毕业设计微电网控制系统的研究.docx

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毕业设计微电网控制系统的研究

五邑大学

WUYIUNIVERSITY

学士学位论文

论文题目:

微电网控制系统的研究

院系:

信息工程学院

专业:

电气工程及其自动化

学号:

AP*******

**************

**************

二零一三年五月

毕业设计任务书

院系

信息学院

专业

电气工程及其自动化

学号

AP0904606

姓名

丁梓健

1、毕业设计题目：

微电网控制系统的研究

2、毕业设计任务及技术要求：

1设计任务:

1）研究国内外微电网技术的开展与应用；

2）研究主要微电网支撑的能源局部；

3）完成微电网太阳能发电局部和风力接入局部

2技术要求：

1）研究的资料要全面、充分，并能从中得出自己的观点；

2）太阳能和风能发电接入能正常工作；

3）太阳能充电电路能为12V蓄电池充电；

4）能分析出微电网支撑能源局部的工作原理，并重点分析太阳能局部

3、毕业设计应完成的工程内容和指导性进度安排：

1）设计的思路的可行性设想；

2）设计元件确实定与申报；

3）电路原理图的设计和制作、调试；

4）论文资料的收集整理；

5）完成论文的初稿；

6）论文的修改；

7）论文评审；

8）毕业设计辩论。

4、主要参考文献资料：

[1]廖惜春，项华珍，徐秀平，模拟电子技术根底[M].华中科技大学出版社.2008年1月版

[2]何立民，单片机应用系统设计[M].航天航空大学出版社.2003年

[4]高潮，C++程序设计[M].冶金工业出版社.2010年

[5]徐青山，分布式发电与微电网技术[M].人民邮电出版社.2011年1月版

[6]国际电力网.微电网需立足分布式电源现状。

2012.9.15

:

//power.in-en/html/power-12011201341544188.html

[7]WillsHL,SeottWG.DistributedPowergeneration[C].Planningandevaluation

NewYork:

CRC,2000.

[8]胡学浩.分布式发电（电源）技术及其并网问题[J].电工技术杂志.2004,10:

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[9]左文霞,李澍森,等.微网技术及开展概况[J].中国电力.2008,42（7）:

26-28.

[10]梁有伟,胡志坚,等.分布式发电及其在电力系统中的应用研究综述[J].电网技术.

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[11]国家电网.微电网技术.2011.01.09

:

//ec.sgcc/PowerOutter/newsdetail.jsp?

infoId=30276&contentTypeName=%B5%E7%C1%A6%BF%C6%C6%D5&contentTypeId=806&titleName=%CE%A2%B5%E7%CD%F8%BC%BC%CA%F5&id=3

院长〔主任〕签发：

指导教师签名：

时间：

年月日时间：

年月日

摘要

本文以微电网接入的能源局部为主要研究对象，首先介绍了微电网的一些根本概况，包括他产生的背景、定义和国内外开展的状况。

接着对微电网能源支撑局部也就是分布式电源进行阐述。

最后，详细介绍了太阳能和风能发电的充电控制电路、继电器切换电路的设计过程。

包括控制器的硬件、软件设计思路。

设计结果说明：

在有太阳能或风能的情况下，控制器可以对蓄电池进行稳定充电，切换器能在程序的控制下快速、平安地切换，微电网在孤岛模式下可以稳定运行，并具有良好的运行特性。

关键词：

分布式电源；微电网；充电控制器；蓄电池

Abstract

ThepaperfocusesontheenergypartoftheMicro-grid.Firstly,itintroducessomebasicinformationofMicro-grid,whichincludesitsbirth,definitionandthedomesticandforeigndevelopmentstatus.ThencomestotheelaborationofdifferentkindsofDG.Finally,itwillillustratehowthesolarchargingcontrollerandrelayswitchingcircuitweredesignedindetail.Thedesignresultshowsthatthecontrollercanchargestoragebatterysteadilyincaseofsunshineorwind,relayswitchingcircuitcanswitchthecircuitquicklyandsafely.Inaddition,thedesignalsodemonstratesthatMicro-gridcouldworkstablyandingoodperformance.

Keywordsdistributedgeneration;micro-grid;chargingcontroller;storagebattery

第1章 绪论

分布式发电与大电网的结合在20世纪被国内外许多专家学者认为是减少能耗、提高电力系统可靠性和灵活性的主要方式和主要出路。

诚然，分布式发电确实具有投资规模小、环保好和灵活性强等众多优点，但与此同时，分布式发电随着其开展也存在着诸多问题，例如，分布式电源单机接入本钱过高、控制相对困难等。

另外，分布式电源相对于整个大电网来说是一个不受其控制的不可控电源，因此，大电网不得不采取限制、隔离的方式来处理分布式电源，目的是为了减少对大电网的冲击。

而且美国电气和电子工程师协会（IEEE）1547标准规定当电力系统发生故障时，分布式电源必须马上退出运行。

这一标准在很大程度上限制了分布式电源的有效发挥，也从中间接地限制了新能源的开发利用，也很难到达环保节能的目的。

为解决此矛盾，为了能充分地利用分布式电源为电网和用户带来的效益和价值，一个自然的想法就是将地理上靠近、又都以分布式供电为主的电源及其负荷在一个比配电网还小的局部上形成自治系统，因此，在21世纪初，一些专家学者提出了一个更为崭新的概念——微型电网〔Micro-Grid〕被提出来了，也就是当今被广泛熟知的微电网，相应地把微电网中的分布式电源改称为微型电源〔MicroSource，MS〕，也简称微源。

开展和研究微电网无论是对整个电网或用户都是一个福音，显然，微网概念的提出主要是解决分布式电源带来的技术、市场和政策上的问题，是为了最大发挥分布式发电技术在经济、能源和环境中的优势。

微电网的意义在于它：

1）在微网内，用户就近取电和取热，能从整体上提高能源的利用率；

2）微电源大局部使用的是清洁的可再生能源，而清洁能源的使用能实现CO2的低排放乃至零排放，从而显著地保护自然环境；

3）对间歇式能源的发电特征，通过合理的网源协调控制策略，可以保证对主电网不造成较大的冲击；

4）能解决偏远地区供电问题；

5）当主网发生某种扰动事故时，微电网能够无缝平滑地切换到独立运行〔或称孤网运行状态〕从主网脱离，而当主网扰动去除回复正常后，微电网又能重新与主网同步并入主网。

本文描述了介绍了国外一些兴旺国家微电网的定义、结构、研究现状与开展方向;阐述了我国微电网开展的特点与现状，对主要微电网支撑的能源局部进行了分析和研究，并设计出了太阳能和风能这两类微电源接入模块的硬件电路，结合区永源同学的控制电路实现了微电网在孤岛模式下的稳定运行。

第2章微电网概况

2.1微电网的定义

目前，在国际上，一个统一的对微网的定义尚未形成，各国对微网的定义不尽相同，这主要是因为世界各国或组织对微电网的研究的重点有所差异。

从1999年开始，著名美国电力可靠性技术解决方案协会〔CERTS〕首次对微电网在可靠性、经济性及其对环境的影响影响等方面进行了研究。

在21世纪初，CERTS从结构、控制等方面详尽地阐述了微电网的概念：

微电网是一种负责和微型电源共同组成的系统，它可以同时提热量和电能：

微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量之间的转换，并提供必要的控制；微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并同时满足用户对电能质量和供电平安等要求。

欧盟微电网工程所提出的定义为：

微网是利用分布式能源、储能装置和可控负荷共同组成的低压网络；容量范围从几百千瓦到几个兆瓦；能够与配电网并列运行，在上一级电网故障时可脱网自治运行，故障恢复后可重新并网。

在日本较为认可的对微电网的定义是由三菱公司所提出的：

微网是一种包含电源和热能设备以及负荷的小型可控系统，对外表现为整体单元并可以接入主网运行。

在我国，结合我国开展状况，我国对微电网的定义为：

微电网是指由分布式电源、储能装置、能量变换装置、相关负荷和监控、保护装置聚集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统。

既可以与配电网运行〔并网运行〕，也可以与配电网断开独立运行〔孤岛运行〕。

2.2微电网的根本结构

随着负荷等各方面需求不同，微电网的具体结构也会有所差异,但其根本单元都应包括集控中心、分布式电源、智能化用户、储能设备和具有自愈〔故障重构〕能力的电网等，其中大多数微电源与电网的接口是基于电力电子技术，以保证微电网的灵活性和可靠性。

其结构如下列图2-1所示。

图2-l中的微电网是由两个并联的分布式电源DGI和DG2、电网、开关K以及负载组成，分布式电源〔DG〕一般包括天然气、太阳能、生物质能、氢能、风能、小水电等洁净能源或可再生能源。

图中微电网工作情况为当微电网在并网运行时,微电网通过开关K与电网相连,连接点为公共藕合点,DGI和DG2只向重要负载提供局部能量（电网也提供一局部能量）。

这种运行模式减轻了电网的负担,并且提高了重要负载的抗干扰性，当电网故障或检修的情况时,开关K将跳开,电网被切离,系统中的DGI和DG2将负责调节负载电压,并按预先设定的功率分配的原那么向微电网中所有重要负载供电,此时微电网工作于独立运行模式〔即孤岛运行模式〕，在电网故障去除后,微电网要在开关K闭合之前重新取得与电网的同步,以平稳恢复到并网运行模式，继续为电网供电。

这种结构很方便地实现了微电源的“即插即拔〞的功能特点。

图2-1微电网结构图

2.3微电网的特点

由微电网的定义可知，微电网有如下几个特点：

1）独特性：

微电网是有微型电源及负荷构成的小型电力系统，与大电网的主要

区别在于灵活的可调度性。

2）多样性：

微型电源的组成多种多样，既有传统电源，又有可再生能源。

同时，微电网中也包含储能设备，作为系统稳定运行的必要条件；而负荷的类型也有很多，如敏感型、非敏感型，可控型、非可控型等。

3）可控性：

根据运行工况的不同，微电网可以选择不同的运行方式，完善的控制策略使得微电网的可靠性得到提高，平安性得到保障。

4）交互式：

作为具备独立发电设备的微电网可以在必要时对主网提供有力支撑；同时主网也可以向微电网供电。

5）独立性：

微电网在一定条件下可以独立运行，在一定根底上保障了本地的用电需求。

6）可持续性：

微电网采用的分布式电源大局部都是可再生能源或清洁能源能大大减少对环境的污染，保护自然环境，真正地实现了能源和环境的可持续开展。

由于微电网惯性很小或无惯性，在能量需求变化的瞬间分布式电源无法满足其需求，所以微电网需要依赖储能装置来到达能量平衡。

在现有的微电网结构中，储能装置是维持系统暂态稳定必不可少的设备。

具有单点接入，灵活的运行模式等特点的微电网，将带给电力用户和大电网一些益处。

2.4国外微电网开展现状

2.4.1美国的微电网研究

美国电力可靠性技术解决方案协会〔CERTS〕最早提出微电网的概念，其设计理念是不采用快速电气控制、单点并网不上网、提供多样化的电能质量和供电的可靠性等。

这些人性而科学的特点和他不懈的研究使他成为众多微电网概念中最权威的一个。

图2-2所示为CERTS提出的微电网根本结构。

图中包括3条馈线A,B和C及1条负荷母线，网络整体呈辐射状结构。

馈线通过主分隔器〔通常是一个静态开关）与大电网系统相连，可实现孤网和并网两种运行模式之间的平滑切换。

开关点即PCC所在的位置，一般选择为配电变压器的原边侧或主网与微电网的别离点。

图2-2展示了光伏发电、微型燃气轮机和燃料电池等微电源形式，其中一些接在热力用户附近，为当地提供热源。

微电网中配置能量管理器和潮流控制器，前者可以用来实现对整个微电网的综合分析控制，而后者可实现对微电源的就地控制。

当负荷变化时，潮流控制器根据本地频率和电压信息进行潮流调节，当地微电源相应增加或减少其功率输出以保持功率平衡。

图2-2CERTS微电网结构

2.4.2欧盟的微电网研究

从电力市场需求、电能平安供应及环保等角度出发，2005年，欧盟提出“SmartGrid〞工程，并在2006年出台该工程的技术实现方略。

该方案的重心是如何将各种分散的小电源连接成一个微电网，并实现与配电网之间的连接。

目前，该工程已取得一些很具有启发意义的研究成果，譬如，可用于逆变器控制的低压非对称微电网的静态和动态仿真工具、孤岛和互连的运行理念、基于代理的控制策略、本地黑启动策略、接地和保护的方案、可靠性的定量分析、实验室微电网平台的理论验证等。

图2-3欧盟微电网结构图

欧盟采用的微电网结构如图2-3所示，该结构也是通过一些电力电子期间接入分布式电源，同时，考虑到“即插即用〞的需要。

欧盟对微电网研究的核心指导思想是“能源、环境、可持续开展〞，力求最大化地将小型分布式电源集成到配电网中去，提高不可再生能源利用率，减少对环境的污染。

欧盟的后续任务将集中在研究先进的控制策略、制定相应的标准、建立示范工程等。

在目前，在欧盟国家中，微电网的示范性工程主包括希腊吉斯诺斯岛微电网、德国曼海姆居民示范工程、西班牙LABEIN工程、葡萄牙EDP工程、意大利CESI工程、丹麦ELTRA工程等。

欧洲微电网的研究方案都是围绕微电网的可靠性、可接入性和灵活性三个方面来考虑，电网的智能化、能量利用的多元化等将是欧洲未来微电网的特点

2.4.3日本的微电网研究

日本采用的微电网结构如图2-4所示，它允许燃气轮机等旋转发电设备直接接入，与微电网进行同步运行，目前，日本的微电网研究主要在对负荷的跟踪能力、对电能质量的监控、电力的供需平衡以及孤岛的稳定性运行等方面。

日本的微电网主要采用的是主从控制结构，分布式电源的工作主要是通过顶层能量管理系统统一进行调度和管理，这样可以最大限度保证微电网暂态功率的平衡和抑制对主电网的影响。

一个突出的特点是，日本的微电网并不具备“即插即用〞的功能，因为他强调分布式电源类型的多样化。

图2-4日本微电网的结构

2.4.4其他国家的微电网研究

加拿大对微电网的相关研究主要集中在中压配电网，主要包括三大方面：

一是遥远地区的供电问题；二是方案孤岛运行；三是城市电网如何作为“好市民〞。

韩国在207年成立了以高校为主的智能微电网研究中心，研究目标为配电网技术、电力变换器技术、开发控制和通信技术、微电网的仿真及模型开发。

新加坡在国家能源决策报告中明确提出的要加强科研能力，强化能源研究的背景下，在2007年也开展了对微电网的相关研究，主要包括：

微电网的孤岛和并网的运行模式；远程监控与智能控制；建立微电网和分布式电源研究的实验平台。

2.5国内微电网开展与展望

目前，我国对微电网的研究尚处于起步阶段，作为一个新生事物，在国内尚未形成一个统一的概念，国家科技部“863方案先进能源技术领域2007年度专题课题〞中已经包括了微电网技术。

目前清华大学、中国科学院电工研究所、天津大学等单位相继开始了对微电网的研究。

也取得了相当的成就，如清华大学与辽宁高科能源集团合作在国内率先将微电网应用到实际工程中。

由浙江省电力试验研究院设计的浙江东福山岛风光柴海水淡化综合系统，安装7台单机容量30千瓦的风力发电机组、100千瓦的光伏发电系统及一套50吨/天海水淡化系统，总装机容量300千瓦，并装设有蓄电池组进行调节，是目前国内最大的离网型综合微网系统。

可见，微电网的开展和研究已经引起了国家的重视，将来将会有更多的微电网开始进行，微电网也将会获得更多的开展时机

此外，微电网作为智能电网的有机组成局部，智能电网只有涵盖了微电网才能高渗透率地大规模接入可再生能源，才称得上是真正的智能电网，所以,微电网的开展空间相当广阔。

当然，从技术方面看，微电网在一些方面还需有待突破,譬如在快速隔离、孤岛保护、无缝切换、稳定控制、能量管理技术等方面。

此外，我国目前新能源的开展政策是以电价补贴为主的，他更多地是扶持产业的中下游，虽刺激了产能，但却没能有效提升微电网的自主创新能力。

微电网的建设者、运营者、使用用户假设在将来能直接受益，那么在微电网得到大量推广应用后，其自身的优势就会充分发挥出来，将进入良性循环，获得蓬勃开展

第3章分布式电源

3.1引言

从本质上说,分布式电源与微电源可以互等,两者并无实质上的区别,各种分布式电源都可以应用到微电网中作为微电源,成为微电网的一大组成局部。

作为微电网的一大组成局部，微电源的开展也将会影响到微电网的开展，国家电力网于2012年9月5日作了?

微电网需立足分布式电源现状?

的讲话，需要我们在建设好微电网的同时也必须加强开展对分布式电源的研究。

通常，我们所指的分布式电源是指功率大概为数千瓦至50MW小型模块式的并且与环境兼容的独立电源。

这些电源通常是由电力部门、电力用户或第3方所有，他们用来满足电力系统和用户特定的要求，如在用电顶峰时调峰、为一些遥远地区用户或商业区供电，节省输变电投资、提高供电可靠性等等。

分布式电源具有很多集中式发电所不能企及的优点，譬如投资规模小、建设周期短、占地少、运行维护容易及高效、经济、可靠、污染少等。

随着社会的开展、环境保护等方面的需要，分布式电源将会越来越受到人们的青睐。

分布式电源的类型有很多，主要有可再生清洁能源为主的太阳能光伏发电、风力发电和以不可再生资源的燃料电池发电、微型汽轮机发电。

3.2太阳能光伏发

简单地说,太阳能发电就是利用“光伏效应〞产生电能,由于光伏电池的根本特性和二极管相似，因此我们可以简单的用PN结来进行说明，如图3-1为光伏电池的单元的根本模型,当具有一定强度的太阳光射到半导体时，一局部的太阳光会与构成半导体的材料相互作用,会产生电子空穴对（因失去电子而带正的电荷），如半导体中存在PN结，那么在PN结的作用下,电子会向N型半导体运动，空穴向P型半导体运动，并会聚集到两个电极，即负电荷和正电荷聚集于两端，如果两个电极能够成回路,回路中就有电荷定向移动产生电流。

因此光能就转化为电能储存了起来，通过电力电子与控制技术，便能将电能变换为各种同负载的需要。

可以看出太阳能发电与传统的发电方式是完全不同的，这其中没有旋转的转动局部，也没有有害气体的排出，是清洁的、友好的发电。

图3-1太阳能发电工作原理

3.3风力发电

风力发电机的结构和原理可以利用图3-2来说明，一般来说，风力发电的形式主要有三种：

第一种一是风力发电系统独立运行；第二种二是风力发电与其他发电方式相结合〔如与柴油机组〕；第三种三是风力并网发电。

无论哪一种，其根本原理都可归结为：

风力使风车叶片旋转转动，从而使风轮带动主轴〔低速轴〕转动，主轴同时打动齿轮箱转动，齿轮箱经过齿轮比转换，将低速转动转换为高速转动，同时齿轮箱带动着高速轴转动，高速轴与发电机连接，发电机经控制电路与负载连接，从而实现将风能转化为电能或化学能。

图3-2风力发电机结构图

3.4燃料电池发电

首先，燃料电池与普通的蓄电池是有本质上的区别的，其最本质的区别在于燃料电池是一种能量转换装置，在工作时必须要有能量〔即燃料〕的输入，才有电能的产生，而普通蓄电池是一种能量的储容器，必须先将电能转化为化学能储存到电池中，在工作时只输出电能，无需能量的输入。

燃料电池的结构和工作原理可以用图3-3来说明，如下图，燃料电池是由阳极、阴极和电解质〔电容液〕构成。

当燃料〔氢气〕和空气被送入电池时，氢在阳极会被氧化，反响方程式如公式3-1所示；而氧在阴极会减少，反响方程式如公式3-2所示。

这时，质子在电溶液中从阳极运动到阴极，而电子e经外部电路运动至阴极。

在阴极，氧会与质子、电子发生化学反响，生成废热。

总的反响式如公式3-3。

通常情况下，阴阳两极都会参加一定量的催化剂来加速反响过程。

用公式来说明这个过程可表示为：

阳极反响式：

公式3-1

阴极反响式：

公式3-2

总反响式：

公式3-3

图3-3燃料电池示意图

3.5其它形式的分布式发电

除了上述三大类典型分布式发电外，还有一些其它形式的分布式发电，如生物能发电、微型燃气轮机发电，生物能的发电技术主要为生物质的气化、生物质被压块成固化成型技术和生物质的液化技术，它的突出之处是对环境的奉献上，利于环境。

微型燃气轮机主要是指以甲烷、天然气、汽柴油为燃料的小型燃气轮机，它们结构简单、技术简易、灵活性强等优点，但它与其他的分布式发电比拟起来，显得发电效率相当的低，其主要应用也只限于短期的分布式发电供电规划内，开展和应用前景不明显。

第4章微电网电源接入模块的硬件设计

4.1引言

本章进入微电网接入电源的硬件设计局部,在前一章,论文描述了三类典型的分布式电源,包括太阳能发电、风能发电和燃料电池发电，由于太阳能和风能均是清洁的可再生能源，可以取之不尽，用之不竭。

但由于这两类能源供电的间隙性〔主要是受受天气〕，因此这两类分布式电源都不是直接接入电路使用，而是先将它们产生的电能用蓄电池储存起来，再通过逆变器变成标准的220V工频交流电，供应负载使用。

4.2太阳能充电控制器的硬件设计

4.2.1设计概述

本设计从大体上由六大局部组成,包括主芯片电路、单片机电源电路、蓄电池充电电路、输出电压调整电路、显示电路和放电电路的设计。

设计的技术要求和实现的功能是，在阳光或有电源输入的情况下，设计可以通过太阳能电池板或普通充电器可以为多种蓄电池充电，本设计程序设为为12V蓄电池充电；通过数码管实时显示充电电压和充电电流。

当电池将充满电时，电路的充电模式变换为“涓流充电〞模式。

本设计充电效率高，由于设计的是为12V蓄电池充电，因此，在逆变器的作用下，能为微电网提供电能，利用太阳能电池板进行充电，不仅节约资源，而且能减少对环境的污染。

设计的充电效率高，能快速地充电，而且能有效保护蓄电池。

4.2.2主芯片电路设计

STC12C5616AD单片机由宏晶科技公司生产的单时钟/机器周期〔1T〕单片机，它是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代单片机，它的速读比上一代快8-12倍，它的内部集成了MAX810专用复位电路、4路PWN和8路高速10位模数转换，在本设计中，它承当的主要功能是A/D转换，并与稳压控制芯片TLC5616之间通信，STC12C5615的设计主要包括复位电路、晶振电路的设计。

总设计电路原理图如图4-1所示

图4-1主芯片电路设计

4.2.2.1复位电路的设计

复位，指的是对单片机的初始化操作，单片机启开工作时都会先进行复位，这样可以让CPU