taoyaodong：
[圖片][圖片]1.課題來源及研究的背景和意義[圖片][圖片]1.1課題來源通過查閱與專業(yè)相關(guān)的資料及文獻(xiàn)，并根據(jù)自己所學(xué)的專業(yè)知識以及與導(dǎo)師進(jìn)行討論確定論文題目。[圖片][圖片]1.2課題研究的背景和意義能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，而電力是最清潔便利的能源形式，是國民經(jīng)濟(jì)的命脈。電力生產(chǎn)的過程就是大規(guī)模地將各種類型的一次能源轉(zhuǎn)換為容易輸送和方便轉(zhuǎn)換的電能并輸送分配的過程。工業(yè)革命以來，世界能源消費(fèi)劇增，煤炭、石油、天然氣等化石能源資源消耗迅速，生態(tài)環(huán)境不斷惡化，特別是溫室氣體排放導(dǎo)致日益嚴(yán)峻的全球氣候變化，社會的可持續(xù)發(fā)展受到嚴(yán)重威脅。因此，世界各國紛紛開始關(guān)注環(huán)保、高效和靈活的分布式發(fā)電。目前，比較成熟的分布式發(fā)電技術(shù)主要有風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃料電池和微型燃?xì)廨啓C(jī)等幾種形式。分布式電源自身存在著缺陷，其特性決定了一些電源的出力將隨外部條件的變化而變化，表現(xiàn)出間歇性和隨機(jī)性等特點(diǎn)，使得這些電源僅依靠自身的調(diào)節(jié)能力難以滿足負(fù)荷的功率平衡，且不可調(diào)度，需要其他電源或儲能裝置的配合以提供支持和備用；對配電網(wǎng)而言，由于分布式電源的接入導(dǎo)致系統(tǒng)中具有雙向潮流，給電壓調(diào)節(jié)、保護(hù)協(xié)調(diào)與能量優(yōu)化帶來了新問題。當(dāng)前，一些分布式電源在系統(tǒng)側(cè)發(fā)生故障時自動退出運(yùn)行，加劇了系統(tǒng)暫態(tài)功率不平衡，不利于系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性；為數(shù)眾多、形式各異、不可調(diào)度的分布式電源將給依靠傳統(tǒng)集中式電源調(diào)度方式進(jìn)行管理的系統(tǒng)運(yùn)行人員帶來更大的困難，缺乏有效的管理將導(dǎo)致分布式電源運(yùn)行時的“隨意性”，給系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性造成隱患。圖1 微電網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為了更好的發(fā)揮分布式電源的作用，同時也順應(yīng)世界發(fā)展的走勢與潮流，提出了一種將地理相對集中的各個分布式發(fā)電電源及其相鄰負(fù)載自行聯(lián)結(jié)組成一個小型可獨(dú)立運(yùn)行的電網(wǎng)，我們稱之為微網(wǎng)。圖1所示為一種典型的微電網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。微網(wǎng)已經(jīng)成為現(xiàn)代電網(wǎng)發(fā)展重要趨勢，其控制問題也是目前的研究熱點(diǎn)之一。有效實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的電壓頻率控制，是微網(wǎng)推廣與應(yīng)用的關(guān)鍵。[圖片][圖片]2．國內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀及分析[圖片][圖片]2.1國外研究現(xiàn)狀近年來，對微電網(wǎng)技術(shù)開展研究的主要國際組織和項(xiàng)目包括：美國CERTS和PSERC的微電網(wǎng)計劃、歐盟的“TheMicrogridsProject”、美國LBNL組織的DER-CAM計劃、日本的NEDO組織和加拿大CANMET能源技術(shù)中心等。目前世界上針對微電網(wǎng)的研究，還限于微電網(wǎng)的內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制，提出的主要控制措施集中在微電網(wǎng)的頻率和電壓的調(diào)節(jié)以及電力市場機(jī)制上，而在微電網(wǎng)穩(wěn)定性的分析、安全與自動保護(hù)措施、獨(dú)立運(yùn)行機(jī)制、多微電網(wǎng)運(yùn)行機(jī)制等方面還有一些列問題需要解決[1~4]。[圖片][圖片]2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀在中國，發(fā)展微電網(wǎng)的最大動力是充分利用可再生能源來滿足未來能源的多元化需求，最大化接納分布式電源，提高能效。近幾年，國內(nèi)的微電網(wǎng)開始逐漸走到政策前臺，國家科技部“863”項(xiàng)目和金太陽示范工程已經(jīng)開展了多個微電網(wǎng)工程示范。國家能源局發(fā)布的《可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中明確提出：到2015年，我國將建成30個以智能電網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和儲能技術(shù)為支撐的新能源微電網(wǎng)示范工程。但與歐美國家相比，我國微電網(wǎng)仍處在起步階段，現(xiàn)階段的主要任務(wù)是評估微電網(wǎng)的可行性及經(jīng)濟(jì)效益，并集中力量解決偏遠(yuǎn)地區(qū)及無電地區(qū)的電力供應(yīng)問題。制約微電網(wǎng)商業(yè)化推廣的主要問題是[5]：=1\*GB3①對于微電網(wǎng)而言，怎樣構(gòu)建與大電網(wǎng)的友好關(guān)系是其面臨的核心問題，具體表現(xiàn)為微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的快速隔離、并網(wǎng)狀態(tài)與孤網(wǎng)狀態(tài)的無縫切換以及微電網(wǎng)內(nèi)部的穩(wěn)定控制；=2\*GB3②包括可再生能源發(fā)電技術(shù)、儲能技術(shù)、平滑切換控制技術(shù)以及數(shù)據(jù)通信技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)在我國仍不夠成熟。[圖片][圖片]2.3國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述的簡析圍繞著孤立微電網(wǎng)，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界開展了大量研究工作，并建設(shè)了許多具有代表性的項(xiàng)目工程，如表1所示。表1國內(nèi)外典型微網(wǎng)項(xiàng)目列表代表性的基礎(chǔ)項(xiàng)目相關(guān)技術(shù)研究內(nèi)容美國CERTS的微網(wǎng)項(xiàng)目微網(wǎng)概念、即插即用微網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)/孤島模式自動切換；無需高速通信實(shí)現(xiàn)孤島條件下的電壓和頻率穩(wěn)定美國圣地亞哥國家實(shí)驗(yàn)室微網(wǎng)項(xiàng)目故障監(jiān)測與保護(hù)技術(shù)自主研發(fā)了一種微電網(wǎng)設(shè)計方法——能源安全微電網(wǎng)方法。主電網(wǎng)發(fā)生停電時，微電網(wǎng)與主電網(wǎng)斷開，但是微電網(wǎng)中的可再生能源可繼續(xù)發(fā)電且不會產(chǎn)生安全危害德國慕尼黑Manheim微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性能微網(wǎng)的社會認(rèn)可；微網(wǎng)運(yùn)行導(dǎo)則制訂；微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益天津大學(xué)大型微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室可再生能源發(fā)電技術(shù)含風(fēng)、光、儲、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池于一體的大型微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室，其中光伏發(fā)電容量達(dá)到100kW，儲能系統(tǒng)采用鉛酸、鋰離子、飛輪、壓縮空氣等多種形式的儲能形式杭州電子科技大學(xué)微電網(wǎng)系統(tǒng)分布式發(fā)電技術(shù)微電網(wǎng)系統(tǒng)的電源總?cè)萘?40kW，其中光伏發(fā)電系統(tǒng)容量120kW，光伏發(fā)電比例50%，儲能采用鉛酸蓄電池組,容量為50kWh，并配有100kW超級電容及電壓跌落補(bǔ)償系統(tǒng)，主要用于電能質(zhì)量調(diào)節(jié)平抑超短期負(fù)荷的波動珠海東澳島智能微電網(wǎng)示范工程分布式發(fā)電及儲能技術(shù)根據(jù)海島獨(dú)特的自然條件，整合了太陽能、風(fēng)能和柴油新舊能源發(fā)電單元，建設(shè)成包括1000kW的光伏發(fā)電、50kW的風(fēng)力發(fā)電和蓄電池儲能系統(tǒng)在內(nèi)的分布式供電系統(tǒng)，使全島可再生能源發(fā)電比例達(dá)到70% 目前，正對微網(wǎng)并網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)問題國外已經(jīng)展開了較多的研究，而對于獨(dú)立運(yùn)行模式下的微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行研究還很缺乏。文獻(xiàn)[6]圍繞包含風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、柴油發(fā)電機(jī)和鉛酸電池儲能的獨(dú)立微網(wǎng)系統(tǒng)，提出了包含微網(wǎng)全壽命周期內(nèi)成本現(xiàn)值、污染排放水平和負(fù)荷容量缺失率的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計模型。該優(yōu)化模型在控制策略上，考慮多臺柴油發(fā)電機(jī)的組合開機(jī)方式、儲能電池與柴油發(fā)電機(jī)之間協(xié)調(diào)控制策略，以及系統(tǒng)備用容量等問題。在優(yōu)化變量選取上，針對設(shè)備類型和裝機(jī)容量同時進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。最后利用自主開發(fā)的微網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計軟件(planningdesignsystemformirogrid，PDMG)針對某孤立海島，進(jìn)行獨(dú)立微網(wǎng)系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計。文獻(xiàn)[7]針對含有常規(guī)柴油發(fā)電機(jī)組和儲能系統(tǒng)的孤立微網(wǎng)，提出了柴油發(fā)電機(jī)和儲能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制方法，包括柴油發(fā)電機(jī)作為主電源時，儲能系統(tǒng)的輔助功率控制，以及獨(dú)立微網(wǎng)系統(tǒng)中柴油發(fā)電機(jī)和儲能系統(tǒng)雙主電源的無縫切換控制策略，最后利用PSCAD仿真軟件對所提方法進(jìn)行了驗(yàn)證。文獻(xiàn)[8]給出了并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種條件下的數(shù)學(xué)模型，提出了一種雙模式協(xié)調(diào)控制的策略，最后通過了仿真驗(yàn)證。文獻(xiàn)[9]考慮了在獨(dú)立微網(wǎng)中儲能的充放電效率，提出了基于多重儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略，以維持功率平衡和最小有功損耗。開展獨(dú)立微網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計，需要充分考慮獨(dú)立微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)分布式電源的運(yùn)行控制策略和組合方案，文獻(xiàn)[10]從仿真工具、仿真方法、運(yùn)行控制策略、優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型等方面針對獨(dú)立微網(wǎng)系統(tǒng)中的分布式電源規(guī)劃設(shè)計方法進(jìn)行了相關(guān)綜述。優(yōu)化規(guī)劃目標(biāo)通常包括可靠性、污染物排放和系統(tǒng)成本三大類?？煽啃灾笜?biāo)包括電力不足時間、電力不足時間概率、電力不足容量概率等[11]。在進(jìn)行優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計時，通常希望系統(tǒng)能夠同時滿足多個指標(biāo)約束條件。但實(shí)際上在多目標(biāo)優(yōu)化問題的求解中，不同目標(biāo)之間往往是相互沖突的。文獻(xiàn)[12]采用基于固定權(quán)重值的方法，將多目標(biāo)優(yōu)化簡單地轉(zhuǎn)化為單一目標(biāo)優(yōu)化問題，但這不能稱之為完全意義上的多目標(biāo)優(yōu)化。文獻(xiàn)[13]針對風(fēng)\光\柴\儲獨(dú)立微網(wǎng)系統(tǒng)，提出了以碳排放量最少和全壽命周期成本最小為優(yōu)化目標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計方法，利用自主開發(fā)的基于遺傳算法的混合優(yōu)化設(shè)計軟件(hybridoptimizationbygeneticalgorithms，HOGA)進(jìn)行優(yōu)化求解。多目標(biāo)尋優(yōu)不再是尋找解集內(nèi)單個全局最優(yōu)解，而是尋找一組均衡解，也即帕累托(Pareto)最優(yōu)解。文獻(xiàn)[14]針對風(fēng)光互補(bǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)提出了包含失負(fù)荷概率、失能量概率和系統(tǒng)成本等指標(biāo)的三目標(biāo)優(yōu)化模型。獨(dú)立微網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略將直接影響系統(tǒng)配置方案的各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[15]。文獻(xiàn)[16]圍繞儲能電池和柴油發(fā)電機(jī)的能量管理提出了多種運(yùn)行策略，該策略根據(jù)對儲能電池的單次循環(huán)充放電成本和柴油發(fā)電機(jī)單位發(fā)電成本的比較，確定儲能電池和柴油發(fā)電機(jī)投入運(yùn)行的優(yōu)先權(quán)，該方法在可再生電力混合優(yōu)化軟件(hybridoptimizationmodelforelectricrenewables，HOMER)和HOGA中得到應(yīng)用。文獻(xiàn)[17]采用類似的方法，研究了包含電化學(xué)電池、燃料電池、柴油發(fā)電機(jī)、電解水制氫、風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電獨(dú)立微網(wǎng)系統(tǒng)的能量管理策略，按照成本最小原則對上述設(shè)備進(jìn)行組合，以滿足凈負(fù)荷(文中凈負(fù)荷大小等于負(fù)荷需求減去可再生能源出力)的需求。在美國國家新能源實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的仿真軟件Hybrid2中[18]，針對風(fēng)\光\柴\儲獨(dú)立微網(wǎng)系統(tǒng)提出了多種控制策略，然而該軟件無法開展獨(dú)立微網(wǎng)系統(tǒng)的容量優(yōu)化設(shè)計。在Hybrid2中多種控制策略的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[19]進(jìn)一步提出了一種多能源協(xié)調(diào)控制策略，該策略能夠保證儲能電池長期可靠運(yùn)行，提高了系統(tǒng)全壽命周期經(jīng)濟(jì)性。[圖片][圖片]3．主要研究內(nèi)容本課題主要將針對孤島條件下微網(wǎng)實(shí)時控制策略進(jìn)行研究，其所用孤立微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該孤立微網(wǎng)在于真實(shí)模擬遠(yuǎn)離陸地的海上孤立島礁上的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏陣列、柴油發(fā)電機(jī)、儲能蓄電池、居民負(fù)荷以及海水淡化負(fù)荷。光伏陣列、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、蓄電池等通過各自的變流器接入交流母線，這種方案具有變流器容量要求較小，負(fù)荷和分布式電源擴(kuò)容較為便利的優(yōu)勢。[圖片]圖2孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對圖2多事系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行控制的目的是借助于對儲能系統(tǒng)的充放電管理、對分布式電源出力調(diào)度以及負(fù)荷的控制等，確保微電網(wǎng)內(nèi)發(fā)電與負(fù)荷需求的實(shí)時功率平衡，在防止電池過沖與過放等約束條件下，實(shí)現(xiàn)對其他分布式電源的優(yōu)化調(diào)度，優(yōu)先保證微網(wǎng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行，在其穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上追求其一定的經(jīng)濟(jì)型。本課題將研究在微網(wǎng)孤島模式下，考慮DG的燃料成本、發(fā)電過程中產(chǎn)生NOx、SO2和CO2造成的環(huán)境成本以及微網(wǎng)內(nèi)DG和儲能裝置的維護(hù)成本，在滿足系統(tǒng)運(yùn)行約束條件的基礎(chǔ)上，優(yōu)化微網(wǎng)不同DG的出力，使得微網(wǎng)能夠最大化穩(wěn)定運(yùn)行，同時使系統(tǒng)的總運(yùn)行成本相對最小。然而，由于微網(wǎng)DG含隨機(jī)性電源，如風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池等，其輸出功率受自然條件的影響，必要時需要限制光伏陣列和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率，使得與負(fù)載所需功率相匹配，并結(jié)合孤島模式下的優(yōu)化運(yùn)行模型，優(yōu)化微網(wǎng)不同DG的出力，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保運(yùn)行[20]。具體研究內(nèi)容歸納如下：(1)查閱現(xiàn)有的實(shí)時運(yùn)行理論算法和控制策略，比較其有何優(yōu)缺點(diǎn)，并了解各控制策略適用條件；(2)光伏陣列和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略的研究。在正常情況下，光伏陣列和風(fēng)力發(fā)電機(jī)會工作在最大功率輸出狀態(tài)。但在某些情況下，如蓄電池儲能已達(dá)到最大，同時總負(fù)載需求功率小于光伏和風(fēng)電的最大輸出功率，此時就需要限制光伏和風(fēng)電的輸出功率，使得與負(fù)載相匹配，以保證微網(wǎng)的穩(wěn)定；(3)各種元件的仿真模型是研究微網(wǎng)控制策略的重要基礎(chǔ)，將建立微網(wǎng)中風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能元件、電力電子元件及負(fù)荷元件的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)或慢動態(tài)仿真模型；(4)建立微網(wǎng)運(yùn)行的多目標(biāo)函數(shù)：包括微網(wǎng)運(yùn)行可靠性、污染排放物的治理成本、系統(tǒng)的發(fā)電成本和運(yùn)行維護(hù)成本等；(5)建立微網(wǎng)運(yùn)行的主要約束條件：微網(wǎng)運(yùn)行的功率平衡約束、可控機(jī)組的出力約束、可控機(jī)組爬坡率約束、儲能裝置出力約束、儲能蓄電池的荷電狀態(tài)約束等；(6)合理地將多目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為單一目標(biāo)函數(shù)，以方便函數(shù)的求解。根據(jù)運(yùn)行穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等不同目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重比例不同，將其合成轉(zhuǎn)化為單一的目標(biāo)函數(shù)；(7)采用遺傳算法對孤島模式運(yùn)行下的微網(wǎng)模型進(jìn)行優(yōu)化計算；(8)結(jié)合實(shí)際算例進(jìn)行分析驗(yàn)證不同工況下的可行性和有效性。[圖片][圖片]4．研究方案及進(jìn)度安排，預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)和取得的研究成果[圖片][圖片]4.1．研究方案首先按照實(shí)際一個孤立海島上的環(huán)境條件，選用適合的微網(wǎng)個系統(tǒng)裝置，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏陣列、儲能蓄電池、柴油發(fā)電機(jī)、居民負(fù)荷等，確定各組成部分的參數(shù)，包括容量大小、功率等級、負(fù)荷大小等。按照所選用的設(shè)備建立微網(wǎng)內(nèi)各系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。其次確定具體微網(wǎng)孤島條件下的實(shí)時控制策略，常用的控制策略有：平滑功率策略、柴油發(fā)電機(jī)最短運(yùn)行時間策略、軟充電策略、硬充電策略等，比較各控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合本課題，確定出符合在滿足微網(wǎng)孤立穩(wěn)定運(yùn)行的條件下追求一定經(jīng)濟(jì)性的具體控制策略。按照實(shí)際要求確定微網(wǎng)孤島運(yùn)行的目標(biāo)函數(shù)、約束條件，確立其具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式。然后按照各目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重值不同，將其多目標(biāo)轉(zhuǎn)化為易求解的單一目標(biāo)函數(shù)。了解蒙特卡羅模擬的遺傳算法，研究該算法是否能夠求解上述的目標(biāo)函數(shù)，該算法并不是為了得到一個最優(yōu)解，而是求解出一組符合上述要求的均衡解集。深入了解Hybrid2、HOME、HOGA、PDMG等控制策略的仿真軟件，綜合比較后選出適合本課題控制策略的仿真軟件。結(jié)合實(shí)際的算例，比較不同參數(shù)條件下的仿真結(jié)果，然后分析驗(yàn)證其控制策略的合理性，最后將其結(jié)構(gòu)與一些仿真軟件中自帶控制策略的仿真結(jié)果進(jìn)行比較分析，比較本課題所提出的實(shí)時控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)。