开题报告《基于逆变器下垂控制的微电网能量管理系统的研究》

开发和延伸微电网能够促进分布式电源与可再生能源的大规模接入，实现对负荷多种能源形式的高可靠供给，是配电网向主动式运行方式发展的一条途径，使传统电网向智能电网过渡。中国发展微电网技术对电力系统和国民经济的发展都有重要的意义[1]：
微电网能量管理系统的目的是作出决策最优地利用发电产生的电和热（冷）。该决策的依据为当地设备对热量的需求、气候的情况、电价、燃料成本[2]。因此在保证微电网稳定性运行的前提下，调节发电机的输出功率，最大限度的使用可再生能源，减少燃料的消耗是微电网能量管理系统的重要任务[3]。
微电网中所安装的微电源大多数都不适合直接并网，需要经电力电子装置（DC/AC，AC/DC/AC）并网。逆变器控制是微电网运行控制的主要选择。选择与传统发电机相似的下垂特性曲线作为微型电源的控制方式，利用频率有功下垂曲线将系统不平衡的功率动态分配给机组来承担，
1、2010年8月-12月学习MATLAB仿真软件、学习有关微电网和电力系统小干扰稳定性的理论知识，阅读相关文献资料，并对资料进行详细分析确定课题实施方案。
2、2011年1月-5月通过阅读的资料建立微电网各部分的数学模型，确定微电网的控制策略。
3、2011年5月-12月在MATLAB中建立微电网的仿真模型，编写程序，进行微电网仿真分析，验证微电网控制参数和控制策略的合理性，分析仿真试验的结果。
4、2012年1月-4月学位论文的编写及修改。
5、2012年5月打印论文。
————————————————————————————————预期达到研究结果：
建立并分析微电网的数学模型及微电网的控制策略，使微电网在孤岛运行时，能够维持微电网电压和频率的稳定，避免逆变器过负荷运行，当负荷发生扰动，负荷增量能合理的分配给各微电源，使微电网最优运行。并对所提出的控制策略在Matlab/Simulink实验平台进行仿真验证。
保证孤网下微电网内电力供需平衡和频率的统一，具有简单可靠的特点[4]，得到了国内外学者的广泛关注，在各微电网示范项目中也被广泛采用。
频率下垂系数对微电网稳定运行有重要的影响，尤其对微电网孤岛运行稳定性的影响更大[4]。因此需要研究微电源的逆变器控制参数与微电网稳定运行之间的关系，确定逆变器运行参数的范围，设计选择逆变器运行参数的优化算法，达到最大限速的减少燃料消耗的目的。
国内外研究动态：
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，而在微电网的稳定性分析、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很多问题需要解决[5~9]。
本课题研究的主要内容包括以下几个方面：
一、介绍微电网的基本概念及其国内外发展现状，并总结分析其特点和中国发展微电网的重要意义。
二、建立并分析基于逆变器控制的微电网的状态空间数学模型。包括：逆变器模型、网络模型和负荷模型。其中逆变器模型包括：功率分配控制器动态模型、逆变器出口滤波器动态模型、耦合电感动态模型、电压电流控制器动态模型等。
太原理工大学
硕士研究生学位论文
选题计划表
2011年1月20日
研究生姓名
杨俊虎
专业
电力系统及其自动化
导师姓名
韩肖清
研究方向
电力系统运行与控制
毕业论文题目
基于逆变器下垂控制的微电网能量管理系统的研究
论文类型
理论研究
应用研究
用于生产
其它
√
选题目的和意义：
微电网是一种新型的网络结构，是一组微电源、负荷、储能系统和控制装置构成的系统单元。微电网中的电源多为容量较小的分布式电源，即含有电力电子接口的小型机组，包括微型燃气轮机、燃料电池、光伏电池、小型风力发电机组以及超级电容、飞轮、蓄电池等储能装置，它们接在用户侧，具有成本低、电压低、污染低等特点。开发和延伸微电网能够促进分布式电源与可再生能源的大规模接入，实现对负荷多种能源形式的高可靠供给，是实现主动式配电网的一种有效的方式，使传统电网向智能电网过渡[1]。
3、设计选择逆变器运行参数的优化算法，达到最大限度的减少燃料的消耗目的。
4、在Matlab/M-file中对选择逆变器运行参数的优化算法进行程序编辑，实现最大限度的减少燃料的消耗目的。
5、微电网综合仿真分析。使微电网各模型与所编程序结合仿真。
6、分析仿真实验和微电网实验室试验得出的结果，提出提高微电网稳定性的措施，使微电网能够以最优方式运行。
三、分析逆变器控制参数对微电网稳定性的影响，确定微电网稳定运行时，逆变器参数的运行范围，其中包括下垂曲线控制参数。
四、设计选择逆变器运行参数的优化算法，达到最大限度的减少燃料消耗的目的。
五、运用Matlab进行仿真分析：在Simulink模块中搭建微电网模型，在M-file中编写程序。
六、分析仿真试验运行所得的数据，提出一些提高微电网稳定性电网仿真分析奠定基础。
主要工作措施：
1、建立微电网模型，设计微电网优化算法。
2、运用Matlab软件进行微电网运行方式的仿真。
3、在微电网实验室进行实验室仿真。
4、仿真结果分析，提出提高微电网稳定性的措施，使微电网能够以最优方式运行。
————————————————————————————————论文进度安排：
微电网内分布式发电单元都是经过电力电子转换设备并网。电力电子设备的广泛应用使得微电网运行更加灵活多变。由于其惯性很小，使得电网更容易受扰动影响其稳定性。在微电网运行过程中，必须考虑微电网的动态特性。文献[9]在理想逆变器的假设前提下，分析了微电网孤岛运行的动态特性。假设闭环控制的逆变器输出电压、电流能够迅速、准确、充分的跟踪其参考值，对于功率小、开关频率大的逆变器是可行的，但是对于功率大、开关频率小的逆变器，忽略逆变器的动态行为，是不可行的。文献[10]对出口接入理想交流母线的逆变器进行了建模仿真，分析了微电网的稳定性，但是没有考虑逆变器间的相互影响。文献[4]建立了微电网的小信号状态空间模型，包括逆变器的低频、高频动态模型，网络动态模型，负荷动态模型，并把各子模型连接构成微电网整体模型，同时分析了模型对微电网各种运行状态的敏感性。文献[11]介绍了一种微电网孤岛运行的控制策略，证明了该种控制模式在微电网孤岛运行时的可行性，证明微电网紧急孤岛运行的安全性并证明了储能装置可以防止微电网迅速、长期的电压偏移，得出储能装置在微电网安全运行过程中起关键性作用的结论。文献[3]介绍了基于下垂特性控制的微电网在孤岛运行时的能量管理系统，通过选择微电源逆变器的下垂曲线参数，优化微电网孤岛运行方式，实现微电网稳定运行和最小燃料消耗的目的。
针对微电网的微电网的控制技术，我国学者也开展了许多工作。文献[17]研究了微电网的负荷优化分配问题，优化目标是在满足系统运行约束条件下优化微电网中各微电源的出力，使系统总运行成本最小。文献[18]针对自治微电网中频率与有功需求没有直接联系的情况，结合不同微电源的特点，给出了以本地节点电压作为调节目标，实现有功、无功平衡的分布式控制的一种策略。文献[19]分析了高渗透率微网接入对大电网的安全稳定性、电能质量、调度运行等方面的影响，提出大电网应对微网接入策略的框架结构和主要研究内容。文献[20]提出一种基于负序电压正反馈的孤岛检测方法。文献[21]针对下垂法控制的微电网并联逆变器的输出电压幅值和频率的不稳定问题，提出了一种改进的自动调节下垂系数的控制法，可以有效减小微电网负荷突变等情况下母线电压幅值及频率的波动。文献[22]提出了一个基于多代理系统的微电网控制框架，建立了以上级电网代理、微电网代理、元件代理组成的3层多代理控制系统，并对其中各代理的具体功能及其协调策略进行了讨论。文献[23]介绍了一种基于多代理技术的微电网协调控制系统，提高了微电网的运行稳定性和效率。
目前国内对微电网的研究取得了一定的进展，但与欧洲、美国及日本等由研究机构、制造商和电力公司组成的庞大研究团队相比，我国在研究力量和取得的成果上仍与之存在较大差距。我国有必要进一步开展微电网关键技术的研究，促进微电网在我国的应用。
主要内容：
微电网中电力电子设备的广泛应用使得电网运行更加灵活多变。由于其惯性很小，使得电网更容易受到扰动，影响其稳定性。因此，在对微电网运行方式进行优化的过程中，必须考虑微电网的动态特性。本课题研究“基于逆变器下垂控制的微电网能量管理系统”，寻找一种最优控制策略达到微电网内燃料消耗最少的目的，同时满足微电网稳定性的要求。
微电网技术近年来在我国的到了很大的重视，关于微电网方面的论文已有很多发表。文献[12~16]对光伏发电系统、风力发电系统、微型燃气轮机、燃料电池发电系统建模，经过仿真得出不同单微电源微电网的运行特性；对故障情况下微电网系统故障恢复能力和维持电能质量能力进行仿真分析；并针对包含多种微电源的微电网进行了仿真分析。文献[14]在建模过程中考虑了PQ控制的电力电子装置对微电网的影响。文献[15]介绍了微电网中微电源与电网接口的逆变器接口模型、电压源接口模型和电流源接口模型，比较了逆变器接口模型与电流源接口模型的动态响应。文献[16]基于直流微电网的基本结构，针对多种变流器的状态空间模型，对直流微电网系统进行了建模、时域仿真和小扰动电压稳定性分析。
————————————————————————————————准备工作情况：
1、阅读大量国内外有微电网运行和控制的文献，对目前国内外微电网能量管理系统的研究状况有了一个比较全面的认识。
2、深入学习微电网的工作原理，以便后续微电网数学模型的建立。
3、深入学习有关小干扰稳定性分析的定义、研究内容及研究方法，以便微电网的小干扰稳定性分析。
实验设计方案：
1、建立基于逆变器控制的微电网的状态空间数学模型。包括：逆变器模型、网络模型和负荷模型。其中逆变器模型包括：功率分配控制器动态模型、逆变器出口滤波器动态模型、耦合电感动态模型、电压电流控制器动态模型。