1 緒論 

1.1  課題研究背景及意義 
現(xiàn)階段，伴隨著經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的飛速發(fā)展，人們的生活水平已經(jīng)得到了極大的提高，能源作為發(fā)展的動(dòng)力，為了社會(huì)的持續(xù)發(fā)展，對(duì)能源的需求也呈現(xiàn)日益增長(zhǎng)的趨勢(shì)，能源已經(jīng)成為了推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的巨大動(dòng)力。當(dāng)今社會(huì)，對(duì)能源的巨大依賴直接導(dǎo)致了過(guò)度消耗以煤炭和石油為主的傳統(tǒng)一次能源，，這些能源都有個(gè)共同的特點(diǎn)，就是在消耗的過(guò)程中會(huì)釋放大量污染物，隨之而來(lái)的就是嚴(yán)重的能源危機(jī)和世界各地出現(xiàn)的日益嚴(yán)峻的環(huán)境污染問(wèn)題，這已經(jīng)對(duì)可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生了很嚴(yán)峻的負(fù)面影響。一方面著眼于環(huán)境的保護(hù)，另一方面又要滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的日益增長(zhǎng)的能源需求，于是發(fā)展新型可再生能源就自然而言的擺在了人們的面前，得到了社會(huì)廣泛的關(guān)注�？稍偕茉匆婚_(kāi)始就有著自己極大的天然優(yōu)勢(shì)，成為全球能源需求的新方向，獲得了快速的發(fā)展。 目前可再生能源發(fā)電問(wèn)題已經(jīng)成為了一個(gè)當(dāng)今社會(huì)和學(xué)術(shù)界的很熱門的問(wèn)題，我國(guó)現(xiàn)階段已經(jīng)把能源問(wèn)題提升到了國(guó)家發(fā)展重點(diǎn)的戰(zhàn)略高度，將集中力量大力發(fā)展以風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電為代表的可再生能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)，借此旨在進(jìn)一步推動(dòng)清潔能源的開(kāi)發(fā)和利用。隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和社會(huì)的不斷進(jìn)步，對(duì)電能的需求也在不斷增長(zhǎng)，大電網(wǎng)的集中供電模式在日益龐大的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)面前逐漸凸顯出了一些弊端，建設(shè)成本高，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)越大自然電網(wǎng)就越復(fù)雜，整個(gè)龐大的電網(wǎng)運(yùn)行起來(lái)成本相應(yīng)就會(huì)增加許多，操作的難度也會(huì)增加很多，越來(lái)越難滿足電力用戶日益增長(zhǎng)的多樣化供電需求，這一點(diǎn)在偏遠(yuǎn)的山區(qū)表現(xiàn)的更加突出明顯。而且隨著電網(wǎng)的規(guī)模越龐大，相應(yīng)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)就表現(xiàn)出復(fù)雜多樣的態(tài)勢(shì)，帶來(lái)的壞處就是電網(wǎng)的安全可靠性的大大降低。大規(guī)模和超大規(guī)模電力系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的薄弱之處也就凸現(xiàn)了出來(lái)，這已經(jīng)成為了電力工業(yè)發(fā)展過(guò)程中的隱患。而且近些年來(lái)，許多國(guó)家相繼發(fā)生的幾次大規(guī)模的停電事故給社會(huì)發(fā)展帶來(lái)的影響也更加佐證了這一點(diǎn)，在現(xiàn)代規(guī)模龐大的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，電力系統(tǒng)中任何一處發(fā)生的電力故障都存在發(fā)生連鎖效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)，這在很大程度上給電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來(lái)巨大的負(fù)面影響。后來(lái)人們意識(shí)到，大規(guī)模的電力網(wǎng)絡(luò)對(duì)于現(xiàn)實(shí)中的電網(wǎng)建設(shè)并不是一個(gè)最好的選擇。而利用可再生能源的分布式發(fā)電引起了廣泛的關(guān)注。 
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1.2  微電網(wǎng)的研究現(xiàn)狀 
現(xiàn)階段，微電網(wǎng)成為了智能電網(wǎng)建設(shè)的一個(gè)重要的內(nèi)容，得到了廣泛的關(guān)注。世界范圍內(nèi)各國(guó)都在投入各種力量開(kāi)展微電網(wǎng)應(yīng)用方面的研究。都各自提出了微電網(wǎng)的定義和發(fā)展愿景，微電網(wǎng)研究已呈現(xiàn)欣欣向榮之勢(shì)。美國(guó)率先在世界上提出微電網(wǎng)的概念[14]，并在 1999 年就對(duì)微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究。后來(lái)，美國(guó)可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會(huì)對(duì)微電網(wǎng)給出了確切的定義，并發(fā)展了“即插即用”和“對(duì)等”的控制理念，微電網(wǎng)是可以同時(shí)提供電能和熱能，由微型電源和負(fù)載共同組成的一種新型電網(wǎng)結(jié)構(gòu)；微電網(wǎng)對(duì)于大電網(wǎng)來(lái)說(shuō)是能源的一種補(bǔ)充，對(duì)配電網(wǎng)來(lái)說(shuō)可以看成單獨(dú)的可控單元，同時(shí)能夠滿足用戶對(duì)電能質(zhì)量和可靠性等方面的需求，微電網(wǎng)中存在大量的功率變換裝置，負(fù)責(zé)電能的變換和控制傳輸。 在直流微電網(wǎng)研究方面，美國(guó)同樣也走在了前面，直流微電網(wǎng)的概念是由美國(guó)威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校電氣工程系第一次提出的，后來(lái)直流微電網(wǎng)的發(fā)展也大致延續(xù)了當(dāng)初的思想，其結(jié)構(gòu)如圖 1.1 所示[15]。 該直流微電網(wǎng)架構(gòu)中，含有多種微電源，包括風(fēng)力發(fā)電單元、光伏發(fā)電單元和儲(chǔ)能單元，通過(guò)和直流母線連接給直流負(fù)載供電，再通過(guò)一個(gè)逆變環(huán)節(jié)為交流負(fù)載供電。 歐盟在微電網(wǎng)的研究和商業(yè)化運(yùn)用方面處于領(lǐng)先地位，在微電網(wǎng)的研究中主要從電力市場(chǎng)的需求、供電的可靠性及環(huán)保方面進(jìn)行了綜合考慮，提出并發(fā)展了自己的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，歐盟微電網(wǎng)與美國(guó)提出的微電網(wǎng)在結(jié)構(gòu)方面是有差異的，這歸因于它們的側(cè)重點(diǎn)不同，當(dāng)然它有著自己獨(dú)特的特點(diǎn)。它的最大不同在于，歐盟的微電網(wǎng)允許向大電網(wǎng)輸入電能，這樣更加合理的利用各種清潔能源，歐盟的微電網(wǎng)研究也更加側(cè)重“多微網(wǎng)”結(jié)構(gòu)，容易使得負(fù)荷靠近電源中心，能源的利用更加便捷有效[16]。 
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2 電力儲(chǔ)能裝置的建模和分析 

儲(chǔ)能裝置兼顧儲(chǔ)能和供能的作用，在微電網(wǎng)研究和應(yīng)用中占據(jù)很大的地位，由于儲(chǔ)能裝置的使用，不僅提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，而且對(duì)于并網(wǎng)系統(tǒng)而言，能夠很好的提高負(fù)載側(cè)的電能質(zhì)量和能量利用率。在風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)中，儲(chǔ)能裝置跟隨微電源的狀態(tài)變化而變化，其意義重大，在微電網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用中不可缺少。 由于儲(chǔ)能裝置的特殊地位，一方面考慮到儲(chǔ)能裝置的能量密度，另一方面要考慮到儲(chǔ)能裝置要有快速的響應(yīng)能力，而且能夠?qū)σ欢ǖ沫h(huán)境變化作出響應(yīng)。 目前，微電網(wǎng)的儲(chǔ)能裝置主要有緒論中提到的那四種。不同的儲(chǔ)能裝置各有各的優(yōu)缺點(diǎn)。各種儲(chǔ)能方法都不能完全兼顧高功率、高能量、長(zhǎng)壽命、技術(shù)完善以及安全性高等多種要求，因?yàn)閮?chǔ)能技術(shù)發(fā)展還不太成熟，所以微電網(wǎng)中還需要進(jìn)一步研究�，F(xiàn)階段，就技術(shù)條件和普及度而言，蓄電池是使用最為廣泛的儲(chǔ)能裝置之一。一般常見(jiàn)的蓄電池包括鉛酸蓄電池、鋰電池和鎘鎳電池等；鋰電池具有高能量密度、高電壓、無(wú)污染、不含金屬鋰、快速充電、無(wú)記憶效應(yīng)和循環(huán)壽命高等諸多優(yōu)點(diǎn)，大容量鋰電池的安全性還有很多爭(zhēng)議，而且成本也很高。相比之下，鉛酸蓄電池由于成本低、技術(shù)較為成熟而得到了大規(guī)模的普及，但是鉛酸蓄電池的缺點(diǎn)也是很明顯的，它的體積太過(guò)龐大[32,33]。綜合考慮而言鉛酸蓄電池還是有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)的。對(duì)于本文而言，選擇鉛酸蓄電池。下文中提到的蓄電池特指鉛酸蓄電池。 

2.1 蓄電池的工作原理  
蓄電池的主要功能是儲(chǔ)存和釋放電能，這是由蓄電池的充放電過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，蓄電池是以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存電能。其充放電過(guò)程是兩種能量的相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程，蓄電池中化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的過(guò)程稱為放電過(guò)程，負(fù)極進(jìn)行的是氧化過(guò)程；將電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能的過(guò)程稱為充電過(guò)程，正極進(jìn)行的是還原的過(guò)程，它是放電過(guò)程的逆過(guò)程。其放電過(guò)程的化學(xué)方程式如公式（2.3）所示。 
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2.2 蓄電池的作用分析 
由于微電網(wǎng)主要是利用光伏和風(fēng)力等清潔能源來(lái)發(fā)電，電力的來(lái)源是可持續(xù)的清潔型能源，但是在微電網(wǎng)利用這么分散的能源的同時(shí)，也不得不考慮這些能源的固有的缺點(diǎn)，那就是這些能源都不是穩(wěn)定的可持續(xù)輸出的能源，它們有著其固有的隨機(jī)性和波動(dòng)性等特性，表現(xiàn)在電能方面就是供電的間斷性，為了利用這些分散的清潔能源，同時(shí)也為了提高微電網(wǎng)供電的穩(wěn)定和可靠性，這個(gè)時(shí)候就需要在微電網(wǎng)中引入儲(chǔ)能裝置，總的來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)能裝置在微電網(wǎng)中主要起到如下作用： 當(dāng)微電網(wǎng)系統(tǒng)中功能有多余的時(shí)候，儲(chǔ)能裝置開(kāi)始充電，分布式能源可以以最大功率的輸出能源，達(dá)到合理利用清潔能源的目的。 當(dāng)微電網(wǎng)系統(tǒng)中，出現(xiàn)功率缺額，這個(gè)時(shí)候分布式能源以最大功率輸出已經(jīng)不能滿足負(fù)載的需求的時(shí)候，儲(chǔ)能裝置開(kāi)始釋放出電能，保證微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。 從儲(chǔ)能裝置的這兩個(gè)作用來(lái)看，近視于起到了“削峰填谷”的重要作用。 建模時(shí)用到的蓄電池模型選用 MATLAB 自帶的蓄電池模型，其已經(jīng)滿足研究分析的需要。至于蓄電池的建模不是本文的重點(diǎn)，重點(diǎn)在于蓄電池接入微電網(wǎng)過(guò)程中的直流接口變換器，關(guān)于這一點(diǎn)下文中會(huì)提到，并有所涉及。 
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3  直流微電網(wǎng)的建模和分析 ....... 17
3.1  風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) .......... 17 
3.1.1  永磁同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 .... 17 
3.1.2  風(fēng)力發(fā)電的基本原理 ......... 18 
3.1.3  風(fēng)力機(jī)的特性分析 ...... 20 
3.1.4  風(fēng)力發(fā)電的最大功率點(diǎn)跟蹤原理和常見(jiàn)方法 .... 22 
3.1.5  風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模及綜合仿真 .......... 25 
3.2  光伏發(fā)電系統(tǒng) .......... 30 
3.3  本章小結(jié) .... 47 
4  直流微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制 .... 48 
4.1  直流微電網(wǎng)的運(yùn)行模式 ........ 48 
4.2  直流微電網(wǎng)的控制目標(biāo) ........ 49 
4.3  直流微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的控制策略 ...... 
4.3.1  光伏陣列 DC/DC 變換器 .......... 50
4.3.2  風(fēng)力發(fā)電 AC/DC 變換器 .......... 51 
4.3.3  蓄電池儲(chǔ)能雙向 DC/DC 變換器 ..... 52 
4.3.4  直流微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器 ..... 53 
4.4  直流微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制的仿真分析 ...... 54 
4.5  本章小結(jié) .... 58 
5  結(jié)論 ........ 59 

4 直流微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制 

由于直流微電網(wǎng)中一般具有多個(gè)發(fā)電單元，而且它們大多布置比較分散，這就使得在利用的過(guò)程中無(wú)形地增加了控制的難度，同時(shí)也對(duì)研究新型的微電網(wǎng)控制理論提出了更高的要求。在目前的直流微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制方案中，主要有兩種控制方式，一種是集中式控制，另一種是分散控制。集中控制對(duì)系統(tǒng)的要求比較高，它要求微電網(wǎng)主控系統(tǒng)和各微源控制器之間始終保持著良好的通訊聯(lián)系，這就使得系統(tǒng)對(duì)通信線路的要求比較高，比較依賴線路的暢通情況，自然微電網(wǎng)控制系統(tǒng)的可靠性就降低了不少；而采用分散控制時(shí)，各個(gè)微源是獨(dú)立運(yùn)行的，它們之間不需要通訊的聯(lián)系，控制過(guò)程在各個(gè)微源的內(nèi)部完成，這就使得系統(tǒng)的可靠性提升了很多，同時(shí)也提高了系統(tǒng)運(yùn)行模式的切換速度[50]。 如前文中提到的，對(duì)于直流微電網(wǎng)而言，直流母線電壓表征微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的唯一指標(biāo)，因此，對(duì)于直流微電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，最重要的任務(wù)就是采取一些控制策略來(lái)達(dá)到直流母線電壓穩(wěn)定的目的。現(xiàn)階段對(duì)于微電網(wǎng)控制研究的很多，也成為微電網(wǎng)研究領(lǐng)域最活躍的課題。本文就是以基于光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制，通過(guò)這種分布控制的方法來(lái)降低控制難度，增大控制的可操作性。 

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結(jié)論 

近些年來(lái)，隨著煤炭和石油等常規(guī)一次能源的利益枯竭和傳統(tǒng)化石能源的過(guò)度使用，環(huán)境污染問(wèn)題成了阻礙社會(huì)發(fā)展的突出問(wèn)題，為了解決這些問(wèn)題，現(xiàn)階段主要靠提高清潔能源在能源結(jié)構(gòu)中的比例，從而減少化石能源的消耗，微電網(wǎng)技術(shù)成了研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。直流微電網(wǎng)作為微電網(wǎng)組網(wǎng)模式的一種，與交流微電網(wǎng)相比有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如便于控制和轉(zhuǎn)化效率高等。對(duì)于直流微電網(wǎng)的研究有助于解決分布式能源所具有的電源分散和難于控制等問(wèn)題。本文在緒論部分集中介紹了直流微電網(wǎng)領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和一些關(guān)鍵技術(shù)，在正文部分對(duì)直流微電網(wǎng)中的各個(gè)發(fā)電單元和儲(chǔ)能單元進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和仿真分析，并對(duì)含有光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電、儲(chǔ)能裝置的直流微電網(wǎng)進(jìn)行了協(xié)調(diào)控制的研究，通過(guò)研究得到了如下結(jié)論： 
（1）首先介紹了幾種常見(jiàn)的儲(chǔ)能方式，并進(jìn)行了比較；分析了直流微電網(wǎng)中用到的蓄電池的工作原理，利用 MATLAB 自帶的蓄電池模型，對(duì)蓄電池的充放電特性分別進(jìn)行了建模仿真和詳細(xì)的分析，并對(duì)蓄電池接入微電網(wǎng)的接口變換器的工作原理進(jìn)行了研究分析。 
（2）分析了風(fēng)力發(fā)電的數(shù)學(xué)模型，借助于 MATLAB/Simulink 平臺(tái)建立相應(yīng)的仿真模型，分析了風(fēng)力機(jī)的輸出特性和最大功率跟蹤方法，并采用占空比擾動(dòng)法實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電的最大功率跟蹤，通過(guò)仿真結(jié)果表明，建立的仿真模型能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的最大功率跟蹤，并且具有較好的跟蹤效果，即使在變風(fēng)速條件下也能夠快速有效地實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的最大功率點(diǎn)跟蹤。 
（3）首先分析了光伏電池的物理原理和近似數(shù)學(xué)模型，根據(jù)工程上常用的單二極管電路模型建立了 MATLAB 的仿真模型，并進(jìn)行了仿真研究，著重分析了光伏電池的輸出特性，并且驗(yàn)證了該模型的可靠性。討論了幾種常見(jiàn)的光伏電池發(fā)電的最大功率跟蹤方法，提出了改進(jìn)的擾動(dòng)法的最大功率跟蹤方法。并和傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法進(jìn)行了最大功率跟蹤的比較，突出了其優(yōu)勢(shì)，并在 Simulink 平臺(tái)上進(jìn)行了整體仿真分析，仿真的結(jié)果表明，采用改進(jìn)的擾動(dòng)法能夠很好的實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大功率跟蹤，結(jié)果也滿足工程上的要求。
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參考文獻(xiàn)(略) 

本文編號(hào)：62433