含光伏电源的微电网储能控制技术研究

随着政策支持和技术进步,可再生能源发电,特别是风力发电和光伏发电,得到了快速发展。分布式发电和微电网是可再生能源利用的重要形式。分布式发电,特别是组成微电网,在避免可再生能源发电大规模并网对现有电网一些负面影响的同时,在提高供电可靠性、改善电能质量等方面可发挥积极作用。微电网具有独立可控、运行模式灵活、可有效调节分布式可再生能源发电等特点,所以分布式可再生能源利用并进而采用微电网实现可再生能源的高效利用具有重要的现实意义。 由于微电网中可能含有间歇性、随机性可再生能源发电,微电网并网运行或孤网运行时存在功率波动问题。微电网接有敏感负荷时,主电网异常情况下,需要保证敏感负荷的连续供电。另外,孤网运行时微网内的微电源需要有参考电压源的支撑才能正常运行。上述问题的表现形式不同,但问题的解决都依赖于能量的平衡控制,储能技术是实现能量平衡,保证微电网正常运行的重要手段。储能在微电网中的应用需要解决一些关键技术问题,如关系到微电网经济性的储能容量配置,储能抑制功率波动的控制策略,储能在微电网孤网运行时作为支撑电压源的控制策略,储能在并网/孤网双模式切换时作为支点的控制策略等。对于上述这些关键技术问题的研究工作构成了本文的主要内容。 本文首先分析了在含光伏电源的微电网中储能配置方案,根据微电网与主电网功率交换关系,得出储能抑制功率波动,稳定微电网和主电网交换功率的关系表达式。基于微电网与主电网交换功率可控的思想,提出了考虑光伏电源预测误差和负荷短期预测误差的微电网储能容量配置方法。通过对光伏电源和负荷短期预测误差的分布特性研究,得出储能配置功率符合正态分布,根据正态分布方差的性质,分析比较得出储能集中配置比分散配置具有更好的经济性。利用区间估计的方法计算出在一定置信水平下微电网中储能功率配置的区间,进而根据随机过程理论和功率与容量的关系得出了储能容量配置的参考区间。将该方法用于了实际储能系统的容量配置,并在含光伏电源的微电网中应用所配置的储能系统对功率波动进行抑制。 在对微电网中储能容量配置方法研究的基础上,设计了包含光伏电源和储能的微电网系统,此系统内储能装置被称为稳定控制器,优化了稳定控制器的主电路参数。针对储能选用的锂离子电池,在分析了其内阻对电池的放电特性影响的基础上提出了从电动汽车上替换下的动力锂电池用于储能时的拓扑结构和控制策略,并根据本文提出的容量配置方法对稳定控制器储能容量进行了配置。在完成主电路设计之后,设计并实现了稳定控制器的信号采集处理、控制系统以及微电网监控中心。 根据微电网并网和孤网运行时的功能,分析了微电网并网运行的PQ解耦控制策略和孤网V-f控制策略以及并网/孤网双模式切换的控制策略,提出了基于给定正弦表参考的稳定控制器的控制策略,该控制策略可以实现在并网PQ解耦控制或孤网V-f控制方式下,对参考调制波进行状态更新,在需要双模式切换时可以根据参考调制波当前时刻的状态无缝切换至另一种运行模式。通过软件仿真验证了该控制策略在微电网实现上述三种运行模式控制的有效性。将此控制策略用于微电网系统的稳定控制器中,通过运行模式控制实验,验证了控制策略在实际应用中的可行性。 微电网孤网运行时稳定控制器与光伏电源并联运行,通过分析光伏出力突变以及负荷突变引起稳定控制器等效连接电抗的电压波动,给出了稳定控制器输出(吸收)功率和电压波动关系,结合光伏电源并网对接入点参考电压的幅值约束,分析了稳定控制器为了维持光伏电源接入点处的电压稳定所需提供的功率,同时分析了稳定控制器控制公共连接点电压稳定时的动态响应的影响因素,给出降低动态响应影响的措施。分析结果对稳定控制器等效连接电抗的设计和微电网内光伏电源容量扩展具有一定的参考价值。