#伴我起航2015#+微電網(wǎng)孤島實(shí)時(shí)控制策略的研究+哈工大




通過(guò)查閱與專(zhuān)業(yè)相關(guān)的資料及文獻(xiàn),并根據(jù)自己所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)以及與導(dǎo)師進(jìn)行討論確定論文題目。


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(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈。電力生產(chǎn)的過(guò)程就是大規(guī)模地將各種類(lèi)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(guò)程。工業(yè)革命以來(lái),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(huì)的可持續(xù)發(fā)展受到嚴(yán)重威脅。因此,世界各國(guó)紛紛開(kāi)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(chǔ)能裝置的配合以提供支持和備用;對(duì)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?jī)?yōu)化帶來(lái)了新問(wèn)題。當(dāng)前,一些分布式電源在系統(tǒng)側(cè)發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)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(lái)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(shí)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(shí)也順應(yīng)世界發(fā)展的走勢(shì)與潮流,提出了一種將地理相對(duì)集中的各個(gè)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(gè)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(shì),其控制問(wèn)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。




近年來(lái),對(duì)微電網(wǎng)技術(shù)開(kāi)展研究的主要國(guó)際組織和項(xiàng)目包括:美國(guó)CERTS和PSERC的微電網(wǎng)計(jì)劃、歐盟的“The Microgrids Project”、美國(guó)LBNL組織的DER-CAM計(jì)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(duì)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(chǎng)機(jī)制上,而在微電網(wǎng)穩(wěn)定性的分析、安全與自動(dòng)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(wèn)題需要解決[1~4]。


在中國(guó),發(fā)展微電網(wǎng)的最大動(dòng)力是充分利用可再生能源來(lái)滿足未來(lái)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(guó)內(nèi)的微電網(wǎng)開(kāi)始逐漸走到政策前臺(tái),國(guó)家科技部“863”項(xiàng)目和金太陽(yáng)示范工程已經(jīng)開(kāi)展了多個(gè)微電網(wǎng)工程示范。國(guó)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(guó)將建成30個(gè)以智能電網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和儲(chǔ)能技術(shù)為支撐的新能源微電網(wǎng)示范工程。但與歐美國(guó)家相比,我國(guó)微電網(wǎng)仍處在起步階段,現(xiàn)階段的主要任務(wù)是評(píng)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(wú)電地區(qū)的電力供應(yīng)問(wèn)題。制約微電網(wǎng)商業(yè)化推廣的主要問(wèn)題是[5]: = 1 \* GB3 ①對(duì)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(wèn)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(wú)縫切換以及微電網(wǎng)內(nèi)部的穩(wěn)定控制; = 2 \* GB3 ②包括可再生能源發(fā)電技術(shù)、儲(chǔ)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(guó)仍不夠成熟。


圍繞著孤立微電網(wǎng),國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界開(kāi)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(guó)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?jī)?nèi)容 |
美國(guó)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(dòng)切換;無(wú)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(guó)圣地亞哥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室微網(wǎng)項(xiàng)目 |
故障監(jiān)測(cè)與保護(hù)技術(shù) |
自主研發(fā)了一種微電網(wǎng)設(shè)計(jì)方法——能源安全微電網(wǎng)方法。主電網(wǎng)發(fā)生停電時(shí),微電網(wǎng)與主電網(wǎng)斷開(kāi),但是微電網(wǎng)中的可再生能源可繼續(xù)發(fā)電且不會(huì)產(chǎn)生安全危害 |
德國(guó)慕尼黑Manheim微網(wǎng) |
經(jīng)濟(jì)性能 |
微網(wǎng)的社會(huì)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(chǔ)、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(chǔ)能系統(tǒng)采用鉛酸、鋰離子、飛輪、壓縮空氣等多種形式的儲(chǔ)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?/span>240 kW,其中光伏發(fā)電系統(tǒng)容量120kW,光伏發(fā)電比例50%,儲(chǔ)能采用鉛酸蓄電池組,容量為50kWh,并配有100kW超級(jí)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(dòng) |
珠海東澳島智能微電網(wǎng)示范工程 |
分布式發(fā)電及儲(chǔ)能技術(shù) |
根據(jù)海島獨(dú)特的自然條件,整合了太陽(yáng)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(chǔ)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(duì)微網(wǎng)并網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題國(guó)外已經(jīng)展開(kāi)了較多的研究,而對(duì)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(chǔ)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(jì)模型。該優(yōu)化模型在控制策略上,考慮多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)的組合開(kāi)機(jī)方式、儲(chǔ)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(wèn)題。在優(yōu)化變量選取上,針對(duì)設(shè)備類(lèi)型和裝機(jī)容量同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后利用自主開(kāi)發(fā)的微網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件(planning design system for mirogrid,PDMG)針對(duì)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(jì)。文獻(xiàn)[7]針對(duì)含有常規(guī)柴油發(fā)電機(jī)組和儲(chǔ)能系統(tǒng)的孤立微網(wǎng),提出了柴油發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)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(shí),儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)雙主電源的無(wú)縫切換控制策略,最后利用PSCAD仿真軟件對(duì)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(guò)了仿真驗(yàn)證。文獻(xiàn)[9]考慮了在獨(dú)立微網(wǎng)中儲(chǔ)能的充放電效率,提出了基于多重儲(chǔ)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(kāi)展獨(dú)立微網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計(jì),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(jì)數(shù)學(xué)模型等方面針對(duì)獨(dú)立微網(wǎng)系統(tǒng)中的分布式電源規(guī)劃設(shè)計(jì)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(lèi)。可靠性指標(biāo)包括電力不足時(shí)間、電力不足時(shí)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(jì)時(shí),通常希望系統(tǒng)能夠同時(shí)滿足多個(gè)指標(biāo)約束條件。但實(shí)際上在多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)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(jiǎn)單地轉(zhuǎn)化為單一目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)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(duì)風(fēng)\光\柴\儲(chǔ)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(jì)方法,利用自主開(kāi)發(fā)的基于遺傳算法的混合優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件(hybrid optimization by genetic algorithms,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(gè)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(duì)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(chǔ)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(duì)儲(chǔ)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(chǔ)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(hybrid optimization model for electric renewables,HOMER)和HOGA中得到應(yīng)用。文獻(xiàn)[17]采用類(lèi)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(duì)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(guó)國(guó)家新能源實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的仿真軟件Hybrid2中[18],針對(duì)風(fēng)\光\柴\儲(chǔ)獨(dú)立微網(wǎng)系統(tǒng)提出了多種控制策略,然而該軟件無(wú)法開(kāi)展獨(dú)立微網(wǎng)系統(tǒng)的容量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)。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(chǔ)能電池長(zhǎng)期可靠運(yùn)行,提高了系統(tǒng)全壽命周期經(jīng)濟(jì)性。


本課題主要將針對(duì)孤島條件下微網(wǎng)實(shí)時(shí)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(chǔ)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(guò)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(shì)。
圖2 孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
對(duì)圖2多事系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行控制的目的是借助于對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電管理、對(duì)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(shí)功率平衡,在防止電池過(guò)沖與過(guò)放等約束條件下,實(shí)現(xiàn)對(duì)其他分布式電源的優(yōu)化調(diào)度,優(yōu)先保證微網(wǎng)的長(zhǎng)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(guò)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(chǔ)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(shí)使系統(tǒng)的總運(yùn)行成本相對(duì)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(shí)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?jī)?nèi)容歸納如下:
(1) 查閱現(xiàn)有的實(shí)時(shí)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(huì)工作在最大功率輸出狀態(tài)。但在某些情況下,如蓄電池儲(chǔ)能已達(dá)到最大,同時(shí)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(shí)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(chǔ)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(dòng)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(chǔ)能裝置出力約束、儲(chǔ)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(duì)孤島模式運(yùn)行下的微網(wǎng)模型進(jìn)行優(yōu)化計(jì)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。




首先按照實(shí)際一個(gè)孤立海島上的環(huán)境條件,選用適合的微網(wǎng)個(gè)系統(tǒng)裝置,包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏陣列、儲(chǔ)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(jí)、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(shí)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(shí)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(gè)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(shí)控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)。

