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1、硕士学位论文交直流混合微网协同控制及主动负荷响应策略研究RESEARCH ON REGULATION SCHEME OF HYBRID AC/DC MICRO-GRID AND RESPONSE BEHAVIOR OF ACTIVE LOADXXX XXXXXXXXXXXX 2015年6月 国内图书分类号：TM76 学校代码：10213国际图书分类号：621.31 密级：公开 工学硕士学位论文交直流混合微网协同控制及主动负荷响应策略研究硕士研究生：XXX导 师：XXX 教授申请学位：工学硕士学科：电气工程所 在 单 位：电气工程及自动化学院答 辩 日 期：2015年6月授予学位单位：XXXXX
2、XXClassified Index: TM76U.D.C: 621.31Dissertation for the Master Degree in EngineeringRESEARCH ON REGULATION SCHEME OF HYBRID AC/DC MICRO-GRID AND RESPONSE BEHAVIOR OF ACTIVE LOADCandidate：XXXXXSupervisor：XXAcademic Degree Applied for：Master of EngineeringSpeciality：Electrical EngineeringAffiliation
3、：School of Electrical Engineering and AutomationDate of Defence：June, 2015Degree-Conferring-Institution：XXXX摘 要近几年，微网系统凭借其诸多的优点使得现代电力系统研究进入了新的时代，其通过整合各种微源的优势极大的促进电力系统的发展。微网具有交流结构、直流结构和交直流混合结构，与传统直流微网或交流微网相比，交直流混合微网结构灵活、能量利用率高，但控制复杂。为了保证不同运行状态下交直流混合微网在小扰动下能够稳定运行，本文对不同运行模式下的控制策略进行了研究。为了减小弃风弃光，提高系统综合利用
4、效率，实现削峰填谷，本文对利用群智能算法进行主动负荷响应进行了研究。首先，本文建立了典型微源的数学模型，其中包括：太阳能光伏发电、风力发电和储能单元。对于光伏发电，利用所建立模型分析了不同环境下光伏电池板的输出特性，根据功率电压特性曲线，利用扰动观察法在DC/DC变流器实现最大功率追踪，保证光能的最大利用率；对于风力发电，详细分析了其各模块的数学模型，建立其仿真模型并验证了模型的有效性，为后续风电参与频率调节奠定基础；对于蓄电池，详细分析了其出口双向DC/DC变流器的工作原理，并通过仿真验证了其可有效调节直流母线电压。其次，本文根据交直流混合微网系统结构和运行特点提出了混合微网系统协同控制策略
5、。在联网运行状态下，光伏发电和风力发电以最大功率输出以充分利用可再生能源，微网管理系统通过控制微型燃气轮机的出力来调节与外电网的交换功率，蓄电池仅参与直流母线电压调节；在孤网运行状态下，光伏发电仍以最大功率输出，蓄电池、风力发电和燃气轮机三者对系统进行协同控制，以保证系统频率电压的稳定。利用所建立的仿真模型，通过对比仿真验证了所提控制策略在控制交换功率，抑制频率变化，稳定直流电压上的有效性。最后，针对可再生能源波动性大，日负荷曲线与可再生能源输出曲线不相符，利用燃气轮机进行调节后其输出曲线峰谷差较大，综合利用效率低的问题，提出了引入电价激励政策的主动负荷响应策略。该策略利用蚁群算法，以最小用电
6、费用为目标函数进行用电任务安排。通过对比验证，证明了本文所用蚁群算法可高效，快速的实现主动负荷响应，有效的缩小燃气轮机输出峰谷差，提高系统综合利用效率。本课题由国家自然科学基金委（NSFC）提供资助。项目名称：智能电网与电动汽车环境友好集成与交互基础理论和关键技术研究（51361130153）。关键词：混合微网；协同控制；主动负荷响应；蚁群算法；削峰填谷- V -AbstractIn recent years, micro-grid system has brought modern electric power systems research into a new era because
7、of its advantages, it promotes the development of power system greatly by integrating the advantages of a variety of micro-sources. Comparing with traditional AC or DC micro-grid, a hybrid AC/DC micro-grid has flexible structure and high energy efficiency but complex control. This paper researched o
8、n the control strategy of hybrid AC/DC micro-grid in different operating status to ensure the stable operation in small perturbations. In order to reduce abandoning wind and sun, improve the utilization efficiency and realize load shifting, this paper researched on the active load response by swarm
9、intelligence algorithm.Firstly, this paper established the mathematical model of typical micro sources, including photovoltaic (PV), wind turbine and battery (BA). For PV, this paper used the established model analyzing the output characteristic in different environments, realized the maximum power
10、point tracking by disturbance observer method in DC/DC converter to ensure maximum utilization of light energy. For wind turbine, this paper analyzed the mathematical model of each module and the simulation result proved the mathematical model was effective which laid a foundation for participation
11、in frequency regulation of wind turbine. For BA, this paper analyzed the working principle of the bidirectional DC/DC converter and the simulation result proved the model can effectively keep the stable of the DC bus voltage.Secondly, according to the structure and operational characteristics of hyb
12、rid AC/DC micro-grid, this paper proposed a coordinated control strategy. In grid-connected mode, PV and wind turbine work in maximum output power to take full use of renewable energy, micro-grid management system adjusted the exchange power by changing the output power of micro gas turbine and the
13、battery only adjusted the DC bus voltage. In island mode, the PV still worked in maximum output power, the battery, wind turbine and gas turbine cooperatively adjusted the system to keep the stable of frequency and voltage. The simulation result proved the proposed cooperative control strategy was e
14、ffectively on controlling exchange power, restricting frequency fluctuation and keeping DC Voltage stable.Finally，as the renewable energy has large fluctuations, the daily load curve and renewable energy output curve doesnt match, the output curve of gas turbine has large peak and valley difference
15、after adjusting and the system has low efficiency, this paper proposed an active load response strategy with price incentive policy. The strategy used ant colony algorithm and made minimum electricity costs as the target function to arrange the power task. By contrast verification, the result proved
16、 the ant colony this paper used could quickly and efficiently realize active load response, efficiently reduce the output peak and valley difference of gas turbine and improve the comprehensive utilization efficiency of the system. This Project was funded by the National Natural Science Foundation o
17、f China (NSFC). Project name: The Basic Theory and Key Technology of Environment Friendly Integration between Smart Grid and Electric Vehicle(51361130153).Keywords: hybrid micro-grid, cooperative control, active load response, ant colony algorithm, load shifting目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪 论11.1 课题的研究背景及目
18、的意义11.2 微电网的发展21.3 微电网研究现状41.3.1 微网系统的拓扑结构51.3.2 微网系统的控制策略61.3.3 微网系统主动负荷响应71.4 本文的主要工作8第2章 微网系统结构及微源建模92.1 引言92.2 交直流混合微网的结构92.3 光伏阵列建模及最大功率追踪102.3.1 光伏阵列等效电路及数学模型102.3.2 光伏出口DC/DC转换电路132.3.3 光伏电池板最大功率追踪策略132.4 风电机组建模152.4.1 风力机组风轮系统数学模型152.4.2 传动机构数学模型162.4.3 异步发电机数学模型162.4.4 风电场等值182.4.5 风电场Matla
19、b/Simulink仿真192.5 蓄电池及双向DC/DC模型202.5.1 蓄电池模型202.5.2 双向DC/DC模型202.5.3 蓄电池模块仿真222.6 双向AC/DC变流器建模242.7 本章小结26第3章 混合微网协同控制策略研究273.1 引言273.2 微网的分层协同控制系统结构设计273.3 微网联网运行控制策略研究283.3.1 微网联网运行控制策略283.3.2 微网联网运行控制效果仿真分析303.4 微网孤网运行控制策略研究333.4.1 微网孤网运行控制策略333.4.2 微网孤网运行控制效果仿真分析363.5 本章小结42第4章 微网系统主动负荷响应434.1 引
20、言434.2 蚁群算法介绍434.3 蚁群算法在主动负荷响应中的应用444.4 电价激励政策的建立464.5 电器模型的建立484.6 主动负荷响应效果仿真分析504.7 本章小结52结 论53参考文献54攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果58哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明59致 谢60第1章 绪 论1.1 课题的研究背景及目的意义能源是人类社会进步的基础。将各种能源转化为电能供人们使用极大的促进了社会的发展，方便了人们的生活。随着经济发展，人民生活富足，人们不仅加大了对电量的需求，还提高了对电能质量的要求。但是随着化石能源的逐渐枯竭、核电项目受限、电力结构老化、环境污染严重
21、、传统电力系统容易受到攻击、城市配电系统升级缓慢以及多次大规模停电事故等问题相继出现1-4。多国认识到传统的电网结构已经不跟不上社会发展的步伐。在这种背景下，以可再生能源发电为主的分布式发电应运而生。分布式发电以其容量相对较小，建设时间短，投入资金少，发电方式灵活，可转化的能源种类丰富，大部分电能就地消化，降低输电网送电压力，节省输电成本，利用可再生能源，与环境兼容性好，污染小等优点得到各国的重视5-7。但因分布式发电受环境影响随机性较大，将其大量联网运行可能会给电力系统带来较大的冲击，并导致相应的电网安全性和稳定性降低以及电能质量不能够满足最低要求等一系列严重问题。此外，对于整个电力系统来说
22、，分布式发电输出随机性强，可控性差，所以电力系统总是试图使其脱网来降低分布式发电对整个系统产生的影响8。为了解决分布式发电与电网融合性差的问题，将一种或几种分布式发电整合到一起，以一定的控制策略实现其安全稳定运行的微网应运而生9-12。 微网的概念一经提出，由于其同时具备环境友好型和资源节约型特性，适应时代的发展，可为人类提供源源不断的能源，实现可持续发展，节能减排的目标，很快就受到了各国科学家的关注，并取得了很多研究成果13-16。按照微网的结构及运行特点，可将其分为交流微网、直流微网和交直流混合微网。传统的交流微网和直流微网因其存在交直流形式的转换致使网内大量使用电力电子转换设备。交直流混
23、合微网含有交直流两条母线，可以有效的减少电力电子转换设备的使用，减小网络建设成本，提高系统综合利用效率17。因此研究交直流混合微网具有重要意义。交直流混合微网具有联网运行与孤网运行两种状态。在联网运行状态下，混合微网系统的频率和电压由外电网调节，其抗干扰能力较强。但其存在与外电网交换功率控制，交直流母线交换功率控制以及蓄电池充放电控制等问题。因此，研究联网运行状态下交直流混合微网的控制策略具有重要意义。当外电网发生事故或者电能质量低于最低标准时，微网系统转入孤网运行状态。孤网运行状态下，系统频率和电压得不到外电网的支撑，如何保证投切负荷后系统的稳定；如何保证交直流分离后交流侧和直流侧的稳定；如
24、何保证蓄电池最大备用容量；如何利用系统内部微源进行协调控制具有重大研究意义。由于微网中部分微源具有随机性，其输出受环境影响波动性较大，容易形成负荷高峰期无电可卖，负荷低谷期无人买电的尴尬局面，出现弃风、弃光现象，造成能源的浪费。通过引入激励政策可以改变用户的用电规律，实现削峰填谷，提高微网系统的综合利用效率。如何引入激励政策，来实现主动负荷响应具有重要研究意义。本课题由国家自然科学基金委（NSFC）提供支持。项目名称：智能电网与电动汽车环境友好集成与交互基础理论和关键技术研究（Intelligent Grid Interfaced Vehicle Ecocharging (iGIVE)）（51
25、361130153）。1.2 微电网的发展Lasseter B教授在2001年的冬季电力工程协会上首次提出了微网概念，随着微网研究的逐渐深入，其研究重点逐渐从交流微网、直流微网转移到结合了交流微网与直流微网各自优点的交直流混合微微网18-20。 交流微网结构简单，技术成熟，目前已有许多示范工程，具有代表性的为美国CETRS出资建设的微电网，其单线图如图1-1所示。图1-1 CETRS微网结构图1-1中的CETRS微网系统为典型交流微网，含有三条馈线：馈线A、馈线B和馈线C。馈线A上的负荷为敏感负荷，这对电能质量的要求较高，因此在馈线上连接储能及光伏发电等微源，当交流母线电能质量不达标时，可通过
26、断开断路器1并利用储能及光伏发电维持馈线A的运行；馈线B上的负荷为可中断负荷，在微网系统供能不足时可以适当切除部分可中断负荷以保证系统的稳定性；馈线C上的负荷为不可中断负荷，为了保证馈线C的电能质量及供电稳定性，在馈线C上连接燃气轮机和蓄电池，燃气轮机可以保证馈线C电能不中断。各馈线通过断路器与交流母线相连，交流母线通过公共藕合点（PoC）与外电网相连21-22。整个微网的安全稳定运行主要通过微网能量管理系统控制。虽然交流微网技术成熟，但是直流微源出口处大量使用电力电子器件，照成建设成本及运行成本的增加。与交流微网相比，直流微网凭借其控制简单、能量利用率高而得到广泛研究23-25。直流微网系统
27、典型结构如图1-2所示。图1-2 直流微网结构图图1-2中，直流微网仅含有一条直流母线，光伏发电和储能单元等直流微源与直流负荷直接或者通过DC/DC变流器与直流母线相连；风电发电机和微型燃气轮机等交流微源与交流负荷通过AC/DC变流器与直流母线相连；直流母线通过联网AC/DC变流器与外电网相连。通过对联网AC/DC变流器或者PoC的控制可以实现直流微网的联网、孤网运行。微网能量管理系统负责整个直流微网的安全稳定运行。直流微网控制简单，仅需保证母线电压恒定，但其也大量应用电力电子器件，综合利用率较低。为了减少微网中电力电子器件的使用，减小损耗，提高微网系统的综合利用效率。各国逐渐开展了对含有交流
28、母线和直流母线的交直流混合微网的研究。交直流混合微网可以较好的继承传统微网的优点。相对于单一的交流或直流形式，混合微网具有如下特点：1）具有交流和直流两根母线，直流单元连接到直流母线上，交流单元连接到交流母线上，交直流母线之间通过双向AC/DC变流器连接，这种结构可以减少AC/DC、DC/AC等变流器的使用，可以有效地降低建设成本，并减少系统中的谐波。2）家用电器中电脑、电视等利用直流电工作的电器直接或者通过DC/DC与直流母线相连，电冰箱和风扇灯等利用交流电工作的电器与交流母线相连。这样可以减少变流器装置的使用，减小电器体积，降低电器制造成本。3）大量减少整流、逆变装置，使控制更加灵活，降低
29、网络损耗，提高系统的可靠性和经济性。基于以上优点，各国逐渐加大了对交直流混合微网的研究26-31。典型交直流混合微网结构如图1-3所示。图1-3 交直流混合微网结构图1-3中燃气轮机、风力发电机等交流微源和交流负荷与交流母线相连，光伏发电、储能单元等直流微源和直流负荷与直流母线相连，交直流母线间通过双向AC/DC变流器相连，交流母线通过PoC与外电网相连。通过控制交直流母线间断路器可以使交直流部分各自孤立运行。整个系统通过微网能量管理系统保证其运行的安全性与稳定性。1.3 微电网研究现状2014年5月27日，国家电网宣布，将向社会资本全面开放分布式电源联网工程与电动汽车充换电设施两大领域。这表
30、明我国对分布式发电的大力支持，可以预测，在未来的电力系统中，分布式发电将具有重要地位。目前，各国对微网的研究主要集中在微网系统的结构分析、微网系统的控制策略和提高微网系统内微源综合利用率上。1.3.1 微网系统的拓扑结构对微网进行研究首先要根据微源及负荷性质等建立合适的拓扑结构。由于传统输配电网及家用电器都利用交流电，在最初的研究阶段，各国将研究重点放在了交流微网的研究上。交流微网拓扑结构基本相似，大部分为辐射状结构，交流单元通过变压器与交流母线连接，直流单元通过电力电子变流器与交流母线连接。系统通过PoC与外电网连接，通过对PoC开断的控制，可以实现微网的不同运行状态。文献32根据交流微网拓
31、扑结构与系统内分布式发电容量的大小以及负荷的重要程度将交流微网分成3类：大容量接入输电网的电场级微网；中等容量接入配电网的配网级微网；小容量孤网运行的村级微网。虽然各个等级的交流微网可以充分发挥微网的优点，实现能源的可持续发展，但是其大量使用电力电子设备，增加了微网的控制难度，建设成本，且很多微源经过多次电能转化，造成了很大的浪费。文献33根据各个微源及负荷与母线的结合方式将其分为并联形式与串联形式：含多条馈线的交流微网中，馈线上的微源组成串联结构，各条馈线组成并联结构。这样的结构使微网结构简单明了，易于实现微网的建设，但是其还是存在使用大量电力电子设备，谐波严重，成本相对较高的缺点。因大部分
32、交流微网存在大量使用电力电子设备，谐波污染严重，成本相对较高，电能损失较大，控制难度相对较大的缺点。在交流微网系统运行保护技术相对成熟之后，各国科学家展开了对直流微网的研究。与交流微网相比，直流微网相对简单，系统中各交流微源和交流负荷通过电力电子器件与直流母线相连，直流微源和直流负荷直接或通过升压降压与直流母线相连，直流母线通过变流器与外电网相连。直流微网稳定性较高，仅需保证直流母线电压稳定，不需要考虑频率、电压相位、涡流以及无功功率等。文献34根据微源负荷的连接及运行特点，介绍了直流微网的多环结构和辐射结构。其中，多环微网采用环状结构可以提高系统稳定性；辐射状微网结构简单，可以减少断路器的数
33、量。虽然直流微网结构可以提高系统稳定性，降低电力电子器件的使用数量，但是直流微网中含有燃气轮机等旋转设备，其接口还是需要AC/DC转换装置。文献35介绍了日本多个已建成并成功运行的微网示范性工程。其中在日本Sendai建立的智能微网示范工程包括一根交流母线和一根直流母线，是一个典型的交直流混合微网。该微网的直流母线连接储能单元、PV和直流负荷；交流母线连接燃汽轮机、交流负荷，并通过DC/AC变流器连接PV和燃料电池；交流母线与直流母线之间通过双向AC-DC变流器连接，系统在交流母线上通过公共耦合点与外电网相连。整个交直流混合微网系统通过中央控制器（微网管理系统）进行控制。该系统结构简单，层次分
34、明，利用中央控制器控制方式灵活，但是依赖较高的通信系统。总结已有的微网结构，现在已建立的大部分微网采用传统交流结构或直流结构，这两种结构中会大量使用电力电子器件，不仅增加系统的建设成本，电能在交直流转换过程中，会照成大量的浪费，降低微网的综合利用效率，1.3.2 微网系统的控制策略文献36-38总结了微源层面的P-Q控制（有功无功控制）、V-f控制（频率电压控制）和droop控制（下垂控制），微网层面的主从控制、对等控制和分层控制。并详细的分析了各种控制模式的优缺点。其中，主从控制需要一个容量相对较大的微源采用V-f控制，并且需要中央处理系统处理系统信息，分配各DG的有功功率和无功功率，比较依
35、赖通信系统；对等控制不能保证可再生能源的最大化利用，有可能产生弃风、弃光现象，且若系统功率缺额过大会导致系统失稳；分层控制方式过分依赖通信系统，若通信系统发生故障，系统很难维持稳定。文献39提出了一种新方法以实现对交直流混合微网中双向AC/DC变流器的控制，该方法在传统的双向AC/DC变流器中加入了交换功率控制模块用于控制交流母线与直流母线之间的功率流动。在联网运行时，新方法通过在直流侧电压外环中设定内环电流参考值来实现对交直流交换功率的调控；孤网运行时，新方法以交直流电压差值作为外环，控制交直流交换功率。新方法提高了混合微网系统运行的安全性、稳定性和可靠性，并使控制更加灵活。文献40提出了交
36、直流混合微网的直流分层控制系统，该策略可以有效的提高交直流混合微网中直流母线电压的性能。该控制策略分为两层，第一层利用droop控制方式保证直流母线电压和交流母线电压、频率稳定，并完成负荷的分配；第二层控制利用电压补偿控制系统补偿由droop控制导致的电压变化，进一步保证电压质量，该控制系统能够有效的实现对混合微网的控制。文献41研究了混合微网的离网过程和联网过程。提出了利用双向AC/DC变流器快速改变微网频率和相位的PoC无冲击投切策略。通过该控制策略的调节，在收到联网信号后，混合微网交流母线的频率、相位可以快速接近外电网，并在其达到规定范围内时迅速联网。在孤网运行状态下双向AC/DC变流器
37、采用电压源电压控制方式，联网前，先将变流器输出电压的频率和相位调节到与外电网相同，然后闭合PoC断路器实现联网，联网后变流器工作方式变为电压源电流控制模式。总结现在已有的微网系统控制方法，传统交流或直流微网控制策略可有效的实现交流频率、电压和直流母线电压的控制，但其母线种类单一，并不适合交直流混合微网；已有的交直流混合微网控制策略主要是对交直流连结双向AC/DC变流器进行控制，且并没有考虑蓄电池容量的限制，所建立交直流混合微网系统结构比较简单，系统参与调节的微源种类单一。对于多微源协同调节以及交直流离合等研究较少。 1.3.3 微网系统主动负荷响应因大部分微网系统内的微源利用可再生能源发电，其
38、受到外界天气的影响输出波动性较大。如光伏发电和风力发电等受到光照强度和风速的影响，会导致其出力时刻改变，夜晚风力输出较大，白天光伏输出较大，这会导致用电低谷有电无人用、用电高峰需电无人发的局面。为了进一步充分利用可再生能源，减少弃风，弃光现象，并且保证与外电网的交换功率在规定范围之内，需要利用燃气轮机进行调节。这会导致燃气轮机出力峰谷差过大的问题。燃气轮机过大的峰谷差会导致其综合运行效率低下。随着智能电网以及智能家电的研究的逐渐深入，智能化家居渐渐走入居民的家庭中。智能化家居可以实现对家中电器的自动协调、远程控制42-43。通过引入激励政策，进行主动负荷响应，调节各电器设备的运行时段，可有效的
39、缩小燃气轮机输出峰谷差，提高燃气轮机综合利用效率。文献44利用智能家居技术，根据一定的优化约束建立一定的激励政策利用遗传算法进行主动负荷相应，可以有效的实现用电任务的安排。但是采用遗传算法效率较低，容易过早收敛，若用电设备过多，不易找到最优解。文献45研究了一种基于改进遗传算法的家庭智能用电调度优化模型及优化算法，其根据家庭用电的主要特征，将家庭用电任务分为连续运行与中断运行两类，模型以降低一天中的用电负荷峰值或用电费用为优化目标，并通过典型家庭中家用电器的特性模型和分时价对遗传算法的效果进行仿真验证。但是其采用单一峰谷电价，算法不能很好的适应多种价格的分时电价政策。文献46提出了绿色家园服务
40、（GHS）来进行家庭能源管理设计和实施。该方法很好的解决了智能电网家庭能量管理的关键问题，提高了负荷的可管理性。并提出了基于任务时常的算法有效的实现了削峰填谷，合理的安排了各负荷运行的时间。但该算法并没有考虑电价因素，无法实现降低用电成本的目标。总结国内各位学者关于主动负荷响应的研究，主要采用遗传算法，并根据一定的激励政策，以降低用电费用或者实现削峰填谷为优化目标，该算法可以实现对用电任务的安排。但国内关于其他优化算法在主动负荷响应上的研究较少。1.4 本文的主要工作本文以交直流混合微网系统为研究对象，建立含有燃气轮机、风力发电机组、太阳能光伏发电站、储能单元以及D-STATCOM的模型。分析
41、各微源的运行特性，研究联网运行与孤网运行状态下微网系统的控制策略，解决微网系统稳定运行的问题。为了提高微源的利用效率，研究适当的主动负荷响应策略，实现削峰填谷。具体的工作包括：1）建立太阳能光伏阵列的数学模型，并详细研究其最大功率追踪策略及实现方法，以保证光能的最大利用率；建立双馈异步风力发电机的基本数学模型，并分析其基本工作原理，为风电机组参与调频提供基础；建立双向AC/DC变流器的数学模型，并详细分析其在微网不同运行模式下的控制方式以实现对微网状态的调节。2）针对联网运行状态下，微网内功率波动过大会对外电网产生影响以及过大的交换功率会导致离网后系统失稳的问题，研究联网运行控制策略，达到可再
42、生能源利用率最大化、减小微网对外电网的影响的目的。针对孤网运行状态下，必须保证交流侧与直流侧稳定，以及蓄电池容量有限不能长时间充放电的问题，研究微网系统孤网运行状态下燃气轮机、风力发电机组和蓄电池协同控制策略，协调好各微源的调节作用，保证系统稳定运行，并实现蓄电池调节功率快速归零，保证最大备用容量。3）针对充分利用风能和光能情况下燃气轮机输出峰谷差过大的问题，研究一种基于蚁群算法的主动负荷响应策略。通过在微网系统内引入电价激励政策来实现家庭用电费用最小化的同时，减小燃气轮机输出峰谷差，提高燃气轮机的综合利用效率。第2章 微网系统结构及微源建模2.1 引言随着与微网相关的研究成果不断增多，学者发
43、现含有交流和直流两条母线的交直流混合微网可有效地解决传统单一母线微网因大量使用电力电子器件而造成损耗较大，综合利用效率低等问题。交直流混合微网以其综合利用率高，控制灵活逐渐成为人们研究的重点。本章首先确立了交直流混合微网的系统连接结构，然后建立了混合微网内典型微源的数学模型，其中包括光伏发电场、风力发电机组、储能单元以及交直流母线连结双向AC/DC变流器。分析了各个模块的工作原理，为下一章混合微网协同控制策略研究做铺垫。2.2 交直流混合微网的结构为了对交直流混合微网不同运行模式下的控制策略进行研究，根据已有微网结构特点来确定本文所研究的交直流混合微网系统结构。 交直流混合微网具有一条交流母线
44、和一条直流母线，直流侧微源、储能系统、负荷等经DC/DC变流器连接到直流母线；交流微源以及交流负荷通过变压器连接到交流母线。为了充分体现交直流混合微网的特性，本文研究微网系统连接方式如单线图2-1所示。图2-1 交直流混合微网单线图如图2-1所示：4MW光伏发电PV、5MW储能单元BA、直流负荷等直流设备通过DC/DC变流器与1kV直流母线相连； 22.5MW风力发电厂、50MW小型燃气轮机等旋转发电设备与交流负载通过变压器与35kV交流母线相连；交流母线与直流母线之间通过双向AC/DC变流器相连；交流母线通过公用耦合点与35kV外电网相连。该结构通过一个双向AC/DC变流器代替原来每个直流单
45、元出口的双向AC/DC变流器，这样可以有效的减小电能在变流器上的损耗，减少系统的建设费用，提高系统综合利用效率。但该结构包含交流和直流两条母线，为了维持系统稳定性高需对交流侧和直流侧同时控制，增加了控制的难度。2.3 光伏阵列建模及最大功率追踪太阳能以其污染小、储量丰富、转化方便等优点得到广泛应用，其中应用最广的是太阳能光伏发电。当光线照射半导体界面时，其表面发生光生伏打效应，该效应可使光能直接转化成电能加以利用。利用该效应研发出光伏电池板，光伏电池板通过串联和并联再进行封装和保护可形成功率较大的太阳能电池组件，将太阳能电池组件加以功率控制，再进行并联可建成光伏发电站。 2.3.1 光伏阵列等
46、效电路及数学模型基于二极管的光伏阵列等效模型47如图2-2所示。图中为光生电流，相当于一个电流源，其大小取决于光照强度，是光伏阵列输出电压；是光伏阵列输出电流；为流经等效二极管的电流；为等效二极管两端电压；为漏电损耗的等效电阻，一般阻值较大，超过；为光伏电池板串并联后的等效输出电阻，一般较小。图2-2 基于二极管的光伏阵列模型根据图2-2中的光伏阵列等效模型计算其输出电压与输出电流关系可得到式（2-1）和式（2-2）。 （2-1） （2-2）设二极管的等效漏电流为，等效反向电压为，则： （2-3）式(2-1)(2-3)即为图2-2的数学模型。将式(2-2)和式(2-3)带入式(2-1)得到： （2-4）式(2-4)中明显含有代数环，代数环除了会大幅度减缓模拟仿真速度外，在某些仿真环境下甚至会影响仿真的精度，导致仿真结果有较大误差甚至产生错误结果。根据文献48，同时根据光照强度变化和环境温度变化等因素对光伏发电的影响，在误差允许范围内，利用等效模型消除代数环。设定一定光强、一定温度下光伏阵列的短路电流为、开路电压为，输出最大功率时的电流为、电压为、，则光伏阵列输出电压电流之间关系如下： （2-5）其中，为输出电流，、都为参量，各参量的计算公式如下： （2-6） （2-7） （2-8） （2-9）
