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[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相關的資料及文獻，并根據自己所學的專業知識以及與導師進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濟發展的重要物質基礎，而電力是最清潔便利的能源形式，是國民經濟的命脈。電力生產的過程就是大規模地將各種類型的一次能源轉換為容易輸送和方便轉換的電能并輸送分配的過程。工業革命以來，世界能源消費劇增，煤炭、石油、天然氣等化石能源資源消耗迅速，生態環境不斷惡化，特別是溫室氣體排放導致日益嚴峻的全球氣候變化，社會的可持續發展受到嚴重威脅。因此，世界各國紛紛開始關注環保、高效和靈活的分布式發電。目前，比較成熟的分布式發電技術主要有風力發電、光伏發電、燃料電池和微型燃氣輪機等幾種形式。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，表現出間歇性和隨機性等特點，使得這些電源僅依靠自身的調節能力難以滿足負荷的功率平衡，且不可調度，需要其他電源或儲能裝置的配合以提供支持和備用；對配電網而言，由于分布式電源的接入導致系統中具有雙向潮流，給電壓調節、保護協調與能量優化帶來了新問題。當前，一些分布式電源在系統側發生故障時自動退出運行，加劇了系統暫態功率不平衡，不利于系統的安全性和穩定性；為數眾多、形式各異、不可調度的分布式電源將給依靠傳統集中式電源調度方式進行管理的系統運行人員帶來更大的困難，缺乏有效的管理將導致分布式電源運行時的“隨意性”，給系統的安全性和穩定性造成隱患。圖1 微電網系統拓撲結構為了更好的發揮分布式電源的作用，同時也順應世界發展的走勢與潮流，提出了一種將地理相對集中的各個分布式發電電源及其相鄰負載自行聯結組成一個小型可獨立運行的電網，我們稱之為微網。圖1所示為一種典型的微電網系統拓撲結構。微網已經成為現代電網發展重要趨勢，其控制問題也是目前的研究熱點之一。有效實現微網的電壓頻率控制，是微網推廣與應用的關鍵。[圖片][圖片]2．國內外在該方向的研究現狀及分析[圖片][圖片]2.1國外研究現狀近年來，對微電網技術開展研究的主要國際組織和項目包括：美國CERTS和PSERC的微電網計劃、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能源技術中心等。目前世界上針對微電網的研究，還限于微電網的內部運行機制，提出的主要控制措施集中在微電網的頻率和電壓的調節以及電力市場機制上，而在微電網穩定性的分析、安全與自動保護措施、獨立運行機制、多微電網運行機制等方面還有一些列問題需要解決[1~4]。[圖片][圖片]2.2國內研究現狀在中國，發展微電網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，國內的微電網開始逐漸走到政策前臺，國家科技部“863”項目和金太陽示范工程已經開展了多個微電網工程示范。國家能源局發布的《可再生能源發展“十二五”規劃》中明確提出：到2015年，我國將建成30個以智能電網、物聯網和儲能技術為支撐的新能源微電網示范工程。但與歐美國家相比，我國微電網仍處在起步階段，現階段的主要任務是評估微電網的可行性及經濟效益，并集中力量解決偏遠地區及無電地區的電力供應問題。制約微電網商業化推廣的主要問題是[5]：=1\*GB3①對于微電網而言，怎樣構建與大電網的友好關系是其面臨的核心問題，具體表現為微電網與大電網的快速隔離、并網狀態與孤網狀態的無縫切換以及微電網內部的穩定控制；=2\*GB3②包括可再生能源發電技術、儲能技術、平滑切換控制技術以及數據通信技術等先進技術在我國仍不夠成熟。[圖片][圖片]2.3國內外文獻綜述的簡析圍繞著孤立微電網，國內外學術界和工程界開展了大量研究工作，并建設了許多具有代表性的項目工程，如表1所示。表1國內外典型微網項目列表代表性的基礎項目相關技術研究內容美國CERTS的微網項目微網概念、即插即用微網聯網/孤島模式自動切換；無需高速通信實現孤島條件下的電壓和頻率穩定美國圣地亞哥國家實驗室微網項目故障監測與保護技術自主研發了一種微電網設計方法——能源安全微電網方法。主電網發生停電時，微電網與主電網斷開，但是微電網中的可再生能源可繼續發電且不會產生安全危害德國慕尼黑Manheim微網經濟性能微網的社會認可；微網運行導則制訂；微網經濟效益天津大學大型微電網實驗室可再生能源發電技術含風、光、儲、微型燃氣輪機、燃料電池于一體的大型微電網實驗室，其中光伏發電容量達到100kW，儲能系統采用鉛酸、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微電網系統分布式發電技術微電網系統的電源總容量240kW，其中光伏發電系統容量120kW，光伏發電比例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償系統，主要用于電能質量調節平抑超短期負荷的波動珠海東澳島智能微電網示范工程分布式發電及儲能技術根據海島獨特的自然條件，整合了太陽能、風能和柴油新舊能源發電單元，建設成包括1000kW的光伏發電、50kW的風力發電和蓄電池儲能系統在內的分布式供電系統，使全島可再生能源發電比例達到70% 目前，正對微網并網的經濟問題國外已經展開了較多的研究，而對于獨立運行模式下的微網經濟運行研究還很缺乏。文獻[6]圍繞包含風力發電、光伏發電、柴油發電機和鉛酸電池儲能的獨立微網系統，提出了包含微網全壽命周期內成本現值、污染排放水平和負荷容量缺失率的多目標優化設計模型。該優化模型在控制策略上，考慮多臺柴油發電機的組合開機方式、儲能電池與柴油發電機之間協調控制策略，以及系統備用容量等問題。在優化變量選取上，針對設備類型和裝機容量同時進行優化設計。最后利用自主開發的微網優化設計軟件(planningdesignsystemformirogrid，PDMG)針對某孤立海島，進行獨立微網系統的多目標優化規劃設計。文獻[7]針對含有常規柴油發電機組和儲能系統的孤立微網，提出了柴油發電機和儲能系統的協調控制方法，包括柴油發電機作為主電源時，儲能系統的輔助功率控制，以及獨立微網系統中柴油發電機和儲能系統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行了驗證。文獻[8]給出了并網和離網兩種條件下的數學模型，提出了一種雙模式協調控制的策略，最后通過了仿真驗證。文獻[9]考慮了在獨立微網中儲能的充放電效率，提出了基于多重儲能系統協調控制策略，以維持功率平衡和最小有功損耗。開展獨立微網系統的優化規劃設計，需要充分考慮獨立微網系統內分布式電源的運行控制策略和組合方案，文獻[10]從仿真工具、仿真方法、運行控制策略、優化設計數學模型等方面針對獨立微網系統中的分布式電源規劃設計方法進行了相關綜述。優化規劃目標通常包括可靠性、污染物排放和系統成本三大類。可靠性指標包括電力不足時間、電力不足時間概率、電力不足容量概率等[11]。在進行優化規劃設計時，通常希望系統能夠同時滿足多個指標約束條件。但實際上在多目標優化問題的求解中，不同目標之間往往是相互沖突的。文獻[12]采用基于固定權重值的方法，將多目標優化簡單地轉化為單一目標優化問題，但這不能稱之為完全意義上的多目標優化。文獻[13]針對風\光\柴\儲獨立微網系統，提出了以碳排放量最少和全壽命周期成本最小為優化目標的多目標優化設計方法，利用自主開發的基于遺傳算法的混合優化設計軟件(hybridoptimizationbygeneticalgorithms，HOGA)進行優化求解。多目標尋優不再是尋找解集內單個全局最優解，而是尋找一組均衡解，也即帕累托(Pareto)最優解。文獻[14]針對風光互補微網系統提出了包含失負荷概率、失能量概率和系統成本等指標的三目標優化模型。獨立微網系統的運行控制策略將直接影響系統配置方案的各項技術經濟指標[15]。文獻[16]圍繞儲能電池和柴油發電機的能量管理提出了多種運行策略，該策略根據對儲能電池的單次循環充放電成本和柴油發電機單位發電成本的比較，確定儲能電池和柴油發電機投入運行的優先權，該方法在可再生電力混合優化軟件(hybridoptimizationmodelforelectricrenewables，HOMER)和HOGA中得到應用。文獻[17]采用類似的方法，研究了包含電化學電池、燃料電池、柴油發電機、電解水制氫、風力發電和光伏發電獨立微網系統的能量管理策略，按照成本最小原則對上述設備進行組合，以滿足凈負荷(文中凈負荷大小等于負荷需求減去可再生能源出力)的需求。在美國國家新能源實驗室開發的仿真軟件Hybrid2中[18]，針對風\光\柴\儲獨立微網系統提出了多種控制策略，然而該軟件無法開展獨立微網系統的容量優化設計。在Hybrid2中多種控制策略的基礎上，文獻[19]進一步提出了一種多能源協調控制策略，該策略能夠保證儲能電池長期可靠運行，提高了系統全壽命周期經濟性。[圖片][圖片]3．主要研究內容本課題主要將針對孤島條件下微網實時控制策略進行研究，其所用孤立微網的結構如圖1所示。該孤立微網在于真實模擬遠離陸地的海上孤立島礁上的微網結構，包括風力發電機、光伏陣列、柴油發電機、儲能蓄電池、居民負荷以及海水淡化負荷。光伏陣列、風力發電機、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，負荷和分布式電源擴容較為便利的優勢。[圖片]圖2孤立微電網系統拓撲結構對圖2多事系統進行運行控制的目的是借助于對儲能系統的充放電管理、對分布式電源出力調度以及負荷的控制等，確保微電網內發電與負荷需求的實時功率平衡，在防止電池過沖與過放等約束條件下，實現對其他分布式電源的優化調度，優先保證微網的長期穩定運行，在其穩定運行的基礎上追求其一定的經濟型。本課題將研究在微網孤島模式下，考慮DG的燃料成本、發電過程中產生NOx、SO2和CO2造成的環境成本以及微網內DG和儲能裝置的維護成本，在滿足系統運行約束條件的基礎上，優化微網不同DG的出力，使得微網能夠最大化穩定運行，同時使系統的總運行成本相對最小。然而，由于微網DG含隨機性電源，如風力發電機、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力發電機的輸出功率，使得與負載所需功率相匹配，并結合孤島模式下的優化運行模型，優化微網不同DG的出力，實現微網的穩定可靠、經濟和環保運行[20]。具體研究內容歸納如下：(1)查閱現有的實時運行理論算法和控制策略，比較其有何優缺點，并了解各控制策略適用條件；(2)光伏陣列和風力發電機的控制策略的研究。在正常情況下，光伏陣列和風力發電機會工作在最大功率輸出狀態。但在某些情況下，如蓄電池儲能已達到最大，同時總負載需求功率小于光伏和風電的最大輸出功率，此時就需要限制光伏和風電的輸出功率，使得與負載相匹配，以保證微網的穩定；(3)各種元件的仿真模型是研究微網控制策略的重要基礎，將建立微網中風力發電系統、光伏發電系統、儲能元件、電力電子元件及負荷元件的準穩態或慢動態仿真模型；(4)建立微網運行的多目標函數：包括微網運行可靠性、污染排放物的治理成本、系統的發電成本和運行維護成本等；(5)建立微網運行的主要約束條件：微網運行的功率平衡約束、可控機組的出力約束、可控機組爬坡率約束、儲能裝置出力約束、儲能蓄電池的荷電狀態約束等；(6)合理地將多目標函數轉化為單一目標函數，以方便函數的求解。根據運行穩定性、經濟性等不同目標函數的權重比例不同，將其合成轉化為單一的目標函數；(7)采用遺傳算法對孤島模式運行下的微網模型進行優化計算；(8)結合實際算例進行分析驗證不同工況下的可行性和有效性。[圖片][圖片]4．研究方案及進度安排，預期達到的目標和取得的研究成果[圖片][圖片]4.1．研究方案首先按照實際一個孤立海島上的環境條件，選用適合的微網個系統裝置，包括風力發電機、光伏陣列、儲能蓄電池、柴油發電機、居民負荷等，確定各組成部分的參數，包括容量大小、功率等級、負荷大小等。按照所選用的設備建立微網內各系統的數學模型。其次確定具體微網孤島條件下的實時控制策略，常用的控制策略有：平滑功率策略、柴油發電機最短運行時間策略、軟充電策略、硬充電策略等，比較各控制策略的優缺點，結合本課題，確定出符合在滿足微網孤立穩定運行的條件下追求一定經濟性的具體控制策略。按照實際要求確定微網孤島運行的目標函數、約束條件，確立其具體的數學表達式。然后按照各目標函數的權重值不同，將其多目標轉化為易求解的單一目標函數。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函數，該算法并不是為了得到一個最優解，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。結合實際的算例，比較不同參數條件下的仿真結果，然后分析驗證其控制策略的合理性，最后將其結構與一些仿真軟件中自帶控制策略的仿真結果進行比較分析，比較本課題所提出的實時控制策略的優缺點。