第 1 章 緒論

1.1 課題的背景和意義
1.1.1 課題的背景
隨著人類需求的能源日益減少和化石燃料造成的環(huán)境污染日益嚴重，可再生能源的利用已經(jīng)得到國家政策的大力支持。數(shù)據(jù)顯示，2013 年我國能源使用量達到 37.6 億噸標準煤，其中，核電和可再生能源總和還不到總能源使用量的 10%。在 2014 年 11月的 APEC 會議上，中美雙方頒布了《中美氣候變化聯(lián)合聲明》，中方首次正式提出到2030 年將清潔能源占總能源消費量的 10%提高到 20%，美國承諾到 2025 年溫室氣體年排放量比 2005 年減少 26%~28%，刷新了美國之前承諾的 2020 年碳排放比 2005 年減少 17%的數(shù)據(jù)；并且中美雙方討論建立中美氣候變化工作組，并啟動關(guān)于汽車、智能電網(wǎng)、能效等的行動倡議。歐盟制定了“20-20-20 政策”，該政策規(guī)定：到 2020 年，溫室氣體排放量減少 20%、能源消耗減少 20%、可再生能源占 20%。在這樣的背景下，習(xí)近平在 APEC 會議上提出“能源革命蓄勢待發(fā)！”
風(fēng)能、太陽能等可再生能源（Renewable Energy Resources，RES），熱電聯(lián)產(chǎn)、燃氣輪機等分布式電源（Distributed Generation，DG），儲能系統(tǒng)（Energy Storage System，ESS），電動汽車（Electrical Vehicle，EV）等這些分布式能源（Distributed Energy Resources，DER）的接入與并網(wǎng)，對配電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響有：電壓水平升高、短路電流增大、供電可靠性降低及電能質(zhì)量惡化[1]。因此，為了更好地解決以上問題，2008 年國際大電網(wǎng)會議（CIGRE）C6.11 項目組提出了主動配電網(wǎng)（Active Distribution Network，ADN）的概念[2]。
1.1.2 課題的意義

國際大電網(wǎng)會議（CIGRE）C6.11 將主動配電網(wǎng)定義為：綜合控制分布式能源（RES、DG、ESS 和可控負荷）的配電網(wǎng)，運用靈活的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對配電網(wǎng)潮流進行有效的管理，并對分布式能源設(shè)置合理的監(jiān)管和接入準則，以使其對系統(tǒng)具備一定的支撐作用[3]。主動配電網(wǎng)利用先進的信息、通信以及電力電子技術(shù)對分布式能源進行主動的協(xié)調(diào)控制，并具有對 RES 主動消納、分布式能源的調(diào)度、保護、監(jiān)控以及需求側(cè)負荷的主動調(diào)度等特征，同時還可以消納間歇式能源過剩的電力，將 DER 作為可控可調(diào)度機組參與最優(yōu)潮流的運行調(diào)度，，以及對 DER 的保護與監(jiān)控[4]。主動配電網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)如圖 1.1 所示。

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1.2 主動配電網(wǎng)源/儲/荷協(xié)調(diào)控制的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1 主動配電網(wǎng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
我國已將 ADN 作為國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863 計劃）的研究方向[15]。目前北京未來科技城在建的 ADN 示范工程[16]，涵蓋了最大負荷至少為 200MW，清潔能源種類不低于 4 類，儲能規(guī)模不小于 500kW/（1MW·h）等多種設(shè)備，該示范工程完成后的可再生能源消納達到 100%。福建海西廈門島建設(shè)的 ADN 示范工程[17]，系統(tǒng)最大負荷至少為 120MW，間歇式能源種類不低于 3 類，電動車規(guī)模不小于 1MW（/2MW·h）。貴州電網(wǎng)在清鎮(zhèn)市建設(shè)的 ADN 應(yīng)用示范及教學(xué)示范系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含分散風(fēng)電、分散光伏發(fā)電與冷熱電三聯(lián)供，通過多種類型的能源供給方式，將風(fēng)電、光伏發(fā)電、水電、燃氣輪機、儲能系統(tǒng)、充電設(shè)施結(jié)合起來，以改善現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)，達到節(jié)能減排，提高能源利用率的作用[18]。
1.2.2 源/儲/荷協(xié)調(diào)控制的國內(nèi)外研究狀況

大規(guī)模的間歇式能源發(fā)電具有隨機、間歇、波動、難以控制的特點，當其連接到10kV 以下的配電中，會造成配電網(wǎng)的功率雙向流動。如果各種間歇式能源協(xié)調(diào)不當，會對配電網(wǎng)造成電壓穩(wěn)定性減小、供電質(zhì)量下降，電網(wǎng)消納間歇式能源的能力受到限制等影響[19]，因此傳統(tǒng)的控制策略需要做出根本性的改變。在 ADN 間歇式能源、儲能系統(tǒng)及可控負荷協(xié)調(diào)控制方面，目前國內(nèi)外研究主要有：文獻[20]提出基于最優(yōu)潮流（OPF）法的全局優(yōu)化控制策略，以解決主動配電網(wǎng)對多個可再生能源的協(xié)調(diào)控制，但沒有考慮儲能系統(tǒng)在主動配電網(wǎng)中與可再生能源的協(xié)調(diào)作用；文獻[21]提出了以 24h為長周期的優(yōu)化計算與以 15min 為短周期的優(yōu)化調(diào)整相結(jié)合的 DER 優(yōu)化運行方案，通過多時間尺度的分析，使配電網(wǎng)全局優(yōu)化更加完善，但沒有涉及DER之間的協(xié)調(diào)控制；文獻[22-24]介紹了儲能系統(tǒng)在參與主動配電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制中的積極作用，重點闡述了風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)及其運行模式以及儲能在支撐系統(tǒng)動態(tài)頻率協(xié)調(diào)控制中的作用，但這些文獻都是短時間下分析，沒有全局優(yōu)化；文獻[25]提出了 ADN 分層能量管理下的DER 協(xié)調(diào)控制體系，通過將 ADN 中母線電壓分層控制，并設(shè)置自治區(qū)域與協(xié)調(diào)區(qū)域，通過 DER 的協(xié)調(diào)，減少母線電壓的振蕩，但是該文獻沒有充分利用儲能裝置在主動配電網(wǎng)中 DER 協(xié)調(diào)控制中的作用；文獻[26-28]分別研究了分布式光伏發(fā)電、柔性負荷以及儲能系統(tǒng)與 ADN 的協(xié)調(diào)發(fā)展，這些文獻都僅僅考慮了一種 DER，沒有考慮這些 DER的相互協(xié)調(diào)作用；文獻[29，30]在分布式能源協(xié)調(diào)控制的基礎(chǔ)上對主動配電網(wǎng)的諧波特性與治理問題上進行分析，建立了分布式電源的 Detail 模型、Average 模型和等效諧波模型，從不同的模型分析了分布式能源協(xié)調(diào)控制在減少主動配電網(wǎng)諧波上的有效性；

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第 2 章 基于源/儲/荷的主動配電網(wǎng)建模

2.1 引言
配電網(wǎng)接入分布式能源后，其主動控制系統(tǒng)必須對各間歇式能源、儲能系統(tǒng)進行有效的協(xié)調(diào)控制并對配電網(wǎng)運行方式的主動調(diào)節(jié)。與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比，主動配電網(wǎng)運用先進的信息、通信以及電力電子技術(shù)，主動管理接入配電網(wǎng)的間歇式能源、儲能系統(tǒng)，并對它們進行自主協(xié)調(diào)控制，積極消納出力過剩的間歇式能源以確保主動配電網(wǎng)的穩(wěn)定經(jīng)濟運行[38]。因此與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比，主動配電網(wǎng)具有以下特征：

由于風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的間歇性，當風(fēng)機和光伏電池出力過大，儲能系統(tǒng)就將過剩的電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能或者飛輪儲存動能。儲能系統(tǒng)可以平衡配電網(wǎng)中可再生能源的波動，是電能生產(chǎn)和消費之間的橋梁，是主動配電網(wǎng)的必要組成部分。目前常見的儲能設(shè)備有超導(dǎo)儲能、超級電容儲能、飛輪儲能、蓄電儲能等[41]。超導(dǎo)儲能響應(yīng)速度快，而且功率密度高，但是維護成本高，技術(shù)也不成熟。超級電容和飛輪儲能使用壽命長，功率密度大，但是儲能容量低，自放電率高。蓄電池作為比較常用的儲能設(shè)備，不僅放電效率高、動態(tài)特性好，可以在非常短的時間內(nèi)對配電網(wǎng)提供較大的沖擊電流，而且使用壽命長，可以使電能長期儲存。本文考慮到蓄電池這些優(yōu)點，并結(jié)合主動配電網(wǎng)對儲能系統(tǒng)的要求，選取蓄電池作為儲能裝置。主動配電網(wǎng)的儲能裝置不僅要在電量過剩時快速的吸收功率，在電量緊缺時快速的釋放功率，而且還要在主動配電網(wǎng)離網(wǎng)運行時，可以快速的調(diào)節(jié)配電網(wǎng)頻率波動、保持功率平衡。

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2.2 分布式能源建模
2.2.1 風(fēng)力發(fā)電機建模
雙饋感應(yīng)電機（Double Fed Induction Generator，DFIG）和永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機（direct drive permanent magnet wind generator）是現(xiàn)今兩種主要的風(fēng)力發(fā)電機。由于DFIG 對轉(zhuǎn)子進行交流勵磁，和配電網(wǎng)之間構(gòu)成"柔性連接"，勵磁電流可以通過檢測電網(wǎng)電壓、電流及發(fā)電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，精確調(diào)節(jié) DFIG 輸出電壓，因此本文風(fēng)力發(fā)電機采用 DFIG。DFIG 的定子直接連接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)是通過交-直-交變換器連接的，定子與轉(zhuǎn)子都可以與電網(wǎng)實現(xiàn)功率交換，DFIG 與變換器結(jié)構(gòu)模型如圖 2.1 所示。
根據(jù)風(fēng)速的不同，雙饋風(fēng)機有三種運行狀態(tài)：亞同步運行狀態(tài)，同步運行狀態(tài)，超同步運行狀態(tài)[39]。當風(fēng)速低于額定風(fēng)速時，發(fā)電機處于亞同步運行狀態(tài)，此時，電網(wǎng)有功功率通過勵磁變流器輸送給轉(zhuǎn)子；當風(fēng)速為額定風(fēng)速時，發(fā)電機為同步運行，電網(wǎng)和轉(zhuǎn)子繞組之間不存在功率交換；當風(fēng)速高于額定風(fēng)速時，發(fā)電機為超同步運行，轉(zhuǎn)子通過勵磁變流器向電網(wǎng)輸出有功功率。
（1）三相靜止坐標系下DFIG的數(shù)學(xué)模型
為了便于分析和建模，現(xiàn)考慮以下假設(shè)：
1）、設(shè) DFIG 定轉(zhuǎn)子繞組三相對稱，忽略空間諧波，磁勢正弦分布于氣隙圓周；
2）、忽略磁路飽和，DFIG 定轉(zhuǎn)子繞組的自感和互感都是線性的；
3）、忽略鐵芯損耗；
4）、忽略頻率和溫度對繞組的影響；

5）、轉(zhuǎn)子參數(shù)均折算至定子側(cè)，并使定子和轉(zhuǎn)子繞組的匝數(shù)相同。

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第 3 章 主動配電網(wǎng)源/儲/荷 PWM 控制策略....................15
3.1 引言.................................................. 15
3.2 DFIG 雙 PWM 變換器及其控制策略........................... 15
第 4 章 多時間尺度下源/儲/荷協(xié)調(diào)控制策略研究..................29
4.1 引言 ........................................................... 29
4.2 多時間尺度下的主動配電網(wǎng)源/儲/荷協(xié)調(diào)控制框架 ............... 29
第 5 章 仿真分析...............................................35
5.1 引言 ........................................................ 35

5.2 DIgSILENT 軟件介紹 ....................................... 35

第 5 章 仿真分析

5.1 引言
DIgSILENT 具有全面的電力系統(tǒng)元件模型，如風(fēng)力發(fā)電機、光伏發(fā)電、儲能系統(tǒng)、控制器、負荷、線路、變壓器等模型。本文所用到的 DFIG 的變換器、儲能系統(tǒng)的變流器和光伏電池的逆變器已經(jīng)嵌入到這些模型中了。第二章分析的分布式能源的數(shù)學(xué)模型及第三章的所述的分布式能源變換器的控制策略都可以采用 DFIG 中的 DSL 仿真語言搭建。該軟件的數(shù)據(jù)存儲方式以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，具有逐級面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)管理器，同時項目管理系統(tǒng)非常靈活，并且具有圖像模型一體化的簡潔處理方式，參數(shù)描述方式多樣化，電力電子運用等特點。可以實現(xiàn) AC/DC 潮流計算分析，故障分析，動態(tài)仿真，諧波分析，保護分析，可靠性分析，最優(yōu)潮流計算，配網(wǎng)優(yōu)化，低壓網(wǎng)絡(luò)分析等功能。本文采用 DIgSILENT 搭建主動配電網(wǎng)等效模型，驗證所提多時間尺度下源/儲/荷協(xié)調(diào)控制策略。
因為日落后，光伏發(fā)電出力減少至 0，而21:31   22:00時配電網(wǎng)需求功率增大，分布式能源及儲能系統(tǒng)不能滿足主動配電網(wǎng)的功率需求，在不考慮上級配電網(wǎng)輸入功率的情況下，以30min為長時間周期按照可控負荷的控制策略對主動配電網(wǎng)進行全局優(yōu)化，同時，由于自治區(qū)域 2 沒有連接調(diào)壓器，因此只對自治區(qū)域 1 和自治區(qū)域 3 進行了仿真。節(jié)點 6 和 26 分別為自治區(qū)域 1 和 3 連接電網(wǎng)的第一級節(jié)點，并與調(diào)壓器相連，因此以節(jié)點 6 和 26 上有功功率分析全局優(yōu)化控制，其仿真結(jié)果如圖 5.2 和圖 5.3。

由圖 5.2 和 5.3 可以看出，在可控負荷參與控制的情況下，有區(qū)域協(xié)調(diào)自治時，自治區(qū)域1和自治區(qū)域3內(nèi)的母線功率波動分別為6.67%和2.22%，沒有可控負荷參與時，自治區(qū)域 1 和自治區(qū)域 3 的母線功率波動分別為 13.33%和 4.44%；而無區(qū)域協(xié)調(diào)自治時，自治區(qū)域 1 和 3 的母線功率波動分別為 30%和 11.11%。因此可以得出，在可控負荷參與控制的區(qū)域協(xié)調(diào)自治情況下，自治區(qū)域 1 和 3 的全局優(yōu)化效果最好。因此，在自治區(qū)域內(nèi)的分布式能源和儲能系統(tǒng)無法滿足負荷需求時，對其內(nèi)的可控負荷進行控制，可以有效的抑制主動配電網(wǎng)功率波動，并使其在最優(yōu)的狀態(tài)下運行。

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第 6 章 結(jié)論與展望

6.1 總結(jié)
本文根據(jù)主動配電網(wǎng)的主要特征，對主動配電網(wǎng)中的 DFIG、光伏發(fā)電、儲能系統(tǒng)建立了數(shù)學(xué)模型及其并網(wǎng)變換器建模并提出了控制策略，在風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲能系統(tǒng)和可控負荷的多時間互補下，對主動配電網(wǎng)采用長時間全局優(yōu)化控制和短時間區(qū)域協(xié)調(diào)自治控制。運用 DIgSILENT 對多時間尺度下的主動配電網(wǎng)源/儲/荷協(xié)調(diào)控制策略進行了仿真分析，得出了以下主要結(jié)論：
（1）長時間周期按照可控負荷的控制策略對主動配電網(wǎng)進行全局優(yōu)化，仿真結(jié)果顯示本文所提方法有效的抑制主動配電網(wǎng)功率波動，并使其在最優(yōu)的狀態(tài)下運行，同時也降低了主動配電網(wǎng)全天運行成本，降低了饋線有功網(wǎng)損。

（2）通過從區(qū)域外負荷增大時自治區(qū)域間的協(xié)調(diào)控制、區(qū)域內(nèi)突然加入一臺 DFIG時自治區(qū)域間的協(xié)調(diào)控制及間歇式能源出力不足時的自治區(qū)域內(nèi)的協(xié)調(diào)控制三方面分析了短時間尺度下源/儲/荷協(xié)調(diào)控制策略，仿真結(jié)果顯示本文所提方法充分的發(fā)揮了儲能系統(tǒng)的功率快速吞吐能力，可控負荷的調(diào)節(jié)能力，提高主動配電網(wǎng)的主動性、自治能力，并使主動配電網(wǎng)饋線功率趨于穩(wěn)定，降低了母線電壓的波動，提高了主動配電網(wǎng)的魯棒性。

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參考文獻（略）

本文編號：369883