#伴我起航2015#＋微电网孤岛实时控制策略的研究+哈工大
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1. 课题来源及研究的背景和意义1.1 课题来源
通过查阅与专业相关的资料及文献，并根据自己所学的专业知识以及与导师进行讨论确定论文题目。
1.2 课题研究的背景和意义
能源是经济发展的重要物质基础，而电力是最清洁便利的能源形式，是国民经济的命脉。电力生产的过程就是大规模地将各种类型的一次能源转换为容易输送和方便转换的电能并输送分配的过程。工业革命以来，世界能源消费剧增，煤炭、石油、天然气等化石能源资源消耗迅速，生态环境不断恶化，特别是温室气体排放导致日益严峻的全球气候变化，社会的可持续发展受到严重威胁。因此，世界各国纷纷开始关注环保、高效和灵活的分布式发电。目前，比较成熟的分布式发电技术主要有风力发电、光伏发电、燃料电池和微型燃气轮机等几种形式。
分布式电源自身存在着缺陷，其特性决定了一些电源的出力将随外部条件的变化而变化，表现出间歇性和随机性等特点，使得这些电源仅依靠自身的调节能力难以满足负荷的功率平衡，且不可调度，需要其他电源或储能装置的配合以提供支持和备用；对配电网而言，由于分布式电源的接入导致系统中具有双向潮流，给电压调节、保护协调与能量优化带来了新问题。当前，一些分布式电源在系统侧发生故障时自动退出运行，加剧了系统暂态功率不平衡，不利于系统的安全性和稳定性；为数众多、形式各异、不可调度的分布式电源将给依靠传统集中式电源调度方式进行管理的系统运行人员带来更大的困难，缺乏有效的管理将导致分布式电源运行时的“随意性”，给系统的安全性和稳定性造成隐患。
图1 微电网系统拓扑结构
为了更好的发挥分布式电源的作用，同时也顺应世界发展的走势与潮流，提出了一种将地理相对集中的各个分布式发电电源及其相邻负载自行联结组成一个小型可独立运行的电网，我们称之为微网。图1所示为一种典型的微电网系统拓扑结构。微网已经成为现代电网发展重要趋势，其控制问题也是目前的研究热点之一。有效实现微网的电压频率控制，是微网推广与应用的关键。
2．国内外在该方向的研究现状及分析2.1 国外研究现状
近年来，对微电网技术开展研究的主要国际组织和项目包括：美国CERTS和PSERC的微电网计划、欧盟的“The Microgrids Project”、美国LBNL组织的DER-CAM计划、日本的NEDO组织和加拿大CANMET能源技术中心等。
目前世界上针对微电网的研究，还限于微电网的内部运行机制，提出的主要控制措施集中在微电网的频率和电压的调节以及电力市场机制上，而在微电网稳定性的分析、安全与自动保护措施、独立运行机制、多微电网运行机制等方面还有一些列问题需要解决[1~4]。
2.2 国内研究现状
在中国，发展微电网的最大动力是充分利用可再生能源来满足未来能源的多元化需求，最大化接纳分布式电源，提高能效。
近几年，国内的微电网开始逐渐走到政策前台，国家科技部“863”项目和金太阳示范工程已经开展了多个微电网工程示范。国家能源局发布的《可再生能源发展“十二五”规划》中明确提出：到2015年，我国将建成30个以智能电网、物联网和储能技术为支撑的新能源微电网示范工程。但与欧美国家相比，我国微电网仍处在起步阶段，现阶段的主要任务是评估微电网的可行性及经济效益，并集中力量解决偏远地区及无电地区的电力供应问题。制约微电网商业化推广的主要问题是[5]： = 1 \* GB3 ①对于微电网而言，怎样构建与大电网的友好关系是其面临的核心问题，具体表现为微电网与大电网的快速隔离、并网状态与孤网状态的无缝切换以及微电网内部的稳定控制； = 2 \* GB3 ②包括可再生能源发电技术、储能技术、平滑切换控制技术以及数据通信技术等先进技术在我国仍不够成熟。
2.3 国内外文献综述的简析
围绕着孤立微电网，国内外学术界和工程界开展了大量研究工作，并建设了许多具有代表性的项目工程，如表1所示。
表1 国内外典型微网项目列表
|
代表性的基础项目 |
相关技术 |
研究内容 |
美国CERTS的微网项目 |
微网概念、即插即用微网 |
联网/孤岛模式自动切换；无需高速通信实现孤岛条件下的电压和频率稳定 |
美国圣地亚哥国家实验室微网项目 |
故障监测与保护技术 |
自主研发了一种微电网设计方法——能源安全微电网方法。主电网发生停电时，微电网与主电网断开，但是微电网中的可再生能源可继续发电且不会产生安全危害 |
德国慕尼黑Manheim微网 |
经济性能 |
微网的社会认可；微网运行导则制订；微网经济效益 |
天津大学大型微电网实验室 |
可再生能源发电技术 |
含风、光、储、微型燃气轮机、燃料电池于一体的大型微电网实验室，其中光伏发电容量达到100kW，储能系统采用铅酸、锂离子、飞轮、压缩空气等多种形式的储能形式 |
杭州电子科技大学微电网系统 |
分布式发电技术 |
微电网系统的电源总容量240 kW，其中光伏发电系统容量120kW，光伏发电比例50%，储能采用铅酸蓄电池组,容量为50kWh，并配有100kW超级电容及电压跌落补偿系统，主要用于电能质量调节平抑超短期负荷的波动 |
珠海东澳岛智能微电网示范工程 |
分布式发电及储能技术 |
根据海岛独特的自然条件，整合了太阳能、风能和柴油新旧能源发电单元，建设成包括1000kW的光伏发电、50kW的风力发电和蓄电池储能系统在内的分布式供电系统，使全岛可再生能源发电比例达到70% |
目前，正对微网并网的经济问题国外已经展开了较多的研究，而对于独立运行模式下的微网经济运行研究还很缺乏。文献[6]围绕包含风力发电、光伏发电、柴油发电机和铅酸电池储能的独立微网系统，提出了包含微网全寿命周期内成本现值、污染排放水平和负荷容量缺失率的多目标优化设计模型。该优化模型在控制策略上，考虑多台柴油发电机的组合开机方式、储能电池与柴油发电机之间协调控制策略，以及系统备用容量等问题。在优化变量选取上，针对设备类型和装机容量同时进行优化设计。最后利用自主开发的微网优化设计软件(planning design system for mirogrid，PDMG)针对某孤立海岛，进行独立微网系统的多目标优化规划设计。文献[7]针对含有常规柴油发电机组和储能系统的孤立微网，提出了柴油发电机和储能系统的协调控制方法，包括柴油发电机作为主电源时，储能系统的辅助功率控制，以及独立微网系统中柴油发电机和储能系统双主电源的无缝切换控制策略，最后利用PSCAD仿真软件对所提方法进行了验证。文献[8]给出了并网和离网两种条件下的数学模型，提出了一种双模式协调控制的策略，最后通过了仿真验证。文献[9]考虑了在独立微网中储能的充放电效率，提出了基于多重储能系统协调控制策略，以维持功率平衡和最小有功损耗。开展独立微网系统的优化规划设计，需要充分考虑独立微网系统内分布式电源的运行控制策略和组合方案，文献[10]从仿真工具、仿真方法、运行控制策略、优化设计数学模型等方面针对独立微网系统中的分布式电源规划设计方法进行了相关综述。优化规划目标通常包括可靠性、污染物排放和系统成本三大类。可靠性指标包括电力不足时间、电力不足时间概率、电力不足容量概率等[11]。在进行优化规划设计时，通常希望系统能够同时满足多个指标约束条件。但实际上在多目标优化问题的求解中，不同目标之间往往是相互冲突的。文献[12]采用基于固定权重值的方法，将多目标优化简单地转化为单一目标优化问题，但这不能称之为完全意义上的多目标优化。文献[13]针对风\光\柴\储独立微网系统，提出了以碳排放量最少和全寿命周期成本最小为优化目标的多目标优化设计方法，利用自主开发的基于遗传算法的混合优化设计软件(hybrid optimization by genetic algorithms，HOGA)进行优化求解。多目标寻优不再是寻找解集内单个全局最优解，而是寻找一组均衡解，也即帕累托(Pareto)最优解。文献[14]针对风光互补微网系统提出了包含失负荷概率、失能量概率和系统成本等指标的三目标优化模型。独立微网系统的运行控制策略将直接影响系统配置方案的各项技术经济指标[15]。文献[16]围绕储能电池和柴油发电机的能量管理提出了多种运行策略，该策略根据对储能电池的单次循环充放电成本和柴油发电机单位发电成本的比较，确定储能电池和柴油发电机投入运行的优先权，该方法在可再生电力混合优化软件(hybrid optimization model for electric renewables，HOMER)和HOGA中得到应用。文献[17]采用类似的方法，研究了包含电化学电池、燃料电池、柴油发电机、电解水制氢、风力发电和光伏发电独立微网系统的能量管理策略，按照成本最小原则对上述设备进行组合，以满足净负荷(文中净负荷大小等于负荷需求减去可再生能源出力)的需求。在美国国家新能源实验室开发的仿真软件Hybrid2中[18]，针对风\光\柴\储独立微网系统提出了多种控制策略，然而该软件无法开展独立微网系统的容量优化设计。在Hybrid2中多种控制策略的基础上，文献[19]进一步提出了一种多能源协调控制策略，该策略能够保证储能电池长期可靠运行，提高了系统全寿命周期经济性。
3．主要研究内容
本课题主要将针对孤岛条件下微网实时控制策略进行研究，其所用孤立微网的结构如图1所示。该孤立微网在于真实模拟远离陆地的海上孤立岛礁上的微网结构，包括风力发电机、光伏阵列、柴油发电机、储能蓄电池、居民负荷以及海水淡化负荷。光伏阵列、风力发电机、蓄电池等通过各自的变流器接入交流母线，这种方案具有变流器容量要求较小，负荷和分布式电源扩容较为便利的优势。
图2 孤立微电网系统拓扑结构
对图2多事系统进行运行控制的目的是借助于对储能系统的充放电管理、对分布式电源出力调度以及负荷的控制等，确保微电网内发电与负荷需求的实时功率平衡，在防止电池过冲与过放等约束条件下，实现对其他分布式电源的优化调度，优先保证微网的长期稳定运行，在其稳定运行的基础上追求其一定的经济型。
本课题将研究在微网孤岛模式下，考虑DG的燃料成本、发电过程中产生NOx、SO2和CO2造成的环境成本以及微网内DG和储能装置的维护成本，在满足系统运行约束条件的基础上，优化微网不同DG的出力，使得微网能够最大化稳定运行，同时使系统的总运行成本相对最小。然而，由于微网DG含随机性电源，如风力发电机、光伏电池等，其输出功率受自然条件的影响，必要时需要限制光伏阵列和风力发电机的输出功率，使得与负载所需功率相匹配，并结合孤岛模式下的优化运行模型，优化微网不同DG的出力，实现微网的稳定可靠、经济和环保运行[20]。
具体研究内容归纳如下：
(1) 查阅现有的实时运行理论算法和控制策略，比较其有何优缺点，并了解各控制策略适用条件；
(2) 光伏阵列和风力发电机的控制策略的研究。在正常情况下，光伏阵列和风力发电机会工作在最大功率输出状态。但在某些情况下，如蓄电池储能已达到最大，同时总负载需求功率小于光伏和风电的最大输出功率，此时就需要限制光伏和风电的输出功率，使得与负载相匹配，以保证微网的稳定；
(3) 各种元件的仿真模型是研究微网控制策略的重要基础，将建立微网中风力发电系统、光伏发电系统、储能元件、电力电子元件及负荷元件的准稳态或慢动态仿真模型；
(4) 建立微网运行的多目标函数：包括微网运行可靠性、污染排放物的治理成本、系统的发电成本和运行维护成本等；
(5) 建立微网运行的主要约束条件：微网运行的功率平衡约束、可控机组的出力约束、可控机组爬坡率约束、储能装置出力约束、储能蓄电池的荷电状态约束等；
(6) 合理地将多目标函数转化为单一目标函数，以方便函数的求解。根据运行稳定性、经济性等不同目标函数的权重比例不同，将其合成转化为单一的目标函数；
(7) 采用遗传算法对孤岛模式运行下的微网模型进行优化计算；
(8) 结合实际算例进行分析验证不同工况下的可行性和有效性。
4．研究方案及进度安排，预期达到的目标和取得的研究成果4.1．研究方案
首先按照实际一个孤立海岛上的环境条件，选用适合的微网个系统装置，包括风力发电机、光伏阵列、储能蓄电池、柴油发电机、居民负荷等，确定各组成部分的参数，包括容量大小、功率等级、负荷大小等。按照所选用的设备建立微网内各系统的数学模型。
其次确定具体微网孤岛条件下的实时控制策略，常用的控制策略有：平滑功率策略、柴油发电机最短运行时间策略、软充电策略、硬充电策略等，比较各控制策略的优缺点，结合本课题，确定出符合在满足微网孤立稳定运行的条件下追求一定经济性的具体控制策略。
按照实际要求确定微网孤岛运行的目标函数、约束条件，确立其具体的数学表达式。然后按照各目标函数的权重值不同，将其多目标转化为易求解的单一目标函数。
了解蒙特卡罗模拟的遗传算法，研究该算法是否能够求解上述的目标函数，该算法并不是为了得到一个最优解，而是求解出一组符合上述要求的均衡解集。
深入了解Hybrid2、HOME、HOGA、PDMG等控制策略的仿真软件，综合比较后选出适合本课题控制策略的仿真软件。
结合实际的算例，比较不同参数条件下的仿真结果，然后分析验证其控制策略的合理性，最后将其结构与一些仿真软件中自带控制策略的仿真结果进行比较分析，比较本课题所提出的实时控制策略的优缺点。
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@taoyaodong
[图片][图片]1.课题来源及研究的背景和意义[图片][图片]1.1课题来源通过查阅与专业相关的资料及文献，并根据自己所学的专业知识以及与导师进行讨论确定论文题目。[图片][图片]1.2课题研究的背景和意义能源是经济发展的重要物质基础，而电力是最清洁便利的能源形式，是国民经济的命脉。电力生产的过程就是大规模地将各种类型的一次能源转换为容易输送和方便转换的电能并输送分配的过程。工业革命以来，世界能源消费剧增，煤炭、石油、天然气等化石能源资源消耗迅速，生态环境不断恶化，特别是温室气体排放导致日益严峻的全球气候变化，社会的可持续发展受到严重威胁。因此，世界各国纷纷开始关注环保、高效和灵活的分布式发电。目前，比较成熟的分布式发电技术主要有风力发电、光伏发电、燃料电池和微型燃气轮机等几种形式。分布式电源自身存在着缺陷，其特性决定了一些电源的出力将随外部条件的变化而变化，表现出间歇性和随机性等特点，使得这些电源仅依靠自身的调节能力难以满足负荷的功率平衡，且不可调度，需要其他电源或储能装置的配合以提供支持和备用；对配电网而言，由于分布式电源的接入导致系统中具有双向潮流，给电压调节、保护协调与能量优化带来了新问题。当前，一些分布式电源在系统侧发生故障时自动退出运行，加剧了系统暂态功率不平衡，不利于系统的安全性和稳定性；为数众多、形式各异、不可调度的分布式电源将给依靠传统集中式电源调度方式进行管理的系统运行人员带来更大的困难，缺乏有效的管理将导致分布式电源运行时的“随意性”，给系统的安全性和稳定性造成隐患。图1 微电网系统拓扑结构为了更好的发挥分布式电源的作用，同时也顺应世界发展的走势与潮流，提出了一种将地理相对集中的各个分布式发电电源及其相邻负载自行联结组成一个小型可独立运行的电网，我们称之为微网。图1所示为一种典型的微电网系统拓扑结构。微网已经成为现代电网发展重要趋势，其控制问题也是目前的研究热点之一。有效实现微网的电压频率控制，是微网推广与应用的关键。[图片][图片]2．国内外在该方向的研究现状及分析[图片][图片]2.1国外研究现状近年来，对微电网技术开展研究的主要国际组织和项目包括：美国CERTS和PSERC的微电网计划、欧盟的“TheMicrogridsProject”、美国LBNL组织的DER-CAM计划、日本的NEDO组织和加拿大CANMET能源技术中心等。目前世界上针对微电网的研究，还限于微电网的内部运行机制，提出的主要控制措施集中在微电网的频率和电压的调节以及电力市场机制上，而在微电网稳定性的分析、安全与自动保护措施、独立运行机制、多微电网运行机制等方面还有一些列问题需要解决[1~4]。[图片][图片]2.2国内研究现状在中国，发展微电网的最大动力是充分利用可再生能源来满足未来能源的多元化需求，最大化接纳分布式电源，提高能效。近几年，国内的微电网开始逐渐走到政策前台，国家科技部“863”项目和金太阳示范工程已经开展了多个微电网工程示范。国家能源局发布的《可再生能源发展“十二五”规划》中明确提出：到2015年，我国将建成30个以智能电网、物联网和储能技术为支撑的新能源微电网示范工程。但与欧美国家相比，我国微电网仍处在起步阶段，现阶段的主要任务是评估微电网的可行性及经济效益，并集中力量解决偏远地区及无电地区的电力供应问题。制约微电网商业化推广的主要问题是[5]：=1\*GB3①对于微电网而言，怎样构建与大电网的友好关系是其面临的核心问题，具体表现为微电网与大电网的快速隔离、并网状态与孤网状态的无缝切换以及微电网内部的稳定控制；=2\*GB3②包括可再生能源发电技术、储能技术、平滑切换控制技术以及数据通信技术等先进技术在我国仍不够成熟。[图片][图片]2.3国内外文献综述的简析围绕着孤立微电网，国内外学术界和工程界开展了大量研究工作，并建设了许多具有代表性的项目工程，如表1所示。表1国内外典型微网项目列表代表性的基础项目相关技术研究内容美国CERTS的微网项目微网概念、即插即用微网联网/孤岛模式自动切换；无需高速通信实现孤岛条件下的电压和频率稳定美国圣地亚哥国家实验室微网项目故障监测与保护技术自主研发了一种微电网设计方法——能源安全微电网方法。主电网发生停电时，微电网与主电网断开，但是微电网中的可再生能源可继续发电且不会产生安全危害德国慕尼黑Manheim微网经济性能微网的社会认可；微网运行导则制订；微网经济效益天津大学大型微电网实验室可再生能源发电技术含风、光、储、微型燃气轮机、燃料电池于一体的大型微电网实验室，其中光伏发电容量达到100kW，储能系统采用铅酸、锂离子、飞轮、压缩空气等多种形式的储能形式杭州电子科技大学微电网系统分布式发电技术微电网系统的电源总容量240kW，其中光伏发电系统容量120kW，光伏发电比例50%，储能采用铅酸蓄电池组,容量为50kWh，并配有100kW超级电容及电压跌落补偿系统，主要用于电能质量调节平抑超短期负荷的波动珠海东澳岛智能微电网示范工程分布式发电及储能技术根据海岛独特的自然条件，整合了太阳能、风能和柴油新旧能源发电单元，建设成包括1000kW的光伏发电、50kW的风力发电和蓄电池储能系统在内的分布式供电系统，使全岛可再生能源发电比例达到70% 目前，正对微网并网的经济问题国外已经展开了较多的研究，而对于独立运行模式下的微网经济运行研究还很缺乏。文献[6]围绕包含风力发电、光伏发电、柴油发电机和铅酸电池储能的独立微网系统，提出了包含微网全寿命周期内成本现值、污染排放水平和负荷容量缺失率的多目标优化设计模型。该优化模型在控制策略上，考虑多台柴油发电机的组合开机方式、储能电池与柴油发电机之间协调控制策略，以及系统备用容量等问题。在优化变量选取上，针对设备类型和装机容量同时进行优化设计。最后利用自主开发的微网优化设计软件(planningdesignsystemformirogrid，PDMG)针对某孤立海岛，进行独立微网系统的多目标优化规划设计。文献[7]针对含有常规柴油发电机组和储能系统的孤立微网，提出了柴油发电机和储能系统的协调控制方法，包括柴油发电机作为主电源时，储能系统的辅助功率控制，以及独立微网系统中柴油发电机和储能系统双主电源的无缝切换控制策略，最后利用PSCAD仿真软件对所提方法进行了验证。文献[8]给出了并网和离网两种条件下的数学模型，提出了一种双模式协调控制的策略，最后通过了仿真验证。文献[9]考虑了在独立微网中储能的充放电效率，提出了基于多重储能系统协调控制策略，以维持功率平衡和最小有功损耗。开展独立微网系统的优化规划设计，需要充分考虑独立微网系统内分布式电源的运行控制策略和组合方案，文献[10]从仿真工具、仿真方法、运行控制策略、优化设计数学模型等方面针对独立微网系统中的分布式电源规划设计方法进行了相关综述。优化规划目标通常包括可靠性、污染物排放和系统成本三大类。可靠性指标包括电力不足时间、电力不足时间概率、电力不足容量概率等[11]。在进行优化规划设计时，通常希望系统能够同时满足多个指标约束条件。但实际上在多目标优化问题的求解中，不同目标之间往往是相互冲突的。文献[12]采用基于固定权重值的方法，将多目标优化简单地转化为单一目标优化问题，但这不能称之为完全意义上的多目标优化。文献[13]针对风\光\柴\储独立微网系统，提出了以碳排放量最少和全寿命周期成本最小为优化目标的多目标优化设计方法，利用自主开发的基于遗传算法的混合优化设计软件(hybridoptimizationbygeneticalgorithms，HOGA)进行优化求解。多目标寻优不再是寻找解集内单个全局最优解，而是寻找一组均衡解，也即帕累托(Pareto)最优解。文献[14]针对风光互补微网系统提出了包含失负荷概率、失能量概率和系统成本等指标的三目标优化模型。独立微网系统的运行控制策略将直接影响系统配置方案的各项技术经济指标[15]。文献[16]围绕储能电池和柴油发电机的能量管理提出了多种运行策略，该策略根据对储能电池的单次循环充放电成本和柴油发电机单位发电成本的比较，确定储能电池和柴油发电机投入运行的优先权，该方法在可再生电力混合优化软件(hybridoptimizationmodelforelectricrenewables，HOMER)和HOGA中得到应用。文献[17]采用类似的方法，研究了包含电化学电池、燃料电池、柴油发电机、电解水制氢、风力发电和光伏发电独立微网系统的能量管理策略，按照成本最小原则对上述设备进行组合，以满足净负荷(文中净负荷大小等于负荷需求减去可再生能源出力)的需求。在美国国家新能源实验室开发的仿真软件Hybrid2中[18]，针对风\光\柴\储独立微网系统提出了多种控制策略，然而该软件无法开展独立微网系统的容量优化设计。在Hybrid2中多种控制策略的基础上，文献[19]进一步提出了一种多能源协调控制策略，该策略能够保证储能电池长期可靠运行，提高了系统全寿命周期经济性。[图片][图片]3．主要研究内容本课题主要将针对孤岛条件下微网实时控制策略进行研究，其所用孤立微网的结构如图1所示。该孤立微网在于真实模拟远离陆地的海上孤立岛礁上的微网结构，包括风力发电机、光伏阵列、柴油发电机、储能蓄电池、居民负荷以及海水淡化负荷。光伏阵列、风力发电机、蓄电池等通过各自的变流器接入交流母线，这种方案具有变流器容量要求较小，负荷和分布式电源扩容较为便利的优势。[图片]图2孤立微电网系统拓扑结构对图2多事系统进行运行控制的目的是借助于对储能系统的充放电管理、对分布式电源出力调度以及负荷的控制等，确保微电网内发电与负荷需求的实时功率平衡，在防止电池过冲与过放等约束条件下，实现对其他分布式电源的优化调度，优先保证微网的长期稳定运行，在其稳定运行的基础上追求其一定的经济型。本课题将研究在微网孤岛模式下，考虑DG的燃料成本、发电过程中产生NOx、SO2和CO2造成的环境成本以及微网内DG和储能装置的维护成本，在满足系统运行约束条件的基础上，优化微网不同DG的出力，使得微网能够最大化稳定运行，同时使系统的总运行成本相对最小。然而，由于微网DG含随机性电源，如风力发电机、光伏电池等，其输出功率受自然条件的影响，必要时需要限制光伏阵列和风力发电机的输出功率，使得与负载所需功率相匹配，并结合孤岛模式下的优化运行模型，优化微网不同DG的出力，实现微网的稳定可靠、经济和环保运行[20]。具体研究内容归纳如下：(1)查阅现有的实时运行理论算法和控制策略，比较其有何优缺点，并了解各控制策略适用条件；(2)光伏阵列和风力发电机的控制策略的研究。在正常情况下，光伏阵列和风力发电机会工作在最大功率输出状态。但在某些情况下，如蓄电池储能已达到最大，同时总负载需求功率小于光伏和风电的最大输出功率，此时就需要限制光伏和风电的输出功率，使得与负载相匹配，以保证微网的稳定；(3)各种元件的仿真模型是研究微网控制策略的重要基础，将建立微网中风力发电系统、光伏发电系统、储能元件、电力电子元件及负荷元件的准稳态或慢动态仿真模型；(4)建立微网运行的多目标函数：包括微网运行可靠性、污染排放物的治理成本、系统的发电成本和运行维护成本等；(5)建立微网运行的主要约束条件：微网运行的功率平衡约束、可控机组的出力约束、可控机组爬坡率约束、储能装置出力约束、储能蓄电池的荷电状态约束等；(6)合理地将多目标函数转化为单一目标函数，以方便函数的求解。根据运行稳定性、经济性等不同目标函数的权重比例不同，将其合成转化为单一的目标函数；(7)采用遗传算法对孤岛模式运行下的微网模型进行优化计算；(8)结合实际算例进行分析验证不同工况下的可行性和有效性。[图片][图片]4．研究方案及进度安排，预期达到的目标和取得的研究成果[图片][图片]4.1．研究方案首先按照实际一个孤立海岛上的环境条件，选用适合的微网个系统装置，包括风力发电机、光伏阵列、储能蓄电池、柴油发电机、居民负荷等，确定各组成部分的参数，包括容量大小、功率等级、负荷大小等。按照所选用的设备建立微网内各系统的数学模型。其次确定具体微网孤岛条件下的实时控制策略，常用的控制策略有：平滑功率策略、柴油发电机最短运行时间策略、软充电策略、硬充电策略等，比较各控制策略的优缺点，结合本课题，确定出符合在满足微网孤立稳定运行的条件下追求一定经济性的具体控制策略。按照实际要求确定微网孤岛运行的目标函数、约束条件，确立其具体的数学表达式。然后按照各目标函数的权重值不同，将其多目标转化为易求解的单一目标函数。了解蒙特卡罗模拟的遗传算法，研究该算法是否能够求解上述的目标函数，该算法并不是为了得到一个最优解，而是求解出一组符合上述要求的均衡解集。深入了解Hybrid2、HOME、HOGA、PDMG等控制策略的仿真软件，综合比较后选出适合本课题控制策略的仿真软件。结合实际的算例，比较不同参数条件下的仿真结果，然后分析验证其控制策略的合理性，最后将其结构与一些仿真软件中自带控制策略的仿真结果进行比较分析，比较本课题所提出的实时控制策略的优缺点。
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@taoyaodong
[图片][图片]1.课题来源及研究的背景和意义[图片][图片]1.1课题来源通过查阅与专业相关的资料及文献，并根据自己所学的专业知识以及与导师进行讨论确定论文题目。[图片][图片]1.2课题研究的背景和意义能源是经济发展的重要物质基础，而电力是最清洁便利的能源形式，是国民经济的命脉。电力生产的过程就是大规模地将各种类型的一次能源转换为容易输送和方便转换的电能并输送分配的过程。工业革命以来，世界能源消费剧增，煤炭、石油、天然气等化石能源资源消耗迅速，生态环境不断恶化，特别是温室气体排放导致日益严峻的全球气候变化，社会的可持续发展受到严重威胁。因此，世界各国纷纷开始关注环保、高效和灵活的分布式发电。目前，比较成熟的分布式发电技术主要有风力发电、光伏发电、燃料电池和微型燃气轮机等几种形式。分布式电源自身存在着缺陷，其特性决定了一些电源的出力将随外部条件的变化而变化，表现出间歇性和随机性等特点，使得这些电源仅依靠自身的调节能力难以满足负荷的功率平衡，且不可调度，需要其他电源或储能装置的配合以提供支持和备用；对配电网而言，由于分布式电源的接入导致系统中具有双向潮流，给电压调节、保护协调与能量优化带来了新问题。当前，一些分布式电源在系统侧发生故障时自动退出运行，加剧了系统暂态功率不平衡，不利于系统的安全性和稳定性；为数众多、形式各异、不可调度的分布式电源将给依靠传统集中式电源调度方式进行管理的系统运行人员带来更大的困难，缺乏有效的管理将导致分布式电源运行时的“随意性”，给系统的安全性和稳定性造成隐患。图1 微电网系统拓扑结构为了更好的发挥分布式电源的作用，同时也顺应世界发展的走势与潮流，提出了一种将地理相对集中的各个分布式发电电源及其相邻负载自行联结组成一个小型可独立运行的电网，我们称之为微网。图1所示为一种典型的微电网系统拓扑结构。微网已经成为现代电网发展重要趋势，其控制问题也是目前的研究热点之一。有效实现微网的电压频率控制，是微网推广与应用的关键。[图片][图片]2．国内外在该方向的研究现状及分析[图片][图片]2.1国外研究现状近年来，对微电网技术开展研究的主要国际组织和项目包括：美国CERTS和PSERC的微电网计划、欧盟的“TheMicrogridsProject”、美国LBNL组织的DER-CAM计划、日本的NEDO组织和加拿大CANMET能源技术中心等。目前世界上针对微电网的研究，还限于微电网的内部运行机制，提出的主要控制措施集中在微电网的频率和电压的调节以及电力市场机制上，而在微电网稳定性的分析、安全与自动保护措施、独立运行机制、多微电网运行机制等方面还有一些列问题需要解决[1~4]。[图片][图片]2.2国内研究现状在中国，发展微电网的最大动力是充分利用可再生能源来满足未来能源的多元化需求，最大化接纳分布式电源，提高能效。近几年，国内的微电网开始逐渐走到政策前台，国家科技部“863”项目和金太阳示范工程已经开展了多个微电网工程示范。国家能源局发布的《可再生能源发展“十二五”规划》中明确提出：到2015年，我国将建成30个以智能电网、物联网和储能技术为支撑的新能源微电网示范工程。但与欧美国家相比，我国微电网仍处在起步阶段，现阶段的主要任务是评估微电网的可行性及经济效益，并集中力量解决偏远地区及无电地区的电力供应问题。制约微电网商业化推广的主要问题是[5]：=1\*GB3①对于微电网而言，怎样构建与大电网的友好关系是其面临的核心问题，具体表现为微电网与大电网的快速隔离、并网状态与孤网状态的无缝切换以及微电网内部的稳定控制；=2\*GB3②包括可再生能源发电技术、储能技术、平滑切换控制技术以及数据通信技术等先进技术在我国仍不够成熟。[图片][图片]2.3国内外文献综述的简析围绕着孤立微电网，国内外学术界和工程界开展了大量研究工作，并建设了许多具有代表性的项目工程，如表1所示。表1国内外典型微网项目列表代表性的基础项目相关技术研究内容美国CERTS的微网项目微网概念、即插即用微网联网/孤岛模式自动切换；无需高速通信实现孤岛条件下的电压和频率稳定美国圣地亚哥国家实验室微网项目故障监测与保护技术自主研发了一种微电网设计方法——能源安全微电网方法。主电网发生停电时，微电网与主电网断开，但是微电网中的可再生能源可继续发电且不会产生安全危害德国慕尼黑Manheim微网经济性能微网的社会认可；微网运行导则制订；微网经济效益天津大学大型微电网实验室可再生能源发电技术含风、光、储、微型燃气轮机、燃料电池于一体的大型微电网实验室，其中光伏发电容量达到100kW，储能系统采用铅酸、锂离子、飞轮、压缩空气等多种形式的储能形式杭州电子科技大学微电网系统分布式发电技术微电网系统的电源总容量240kW，其中光伏发电系统容量120kW，光伏发电比例50%，储能采用铅酸蓄电池组,容量为50kWh，并配有100kW超级电容及电压跌落补偿系统，主要用于电能质量调节平抑超短期负荷的波动珠海东澳岛智能微电网示范工程分布式发电及储能技术根据海岛独特的自然条件，整合了太阳能、风能和柴油新旧能源发电单元，建设成包括1000kW的光伏发电、50kW的风力发电和蓄电池储能系统在内的分布式供电系统，使全岛可再生能源发电比例达到70% 目前，正对微网并网的经济问题国外已经展开了较多的研究，而对于独立运行模式下的微网经济运行研究还很缺乏。文献[6]围绕包含风力发电、光伏发电、柴油发电机和铅酸电池储能的独立微网系统，提出了包含微网全寿命周期内成本现值、污染排放水平和负荷容量缺失率的多目标优化设计模型。该优化模型在控制策略上，考虑多台柴油发电机的组合开机方式、储能电池与柴油发电机之间协调控制策略，以及系统备用容量等问题。在优化变量选取上，针对设备类型和装机容量同时进行优化设计。最后利用自主开发的微网优化设计软件(planningdesignsystemformirogrid，PDMG)针对某孤立海岛，进行独立微网系统的多目标优化规划设计。文献[7]针对含有常规柴油发电机组和储能系统的孤立微网，提出了柴油发电机和储能系统的协调控制方法，包括柴油发电机作为主电源时，储能系统的辅助功率控制，以及独立微网系统中柴油发电机和储能系统双主电源的无缝切换控制策略，最后利用PSCAD仿真软件对所提方法进行了验证。文献[8]给出了并网和离网两种条件下的数学模型，提出了一种双模式协调控制的策略，最后通过了仿真验证。文献[9]考虑了在独立微网中储能的充放电效率，提出了基于多重储能系统协调控制策略，以维持功率平衡和最小有功损耗。开展独立微网系统的优化规划设计，需要充分考虑独立微网系统内分布式电源的运行控制策略和组合方案，文献[10]从仿真工具、仿真方法、运行控制策略、优化设计数学模型等方面针对独立微网系统中的分布式电源规划设计方法进行了相关综述。优化规划目标通常包括可靠性、污染物排放和系统成本三大类。可靠性指标包括电力不足时间、电力不足时间概率、电力不足容量概率等[11]。在进行优化规划设计时，通常希望系统能够同时满足多个指标约束条件。但实际上在多目标优化问题的求解中，不同目标之间往往是相互冲突的。文献[12]采用基于固定权重值的方法，将多目标优化简单地转化为单一目标优化问题，但这不能称之为完全意义上的多目标优化。文献[13]针对风\光\柴\储独立微网系统，提出了以碳排放量最少和全寿命周期成本最小为优化目标的多目标优化设计方法，利用自主开发的基于遗传算法的混合优化设计软件(hybridoptimizationbygeneticalgorithms，HOGA)进行优化求解。多目标寻优不再是寻找解集内单个全局最优解，而是寻找一组均衡解，也即帕累托(Pareto)最优解。文献[14]针对风光互补微网系统提出了包含失负荷概率、失能量概率和系统成本等指标的三目标优化模型。独立微网系统的运行控制策略将直接影响系统配置方案的各项技术经济指标[15]。文献[16]围绕储能电池和柴油发电机的能量管理提出了多种运行策略，该策略根据对储能电池的单次循环充放电成本和柴油发电机单位发电成本的比较，确定储能电池和柴油发电机投入运行的优先权，该方法在可再生电力混合优化软件(hybridoptimizationmodelforelectricrenewables，HOMER)和HOGA中得到应用。文献[17]采用类似的方法，研究了包含电化学电池、燃料电池、柴油发电机、电解水制氢、风力发电和光伏发电独立微网系统的能量管理策略，按照成本最小原则对上述设备进行组合，以满足净负荷(文中净负荷大小等于负荷需求减去可再生能源出力)的需求。在美国国家新能源实验室开发的仿真软件Hybrid2中[18]，针对风\光\柴\储独立微网系统提出了多种控制策略，然而该软件无法开展独立微网系统的容量优化设计。在Hybrid2中多种控制策略的基础上，文献[19]进一步提出了一种多能源协调控制策略，该策略能够保证储能电池长期可靠运行，提高了系统全寿命周期经济性。[图片][图片]3．主要研究内容本课题主要将针对孤岛条件下微网实时控制策略进行研究，其所用孤立微网的结构如图1所示。该孤立微网在于真实模拟远离陆地的海上孤立岛礁上的微网结构，包括风力发电机、光伏阵列、柴油发电机、储能蓄电池、居民负荷以及海水淡化负荷。光伏阵列、风力发电机、蓄电池等通过各自的变流器接入交流母线，这种方案具有变流器容量要求较小，负荷和分布式电源扩容较为便利的优势。[图片]图2孤立微电网系统拓扑结构对图2多事系统进行运行控制的目的是借助于对储能系统的充放电管理、对分布式电源出力调度以及负荷的控制等，确保微电网内发电与负荷需求的实时功率平衡，在防止电池过冲与过放等约束条件下，实现对其他分布式电源的优化调度，优先保证微网的长期稳定运行，在其稳定运行的基础上追求其一定的经济型。本课题将研究在微网孤岛模式下，考虑DG的燃料成本、发电过程中产生NOx、SO2和CO2造成的环境成本以及微网内DG和储能装置的维护成本，在满足系统运行约束条件的基础上，优化微网不同DG的出力，使得微网能够最大化稳定运行，同时使系统的总运行成本相对最小。然而，由于微网DG含随机性电源，如风力发电机、光伏电池等，其输出功率受自然条件的影响，必要时需要限制光伏阵列和风力发电机的输出功率，使得与负载所需功率相匹配，并结合孤岛模式下的优化运行模型，优化微网不同DG的出力，实现微网的稳定可靠、经济和环保运行[20]。具体研究内容归纳如下：(1)查阅现有的实时运行理论算法和控制策略，比较其有何优缺点，并了解各控制策略适用条件；(2)光伏阵列和风力发电机的控制策略的研究。在正常情况下，光伏阵列和风力发电机会工作在最大功率输出状态。但在某些情况下，如蓄电池储能已达到最大，同时总负载需求功率小于光伏和风电的最大输出功率，此时就需要限制光伏和风电的输出功率，使得与负载相匹配，以保证微网的稳定；(3)各种元件的仿真模型是研究微网控制策略的重要基础，将建立微网中风力发电系统、光伏发电系统、储能元件、电力电子元件及负荷元件的准稳态或慢动态仿真模型；(4)建立微网运行的多目标函数：包括微网运行可靠性、污染排放物的治理成本、系统的发电成本和运行维护成本等；(5)建立微网运行的主要约束条件：微网运行的功率平衡约束、可控机组的出力约束、可控机组爬坡率约束、储能装置出力约束、储能蓄电池的荷电状态约束等；(6)合理地将多目标函数转化为单一目标函数，以方便函数的求解。根据运行稳定性、经济性等不同目标函数的权重比例不同，将其合成转化为单一的目标函数；(7)采用遗传算法对孤岛模式运行下的微网模型进行优化计算；(8)结合实际算例进行分析验证不同工况下的可行性和有效性。[图片][图片]4．研究方案及进度安排，预期达到的目标和取得的研究成果[图片][图片]4.1．研究方案首先按照实际一个孤立海岛上的环境条件，选用适合的微网个系统装置，包括风力发电机、光伏阵列、储能蓄电池、柴油发电机、居民负荷等，确定各组成部分的参数，包括容量大小、功率等级、负荷大小等。按照所选用的设备建立微网内各系统的数学模型。其次确定具体微网孤岛条件下的实时控制策略，常用的控制策略有：平滑功率策略、柴油发电机最短运行时间策略、软充电策略、硬充电策略等，比较各控制策略的优缺点，结合本课题，确定出符合在满足微网孤立稳定运行的条件下追求一定经济性的具体控制策略。按照实际要求确定微网孤岛运行的目标函数、约束条件，确立其具体的数学表达式。然后按照各目标函数的权重值不同，将其多目标转化为易求解的单一目标函数。了解蒙特卡罗模拟的遗传算法，研究该算法是否能够求解上述的目标函数，该算法并不是为了得到一个最优解，而是求解出一组符合上述要求的均衡解集。深入了解Hybrid2、HOME、HOGA、PDMG等控制策略的仿真软件，综合比较后选出适合本课题控制策略的仿真软件。结合实际的算例，比较不同参数条件下的仿真结果，然后分析验证其控制策略的合理性，最后将其结构与一些仿真软件中自带控制策略的仿真结果进行比较分析，比较本课题所提出的实时控制策略的优缺点。
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