光伏微电网发电系统离并网控制策略思考与设计

发布时间:2022-04-01 20:23:17 论文编辑:vicky

本文是一篇工程硕士论文,本文分析了太阳能电池阵列模型和最大功率跟踪优化算法。基于相应的太阳能电池阵列数学分析模型,为后续的科学研究提供了基础。其次,分析太阳能电池阵列的输出特性,并在此基础上对最大功率跟踪优化算法进行了科学研究,改进了传统最大功率跟踪优化算法的缺点,从而提高了太阳能发电系统软件的高效率。

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义
当前,煤炭、石油等能源是衡量发展速度和社会稳定的重要指标,但进入 21 世纪后,随着“互联网+”产业升级,工业生产效率得到了高速提升,在增加产值的同时,也造成了能源的高速消耗及环境污染,为满足当前的能源使用需求,新能源的使用不仅能够缓解传统能源的危机,还能对传统能源使用过程中造成的污染问题有效解决。在新能源发电常用的几种形式当中,分布式发电(Distributed Generation,以下简称 DG)是其中的一种。这种发电形式实施方便、可靠性高、高效环保,是目前世界上多数国家的重要发电组成形式之一,但是这种发电形式目前还存在技术缺点,对电网的稳定运行有一定的冲击作用。目前 DG 的技术已经日趋成熟,在很大程度上缓解了我国的供电压力,为了有效发挥 DG 的优点,发挥 DG 与地区电网的协同运行问题,为 DG 的发展提供了新的思路。在微电网中,可通过整合多种形式的 DG 进行集中化管理,不仅能够与地区电网进行连网运行,还能单独孤岛自治,形式灵活多样,实现大量 DG 的可控运行。
目前 DG 的发展,已经成为世界各国的重要战略计划。其中欧美等国家已经从上世纪末期开始布局,目前微电网发展技术已经相当成熟,装机容量正在高速增长,在很多国家已经成为重要的组成部分。近年来,我国的工业发展速度高飞猛进,随之而来的是电力能源的大量需求,在我国的节能减排战略规划下,就地建立相应的微电网已经成为当前的大趋势。在校园、工业园区建立微电网不仅能够降低用户的电能费用,还能缓解地区电网的供电压力,为企业的运行降低了成本,目前在我国的多数工业园区都建设了相应的微电网,总体成效显著。其次,在我国的偏远地区,通过整合风力和太阳能资源建立微电网,可满足地区用户的供电问题,有效避免了我国电网架构的远程铺设,可在很大程度上降低电网的运营成本。本文所研究的内容,位于广西壮族自治区某地市的工业园区,在该园区内部拥有 7 家加工生产企业,每年消耗大量的电能,通过考察可知,在该地区的太阳能资源较为丰富,能够满足建设光伏微电网发电的需求。同时,在园区所设计的光伏微电网中,控制策略是系统的设计核心,本文将针对光伏电池的最大功率跟踪控制策略重点进行分析和设计,以提高光伏应用的效率,并且在微电网离网和并网过程中,设计相应的控制策略,来使得系统能够在两种工作模式以及切换过程中能够稳定有效实现系统控制。


1.2 国内外研究现状
1.2.1 微电网产业国外研究现状
在上世纪末期,国外发达国家已经开始提出新能源发电的概念,目前已经成为世界各国的重要发展战略规划,深受世界各国政府的重视。在 2000 年,美国威斯康星大学的 Robert.H.Lasseter 在分析了新能源发电特征后,率先提出了微电网的概念,在 2000年时,美国的光伏、风电等分布式发电已经达到一定的规模,加上美国能源部的基金支持,进一步刺激了分布式发电的发展。这种新能源分布式发电能清洁高效,运行成本较低,受到民众和政府的高度欢迎,但是这种分布式发电的造价成本较高,在项目建设过程中需要政府给予补贴,但是这种发电方式满足当时的社会发展需求。美国政府根据美国的情况制定发布了“电力系统现代化”的发展计划,在该计划中首次提出采用计算机通信技术来实现微电网的控制,随后更是公布了微电网是“Grid2030”目标的重要内容。
在欧洲,微电网主要通过电力电子技术实现并网运行,与美国的微电网主要是基于改善地区配电网的运行可靠性的特点相比,欧洲的微电网主要关注能源的持续使用,以期改善地区的环境,降低污染气体的排放。目前欧洲在微电网上的发展已经逐渐成为国家发展的核心内容之一,并且借助欧盟的力量启动了大量的合作和探讨,名为“SmartPower Network”的概念被提出,这种多种拓扑连接方式的微电网应用在欧盟第六次框架计划中得到支持,该连接方式可以实现微电网运行于不同的环境,对微电网的安全稳定运行提供了可靠保障。结合上述可以说欧洲微电网发展的趋势重心可以总结为三个方面:“可靠性”、“灵活性”以及“接入方式”。在日本,由于资源匮乏,火力发电难以满足岛国用电需求,而核电存在较大的风险,为此近年来,也开始大力发展分布式发电,以改善日本的供电压力和环境污染问题,目前日本的微电网技术已经较为成熟,并且在国内得到广泛应用。

第二章 园区负荷特征及微电网总体设计

2.1 园区负荷特性分析
对于园区内优化微能源网系统设计以及系统的运行控制,工业园区电冷热负荷的特性分析具有非常关键的导向作用,优化方案机组的最大容量和运行功率取决于负荷的大小特性;机组的工作方式与工作间歇性取决于负荷的时间特性。如果不能全面或者准确的对园区负荷进行分析,会对机组造成很大的影响,从而造成能源的浪费与环境污染。因此需要全面、准确的对园区负荷特性进行分析,对合理优化的设计微能源网系统有着至关重要的意义。
负荷特性与建筑物的种类、用途密切相关,不同建筑物群的冷热源都会存在差异。本章的研究对象为工业园区,该园区的冷热源与园区的生产工作区间密切相关。园区的冷源有空调制冷和水蓄冷循环系统制冷,热源有空调制热和集中供暖制热。由此可知,满足园区冷热负荷的主要途径是空调。空调在制冷和制热的过程中会消耗电能,所以在分析园区冷热负荷特性之前,需要先分析园区的电负荷。各个月份每一天的日用电负荷都存在一定程度的波动,下面将月份按一年的四个季节分组来分析日用电负荷的规律。其中,选取典型月分析该园区在各月份中的日用电负荷数据如图 2.1 所示。

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2.2 微电网总体设计
2.2.1 微电网结构类型分析
微电网从组成结构复杂程度分类,一般可分为简单结构微电网和复杂结构微电网。两种结构的微电网各有优缺点,是当前常用的两种结构,下面将对这两种结构进行详细分析。
(1)简单结构微电网
所谓简单结构微电网是指系统中分布式发电系统的类型和数量较少,控制和运行比较简单的微电网。
(2)复杂结构微电网
所谓复杂结构微电网是指系统中分布式发电系统类型多,接入系统的形式多样,运行和控制相对复杂的微电网[16]。
拥有多种不同电气特性的 DG 使得复杂结构微电网在结构上具有灵活多样性。但为了确保微电网安全稳定运行在不同运行模式,复杂微电网结构的控制相对简单结构微电网而言需要有更严格的要求。可以例举的复杂微电网实验系统还有:意大利 CESI 微电网、西班牙 Labein 微电网、法国 ARMINES 微电网等。从当前全球乃至国内各地的微电网实验系统的基本结构特点和控制方法进行了一个较为系统的总结和分析,可以从中得出如下几点启示:
(1)尽管交流分布式微电网系统是一种现今主流的技术结构作用于各个微电网实验系统,但在微电网实验系统建设中,直流分布式微电网系统相对来说也应该更加重视以其自身特有的技术优势,搭建一个交直流混合分布式微电网实验系统,不失为充分利用两者各自优势的一种可行性之选。
(2)在实际当中搭建微电网的时候,一味简单盲目的去搭建一个大而全的复杂型结构的微电网是不可取的,根据实际情况搭建能够满足需求的简单型结构微电网系统相应的也值得引起设计者的高度重视。我国现阶段已经使用了许多独立分布式发电系统,比如独立热电并网联产系统、独立风力发电系统、独立光伏发电系统等,将这类独立分布式发电系统通过合理设计组成简单型结构的微电网,使得能源可以有效灵活的被综合利用,同时又大大提高用户供电的可靠性。所以,应当分析当地实际情况和用电需求来研究选择一种合适的微电网结构。

第五章 实验平台搭建与验证

5.1 控制系统设计实现
5.1.1 外围控制电路设计
图 5.1 所示的是微电网控制系统的拓扑结构电路,在微电网控制过程中,本文将采用TMS320F2812 型 DSP 来处理数据和算法,这种芯片在运算过程中精度高、延迟低,适用于多种场合。TMS320F2812 中具备 16 路 10 位 A/D 转换模块,具有强大的信号处理和采集能力。在整个外围电路中,主要包括信号采集、调理、过零捕获以及保护等模块。为了提高系统处理效率,必须合理配置相应的资源端口。其中采集电路是系统的基础,在运行过程中需要实时采集母线电压、光伏阵列输出电流、配电网电压相位等参数,并输入到信

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(1)信号采样调理模块

信号采集是微电网运行控制的基础,但是所采集的电压和电流信号难以输入到 DSP芯片中进行实时运行,必须采用调理电路将采集的信号转换成芯片所需要的信号方可实现控制。工作电压脉冲调制电源电路如图 5.2 所示,使用 LV25-P 完成工作电压数据信号采集后,采集到的工作电压数据信号会立即依靠前面的运算放大器转换为 1.5V 正弦函数数据。并在后级运放将此时的整个过程数据信号转换成 DSP 中经常需要的 0 ~5V工作电压数据信号。电流脉冲调制电源电路类似于工作电压调节电源电路。数据信号采集完毕后,通过前后运算放大器将其转换为±2.5V 工作电压数据信号,输入 DSP 采集器进行计算。

第六章 总结与展望

光储微电网发电系统清洁、高效,可有效将太阳能转换成电能,在一定程度上能够缓解地区电网的供电压力,提高用户的用电可靠性。本文针对广西某地市的工业园区设计了相应的光伏微电网系统,并通过运行分析可知所设计的微电网系统能够有效实现工业园区的有效供电。具体的工作内容如下:
(1)分析了太阳能电池阵列模型和最大功率跟踪优化算法。基于相应的太阳能电池阵列数学分析模型,为后续的科学研究提供了基础。其次,分析太阳能电池阵列的输出特性,并在此基础上对最大功率跟踪优化算法进行了科学研究,改进了传统最大功率跟踪优化算法的缺点,从而提高了太阳能发电系统软件的高效率。
(2)分布式电源控制方法设计的关键。首先,对分布式电力系统软件并网运行控制方法进行了设计方案。根据现阶段常用的控制方式,选择 PQ 控制系统完成并网运行控制;其次,在孤岛运行过程中,设计了类似虚拟同步电机的控制系统,完成运行电压和频率的运行;最后设计了一种新型的状态跟随器,完成了孤岛和并网两种运行模式的转换,解决了转换问题。有效预防工作电压和电流的瞬时冲击。
(3)利用 MATLAB 仿真软件完成对之前设计方案控制方法的仿真验证。在整个认证过程中,首先构建了相应的模型仿真,分别对并网运行、孤岛运行以及两种模式的转换状态进行了认证分析。根据分析,认证了文章中设计方案的控制。该系统能够合理地完成分布式电源的平稳运行。
(4)对本文设计的微电网控制通过实验平台验证,设计相应的软件和硬件模块,实现整个控制模块的运行,并借助完成的实验系统来分析本文所设计的控制策略是否有效。最后通过运行试验分析可知,本文所设计的内容能够有效实现目标效果。
参考文献(略)

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