【文章內(nèi)容簡介】 并且提出了新的分區(qū)理念，將系統(tǒng)化分為幾個區(qū)域，每個區(qū)域中 DR 與負荷之間達到平衡， DR 的容量相對要大些，并且在每一個區(qū)域內(nèi)，應(yīng)該有一臺DR(通常是該區(qū)域內(nèi)容量最大的一臺 )可以控制負荷頻率，但其缺點也很明顯，斷路器因故障拒絕動作，因此導(dǎo)致隔離失敗；電阻性故障時，保護可能會產(chǎn)生誤動作，所以它不適用于 DR 低滲透率的配電網(wǎng)絡(luò)。 UPFC 的研究現(xiàn)狀 文獻 [1121]講述了 UPFC 的工作原理、功能與控制方法， UPFC 可以對有功、無功和電壓分別進行控制，對于優(yōu)化電力系統(tǒng)的運行、提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定、阻尼 系統(tǒng)的振蕩具有顯著的作用 [11]，其分內(nèi)部控制和外部控制兩個部分對統(tǒng)一潮流控制器 (UPFC)進行控制器設(shè)計 [12]；基于功率注入法 ,本文將UPFC 的優(yōu)化控制問題轉(zhuǎn)化為一個優(yōu)化問題來求解 [13]； UPFC 的控制性能受到 2 個因素的影響：一個是其對控制運行點變化的魯棒性，另一個是不同控制之間的交互影響 [14]；對 UPFC 的參數(shù)設(shè)計進行研究 [15]；文獻 [16]介紹了非線性原一對偶路徑跟蹤內(nèi)點算法進行電力系統(tǒng)最優(yōu)潮流計算；文獻 [17]研究了 UPFC 控制策略；文獻 [18]介紹了 UPFC 安裝位置的選擇；文獻 [19]介紹了一種新型的 UPFC：兩側(cè)分別有獨自的直流側(cè)并且兩側(cè)沒有功率的交換等第 1 章 緒論 5 等；文獻 [2021]介紹了 UPFC 在分布式電源以及微電網(wǎng)中的應(yīng)用，提高了系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性。 統(tǒng)一潮流控制器 主要 在四個方面 進行 研究： UPFC的數(shù)學(xué)模型、 UPFC的控制 系統(tǒng) 、 UPFC的 主系統(tǒng) 變換器和 UPFC的 實際 應(yīng)用 [22]。 (1)UPFC的數(shù)學(xué)模型 系統(tǒng)模型 是用來表達系統(tǒng)的 靜態(tài)和動態(tài)特性，是 研究 系統(tǒng)的 基礎(chǔ) 。 因此為了能夠更好地描述柔性交流輸電系統(tǒng) (FACTS)更好地研究 FACTS，關(guān)鍵要建立一個正確反應(yīng) FACTS的數(shù)學(xué)模型 。 從描述對象來看 ， FACTS的模型可分為暫態(tài)模型和穩(wěn)態(tài)模型。暫態(tài)模型 用來研究 系統(tǒng)的動態(tài)特性與 運行行為 ；穩(wěn)態(tài)模型 主要研究 FACTS系統(tǒng)的輸入輸出特性， 主要用于研究電力系統(tǒng)的 行為以及 電網(wǎng)中的 潮流控制。 現(xiàn)在常用的 方法主要有兩種： 輸出建模法 與 拓撲建模法 。 輸出建模方法比較簡單， 一般情況下 將 系統(tǒng)簡單地視為 一個電流源或電壓源外接阻抗， 然后加入系統(tǒng) 本身的一些約束條件，得到 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 ，但 是該方法沒有考慮系統(tǒng)的內(nèi)部信息 ， 對于研究系統(tǒng) 的內(nèi)部特性 有一定的缺陷。拓撲建模法 主要根據(jù) 系統(tǒng) 在不同運行狀態(tài)下，不同的拓撲結(jié)構(gòu) 研究 寫出方程 組 ，按整個 系統(tǒng) 具有 拓撲結(jié)構(gòu) 的種類 以及 各個 拓撲結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移順序 對方程組求解 ，從而 得到系統(tǒng) 的解析方程。但是 拓撲建模 比較復(fù)雜，其 隨 著 開關(guān)數(shù)的增加 將 呈 現(xiàn) 指數(shù)級增長， 并且 形成 統(tǒng)一的 數(shù)學(xué) 模型表達式 有很大的難度 。 (2)UPFC的控制 系統(tǒng) FACTS設(shè)備 控制系統(tǒng)的對其控制作用至關(guān)重要， 其對設(shè)備在電力系統(tǒng)中潮流控制 、 提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性 、 改善 電網(wǎng)傳輸能力 等方面起著很重要的作用 。FACTS設(shè)備 至少 有以下 三個功能： 實時 在線地 監(jiān)控電網(wǎng) 系統(tǒng)的運行 情況 ， 特別是當電網(wǎng)運行在 不穩(wěn)定和功率振蕩 的 狀態(tài) 時 ；能根據(jù) 監(jiān)控 到的 運行情況得到相對應(yīng)的最有利的 控制策略；能夠 得到 改變 控制 策略 所需 的有效 信息。 要依據(jù)電力系統(tǒng)本身的運行特性來選擇最佳的控制策略，在保證能實現(xiàn) 其他功能 時 ，綜合基于模型的控制理論和智能控制方法，設(shè)計該運行狀態(tài)下的最佳控制 系統(tǒng) 。根據(jù) 設(shè)計 控制 系統(tǒng)時 對系統(tǒng)信息提取和綜合過程 的 不同， FACTS裝置的控制策略可分為 3種：基于系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的控制方式、基于系統(tǒng)外部燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ) 6 結(jié)構(gòu)的控制方式、綜合智能控制方式。 (3)UPFC的電力電子變換器 UPFC的主 系統(tǒng) 含 有 兩個電壓型變換器，在變換器的控制與實現(xiàn)上主要采用三種技術(shù)：多電平變換器及其疊加技術(shù)：矩陣變換器； PWM變換器。多電平變換器是在 方波變換器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，必須與變換器疊加技術(shù)聯(lián)合使用才能獲得好的性能。矩陣變換器是一種直接 ACAC變換器 (輸出頻率可調(diào) )，將其用于統(tǒng)一潮流控制器是矩陣變換器的一種應(yīng)用嘗試。 UPFC變換器大多采用 PWM技術(shù) 。 (4)UPFC的系統(tǒng)應(yīng)用 改善電力系統(tǒng)運行行為是開發(fā) UPFC的出發(fā)點，因此 UPFC必須放入系統(tǒng)中去考慮，潮流控制、電壓控制、暫態(tài)穩(wěn)定控制、阻尼控制是其設(shè)計的四個主要目標。對 UPFC的系統(tǒng)應(yīng)用的研究一般采用 MATLAB和 EMTP(電磁暫態(tài)仿真 )仿真或通過動模試驗來進行。 本文研究的主要內(nèi) 容 對微電網(wǎng)的潮流進行控制是本文研究的核心內(nèi)容，傳統(tǒng)的方法只能通過改變負荷的大小、電源或調(diào)整電源間負荷分配關(guān)系來實現(xiàn)。本文采用了UPFC 控制微電網(wǎng)的潮流，只需要改變運行參數(shù)即可改變潮流分布。由于實驗條件所限，本文對所提出的新方法采用軟件仿真進行驗證。 全文研究內(nèi)容主要分為如下四個部分。 (1)微電網(wǎng)建模。微電網(wǎng)建模仿真是指在 Matlab/simulink 環(huán)境下建立微電網(wǎng)的仿真模型，它包括微電源、負載和線路等組成部分，建立簡單的微電網(wǎng)仿真模型。 (2)UPFC 的建模與分析。本文對 UPFC 的工作原理進行了分析，并分析了 UPFC 的基本控制功能，研究了 UPFC 在微電網(wǎng)中的潮流控制作用，為設(shè)計 UPFC 潮流控制策略奠定了基礎(chǔ)。 (3)UPFC 的控制系統(tǒng)的設(shè)計。根據(jù) UPFC 在微電網(wǎng)中的潮流控制作用，建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并聯(lián)側(cè)和串聯(lián)側(cè)分別利用了雙環(huán)解耦控制和交叉耦合控制，建立了控制系統(tǒng)的模型。 第 1 章 緒論 7 (4)仿真驗證及分析。建立了基于 UPFC 的微電網(wǎng)潮流控制的仿真模型，并對仿真結(jié)果進行分析。并與沒有 UPFC 的系統(tǒng)模型的仿真結(jié)果相比較，驗證 UPFC 控制潮流的可行性。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ) 8 第 2章 微電網(wǎng)的 仿真建模 微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu) 微電網(wǎng)是指 在 某一地區(qū) 使 用 分布式電源獨立供電， 并且分布式電源與 儲能系統(tǒng)、功率控制等單元 相聯(lián)合 ，形成區(qū)域供電 系統(tǒng) ， 產(chǎn)生 用戶 所需的 電能和熱能。課題的研究重點是應(yīng)用 UPFC 進行微電網(wǎng)潮流控制，而微電網(wǎng)的建模則是其中的基礎(chǔ)，本章的主要內(nèi)容是 構(gòu)建 微電網(wǎng)仿真模型。 微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。微電網(wǎng)的重要組成部分是 分布式 電源和儲能系統(tǒng)。 分布式 電源主要包括可再生能源和高效發(fā)電機組，可 再 生能源發(fā)電如太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電，高效發(fā)電機組如微水電機組、燃料電池發(fā)電等。微電網(wǎng)中的儲能系統(tǒng)的作用類似于大電網(wǎng)中的抽水蓄能電站、調(diào)頻廠，能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào) 峰、調(diào)谷及調(diào)頻等功能，當前主要研究的儲能系統(tǒng)有飛輪儲能系統(tǒng)、高溫超導(dǎo)儲能系統(tǒng)、蓄電池儲能系統(tǒng)、超級電容儲能系統(tǒng)及壓縮空氣儲能等。 熱 熱 熱熱 熱 熱 熱 熱熱 熱 熱 熱熱 熱 熱熱 熱 熱 熱 熱熱 熱 熱熱 熱 熱熱 熱 熱 熱熱 熱 熱 熱 熱熱 熱 熱 熱熱 熱 熱 熱 熱熱 熱 熱 熱 熱 熱熱 熱 熱 熱熱 熱 熱 熱熱 熱熱 熱熱 圖 21 微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu) 微電網(wǎng)仿真模型研究的主要內(nèi)容是由分布式電源構(gòu)成的微電網(wǎng)的系統(tǒng)模型，本文整個系統(tǒng)仿真模型用發(fā)電機代替了分布式電源，本章將對光伏電源和風(fēng)力發(fā)電電機進行簡單的介紹。 光伏電源 第 2 章 微電網(wǎng)的仿真建模 9 光伏電池的基本原理 光伏電源是利用光伏電池組將可再生的太陽能轉(zhuǎn)化為電能，其原理是 當半導(dǎo)體 表面受到 太陽 光照射 時 ，其內(nèi)部的 P 區(qū)和 N 區(qū)中的價電子受到光子的沖擊， 當 束縛價電子的能量 小于 光能 時 ， 則 價電子 將會 脫離共價鍵的 束縛 ，從價帶狀態(tài)激發(fā)到導(dǎo)帶狀態(tài)，最終導(dǎo)致半導(dǎo)體內(nèi)部出現(xiàn)非平衡狀態(tài)的電子空穴對， PN 結(jié)對載流子進行牽引，對外形成與 PN 結(jié)勢壘電場方向相反的光生電場， 當 該半導(dǎo)體 與外部電路接通時 ，就會有電能輸出 [23]。該電場電壓為： )ln (2nNNqkTU i dai ? (21) 其中， da NN、 分別為電子和空穴的密度， in 為光生少數(shù)載流子密度， k 為玻爾茲曼常數(shù) ( ?? J/K)， q 為電子電荷 ( ?? C)， T 表示絕對溫度。 光伏電池的基本模型 研究光伏電池一般研究其等值電路模型，其 模型 通常 有 3種。第 1種是 將光伏電池 的內(nèi)部電阻全部忽略不計的 簡單模型，該模型在 對 光伏電池 進行 理論研究 時有較多的應(yīng)用 ；第 2種模型是 除了 光伏電池 的 并聯(lián)電阻 外其他的電阻全部忽略的 模型，該模型 雖然有較高的精度 ， 但是很少用于實際研究中 ：第 3種模型 時電池的所有電阻均不能忽略，研究 時考慮串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻，具有較高的精確度， 其等值電路模型如圖 22所示。 DU+IRshIshIphIdRse Rscr 圖 22 光伏電池 等值電路 模型 圖中電流 Iph為光生電流， 不受外接負載等因素的影響， 只 與 光照強度 有關(guān) 。其 大小與 光伏 電池的面積 成正比，也與 入射光的輻射強度 成線性關(guān)系 ，燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ) 10 也會受環(huán)境溫度的微小的影響 ；光電流 經(jīng)過 負載 RSCR時 產(chǎn)生電壓 U，它 反作用于 PN結(jié)， 正向偏置于 PN結(jié)， 其結(jié)果是 產(chǎn)生暗電流 Id， Id的大小反映了 在當前 環(huán)境溫度 下 ， PN結(jié) 根據(jù)自身 的能力 大小所 產(chǎn)生的總擴散電流的變化情況。因為光伏電池輸出電能時與外界接觸產(chǎn)生接觸電阻 ， 并且所用原料自身 具有電阻率， 所以有電流從這些電阻流過時會產(chǎn)生一定的 損耗，用一個串聯(lián)電阻Rse表示； 另外因為電池的邊沿可能會漏電和電極的損壞處產(chǎn)生的金屬橋漏電 等， 這樣就會短路一些原本流過負載的電流 ， 產(chǎn)生的這 種損耗 可 以 用一個并聯(lián)電阻 Rsh表示， 流過其的電流為 Ish。 Rse與 Rsh相比， Rse相對電阻很低 ，小于 1歐姆；而 Rsh相對電阻就很高 ，約幾千歐姆。 因此光伏電池的輸出電流 可以表示 為 I=IphIdIsh，應(yīng)用 基爾霍夫 電流定律， 可以推導(dǎo)出負載電流 ， 該電流 與其端口電壓 U二者關(guān)系式為 ： RUA K TUqIII shococosph ??????? ????????? 1e xp (22) seoc IRUU ?? (23) ? ?)25(100 ??? TKIGIiS C Rph (24) ?????? ?????? ???????? TTBKqETrTII rGOoros 11e xp3 (25) 式中 I為光伏電池 的 輸出電流； U為 輸出端口 電壓； Uoc為光伏電池開路電壓；Ios為光伏電池反向飽和電流； T為光伏電池的熱力學(xué)溫度 (oC)； q為電荷常量(1019C)； G為太陽輻 射系數(shù)； ISCR為在 25 oC和 1000瓦每平方米時的短路電流； Tr=； Ior為在 Tr=； Ki為短路電流溫度效應(yīng)系數(shù)，一般取 ； A， B為 PN結(jié) 的理想因數(shù)； K為波茲曼常數(shù) (l023J／ K)。 風(fēng)力發(fā)電機 風(fēng)能是一種 無污染 的 環(huán)保的 可再生能源， 隨著資源和環(huán)境問題受到越來越大的關(guān)注 ， 人們更加地重視通過風(fēng)力發(fā)電機進行風(fēng)能發(fā)電。 我國 復(fù)員遼闊，具有豐富的風(fēng)能資源 ， 有大約 10億千瓦 的風(fēng)能儲量能夠被開發(fā)利用 ， 其中大第 2 章 微電網(wǎng)的仿真建模 11 部分是海上的能量， 大約占總量的四分之三，其余的為陸地上可開發(fā)和利用的風(fēng)能占剩下的四分之一 。 風(fēng)力發(fā)電越來越重要， 中國新能源戰(zhàn)略 已經(jīng)開始將其 作為重點，按照國家規(guī)劃，未來 13年， 在 全國 范圍內(nèi) 風(fēng)力發(fā)電裝機 總 容量將達到 20xx萬至 3000萬千瓦。 若想開發(fā)利用風(fēng)能，必須利用風(fēng)力發(fā)電機，因此 全力研究風(fēng)力發(fā)電機是全面開發(fā)利用風(fēng)能的基礎(chǔ)和重要部分。 目前常用的風(fēng)力發(fā)電機主要有變槳距型鼠籠式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機、變速恒頻的雙饋式風(fēng)力發(fā)電機以及直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機。 由于變槳距感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出功率較小并且控制比較方便，微電網(wǎng)中采用該發(fā)電機相對較多。而 在大型風(fēng)力發(fā)電廠還是主要應(yīng)用后兩者。 下面分別 介紹 目前廣泛使用的 3種風(fēng)力發(fā)電機組及其控制方式、特點。 鼠籠式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機是目前我國應(yīng)用比較廣泛的一種風(fēng) 力發(fā)電 機，其結(jié)構(gòu)圖如圖 23所示。在該結(jié)構(gòu)中， 首先葉片