风光柴储微电网系统的研究.docx

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风光柴储微电网系统的研究

风光柴储微电网系统的研究

风光柴储微电网系统的研究

摘要

伴随着人类社会的发展，人类对大自然的破坏越来越严重，过于依靠煤和石油等化石能源来供给能量，各种环境问题也随之产生慢慢凸显，人们也开始更加关注环境问题，风能、光能等可再生能源的发电受到人们越来越大的重视以及应用。

微电网是一种小型发配电系统，它的构成主要由分布式电源模块、储能模块、负荷模块以及监控保护模块组成，它同时也被叫做微网。

由于资源的缺乏和空气污染等原因，利用风能和太阳能等无污染能源发电的新能源发电技术已成为科学研究的目标。

为了实现分布式电源的灵活高效以及解决各种各样各不相同的分布式电源并网问题，我们提出了风光柴储微电网系统。

风光柴储微电网系统里面包括了太阳能发电模块、风力发电模块、柴油发电机发电模块、储能装置模块、负荷模块和连接他们的微电网。

为了提高促进分布式电源发电与可再生新能源的紧密联系以及实现对各式的负载电源供电可靠性，我们对分布式电源进行开发设计和扩展，找到一种合理的维护方式。

微电网将传统电网连接到了智能电网。

风光柴储微电网系统能够有效解决在普通电网无法到达的远距离供电这一问题，虽然它有很多好处，但是它不支持大电网的备用储能，同时风能和太阳能的供电并不稳定，具有间歇性波动性，受到自然环境因素的影响比较大，所以对于微电网的合理配置也成了研究的重点。

微电网的合理配置降低了建设成本和发电成本，提高了供电的可靠性，降低了负载间的电损，为微电网的优化起到至关重要的作用。

最开始，研究了微电网系统的目的以及意义，应用在哪些领域，在国内外的发展趋势以及前景，还有本文要解决的主要问题。

其次，针对风力发电、光伏发电、柴油机发电的原理进行了探讨，随之讨论了风光柴储微电网系统的结构组成，之后再对各模块的建模进行研究。

最后，对系统进行仿真，解决拟提出的问题，得出结论。

关键词：

环境问题；微电网；风光柴储微电网；可再生能源；智能电网；间断性

ResearchonWind,Solar,DieselandStorageMicrogridSystem

Abstract

Withthedevelopmentofhumansociety,thedestructionofhumanbeingstonatureismoreandmoreserious,relyingtoomuchonfossilenergysuchascoalandoiltosupplyenergy,variousenvironmentalproblemsaregraduallyemerging,andpeoplearebeginningtopaymoreattentiontoenvironmentalproblems.Thepowergenerationofrenewableenergysuchaswindenergyandlightenergyisgettingmoreandmoreattentionandapplication.

Micro-gridisasmall-scalepowergenerationanddistributionsystem,whichiscomposedofdistributedpowermodule,energystoragemodule,loadmoduleandmonitoringandprotectionmodule.Itisalsocalledmicro-grid.Duetothelackofresourcesandairpollution,thenewenergypowergenerationtechnologyusingwindenergyandsolarenergyhasbecomethegoalofscientificresearch.Inordertorealizetheflexibilityandefficiencyofthedistributedpowerandsolvevariousdifferentproblemsofthegridconnectionofthedistributedpower,weproposeawindanddieselmicrogridsystem.Thewindanddieselmicrogridsystemincludessolarpowermodule,windpowermodule,dieselgeneratorpowermodule,energystoragedevicemodule,loadmoduleandmicrogridconnectingthem.Inordertopromotethecloseconnectionbetweendistributedpowergenerationandrenewablenewenergyandrealizethereliabilityofvariousloadpowersupply,wedevelop,designandexpandthedistributedpowersupplytofindareasonablemaintenancemode.Micro-gridconnectsthetraditionalgridtothesmartgrid.

Thewindanddieselmicrogridsystemcaneffectivelysolvetheproblemoflong-distancepowersupplywhichcannotbereachedbytheordinarygrid.Althoughithasmanyadvantages,itdoesnotsupportthebackupenergystorageofthelargegrid.Atthesametime,thepowersupplyofwindandsolarenergyisnotstable,withintermittentvolatility,whichisgreatlyaffectedbythenaturalenvironmentfactors.Therefore,thereasonableconfigurationofthemicrogridhasalsobeenstudiedEmphasis.Thereasonableconfigurationofmicro-gridreducestheconstructioncostandgenerationcost,improvesthereliabilityofpowersupply,reducesthepowerlossbetweenloads,andplaysanimportantroleintheoptimizationofmicro-grid.

Atthebeginning,thepurposeandsignificanceofmicro-gridsystem,itsapplicationfields,developmenttrendsandprospectsathomeandabroad,andthemainproblemstobesolvedinthispaperarestudied.

Secondly,theprinciplesofwindpowergeneration,photovoltaicpowergenerationanddieselenginepowergenerationarediscussed,andthenthestructureofthemicrogridsystemisdiscussed,andthenthemodelingofeachmoduleisstudied.

Finally,thesystemissimulatedtosolvetheproblemstobeproposed,andaconclusionisdrawn.

Keywords:

environmentalissues;micro-grid;windanddieselstoragemicro-grid;renewableenergy;smartgrid;intermittent;volatility;optimization

1前言

随着科技的高速发展，人们的日常生活也在随之变化，但同时社会中的人口也在变多。

生活上，社会上的用电需求量日益增长。

同时煤炭资源的急剧减少和全球气候变暖的问题不得不给我们人类打响了要可持续发展的警钟，因此解决当前发电问题的首选是使用干净环保的可再生能源进行发电。

所以风光柴储微电网系统成为我们的研究对象，可以让我们在解决自身电力供给需要的同时解决环境污染、资源匮乏的问题。

1.1研究的目的及意义

电力发展的主流俨然已经是用太阳能、光能和核能等可再生无污染的能源进行发电，因为不仅可以解决环境污染问题，而且还能解决能源危机的问题。

使用这些可再生能源，可以减少对化石能源的使用，减少二氧化碳二氧化硫等温室气体的对大气层的破坏，进而减少对生态环境的破坏程度。

在我们国家，我们拥有很丰富的太阳能资源和风能资源，因为海拔、气候等各方面的自然环境因素，在我国中部以及西部这些地方十分开阔敞亮，它们的风能资源因而更加的丰富，分布广泛。

于此同时，太阳能资源也十分充足，其中以新疆为首等高原地区太阳能资源充足更为显著。

随着可再生能源法的发布以后，以风能和太阳能为主的发电方式逐渐占据了传统化石能源发电的市场。

虽然风光互补发电系统有很多优点，但由于风速的大小，光强度等外界环境的变化是随机的，没有办法控制的，因此风光互补发电系统的输出存在波动性，间歇性的问题，这些问题的产生是对系统的稳定运转和电力质量的提高十分不利的。

但是由于风力发电和太阳能发电等发电方式本身就不稳定且具有波动性，因此单纯地将风力发电和太阳能发电连接到大电力网会给电力网带来巨大的冲击，容易造成电力网系统的瘫痪崩溃。

因为提高系统的电力管理对在各用户和负荷之间合理分配电力，提高能源利用效率这一方面有帮助，于是微电网的构架被提出。

就系统出发，微电网结合了各个分布式电源，负荷装置，储能模块，直接连接到用电环节，实现了可靠和可控且独立。

1.2技术应用

微电网是一种小型发配电系统，它的构成主要由分布式电源模块、储能模块、负荷模块以及监控保护模块组成，它的优点是干净环保以及相对便宜性价比高。

因为它是小型系统，所以它的发电机组、储能电池等模块都是容量比较小的，但是却不影响系统的正常工作，稳定供电给用户，也能保持系统高效可靠的运行。

为了保护我们赖以生存的地球，缓解能源紧缺的压力，我们要大力发展干净无污染的可再生能源。

高效干净的分布式能源产业的发展前景十分长远的，利益空间也是十分巨大的。

为了达成提高供电可靠性，提高电能质量还有远距离输送电的目的，我们在离负荷中心较近的地方设置电源。

为了能够实现远程控制电网，我们对电网安装了控制器，能够远距离集中监测控制电网的运行，同时也能保证工作人员的人身安全。

利用分散电源和负载的就地控制器实现微电网过渡控制，微电网集中能量管理系统实现了稳定安全，经济运行分析，它与就地控制器采用弱通讯的方式连接。

微电网作为一种完整的电力系统，有着检测保护、系统优化运行、管控电能质量等功能，与此同时，它还有着高度的自我管理能力，能够实现自我控制和自我保护。

它有着两种运行模式：

孤岛运行和联网运行。

1.3发展前景

欧洲，美国和日本正在对微电网进行技术研究，其中，日本作为一个国内能源紧缺但是需求不断增多的国家，对微电网系统展开了研究，他们的目的就是为了满足用户的用电需要，减少人类对大自然的污染和实现能源供给的多样化。

智能能量供给系统，被日本的专家们提出，他们将这个系统作为他们微网存在形式的一种，他们为了优化改善配电网的系统结构和满足用户的用电需求，在其中加入了灵活交流输电系统装置，去实现系统的灵活性与可靠性。

从世界范围来看，虽然微电网还是处在实验改善的阶段，但是微电网技术已经逐步成熟，应用的越来越广泛。

就解决环境问题和能源紧缺问题，微电网做出了它不可磨灭的贡献，应用前景广阔。

往后的五到十年里，微电网的影响力只会越来越大，分布范围会发生显著的改变。

从国内角度来看，微电网在提高中国电网的供电可靠性、改善电能质量方面具有重要作用。

中国的经济已进人数字化时代,优质、可靠的电力供应是经济高速发展的重要保障。

在大电网的脆弱性日益凸显的情况下,将地理位置接近的重要负荷组成微电网,设计合适的电路结构和控制,为这些负荷提供优质、可靠的电力，不仅可省去提高整体可靠性与电能质量所带来的不必要成本还可减少这些重要负荷的停电经济损失，吸引更多的高新技术在中国发展，微电网在国内的发展前景相当可观。

1.4研究拟解决的关键问题

a、风、光电源的间歇性和波动性。

b、利用matlab，风光柴储微电网的模型构建与仿真。

c、并网运行和孤岛运行下，观察电能质量的变化，找到最优的配置。

2风光柴储微电网系统的研究与设计

风光柴储微电网是一种的小型电力系统，拥有并网运行和孤岛运行能力，主要由光伏电池板、风力发电机、柴油发点机以及储能装置构成。

在熟悉了解风光柴储微电网系统工作原理和结构特点的同时，利用MATLAB等仿真软件建立风光柴储微电网系统的仿真模型。

其中，优化微电网系统的电源配置的同时，要考虑到风、光电源的间歇性与波动性。

通过仿真，对其仿真和计算结果进行对比分析，从而去评价模型。

2.1设计原理

风光柴储微电网系统主要由产能装置、储能装置以及耗能装置三个部分组成，其中产能装置有风力发电机发电、太阳能板光伏发电还有柴油机发电，三种发电方式为系统的运行提供着产能的作用,储能装置为储能电池，耗能装置为供电负荷，大体的风光柴储微电网系统如图所示：

2.1.1风力发电原理

风力发电的技术原理，简单来说，就是风的动能被转换为机械设备的机械能，之后再将机械动能转换为供系统使用的电能。

风力发电的基本原理是利用风速来促使风叶旋转，然后再利用一种加速装置来加速以提高旋转速度来促进发电机组的发电。

根据风车技术，开始时微风速率（微风水平）约为3m/s，就可以发电。

风力发电在世界范围内产生了风潮，因为风力发电是利用风这种可再生能源发电，干净无污染，经济性也是相当的好。

风力发电所需的设备称为风力发电机组。

风力发电机组大体是由叶轮，发电机组和塔架这三大部分构成。

（大多数大中型风力发电站没有尾舵，通常只有中小型（包括家庭安装）可以有尾舵。

）许多片叶子组成了一个叶轮，它能够将风的动能转换为机器的机械能，通过风吹动叶片，气动力使得叶轮旋转。

桨叶的原材料需要具有高的抗压强度和轻质，它们必须使用FRP防腐材料或其他聚合物材料（例如复合材料）制造。

风速的不稳定是由于风速的大小和方向时刻发生着改变以及叶轮转速不高所致。

为了让转速提升，发电机额定工作，驱动发电机前，我们加装了一个变速齿轮传动装置和一个变速机构来保证他的转速在比较长的时间里面不会改变，最后将它街道发电机组。

我们可以在叶轮后装一个尾舵（和风向标差不多）使得我们风轮能够最大效率的运行发电。

铁塔，主要由风轮、舵以及发电机三大块组成。

它通常建造得较高，并且为了获得大而均匀的风速，它必须具有足够的抗压强度。

铁塔的高宽比取决于道路上的障碍物和叶轮直径，叶轮直径通常在六至二十米的范围内。

发电机组的效率是将叶轮获得的稳定速比传递到发电机组，以根据降低的速度对称运行，因此机械动能变为电磁能。

2.1.2光伏发电原理

太阳能的关键基本原理是半导体材料的康普顿效应。

当光量子照射在金属材料的表面时，光动能会被金属材料中的电子吸收。

当电子获取到一定的动能时，足以克服金属材料的内在吸引力并起作用，从而使电子从金属表面层逸出并变成光电子。

硅分子具有4个外电子。

如果将磷之类的有着5个外电子的原子添加到纯硅中，它们将成为N型半导体材料。

如果将硼之类的有着3个外电子的原子添加到纯硅中，就会生成P型半导体材料。

在P型的和N型的融合在一起的时候，电势差将立即在表面上出现并成为太阳能电池板。

当用自然光照射P-N结时，电流量从P型侧流向N型侧，从而产生电流。

康普顿效应是这样的条件，由于太阳光照射半导体材料之间的不均匀位置或半导体材料与金属材料的熔合而引起电势差。

这是将光子（光波）转换为电子并将光能转换为电能的整个过程；其次，这是产生工作电压的全过程。

光伏电池被制成硅单晶，将在铸造，铸锭破碎和切割等加工程序之后生产。

硼，磷等掺杂在硅单晶上并通过外部扩散进行分析，会产生P-N结。

随后，使用油墨印刷，并且将所选的导电银浆印刷在硅单晶上以制造网格线，将其煅烧然后制成底层。

这样就完成了太阳能电池板。

太阳能电池板被布置并组合成锂电池模块以形成大的电路板。

通常，将铝框拉杆箱包裹在组件周围，夹层玻璃的背面覆盖，功率级则安装在背面。

只要有电池配件以及其他配件就可以组成一个简单的发电系统。

为了将直流电转换成交流电，我们可以装一个逆变器。

这样的话发电后电既可以储存在电池中，也可以进入电网中。

发电系统主要花钱的地方一半是电池一半是逆变器等其他配件以及安装检修成本。

2.1.3柴油发电原理

简而言之，原理就是发电机被柴油机驱使做功发电。

通过在气缸里混合高压雾化的柴油和滤过后的空气，混合气体在活塞被压缩，然后由于压缩，气体温度速增，最后点燃气体。

点燃气体后，气体膨胀，活塞被推动做功，曲轴被带动旋转，我们知道法拉第电磁感应定律，发电机转子转动，切割磁感线，发电机产生电流。

为了得到更高电能质量的电力输出，我们还要对柴油机和发电机进行控制，保护器件和回路。

2.2风光柴储微电网系统的结构

就像上面那个图，10kV的母线的连着我们的电网系统，然后将一个风力发电机组500kW连到母线690V上。

同时一个500kW/125kWh储能电池和一个太阳能电池100kW的以及0.1mW的输出电压为AC690V的柴油发电机直接连到母线为400V的上面，但是柴油发电机需要先通过400/690V的变压器再接到这个400V的母线。

两条母线之间通过690/400V的变压器进行变压。

因为直连电网会导致电能混乱，发电系统是输出直流的，电网系统是用交流的，两者相悖，所以我们加装了逆变器在母线之间，作为接口，在控制系统的过程中它是十分重要的。

下面的那个图则是表示逆变型DG并网结构。

在这种结构中，DG逆变器的关键是并联连接，从而提高了系统的可靠性。

与单个集中式开关电源相比，逆变器的并网结构可以提高电网的稳定性和可靠性。

在上图中，选择了电压源型逆变器（VSI）逆变器。

风光柴储微电网系统主要有三部分：

风力发电机，太阳能电池以及储能电池。

因为太阳能电池和储能电池产生的是直流电，所以我们要通过逆变器将直变交，然后才能输入到电网中。

然后，风力发电机组会输出交流电，我们要通过逆变器先将电交变直再变50Hz的交。

柴油发动机则不需要逆变器，它可以直接产生50Hz的交流电，同时也可以直接与变压器对接进行转换。

3建模

本节主要介绍的是风力发电，光伏电池发电，储能电池，负荷以及柴油机发电的系统建模。

3.1风力发电机组建模

风车很难从大自然流动的风中获取完全的能量，因为有很大一部分能留留在了尾流之中变成了旋转动能，损失了部分功率。

由于能量转化率的下降所以导致了风力发电机功率的下降，能量损失的多少与风车和发电机的机型有关，风车实际上利用的风能系数

<0.593。

风力机实际得到的有用功率为：

而风轮获得的气动扭矩为：

其中：

代表有用功率，单位为W；

表示空气密度，单位为kg/m；R表示风轮转动半径，单位为 m；

表示风速，单位为m/s；

表示风能利用系数；

表示气动转矩系数； 并且有：

λ称为叶尖速比；

为风轮角速度，单位为rad/s。

这是利用Matlab仿真建模三相异步风力发电机，输入一个风力，风车转动，发电机因为风车转动做功，产生电能来供给负载使用，于此同时与电网相连，在风力不大的情况下，通过电网的供给，达到用电环节的持续供电。

3.2光伏电池发电仿真建模

太阳能板，逆变器还有相关的控制系统组成了一个典型的太阳能电池。

太阳能发电作为另一项重要的新能源技术，正受到世界越来越多的关注。

这是一种将太阳能转换为直流电流的发电方法，与气候因素密切相关。

辐照强度和辐照温度对太阳能发电影响很大。

由于日周期变化和季节周期变化促使太阳能发电具有很强的周期性，受太阳能辐射源的随机性和间歇性干扰，太阳能发电产生的电也不稳定且不持续。

太阳能电池等效于非线性直流电源。

利用光生伏特效应，将太阳能转换成直流电。

太阳能电池等效模型如上图所示，

为光生电流，和光照强度S有关，也与太阳能电池面积和本体的温度T有关。

代表二极管的反向饱和电流，

是电池的串联电阻，

是电池的并联电阻，

则是外接的电池负载电阻。

U是电池的输出电压，I是输出电流，他们之间的关系为：

上面的公式中，q是电子的电量；A是常数，1≤A≤2；k是玻尔兹曼常数。

3.3储能电池建模

储能电池，主要结构是电池组、逆变器和控制器，主要是为了提供功率去维持电网在离网时电压频率稳定。

它能够在遇到突发事件的紧急情况下，为电网系统供电，所以在并网时，尽力保持电池的电量是足够的。

为了防止过度充电和电力损失以及电池损坏，将限制电池的放电深度。

关系式如（2-1）所示，储能电池存储电量应大于等于储能电池的最大放电量，小于等于储能电池的最大存储量

（2-1）

式中，

为储能电池容量，DOD为放电深度（一般取值为0.8），

为储能电池最大存储容量。

当储能电池在充电时，t时刻的电量为t-l时刻的电量与系统中所剩余能量之和，但t时刻电量应小于蓄电池的最大存储容量。

充电时储能电池的电量关系如式（2-2）所示，

（2-2）

在公式式中，

为t时刻储能电池的电量，

为充电效率。

当储能电池在放电时，t时刻的电量为t-1时刻的电量与系统中所缺少的能量之和，但t时刻电量应大于储能电池的最大放电量。

放电时储能电池的电量关系式如（2-3）所示：

（2-3）

式中，

表示在t时刻的时候储能电池的电量，

为放电效率。

3.4柴油发电机建模

柴油发电机，是个小规模的能够发电的设备，它的运作原理是将柴油给到气缸当中，然后压缩柴油，柴油的温度很快提升至燃点，和空气混合发生剧烈的燃烧，进而推动活塞进行运动，活塞又进而带动发电机转动，从而产生电能。

柴油发电机的分类可以通过励磁方式分类、通过功率分类还有通过转速分类。

按照励磁方式分类，柴油发电机可以分成他励、自励两种。

按功率大小分类，柴油发电机可以分成小型功率柴油发电机，中型功率柴油发电机以及大型功率柴油发电机三类。

按转速分类，柴油发电机可以分成低、中、高三种速。

在风光柴储微电网系统中，柴油发电机是后备电源，为负载供电不足时供电。

柴油机、发电机、输电设