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基于分布式发电的微电网能量管理与控制技术的分析.pdf

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摘要摘 要随着我国可再生能源法的颁布与实施,大规模开发利用可再生能源成为国内工程界的热点话题之一。我国拥有广阔的海岸线,海洋能资源丰富,利用海洋能风能、波浪能、海流能等进行发电逐渐受到工程界和学术界的关注。本文依托海洋专项“20kW风浪互补发电平台的研发’’和863课题项目“300kW海洋能集成供电示范系统“,对由分布式发电系统组成的微电网系统进行了研究。能量管理与控制技术是分布式微电网系统的主要研究内容,在分布式微电网的拓扑结构确定之后,设计合理的能量管理与控制策略,可以最大限度的保障微电网的能量平衡及经济、高效、安全运行。本文主要对独立型微电网系统的能量管理控制策略及保护控制策略进行了研究,其中能量管理控制主要包括能量调度管理、蓄电池容量检测和电压型逆变器控制技术,通过底层控制与上层调度相结合的策略,可以保障独立型微电网系统能量的动态平衡,并避免了蓄电池过充与过放,延长了蓄电池的寿命,同时在一定程度上保证了用户的电能质量。保护控制主要从对设备的保护和线路保护两方面进行了分析,针对由逆变器限流作用导致的微电网不同于传统电力系统的故障特性,本文提出了一种基于电压监测的低电压保护策略,能够实现低电流下的线路保护,保障用户供电的可靠性。监测系统是能量管理与控制系统的前端,本文首先介绍了并网和离网式系统的基本结构,针对本文课题研究项目独立型微电网的结构设计了该结构下的监测结构和能量管理与控制系统,在此基础上应用LabVIEW编程语言编写了能量管理与控制系统的相关程序,包括数据采集、监测、电能质量分析、能量调度控制、历史数据库、登陆权限等。关键词海洋能;微电网;能量管理与控制;监控系统万方数据摘要AbstractAlong丽m the promlllgation龇ld implementation of me renew a_ble ene玛y act,tllela玛escale deVelopment觚d utilization of tlle renewable energy become a hot topic inthe domestic engille嘶ng in our coulltIy.With nle Vast coaStline,the oceall ene玛yresources are rich.The ocean eIle理黟power generation,such嬲waVe ene理黟and cullre幽ene唱y,gradually gets me anention of engineering砒ld academic ci|.cles.In tlle paper tllelIlicro一西d syStem,wIlich is composed of恤distributed generation,is studied by“20kWcoIIlplementa巧power generation of wind ene唱y砒1d waVe ene唱y”based on marinespecial如nds aIld“300kW oce锄ene玛y imegmted power supply system”baSed on 863p叫eCt.Ene玛y m锄agement and co曲的l technology is tlle maill reseafch content ofdistributed micro酣d system.ARer t11e topolo酉cal strtlcture ofⅡle dis仃ibuted powersupply is established,desiglling nle re嬲011able ene玛y malIag锄ent and con加1 s妇tegyis to u_nIloSt昏捌阻ntee tlle b越锄ce of energy supply锄d makeⅡle system ecorlomicaJlyaIld e丘iciently arld safcly operate.IIl tlle p印er,ene玛y management s仃ategy andprotection control蚰rategy are studied f.or me islanded micro-鲥d.AmongⅡlem,eIle玛ymaIlagement includes ene唱y schedllling,battery capac毋test船d Volt2喀e t,pe invenercontrol technology.Tlle s的tegy by u11derlying layer scheduling aIld upper control caIlnot oIlly re ene唱y balaIlce ofthe micm po、Ⅳer grid ofme dis仃ibuted power supply,butalso aVoid tlle batte巧ch鹕e a11d discha唱e,prolongingⅡle life spaIl ofⅡle batteⅨ111eequipmem protection aIld line protection are maillly鲫myzed for protect comr01.ForⅡlelllicro鲥d syst锄fault features di仃.ereIlt fbm t11e们ditional po、,er syStem caused byinVerter current limiting缸lction,Low Voltage protection舭gy b嬲ed on Voltagemonitoring is proposed.it call achieVe low power now line protection to guarantee meuser power supply reliabili妙Mollitoring system is the f.ront of the ene唱y maIlagement,mis pap盯first introducestlle basic s仃ucture of the grid锄d o昏面d system,aCcording to tlle o昏嘶d system蛐nJcture using inⅡlis prqect,tlle paper designs monitoring syStem aIld ene昭ymaJlagement aJld comrol syStem of the integrated poWer supply system.Witll LabVIEWprogramming lallguage,aIl ene玛y maIlagement system soRware aIld me preparation oft11e relevant procedures is designed.It m2liIlly includes data collection alld moIlitorir坞,ene玛y scheduling,operation control,d撕b嬲e module and so on.At laSt,the p印erdescribes the protot,Ie design aIld fe弱ibili何KeywordsoceaJl energy, micro一面d,ene唱y management aIld control,monitoringsyStem万方数据摘 要IAbstract..II目录..III第1章 绪论11.1 课题的研究背景..11.2 微电网系统研究现状..21.3 微电网能量管理与控制系统的研究现状31.3.1 微电网能量管理技术的研究现状31.3.2微电网保护控制的研究现状41.4 论文的研究内容..5第2章 分布式微电网系统的拓扑结构62.1 并网型微电网的基本结构..62.2 独立型微电网的基本结构..72.2.1直流母线型72.2.2交流母线型82.3 本研究课题项目微电网结构..92.4本章小结1l第3章 微电网能量管理与控制技术的研究.123.1 微电网能量管理与控制技术的研究内容.123.2 分布式电源与负载特性分析133.2.1海洋能发电特性分析..133.2.2负载特性分析.143.2.3 储能蓄电池充放电特性分析..1 53.3 微电网能量管理技术的研究163.3.1 20kW风浪互补发电系统能量调度策略163.3.2 300kW海洋能集成供电系统能量调度策略..183.3.3蓄电池容量检测算法..193.3.4 电压型逆变器控制技术及仿真研究..213.4 电能质量分析25TTl万方数据目录3.4.1 电压偏差.273.4.2频率允许偏差.273.4.3 电压波动.283.4.4电压闪变.283.4.5三相电压不平衡度..283.4.6谐波..293.5 微电网保护控制技术的研究293.5.1 20kW风浪互补发电系统保护分析293.5.2 300kW海洋能集成供电系统保护分析..303.5.3微电网交流侧故障特性分析..313.5.4基于电压监测的低电压保护原理与仿真分析333.6 本章小结39第4章 能量管理与控制系统的设计.404.1 能量管理与控制系统整体设计404.2海洋能集成供电系统监测结构配置.4l4.2.1 20kW风浪互补发电系统监测结构配置414.2.2 300kW海洋能集成供电系统监测结构配置..424.3 能量管理与控制系统软件设计434.3.1监测结构.434.3.2 电能质量分析.454.3.3历史数据库.464.3.4登陆权限.464.4 本章小结47第5章 结论与展望485.1 全文总结.485.2 工作展望48参考文献.50攻读硕士学位期间发表的论文和参加科研情况..53致谢..54万方数据华北电力大学硕士学位论文1.1课题的研究背景第1章绪论随着我国经济社会的全面快速发展,对能源的需求不断增加,特别是东南沿海地区,经济发展水平位居全国前列,但又是化石能源相对匮乏的地区,随着能源生产成本和运输成本的不断上升,能源问题已经成为制约其发展的主要瓶颈。另外,随着气候变暖、雾霾等环境问题的日益严重、电力系统结构不断老化、能源利用率低下和用户对电能质量多样化需求的日益增加,使得开发利用可再生能源、发展低碳经济受到国家越来越多的重视。我国海域辽阔,岛屿众多,面积大于500平方米的就有6500多个,400多个岛屿上有常驻居民。2011年4月国家海洋局公布了176个可供开发的无名岛屿名录以及2012年7月三沙市的成立【2引,拉开了科学、保护性的开发岛屿的序幕。众多的海岛,在海洋的开发和国防中占有重要的地位。例如南海诸岛屿,富含丰富的石油和可燃冰,成为世界各国关注的焦点和矛盾爆发的多边区。随着海洋资源的开发,海岛电力供应问题已经成为限制海岛经济发展的重要瓶颈。我国东临太平洋,南北跨越三个气候带,海岸线曲折而漫长,其中岛屿岸线达14000多公里,这种优越的自然地理条件,决定了我国海洋能资源的全面和丰富H1。据统计,我国波浪能的可供开发量接近3500万千瓦,海流能的可供开发量达到2000万千瓦b1。开发海洋能,可以在一定程度上缓解我国的能源短缺问题。同时海洋能是清洁可再生能源,能源利用具有可持续性,利用其发电,不会像其他发电方式那样产生废水、废气、废渣,对环境友好。此外,海洋能可以就地取材,因地制宜,利用其发电可以解决偏远海岛和沿海地区的供电问题,促进国防建设和改善民生。因而,对于我国这种拥有漫长海岸线,海洋能资源丰富的国家,利用海洋能发电,在海岛或者海边建立以海洋能为核心的独立或者并网系统对于解决海岛供电、能源短缺、环境问题、改善民生等具有积极的意义。本课题的研究是基于海洋专项“20kW风浪互补发电平台的研发’’和863课题项目“300kW海洋能集成供电示范系统”。其中,前者研发的是一套海上波浪能与风能综合利用的供电系统,波浪能动力装置和风能动力装置通过液压系统进行功率的合成,实现能量的互补,然后通过蓄电池和电力转换系统实现发电端和负载端能量的平衡。后者研发的是一套百千瓦级的波浪能与潮流能发电装置,应用微电网技术实现多路不稳定能量的输入到单路稳定能量的输出。两个项目都以海上分布式发电和微电网技术作为依托,发电装置就近捕集能量进行传输,然后通过智能微电网1万方数据华北电力大学硕士学位论文技术实现能量的综合有效利用。两个项目的实施将在一定程度上弥补我国以海洋能为代表的分布式微电网示范项目应用的不足,为海洋能或者其他可再生能源分布式微电网系统的推广应用提供基础。本课题涉及到的海上分布式发电均受自然条件和环境气候的影响较大,其输出功率具有随机性和不确定性,如何实现整个供电系统的安全、可靠、稳定、高效运行,是微电网能量管理与控制系统的研究内容。本课题将通过对海洋能分布式微电网能量管理与控制技术的研究,使分布式微电网能量管理与控制系统具备以下功能1根据分布式电源和负荷情况,对分布式电源和负荷进行合理调度,针对不同特性的电源采用不同的控制策略,减小分布式电源的出力波动,实现整个供电系统的能量平衡和稳定协调运行。2实现对电能质量检测的要求,可以根据不同用户对电能质量的需求,设置合适的无功补偿装置。3对分布式微电网系统设备和线路进行故障检测与分析,设置合理的保护控制策略,保障分布式微电网系统的安全可靠运行。1.2微电网系统研究现状随着可再生能源开发和利用的升温,如何解决分布式电源出力随机性和波动性对电力系统的影响成为国内外工程界研究的热点之一。微电网由于采用先进的电力电子技术解决了可再生能源的并网问题,实现了用户需求侧管理及能源的最大化利用,发展潜力巨大,因而微电网一经提出,便受到世界各国的普遍关注。各国都根据各自的国情和电力工业状况提出了不同的微电网的概念。虽然微电网的定义国际上没有统一的定论,但基本上认为微电网是具有独立运行能力,能够实现自我控制、管理和保护功能的低压配电网№吲。美国电力可靠性技术协会111e Consonium for Electric Reliabili够TecllllologySolutions,CEI汀S最早提出了微电网概念,并在威斯康星大学麦迪逊分校建立了实验型微电网,之后在俄亥俄州首府哥伦布的Dolall技术中心建立了示范型微网,成功检验了微电网的经济效益、控制及保护策略以及仿真和建模方法等。由于微电网在提高供电可靠性、满足多种电能质量要求、提高能源利用率、降低成本和实现智能化发面存在巨大的潜力,因而美国能源部加强了对微电网技术的研究工作,并且资助了一些大学、国家实验室和公司开展相关的工作,如国家可再生能源实验室NREL、通用电气GE、橡树岭国家实验室ORNL等,建立了一系列微电网示范工程,进一步验证了微电网的合理性与正确性。欧洲对于微电网的研究侧重于提高电能质量和电网的稳定、环保等方面,认为其是大电网的有效支撑。微电网主要是并网运行,只有在电网故障情况下,微电网才独立运行。2005年,欧洲提出了“SmartPowerNe觚orks”计划,并在2006年2万方数据华北电力大学硕士学位论文出台了该计划的技术实施方案,分别资助了“大规模集成小型发电设备到低压配电网络’’及“针对更多微网接入的先进构架及控制理念”等一系列课题的研究,建立了德国曼海姆W甜lstadt居民区示范工程、西班牙LABEIN项目、希腊基斯诺斯岛微电网、意大利CESI项目等示范工程。日本目前在微电网示范工程建设方面处于世界领先水平。为了更好的对新能源进行研究和开发,日本成立了新能源与工业技术发展组织new ene昭y and industri址tecllIlology developInent o礓aIlization,NEDO。2003年,日本新能源与工业技术发展组织开始建立微电网与配电网互联的实验测试平台,并于2005年在中部机场建立了第一个示范工程一爱知微电网,之后在东京都的KyotaIlgo,八户市Hachinohe,仙台市Ser蜥等地建立了一系列示范型微电网。我国微电网的研究尚处于起步阶段,但已有一些科研与示范项目诞生。2010年,珠海东澳岛整合当地太阳能、风能资源,建成了风光柴蓄海岛智能微电网,其中包括1000kWp的太阳能发电,50kW的风力发电,占全岛电力供应的70%,结束了岛内长期以柴油机供电的现状,不仅降低了发电成本,同时减少了环境污染。2012年,青海省水利水电集团有限公司承建的青海玉树州“金太阳”2MW水光互补示范项目顺利通过北京鉴衡认证中心的竣工审查,该项目是国内首座兆瓦级水光互补微电网工程示范项目,其中包括2MW的光伏发电系统、13.8MW的水利发电系统和15.2M肌的储能蓄电池。2014年,国电南瑞集团承担的国家863课题“含分布式电源的微电网关键技术研究”的配套工程浙江温州鹿西岛微电网示范工程“兆瓦级风光储并网型微网系统”通过供电公司、浙江省电科院组织的工程验收。1.3微电网能量管理与控制系统的研究现状1.3.1微电网能量管理技术的研究现状微电网能量管理技术的主要研究内容为微电网在没有大电网支撑的条件下能够稳定、可靠、经济、高效地运行,保障电能质量和数量的要求。微电网的能量管理与传统电力系统有很大差别,微网中发电单元主要是可再生能源,部分可再生能源发电功率具有很强的随机性和不确定性,例如风能、太阳能、波浪能、海流能等,其调度计划及策略不能像传统电力系统那样预先安排。同时需要考虑负荷波动、微电源运行成本、维护费用等方面的因素,以确定各个分布式电源的出力以及相关负荷的启停。目前,国内外在微电网能量管理技术方面的研究已经涌现出了了一些成果,主要包括分布式电源DG的控制、能量调度控制、微电网综合控制等方面。万方数据华北电力大学硕士学位论文针对微网内分布式电源的控制,目前的控制方法主要有VF控制、PQ控制、下垂控制三种。根据不同分布式电源输出特性的不同,微电网可以采取不同的综合控制策略,应用较为普遍的主要是微电网主从控制技术和对等控制技术。文献【9】提出了一种储能采用VF控制,分布式电源采用PQ控制的主从控制技术,并进行了建模与仿真分析。文献【10】提出了一种基于分布式电源对等控制和即插即用的控制方法,其优点是分布式电源即插即用,分布式电源之间无需通讯,缺点是当微电网扰动较大时,无法保证电压和频率的恢复,应用范围较窄。文献【ll】提出了一种基于日前规划和实时调度的能量优化调度策略,建立了日前启停优化模型,以确定全天各时段的微电源启停状态,同时提出了基于蓄电池荷电状态SOC检测的实时调度策略。文献[12】提出了一种基于蚁群算法的微电网优化调度模型,考虑分布式电源的运行成本、维护成本、环境成本,以实现综合经济效益的最大化,同时基于风光柴储互补独立型微电网系统,提出了考虑设备全寿命周期净费用、可再生能源利用率以及污染物排放水平的多目标优化设计模型。文献【13.14】提出了一种基于遗传算法的微电网优化调度模型,可用于微电网经济效益评估。文献[15】提出了一种基于模糊控制的分布式微电网能量管理控制算法,根据对分布式电源的输出功率的预测和储能装置的实时状态确定运行模式,以实现运行成本最优化。文献【16】介绍了珠海单杆岛独立型电网的能量管理系统,重点阐述了蓄电池的充放电管理,但文中主要研究集中在蓄电池的保护上,没有涉及到分布式电源与负荷的投切。1.3.2微电网保护控制的研究现状目前,国内外关于微电网保护的研究大多处于理论研究阶段,且多针对特定的控制方式,比较零散,缺乏较为系统的研究。美国、欧盟等国家在微电网研究方面起步较早,依托建立的实验系统进行了相关的保护研究。我国研究起步较晚,但也相继有一些成果面世。微电网的保护策略大体上可以分为两种1对传统过电流保护的改进,或者基于电压的保护方式。2借助通讯设备,检测多点的电压、电流,从而判断并隔离故障的数字化保护。文献【17】根据故障点离电源越近,电压越低的原理,结合反时限电流保护提出了低压反时限电流保护的策略,与方向判断元件相配合,可以在一定程度上实现微电网并网及孤岛保护的要求,其实现成本低,结构简单,但难以适应未来复杂微电网的要求。文献【18】根据微电网发生不对称故障时微电源负序阻抗较小而负序电流变化明显的特点,提出了一种基于过电流保护和负序过电流保护相结合的微电网保护方案三相对称故障仍然采用过电流保护,保护I段采用电流速断保护,保护II段采用反时限电流保护,不对称故障采用保护I段负序电流速断保护和II段负序反时限电流保护相结合的方案,其适应于储能容4万方数据华北电力大学硕士学位论文量较大的微电网,否则会出现电流速断保护的灵敏性问题,不具有通用性。文献[19】提出一种输电线路距离保护的改进及负荷线路不平衡电流的保护方案,该方案动作阻抗整定比较复杂,且不平衡电流保护主要针对接地保护,对非接地故障不具有保护作用。文献[20.21】提出了利用通信手段实现信息共享的集成保护方案,主保护采用电流差动保护,当主保护拒动或断路器失灵时,则主机CPU根据主保护出口及断路器状态信息,发出跳闸命令。如果通信出现故障,保护装置将向主机报警并且转为后备保护低电压保护。然而,利用通讯的保护方案,硬件的投资大大增加,同时利用通信不可避免面临大量数据的传输,如何保证系统时间的同步性,数据采集的同步性也是当前亟待解决的难题,因而未得到大规模应用。1.4论文的研究内容本文以海洋专项“20kW风浪互补发电系统“和863课题项目“300kW海洋能集成供电示范系统“的实际工程应用为研究出发点,对海洋能集成供电系统的结构及能量管理与控制系统进行了研究,主要内容如下1第二章首先介绍了分布式微电网的基本结构并网型和独立型,分析了他们各自的特点,重点阐述了与本课题项目相关的直流母线型和交流母线型两种独立型微电网的结构,比较分析了他们的优缺点,在此基础上提出了本项目微电网的具体结构。2第三章对独立型微电网的能量管理与控制技术进行了研究,首先对海洋能发电与负荷特性、蓄电池充放电特性进行了分析,然后对能量管理与控制系统的能量管理技术、电能质量标准及检测方法、保护控制策略进行了研究。3第四章首先对海洋能集成供电系统的能量管理与控制系统的整体功能结构进行了设计,在此基础上在LabVIEW编程软件上编写了能量管理与控制系统的监控软件及相关程序,包括数据采集与监测、能量调度控制、电能质量分析、历史数据库、登陆权限等。4第五章对论文的研究内容进行了总结,包括本文研究完成的内容和创新点,并对下一步的工作提出了建议。万方数据华北电力大学硕士学位论文第2章分布式微电网系统的拓扑结构基于可再生能源发电的分布式微电网从结构上可以分为并网型微电网和独立型微电网。并网型微电网既可以并网运行,也可以独立运行。独立型微电网因没有并网接口而只能独立运行,一般用于为偏远地区和海岛供电。由于本文的课题研究项目都是独立型微电网,所以本文在介绍两种微电网基本结构的基础上,重点分析了独立型微电网的拓扑结构及其优缺点。2.1并网型微电网的基本结构‘口鹞辑黼C]∞强膏设备。 潮潍控嬲曩图2-1 CERTS微网结构图2.1为CERTS安装在俄亥俄州首府哥伦布的Dolall技术中心的微电网结构示意图,该微电网系统由三台60kW的燃气轮机、蓄电池、三条馈线、负荷及远程监控系统组成,并通过公共联接点PCCPoint ofcommon co彻ection与大电网相连,图中实线代表能量流,虚线代表控制流。并网情况下,负荷能量需求由分布式电源和大电网共同满足。当分布式电源发电不足时,由大电网补充不足的部分。当分布式电源发电量大于负载所需时,微电网可以向大电网提供能量,对大电网运行起到调节作用。当微电网独立运行时,由储能蓄电池调节能量波动,实现能量的动态平衡。因而并网型微电网既可以并网运行,也可以独立运行,并网运行时,其相对大电网为一个可控单元,能量双向流动,与大电网互为支撑。在大电网故障等情况下,微电网独立运行,提高了供电的可靠性。6万方数据
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