、相位可以快速接近外電網(wǎng)，并在其達(dá)到規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)迅速聯(lián)網(wǎng)。在孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下雙向 AC/DC 變流器采用電壓源電壓控制方式，聯(lián)網(wǎng)前，先將變流器輸出電壓的頻率和相位調(diào)節(jié)到與外電

39、網(wǎng)相同，然后閉合 PoC 斷路器實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，聯(lián)網(wǎng)后變流器工作方式變?yōu)殡妷涸措娏骺刂颇Ｊ?。總結(jié)現(xiàn)在已有的微網(wǎng)系統(tǒng)控制方法，傳統(tǒng)交流或直流微網(wǎng)控制策略可有效的- 7 -實(shí)現(xiàn)交流頻率、電壓和直流母線電壓的控制，但其母線種類單一，并不適合交直流混合微網(wǎng)；已有的交直流混合微網(wǎng)控制策略主要是對交直流連結(jié)雙向 AC/DC變流器進(jìn)行控制，且并沒有考慮蓄電池容量的限制，所建立交直流混合微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)的微源種類單一。對于多微源協(xié)同調(diào)節(jié)以及交直流離合等研究較少。 1.3.3 微網(wǎng)系統(tǒng)主動(dòng)負(fù)荷響應(yīng)因大部分微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的微源利用可再生能源發(fā)電，其受到外界天氣的影響輸出波動(dòng)性較大。如光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等受

40、到光照強(qiáng)度和風(fēng)速的影響，會(huì)導(dǎo)致其出力時(shí)刻改變，夜晚風(fēng)力輸出較大，白天光伏輸出較大，這會(huì)導(dǎo)致用電低谷有電無人用、用電高峰需電無人發(fā)的局面。為了進(jìn)一步充分利用可再生能源，減少棄風(fēng)，棄光現(xiàn)象，并且保證與外電網(wǎng)的交換功率在規(guī)定范圍之內(nèi)，需要利用燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)。這會(huì)導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)出力峰谷差過大的問題。燃?xì)廨啓C(jī)過大的峰谷差會(huì)導(dǎo)致其綜合運(yùn)行效率低下。隨著智能電網(wǎng)以及智能家電的研究的逐漸深入，智能化家居漸漸走入居民的家庭中。智能化家居可以實(shí)現(xiàn)對家中電器的自動(dòng)協(xié)調(diào)、遠(yuǎn)程控制42-43。通過引入激勵(lì)政策，進(jìn)行主動(dòng)負(fù)荷響應(yīng)，調(diào)節(jié)各電器設(shè)備的運(yùn)行時(shí)段，可有效的縮小燃?xì)廨啓C(jī)輸出峰谷差，提高燃?xì)廨啓C(jī)綜合利用效率。文獻(xiàn)44

41、利用智能家居技術(shù)，根據(jù)一定的優(yōu)化約束建立一定的激勵(lì)政策利用遺傳算法進(jìn)行主動(dòng)負(fù)荷相應(yīng)，可以有效的實(shí)現(xiàn)用電任務(wù)的安排。但是采用遺傳算法效率較低，容易過早收斂，若用電設(shè)備過多，不易找到最優(yōu)解。文獻(xiàn)45研究了一種基于改進(jìn)遺傳算法的家庭智能用電調(diào)度優(yōu)化模型及優(yōu)化算法，其根據(jù)家庭用電的主要特征，將家庭用電任務(wù)分為連續(xù)運(yùn)行與中斷運(yùn)行兩類，模型以降低一天中的用電負(fù)荷峰值或用電費(fèi)用為優(yōu)化目標(biāo)，并通過典型家庭中家用電器的特性模型和分時(shí)價(jià)對遺傳算法的效果進(jìn)行仿真驗(yàn)證。但是其采用單一峰谷電價(jià)，算法不能很好的適應(yīng)多種價(jià)格的分時(shí)電價(jià)政策。文獻(xiàn)46提出了綠色家園服務(wù)（GHS）來進(jìn)行家庭能源管理設(shè)計(jì)和實(shí)施。該方法很好的解決了

42、智能電網(wǎng)家庭能量管理的關(guān)鍵問題，提高了負(fù)荷的可管理性。并提出了基于任務(wù)時(shí)常的算法有效的實(shí)現(xiàn)了削峰填谷，合理的安排了各負(fù)荷運(yùn)行的時(shí)間。但該算法并沒有考慮電價(jià)因素，無法實(shí)現(xiàn)降低用電成本的目標(biāo)?？偨Y(jié)國內(nèi)各位學(xué)者關(guān)于主動(dòng)負(fù)荷響應(yīng)的研究，主要采用遺傳算法，并根據(jù)一定的激勵(lì)政策，以降低用電費(fèi)用或者實(shí)現(xiàn)削峰填谷為優(yōu)化目標(biāo)，該算法可以實(shí)現(xiàn)對用電任務(wù)的安排。但國內(nèi)關(guān)于其他優(yōu)化算法在主動(dòng)負(fù)荷響應(yīng)上的研究較少。- 8 -1.4 本文的主要工作本文以交直流混合微網(wǎng)系統(tǒng)為研究對象，建立含有燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、太陽能光伏發(fā)電站、儲(chǔ)能單元以及 D-STATCOM 的模型。分析各微源的運(yùn)行特性，研究聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行與孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)

43、下微網(wǎng)系統(tǒng)的控制策略，解決微網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的問題。為了提高微源的利用效率，研究適當(dāng)?shù)闹鲃?dòng)負(fù)荷響應(yīng)策略，實(shí)現(xiàn)削峰填谷。具體的工作包括：1）建立太陽能光伏陣列的數(shù)學(xué)模型，并詳細(xì)研究其最大功率追蹤策略及實(shí)現(xiàn)方法，以保證光能的最大利用率；建立雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本數(shù)學(xué)模型，并分析其基本工作原理，為風(fēng)電機(jī)組參與調(diào)頻提供基礎(chǔ)；建立雙向 AC/DC 變流器的數(shù)學(xué)模型，并詳細(xì)分析其在微網(wǎng)不同運(yùn)行模式下的控制方式以實(shí)現(xiàn)對微網(wǎng)狀態(tài)的調(diào)節(jié)。2）針對聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下，微網(wǎng)內(nèi)功率波動(dòng)過大會(huì)對外電網(wǎng)產(chǎn)生影響以及過大的交換功率會(huì)導(dǎo)致離網(wǎng)后系統(tǒng)失穩(wěn)的問題，研究聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行控制策略，達(dá)到可再生能源利用率最大化、減小微網(wǎng)對外電網(wǎng)的影

44、響的目的。針對孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下，必須保證交流側(cè)與直流側(cè)穩(wěn)定，以及蓄電池容量有限不能長時(shí)間充放電的問題，研究微網(wǎng)系統(tǒng)孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和蓄電池協(xié)同控制策略，協(xié)調(diào)好各微源的調(diào)節(jié)作用，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)蓄電池調(diào)節(jié)功率快速歸零，保證最大備用容量。3）針對充分利用風(fēng)能和光能情況下燃?xì)廨啓C(jī)輸出峰谷差過大的問題，研究一種基于蟻群算法的主動(dòng)負(fù)荷響應(yīng)策略。通過在微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)引入電價(jià)激勵(lì)政策來實(shí)現(xiàn)家庭用電費(fèi)用最小化的同時(shí)，減小燃?xì)廨啓C(jī)輸出峰谷差，提高燃?xì)廨啓C(jī)的綜合利用效率。- 9 -第 2 章 微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及微源建模2.1 引言隨著與微網(wǎng)相關(guān)的研究成果不斷增多，學(xué)者發(fā)現(xiàn)含有交流和直流兩條母線的

45、交直流混合微網(wǎng)可有效地解決傳統(tǒng)單一母線微網(wǎng)因大量使用電力電子器件而造成損耗較大，綜合利用效率低等問題。交直流混合微網(wǎng)以其綜合利用率高，控制靈活逐漸成為人們研究的重點(diǎn)。本章首先確立了交直流混合微網(wǎng)的系統(tǒng)連接結(jié)構(gòu)，然后建立了混合微網(wǎng)內(nèi)典型微源的數(shù)學(xué)模型，其中包括光伏發(fā)電場、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、儲(chǔ)能單元以及交直流母線連結(jié)雙向 AC/DC 變流器。分析了各個(gè)模塊的工作原理，為下一章混合微網(wǎng)協(xié)同控制策略研究做鋪墊。2.2 交直流混合微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)為了對交直流混合微網(wǎng)不同運(yùn)行模式下的控制策略進(jìn)行研究，根據(jù)已有微網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來確定本文所研究的交直流混合微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 交直流混合微網(wǎng)具有一條交流母線和一條直流母線，直流側(cè)

46、微源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、負(fù)荷等經(jīng) DC/DC 變流器連接到直流母線；交流微源以及交流負(fù)荷通過變壓器連接到交流母線。為了充分體現(xiàn)交直流混合微網(wǎng)的特性，本文研究微網(wǎng)系統(tǒng)連接方式如單線圖 2-1 所示。50MW 燃?xì)廨啓C(jī)13.8/35kV0.575/35kV15*1.5MWDFIG4MWPV5MWBA35kV配電網(wǎng)斷路器1D-STATCOMPoC無功補(bǔ)償AC負(fù)荷1AC負(fù)荷2DCDCRLC濾波DC負(fù)荷1DC負(fù)荷2DCDC斷路器2DCDC1kV升壓斬波雙向DC/DC雙向AC/DCAC母線DC母線35/0.38kVACDC圖 2-1 交直流混合微網(wǎng)單線圖- 10 -如圖 2-1 所示：4MW 光伏發(fā)電 PV、5M

47、W 儲(chǔ)能單元 BA、直流負(fù)荷等直流設(shè)備通過 DC/DC 變流器與 1kV 直流母線相連； 22.5MW 風(fēng)力發(fā)電廠、50MW 小型燃?xì)廨啓C(jī)等旋轉(zhuǎn)發(fā)電設(shè)備與交流負(fù)載通過變壓器與 35kV 交流母線相連；交流母線與直流母線之間通過雙向 AC/DC 變流器相連；交流母線通過公用耦合點(diǎn)與35kV 外電網(wǎng)相連。該結(jié)構(gòu)通過一個(gè)雙向 AC/DC 變流器代替原來每個(gè)直流單元出口的雙向 AC/DC 變流器，這樣可以有效的減小電能在變流器上的損耗，減少系統(tǒng)的建設(shè)費(fèi)用，提高系統(tǒng)綜合利用效率。但該結(jié)構(gòu)包含交流和直流兩條母線，為了維持系統(tǒng)穩(wěn)定性高需對交流側(cè)和直流側(cè)同時(shí)控制，增加了控制的難度。2.3 光伏陣列建模及最大功

48、率追蹤太陽能以其污染小、儲(chǔ)量豐富、轉(zhuǎn)化方便等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用，其中應(yīng)用最廣的是太陽能光伏發(fā)電。當(dāng)光線照射半導(dǎo)體界面時(shí)，其表面發(fā)生光生伏打效應(yīng)，該效應(yīng)可使光能直接轉(zhuǎn)化成電能加以利用。利用該效應(yīng)研發(fā)出光伏電池板，光伏電池板通過串聯(lián)和并聯(lián)再進(jìn)行封裝和保護(hù)可形成功率較大的太陽能電池組件，將太陽能電池組件加以功率控制，再進(jìn)行并聯(lián)可建成光伏發(fā)電站。 2.3.1 光伏陣列等效電路及數(shù)學(xué)模型基于二極管的光伏陣列等效模型47如圖 2-2 所示。圖中為光生電流，相當(dāng)scI于一個(gè)電流源，其大小取決于光照強(qiáng)度，是光伏陣列輸出電壓；是光伏陣pvUpvI列輸出電流；為流經(jīng)等效二極管的電流；為等效二極管兩端電壓；為漏dId

49、UshR電損耗的等效電阻，一般阻值較大，超過1k；為光伏電池板串并聯(lián)后的等效sR輸出電阻，一般較小。RsIpvUpvIshIdRshIscUd圖 2-2 基于二極管的光伏陣列模型根據(jù)圖 2-2 中的光伏陣列等效模型計(jì)算其輸出電壓與輸出電流關(guān)系可得到式（2-1）和式（2-2） 。- 11 - （2-1）dscdpvsh0UIIIR （2-2）dpvspvUURI設(shè)二極管的等效漏電流為，等效反向電壓為，則：0ItU （2-3）pvspv()/d0(1)tUR IUIIe式(2-1)(2-3)即為圖 2-2 的數(shù)學(xué)模型。將式(2-2)和式(2-3)帶入式(2-1)得到： （2-4）pvspvt()/

50、pvpvpvsc0sh(1)UR IUUIIIIeR式(2-4)中明顯含有代數(shù)環(huán)，代數(shù)環(huán)除了會(huì)大幅度減緩模擬仿真速度外，在某些仿真環(huán)境下甚至?xí)绊懛抡娴木?，?dǎo)致仿真結(jié)果有較大誤差甚至產(chǎn)生錯(cuò)誤結(jié)果。根據(jù)文獻(xiàn)48，同時(shí)根據(jù)光照強(qiáng)度變化和環(huán)境溫度變化等因素對光伏發(fā)電的影響，在誤差允許范圍內(nèi)，利用等效模型消除代數(shù)環(huán)。設(shè)定一定光強(qiáng)、一定溫度下光伏陣列的短路電流為、開路電壓為，輸出最大功率時(shí)的電流為、電scIocUmI壓為、 ，則光伏陣列輸出電壓電流之間關(guān)系如下：mU （2-5）3sc1I(1(1)CIIC eD其中，為輸出電流，、都為參量，各參量的計(jì)I1C2C3CIDVDTD算公式如下： （2-6）m

51、2oc/()1msc(1/)VC VCIIe （2-7）2mocmsc(/-1)/ln(1-/)CVVII （2-8）V32ocUDCC U （2-9）Iscrefref(1)TSSDDISS （2-10）VTsIDDRD （2-11）TcrefDTT其中，為輸出電壓，為光照強(qiáng)度，單位，為照射光伏陣列表面US2W/mrefS的光照強(qiáng)度參考值，一般取 1000，為光伏陣列表面溫度參考值，一般取2W/mrefT- 12 -25，的大小決定溫度對電流的影響程度，的大小決定溫度對開路電壓的影響程度。根據(jù)式(2-5)至式(2-11)在 Matlab/Simulink 仿真軟件中建立等效模型的仿真模型。由

52、于單塊電池板容量有限輸出功率較小，滿足不了系統(tǒng)需求，又考慮到出口DC/DC 變流器、母線電壓等因素，本文將采用 15*1760 的光伏陣列，設(shè)定參考條件下單塊電池板短路電流、開路電壓=43.5V、輸出最大功率時(shí)電流sc=5.1AIocU=4.55A、電壓=35V、電流影響系數(shù)=0.0025、電壓影響系數(shù)=0.5。mImU利用所建立的光伏陣列 Matlab/Simulink 仿真模型對不同光照強(qiáng)度相同溫度條件，相同光照強(qiáng)度不同溫度條件下的光伏陣列進(jìn)行仿真。分別選取光照強(qiáng)度1000W/m2、800W/m2、600W/m2、400W/m2，溫度 80oC、60 oC、40 oC、20 oC。仿真得到

53、的輸出電壓電流特性曲線和輸出電壓功率特性曲線如圖 2-3 至圖 2-6 所示。圖 2-3 不同光強(qiáng)下電壓電流關(guān)系 圖 2-4 不同光強(qiáng)下電壓功率關(guān)系圖 2-5 不同溫度下電壓電流關(guān)系 圖 2-6 不同溫度下電壓功率關(guān)系從圖 2-3 至圖 2-6 中可以看出光伏陣列的輸出電壓、輸出電流和輸出功率不- 13 -僅與自身的參數(shù)設(shè)置、型號(hào)結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與周圍環(huán)境和工作狀態(tài)有關(guān)。圖 2-3、圖 2-5 顯示出一定的外部環(huán)境（固定光強(qiáng)和溫度）下光伏陣列的輸出電壓越高，其輸出電流越小；圖 2-4、圖 2-6 顯示出一定的外部環(huán)境下光伏陣列的輸出功率隨著輸出電壓的增大先增加后減少，存在一個(gè)極大的功率值。該值并不

54、是固定不變的，它隨著光照強(qiáng)度、周圍溫度的變化而不斷變化。為了使光伏陣列的輸出功率處于最大狀態(tài)，充分利用太陽能，需要運(yùn)用一定的控制方法使光伏陣列一直工作于最大功率點(diǎn)上。2.3.2 光伏出口 DC/DC 轉(zhuǎn)換電路無論是光伏陣列與蓄電池結(jié)合組成太陽能電池還是光伏陣列連入電網(wǎng)都需要DC/DC 變流器進(jìn)行穩(wěn)壓。光伏模塊出口 DC/DC 變流器一般為升壓斬波電路，其結(jié)構(gòu)如圖 2-7 所示。gUpvLDCUdc圖 2-7 升壓斬波 DC/DC 轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)圖圖 2-7 中為光伏電池板輸出電壓，為穩(wěn)壓電容，為 DC/DC 變pvUC200uFdcU流器高壓側(cè)的輸出電壓，為平波電抗，D 為理想二極管，g 為理想

55、 IGBTL10mH的控制端。通過對 DC/DC 變流器的控制可以改變光伏陣列的工作狀態(tài)。2.3.3 光伏電池板最大功率追蹤策略利用最大功率點(diǎn)追蹤可以使光伏電池板工作于功率極值點(diǎn)上，使其輸出功率達(dá)到最大、利用率達(dá)到最高。傳統(tǒng)光伏電池最大功率追蹤可以在 DC/DC 模塊或者在 DC/AC 模塊進(jìn)行，因本文所建模型共用同一個(gè)雙向 AC/DC 變流器，若在此實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤會(huì)導(dǎo)致其控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制困難，所以本文采用在 DC/DC模塊進(jìn)行最大功率點(diǎn)追蹤的策略。目前最大功率點(diǎn)追蹤策略主要有：恒電壓控制法、擾動(dòng)觀察法、掃描法和電導(dǎo)增量法49。比較幾種方法在準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、速度、效率等方面的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮

56、到現(xiàn)在光伏陣列最大功率點(diǎn)追蹤普遍采用擾動(dòng)觀察法，其實(shí)現(xiàn)簡單并能夠準(zhǔn)確的找到最大功率點(diǎn)，只要限定占空比減小步長就能夠有效的減小震蕩幅度，本文采用擾動(dòng)觀察法，其原理如圖 2-8 所示。- 14 -測量Ppv初始化Upv、Ipv、Dg、DgPnewPold?UnewUold?UnewUold?Dg= -DgDg=Dg+DgPold=PnewYNYNYN圖 2-8 擾動(dòng)觀察法追蹤最大功率點(diǎn)如圖 2-8 所示，本文通過逐漸改變占空比來尋找功率極值點(diǎn)。圖中是gDpvU和變流器占空比有關(guān)的量，會(huì)隨著的增大而減小。當(dāng)，gDpvUgDnewPoldPnewU或者，gDpvUnewPoldP或者時(shí)，光伏陣列工作點(diǎn)

57、處于最大功率點(diǎn)右側(cè)，通過newUoldUoldPnewUoldU增大占空比減小輸出電壓使工作點(diǎn)左移靠近最大功率點(diǎn)。gDpvU對本文采用的光伏陣列最大功率追蹤策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證，在 1s 的時(shí)候?qū)⒐鈴?qiáng)從 1000W/m2降到 800W/m2，其仿真結(jié)果如圖 2-9 所示，階梯改變直流母線電壓，光伏陣列輸出功率如圖 2-10 所示。- 15 -圖 2-9 不同光強(qiáng)下最大功率追蹤 圖 2-10 不同母線電壓下最大功率追蹤從圖 2-9 中可以看出，光強(qiáng)改變后，光伏陣列瞬間找到該狀態(tài)的最大功率點(diǎn)，證明了本文采用的最大功率追蹤策略在光強(qiáng)改變的情況下能夠準(zhǔn)確、快速的找到功率極值點(diǎn)。從圖 2-10 中可以看出，

58、改變光伏陣列出口電壓會(huì)對其輸出的功率照成短時(shí)間影響，但 4s 之后其以原功率輸出。采用本方法可以有效的保證光能的充分利，證明了本文所建光伏發(fā)電模型的有效性。2.4 風(fēng)電機(jī)組建模目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展快速。雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)因其控制靈活、聯(lián)網(wǎng)簡單、無沖擊電流、風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn)而獲得廣泛應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)如圖 2-11 所示。控制器風(fēng)力機(jī)齒輪箱異步電機(jī)槳距角配電網(wǎng)變壓器直流交流交流變換器變換器圖 2-11 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)由圖 2-11 可知，雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由風(fēng)力機(jī)、齒輪箱、異步發(fā)電機(jī)以及控制系統(tǒng)等組成。- 16 -2.4.1 風(fēng)力機(jī)的數(shù)學(xué)模型風(fēng)力機(jī)的機(jī)械輸出功率以及輸出轉(zhuǎn)矩可用式(2-12

59、)、式(2-13)表示： （2-12）23cp0.5( ,)Prv C （2-13）cc/TP式中表示風(fēng)輪的輸出機(jī)械功率； 表示風(fēng)輪的半徑（為常數(shù)） ；表示空氣cPr密度（為常數(shù)） ； 表示風(fēng)速；表示風(fēng)能利用系數(shù)；表示葉尖比速；表示風(fēng)vpC輪槳葉節(jié)距角；表示風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；表示風(fēng)輪角速度。cT根據(jù)式(2-12)、式(2-13)可知：若想計(jì)算風(fēng)輪輸出轉(zhuǎn)矩，必須知道風(fēng)能利用系數(shù)。在應(yīng)用中主要利用查表法和公式法求得。p( ,)C p( ,)C 1）查表法：為、的函數(shù)，當(dāng)、取不同的值時(shí)，有相應(yīng)的與之pCpC一一對應(yīng)。一般情況下值由風(fēng)力機(jī)制造商提供，通過查表法能夠準(zhǔn)確的建立風(fēng)pC力機(jī)模型。2）公式法：公

60、式法由式(2-14)、(2-15)給出： （2-14）55/p12346( ,)(/)iCCiCC CCCC e （2-15）938111iCC公式（2-14）和公式（2-15）是根據(jù)風(fēng)力機(jī)實(shí)際工作特性得出的擬合函數(shù)，其中為擬合函數(shù)的相應(yīng)系數(shù)。本文采用公式法來計(jì)算風(fēng)能利用系數(shù)。1C9CpC2.4.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括輪轂和聯(lián)動(dòng)軸，用于風(fēng)力機(jī)、齒輪箱與異步發(fā)電機(jī)之間的連接， 。輪轂輸出具有較大的慣性，可用一階慣性環(huán)節(jié)來模擬，如公式(2-16)所示： （2-16）tct11()dTTTdtt式中 為輪轂的輸出轉(zhuǎn)矩； 為輪轂的慣性時(shí)間常數(shù)。tT1t齒輪箱與聯(lián)動(dòng)軸的作用是將