分布式能源及独立微网容量配置与运行优化研究-solarbe文库

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授予单位代码 10465 学号或申请号密级中原工学院硕士学位论文分布式能源及独立微网容量配置与运行优化研究张立功指导教师王晓雷教授王若醒高工申请学位级别硕士专业名称控制工程论文提交日期 2015 年 3 月论文答辩日期 2015 年 6 月培养单位中原工学院学位授予单位中原工学院中原工学院硕士学位论文摘要 I 分布式能源及独立微网容量配置与运行优化研究专业控制工程硕士生张立功指导教师王晓雷教授王若醒高工摘要本文的研究目的是在深入分析各类分布式能源的发电规律的基础上，建立以柴油发电机为主电源的微电网中各机组间负荷分配的最优化解决方案，并对以柴油发电机组为主电源的独立微网的组网方案进行研究，通过对于各种微源的协同控制与优化调度，以实现微网经济运行和对环境的保护。首先，本文对微电网中的柴油发电机组、光伏电池阵列、风力发电机组的结构和发电原理进行了深入剖析，特别是对于柴油发电机油耗、输出功率、污染指数之间的多变量函数关系进行了研究。并且基于某海岛的光伏发电、风力发电等辅助微源的真实系统参数进行了分析归类，在此基础上建立了它们各自的精确的数学模型，并 MATLAB/ Simulink 在环境下搭建了它们各自独立的并网发电仿真模型。接着，本文对柴油发电机为主电源的独立微网中机组间的负荷分配方法进行了研究。机组间负荷分配的优化目标是使系统能够在满足约束条件的情况下，在各个机组间合理的进行负荷分配，以达到降低油耗，节约成本目的。文中首先采用改进的等微增率、最优二次型以及其他相关的数学方法，把该问题转化为最优化问题，推导了油耗最优控制的必要条件和基本准则。最后本文根据某海岛的实际情况，利用MATLAB 优化工具箱对机组间有功负荷的最优分配问题进行了研究。然后，本文以某海岛独立微型电网作为研究对象，根据当地负荷、光照、风速等相关数据，利用Homer 工具软件，重点针对由太阳能、风能、柴油发电机组和蓄电池组成的的独立微网进行建模，并对其经济运行方案进行仿真，最终从优化的结果中选择最经济的微网组网方案，结果表明该方法是可行的，具备实际应用价值。最后，根据某海岛微电网真实的拓扑结构，对前文的内容进行综合，结合微电网动态负载的技术特征，进行了微电网多变量多微源复杂系统综合建模，建立了独立微网大系统多微源动态负荷系统仿真系统运行具有较好的鲁棒性，在电网幅值变化、微源切入、切出、电网切出等情况下，反应迅速，能够保证较好的稳定性。关键词分布式能源；独立微网；负荷分配；容量配置；Homer 中原工学院硕士学位论文 Abstract II Distributed energy and independent micro-Grid capacity allocation and operation optimization research Speciality Control Engineering Name Zhang Ligong Supervisor Professor Wang Xiaolei Senior Engineer Wang Ruoxing Abstract The purpose of this study is in the thorough analysis of all kinds of distributed energy generation rule, on the basis of building is given priority to with diesel generator power supply of the unit in the micro grid load distribution optimization solution, and to give priority to with diesel generating sets of power supply network of independent micro network scheme are studied, through to all kinds of micro sources of coordinated control and optimization scheduling, in order to realize the network economy and the protection of environment. Firstly, in this paper, the structure of micro power grid and power generation principle, carried on the thorough analysis, especially for diesel generator fuel consumption, output power, multivariate function relation between the pollution index is studied.And based on a certain island of photovoltaic power generation, wind power and other auxiliary source of real system parameters are analyzed and categorized, on the basis of their respective precise mathematical model is established, and their respective independent grid power simulation model. Then, in this paper, the diesel generator is given priority to the power of independent between piconets in unit load distribution method is studied.Unit load distribution between the optimization goal is to make the system can satisfy the constraint conditions, under the condition of reasonable between each unit load distribution, so as to reduce fuel consumption and save cost.In this paper, we first use the micro rate, such as improvement of optimal quadratic form as well as other related mathematical methods, to convert the problem into optimization problem, this paper derived the necessary conditions of fuel consumption optimal control and basic principles.At the end of the paper, according to the actual situation of a certain island by 中原工学院硕士学位论文 Abstract III using the MATLAB optimization toolbox active load optimal distribution study. Then, based on a certain island independent micro power grid as the research object, according to the local load and the relevant data such as sunlight, wind speed, using Homer tool software, focusing on the solar energy, wind energy, diesel generating sets of battery and network of independent micro modeling, simulation scheme and the economic operation, and finally from the result of optimization in choosing the most economic micro mesh network scheme, the results show that the method is feasible and has practical application value. Finally, according to a certain island real micro power grid topology, comprehensive of the above content, combined with the technical features of the micro power grid dynamic load, and the micro grid multivariate micro source integration of complex system modeling, set up independent micro between micro source dynamic load simulation system has good robustness, amplitude changes in the power grid, the grid micro source cut, cut out, cut out such cases, the reaction is rapid, can guarantee the better stability. Key words Distributed Energy; Independent Micro-grid; Load Distribution; Capacity Configuration;Homer 中原工学院硕士学位论文目录 I 目录 1. 绪论 1 1.1 课题研究的背景及意义 1 1.2 课题研究的现状与前景 . 1 1.3 本文的主要工作 . 3 2. 光伏电池阵列 . 4 2.1 光伏电池的基本原理 4 2.1.1 光伏发电的概念 4 2.1.2 光伏发电的原理 4 2.2 光伏阵列的建模和特性分析 . 5 2.3 最大功率点控制方法的选择 7 2.4 光伏发电系统仿真研究 9 2.4.1 光伏发电系统仿真建模 9 2.4.2 结果分析 11 2.5 本章小结 . 13 3. 风力发电机组 . 14 3.1 风力发电机组概述 14 3.1.1 风力发电机组工作原理 14 3.1.2 系统组成 14 3.2 风力发电机组建模与仿真 14 3.2.1 风力机模型 14 3.2.2 直驱式永磁发电机的运行仿真研究 15 3.3 本章小结 25 4. 柴油发电机组 . 26 4.1 柴油发电机组概述 26 4.2 柴油发电机数学模型的研究 . 26 4.2.1 柴油机发动机本体（活塞机）建模 27 4.2.2 柴油机供油装置建模 27 4.2.3 柴油机进气管建模 28 4.2.4 柴油机排气管建模 28 中原工学院硕士学位论文目录 II 4.2.5 柴油机涡轮增压器建模 . 29 4.2.6 柴油机空气冷却器部分建模 30 4.2.7 柴油机集气器部分建模 32 4.3 柴油发电机组发电的仿真研究及分析 . 33 4.4 本章小结 37 5. 柴油机组间负荷分配 . 38 5.1 柴油发电机组间的负荷分配原则 38 5.2 运行最优化的理论基础 38 5.2.1 机组的耗量特性及曲线表达式的求解 . 39 5.2.2 柴油发电机负荷分配最优化的建模 42 5.2.3 系统负荷分配寻优方法的选择 43 5.3 机组负荷优化分配 45 5.3.1 MATLAB 优化工具箱介绍 . 45 5.3.2 直接法优化求解 47 5.3.3 等微增率优化法求解 51 5.4 本章小结 53 6. 基于 Homer 软件独立微网系统容量优化配置研究 . 54 6.1 风光柴储独立微网 54 6.1.1 风光柴储独立微网简介 54 6.1.2 Homer 软件介绍 54 6.2 风光柴储微网系统功率容量配置优化仿真研究 55 6.2.1 负荷分析与数据输入 55 6.2.2 风光资源的数据输入 57 6.2.3 独立微网系统各微源单体容量初选 57 6.2.4 风光柴储单体容量配置优化仿真及最优功率配置方案的选择 59 6.3 本章小结 63 7. 微电网大系统多微源动态负荷系统仿真 . 64 7.1 微电网多微源复杂系统综合建模 . 64 7.2 微电网多微源复杂系统综合仿真 65 7.2.1 1 号汇集母线仿真研究 . 65 7.2.2 2 号汇集母线仿真研究 . 69 7.3 本章小结 72 中原工学院硕士学位论文目录 III 8. 总结与展望 . 73 8.1 总结 73 8.2 展望 74 参考文献 75 附录研究生阶段发表论文 79 致谢. 80 中原工学院硕士学位论文第一章绪论 1 1. 绪论在过去的几个世纪里，人类主要使用传统的化石燃料作为能源。化石燃料相对的更容易产生能量，因为它们产生能量的过程只是一个简单的燃烧过程。然而，由于化石燃料的价格成本的增加以及它们燃烧对环境产生的副作用，而可再生能源的清洁性、就地取材性以及取之不尽的特性可以满足日益增长的电力需求，这使得新能源的地位开始不断地提高。可再生能源包括风力、光伏、水利等被视为是传统能源的最好的替代品。 1.1 课题研究的背景及意义目前，面对日益严峻的能源危机以及全球变暖，大家更加意识环境保护的重要性以及以传统的化石能源（石油、天然气、煤炭等）的经济发展模式的不可持续性，走可持续发展的康庄大道，大力发展可再生的、无污染的新能源是实现人类社会长远发展必然的选择 [1,2] 。分布式能源发电系统配备了电力电子接口来保证系统在正常工作和维修状态下能够提供满足要求的电能质量和电网需要的能量输出。然而，尽管分布式发电具有重大的优势，但是直接接入到DG 系统中会产生一些问题，例如接入时需要大量的保护器件的协调配合，并容易给电网注入谐波，影响电网的正常运行，严重时甚至会造成电网的解列。要解决这些问题，分布发电系统要整合成微电网和智能电网的形式。电力电子设备是分布式发电系统连接公共电网的基础。因此，开关谐波会直接影响电流的质量。如果这个问题不先解决，当分布式发电系统连接到公共电网后将会在电网侧产生问题。因而，电能质量、控制和谐波补偿必须作为一个重要的运行特性来考虑。解决这个问题的方法有很多，例如使用有源或无源滤波器以及使用合适的控制方案（如PI 、PR 控制器等）都可以减少电力电子变流器产生的谐波数量 [3,4] 。 1.2 课题研究的现状与前景近年来，大互联电力系统也表现出其自身的脆弱性，世界上接连发生了数次大停电事故，如美加大停电、伦敦南部地区大停电，以及我国南方2008年的冰冻灾害事故。首先，在大互联电力系统中，局部事故极易扩散，引发连锁反应，导致大面积停电甚至灾难性后果；其次，对于偏远地区的负荷，互联大电力系统不能进行理想的供电。中原工学院硕士学位论文第一章绪论 2 许多偏远地区远离负荷中心，且自然条件较恶劣，建设常规输配电系统，投资大而收益小，效果不理想。另外，随着负荷的日益增加，受端电网在不断增加长距离输电线路的负担，并造成了电网稳定性和安全性的降低。因此，为了降低成本、实现资源优化配置，分布式发电DG ，Distributed Generation 技术近年来成为了一个新的研究热点。 “十一五“ 规划中，我国已将积极推动和鼓励可再生能源的发展作为重点发展战略之一。分布式发电（Distributed Generations ，DG）是应用于小规模电力生产的技术。因为DG 发电系统不进行电力的远距离输送，所以它的损耗和成本相对较低。DG 系统最小限度的损耗主要来自配电系统网络。相对于其他的来说，这些优点是DG 发电系统的主要优点，也体现了DG 发电系统在公共事业、独立发电公司和科研机构中的重要性。传统的电力生产区别于DG 的是发电站距离负荷中心非常远。DG 发电系统使用对象可以使用很少的分布网络来提供就近电源，在极其罕见的情况下可以使用输电网 [5] 。 DG 发电技术已经被认为是提高电力系统效率、节约资源、保护环境的重要手段。它在小范围（接近负荷中心）内得到了广泛的应用。虽然说使用可再生能源发电技术的都是DG ，但是应该注意的是并不是所有的DGs 都是全部由可再生能源（renewable energy resources RER ）发电组成的。有众多技术的支撑使得DG 发电系统可以包含柴油机、石油、天然气、地热能、风能、生物质能、光伏等发电形式，以及上述几种能源发电形式的组合 [6] 。发、用电设备相距较近是分布式发电的主要特点。与传统的发送电系统相比，其主要优点有投资少、建设快、运行费用低、可靠性高。将分布式发电系统灵活有效地配置于负荷地区，可以减轻主干线路的负担、降低系统网损、改善电网电压和减少无功的输送，这无疑增加了电网的可靠性和经济性。尽管如此，分布式发电自身也存在诸多问题。首先，分布式电源单机接入成本高且控制困难。另外，对大电网来说，分布式电源是不可控源，需要采取限制、隔离的方式来处理，以减小其对大电网造成的冲击。基于这方面的考虑，一些分布式能源的入网标准纷纷出台，如IEEE P1547 ，它规定若电力系统故障，分布电源须立刻退出运行。为了使分布式电源能与大电力系统协调发展，充分发挥分布式电源的价值，人们提出了微电网的概念。微电网由各种可再生能源如微汽轮机、燃料电池、太阳能电池、负荷、储能装置如蓄电池、飞轮、超级电容器等，及控制设备组成，并将它们看作单一的控制单元。微电网既可以并网运行，又可以离网运行。因此，微电网的入网标准只须针对并网时的接入点，而不用针对具体的分布式电源。这不仅解决了大规模分布式中原工学院硕士学位论文第一章绪论 3 电源的接入问题，还更好的开发了分布式电源的潜能。综上所述，作为现有骨干电网的一个补充，微电网的研究具有积极的意义。 1.3 本文的主要工作本文对微电网中的光伏电池阵列、风力发电机、柴油发电机的结构和发电原理进行了分析，对它们的发电原理有了清晰的认识，在此基础上建立了它们各自的精确的数学模型，然后在 MATLAB/Simulink 环境下搭建了它们各自基于数学模型的发电仿真模型，并给出了仿真结果，最后对结果进行了分析，对各个微源的发电机理和特性有了更深入的了解。根据柴油发电机组的发电功率与柴油耗量数据拟合出了2 个机组的耗量特性曲线；首先采用数学的方法，把该问题转化为最优化问题，推导了燃料最优控制的必要条件和基本准则；然后建立了负荷优化分配的数学模型，并使用MATLAB 优化工具箱里的fmincon 函数和quadprog 函数对数学模型进行了优化；在此基础上又引入了等微增率原理来对数学模型进行改进，并对改进的数学模型进行了优化，对前后结果进行了对比。以某海岛独立微型电网作为研究对象，根据当地负荷、光照、风速等相关数据，利用Homer 工具软件，重点针对由太阳能、风能、柴油发电机组和蓄电池组成的的独立微网进行建模，并对其经济运行方案进行仿真，最终从优化的结果中选择最经济的微网组网方案；并与现在普遍应用的海岛供电方式的发电成本进行对比，可以看出风光柴储独立微网系统的发电成本大幅下降，而且减少了污染物的排放，保护了海岛的生态环境。中原工学院硕士学位论文第二章光伏电池阵列 4 2. 光伏电池阵列本章首先介绍了光伏发电的基本概念和特点、光伏电池的光电转换特性以及基本发电原理，推导了出它的工程实用模型；然后， / MATLAB SIMULINK 在环境下建立了光伏阵列的仿真模型，绘出了光伏阵列的特性曲线，从曲线可以看出其输出功率存在一个最大功率点，而且可以看出它的最大功率点与光照和温度的大小有较大关系，本文选择了一种应用比较广、比较新的 MPPT 算法，并给出了该算法的仿真验证；最后搭建了光伏发电系统的仿真模型。 2.1 光伏电池的基本原理 2.1.1 光伏发电的概念光伏（Photovoltaic ，PV ）发电系统不需要热力发动机就可以直接将太阳能转换为电能。光伏电池由电子器件组成，结果简单，使用方便，维护费用低。光伏发电系统的优点是它们既可以并网运行，也可以独立运行，而且没有污染，其输出功率范围为微瓦级到兆瓦级。光伏发电系统可为汽车、路灯、偏远地区的居民住宅以及海岛提供电能，也可以建立兆瓦级的发电厂。由于其采用模块化的结构、重量轻等特点，最重要的是只要有光的地方就可以使用光伏发电，故光伏发电系统可以在其他分布式能源不能使用的环境中使用 [7,8] 。 2.1.2 光伏发电的原理当太阳光照射光伏电池板上时，一部分被反射回空中，一部分被光伏电池板吸收，还有少量的太阳光穿过了光伏电池板，被光伏电池板吸收的光子那部分太阳光中，光子中所含能量大于半导体禁带宽度的那部分能够激发半导体中原子的价电子， PN 在区、空间电荷区和区将会产生光生电子空穴对，这样形成的电子空穴  对在热运动的作用下将四处移动。光生电子空穴对产生后，马上被内建电场分离， N P N 光生电子被推到区，光生空穴被推到区。在区，光生电子空穴对产生后，光 -- P N P N 生空穴便向结边界扩散，一旦达到结边界，便立即受到内建电场的作用， PN 在电场力作用下面漂移，越过空间电荷区进入区，而产生的光生电子被停留在 P- - P N P N 区。区中的光生电子也向结边界扩散，并在到达结边界后，同样由于受 N 到内建电场的作用而在电场力的作用下做漂移运动，进入区，而光生空穴则停留 P P N 在区，因此结两侧产生了正负电荷的积累，形成与内建电场方向相反的光 PN 生电场，在抵消内建电场后，型层依然带正电，型层依然带负电，因此产生了中原工学院硕士学位论文第二章光伏电池阵列 5 光伏电动势 [9,10,11] 。单个的光伏电池板的输出功率是有限的，工程上一般采用多个光伏电池板串并联的方式来提高输出电压与输出功率，多个光伏电池板的组合称为光伏阵列。本章 / MATLAB Simulink 主要研究光伏阵列的特性，并在环境下建立了光伏发电系统的仿真。 2.2 光伏阵列的建模和特性分析光伏阵列，顾名思义，它是由多个光伏组件以串并联的方式组合而成的。如同下面的等效电路图。负荷 Rs } M 块 N 列光伏阵列 OC U SC I I U } 2.1 图光伏阵列等效电路图根据光伏电池物理概念以及光伏电池的工作状态，以及硅晶光伏电池的光生伏 2.1 特等特点，可以将光伏电池阵列简化等效为图中所示。根据本文建立的使用的工程数学模型，经过一系列合理的近似简化处理后，可以得到 I-U 方程为 2 /A 1 [1 1] oc UU sc I I A e    2.1 式2.1 中， sc I 为光伏阵列等效短路电流； oc U 为光伏阵列开路电压； A 1 、A 2 为引入的中间系数，其表达式分别为 / 1 1 2 1 A 1[l 1 ] m oc U BU m sc mm oc sc I Ae I UI n UI       2.2 式2.2 中， m I 为光伏阵列等效最大电流；中原工学院硕士学位论文第二章光伏电池阵列 6 m U 为光伏阵列等效最大电压。 m U 和 m I 可以由供应商所提供的单个光伏电池的最大功率点电压 m U 、最大功率点电流 m I ，以及光伏阵列的串并联数来求得，其计算公式分别为 mm mm I NI U MU   2.3 式2.3 中， M 为光伏阵列串联的光伏电池数； N 为光伏阵列的并联光伏电池串数。 sc oc IU 光伏电池阵列的短路电流和开路电压也可由供应商所提供的单个光伏电池板的短路电流 sc I 和开路电压 oc U ，以及光伏阵列的串并联数来计算得到 sc sc oc oc I NI U MU   （2.4）光伏电池供应商提供的技术参数都是在标准光照强度和标准环境温度下（即 ref S 为 2 1000 / Wm ， ref T 为 25 o C ）测得的参数，而在实际的工程应用中光照强度S 和环境温度T 并不是标准状况下的，所以我们需要根据标况下的技术参数推算出适合于实际工程的参数，只有在这些修正后的参数下建立起来的数学模型才是适合于实际工程的模型。下面是实际工程模型的推算过程，其中 * sc I 、 * oc U 、 * m I 、 * m U 为修正后的技术参数。 ref T T T    2.5 1 / ref S S S  2.6 1 S1 S    2.7 * / * a sc sc ref I I S S T  （）（1 ） 2.8 * * -c oc oc U U T S    （1* ）*1b 2.9 * * / *1 a m m ref I I S S T    2.10 * *1 c* *1 b* mm U U T S      2.11 在I-U 特征曲线形状基本不变的情况下，根据硅晶电池的研究过程，a ，b，c 一般取经典值为 0.0025 a  / ℃ ， 0.5 b  / ℃， 0.00288 c  / ℃。根据上述分析，建立光伏阵列的仿真模型，此次仿真采用的光伏电池板的主要参数为 5.3 22 17.5 sc oc m I A U V U V 短路电流为，开路电压为，最大功率点的电压为， 4.9 86 mm I A P W 最大功率点电流为，最大输出功率为。本仿真要求光伏电池阵列输出功率为500KW ，可以根据光伏阵列及MPPT 的特点选取串并联光伏组件的个数， 420 850 MPPT V  根据研究大功率逆变器最大功率跟踪范围为，也就是说直流电压只中原工学院硕士学位论文第二章光伏电池阵列 7 420 850 100  有在范围内时输出功率才能达到。所以本仿真选用的光伏组件的连接方式为28 串210 并，即电压为490V ，电流为1029A ，输出功率约为504KW 。将这些参数输入建立的工程仿真模型中，可以通过示波器看到光伏电池阵列的I-U 和P-U 特征曲线，见图2.2。 2.2 I U P U  图光伏电池阵列的和特征曲线 2.2 490V 由图所示，在标准温度和标准光照强度下，最大功率点在电压为，电流 1029 504 A KW 为时出现，此光伏阵列的最大功率为。与前述的理论分析相吻合，验证了本仿真的正确性。 2.3 最大功率点控制方法的选择 2.2 由节的光伏阵列建模和仿真过程可知，在光照强度和温度一定的情况下，光 UP  伏阵列的曲线存在一个最大值功率点，由此可知，如果能够使光伏阵列的输出功率一直保持在最大功率点上，那么就可以使太阳能的利用效率达到最大，所以应该选择合适的算法使光伏阵列的输出保持在最大功率点上，换句话说就是要进行最大功率点的跟踪。 [12,13] 最大功率点跟踪可以理解为数学中求最值的问题，因此，需要不断改变光伏阵列两端的电压来实现最大功率输出。当最大功率点的电压高于光伏阵列两端的电压时，则增大电容两端的电压，当最大功率点的电压小于阵列两端的电压时则要减小电容两端的电压。也就是说算法的作用要保证在光照和温度变化时，输出电压要自动的向最大功率点的电压靠拢。 Newton method 本文选用的是牛顿插值算法（） [14] 。牛顿插值算法是基于扰动观察与曲线拟合的一种新的算法，是近几年提出的比较有效的 MPPT 算法，该算法运用了数值分析里曲线拟合的思想，并结合了扰动观察法简单快捷的优点，使得算法能够更加精确的跟踪到最大功率点 [15,16,17] 。