微电网的并网运行设计说明书Word文档格式.docx
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1.2电网发展的背景与现状
从1875年在法国巴黎建成第一座火力发电厂起，电网大致经历了两个阶段，刚开始具有较小的规模，无论是在技术还是理论方面都不是很成熟，一个电厂的建成只能供应一座城，电网与电网之间分离开来没有联系；
再后来到了二十世纪九十年代中叶，在规模上开始扩大，最高输电线的电压达到了330千伏。
从21世纪初开始，建设具有跨国和跨洲电力配置能力、灵活适应新能源发展和多样化需求服务的现代电网体系——坚强智能电网，成为世界和电网发展的方向和战略选择。
2012年底，我国全国电源装机容量达到1145GW，其中火电占71.5%，水能占21.7%，风能5.3%，核电1.1%，其他0.3%，至今为止我国只能成为电力大国而不是电力强国。
近年来电网的发展很是迅猛，而我国对电网的改革也是正在进行中，但是有三个比较突出的问题出现在电力系统之中：
1.集中式电力系统大系统供电方式存在一个缺点，就是一旦线路中出现故障时，尤其是重大灾难性的故障时，致使电网不能对需电负荷供电，而且也不能在短时间内恢复，尤其是一次设备的时候，将会造成重大的经济损失，损坏重大的机器设备，甚至造成人员伤亡，那么供电的可靠性就难以保证，所以在此时，一个可靠的供电电源就显得尤为重要。
零八年是一个多事之秋，当年春节期间我国南方出现罕见强降雪，冰雪封住了人的路也封住了电的路，因灾停运的电力线路超过三万条，停运变电站2018座，直接经济损失超过1500亿元。
这次事故凸显出在负荷侧就地建设安全事故电源的重要性。
2.电力系统是一个大的比较笼统的的概念，包括电能的发、变、输、配、用，其中输配两环节是靠漫长的输电线输送的，学过电路的都知道，会产生电能的损失。
因此在电力系统的末端用户处引入微电源，不仅可以提高供电的可靠性，而且可以缩短输电线路的长度，从而减少电网的电能损耗。
3.当今电力发展的大方向是以清洁和绿色的能源满足对电能的需求。
这些能源虽然日益受到许多国家的重视和开发利用，但是大多数可再生能源的共同特点是能量分布分散、利用受到自然环境的影响大。
因此清洁能源能否代替传统能源从而满足电能的供应还是不甚清晰。
1.3微电网概述
微电网，英文名叫Micro-Grid,也译为微网。
与传统的输电系统不一样，它并不是说在一定的大区域内只有一个发电厂或只有一个电源，然后再通过架设电线（若有需要串联变压器）通向用电的公司或者个体家庭。
微就是小的意思，它利用的能源的分布特点决定了它的“小”型化，因为太阳光是无处不照的。
只要能够接受到光的地方，在理论上完全可以建立一座“电源”，那么它们的分布将会非常之广，风能也类似。
然后在经过技术上的润色和加工，在那些一个个的小电网小系统之间建联系，变成我们在日常生活中能够使用的或便于使用的正弦交流电。
1.在美国：
微电网这个词最先是由美国提出来的，而且他们对其下的定义也是最权威的。
而且理论正在逐渐变成现实，作为首座建成运行的微网，MadRiver起到的作用是明显的。
MadRiver在运行过程中难以避免的会出现这样或那样的问题，工程人员便可以在解决问题的过程中实现对微网的良好运行和合理维护等手段的探索与掌握。
2.在日本：
日本是一个岛国，没有宽阔的领土，而资源也是极其有限，核能一直以来是他们的主要发电方式，近年来，对于新能源的研究也很是火热。
他们的三菱公司对电网的分类如下：
从上表可以看出，微网是小型电网，主要用于生活用电，而大型的工厂生产用电还是要靠石油或煤。
3.在我国：
（1）中国地域十分辽阔，微网的那种分布式供电的特点在我国可以变成非常突出的优点；
（2）针对地理分布特点和气候特点，我国把新能源发电的重点放在了西部及沿海地区，比如内蒙古风力很是充足，适合搞风力发电，海边海风强劲，也适合风力发电，新疆光照充裕，适合太阳能发电；
不同系统的对比
微电网
相同点
不同点
1.大电网
1）都是电力的传输通道；
2）具备变配电、继电保护、监控、计量、通信系统；
3）调节能量平衡，可靠供电，满足负荷需求
1.规模不同，微电网小于20MW；
2.电压等级不同，微电网小于等于35KW；
3.电源对象不同，微电网以分布式微电源接入为主；
4.适用对象不同，微电网面向岛屿、偏远地区、城市新区；
2.后备电源
可离网独立供电
后备电源多采用单一的柴油发电机，而微电网支持多种电源协调运行，特别是支持分布式可再生能源；
3.UPS
可离网独立运行
UPS在离网运行时通过蓄电池提供能量为负荷供电，也可接入柴油机，但电源侧、负荷侧有严格区分UPS的负荷侧不能并电源；
微电网可支持多种电源同时接入运行，电源、负荷、储能设备可连接在同一条母线上。
4.分布式发电
采用新能源特别是可再生能源发电
分布式发电是并网型的，或单一电源的；
微电网可并网、可测网，支持多种电源同时接入
5.储能
普通的储能系统是并网型的；
微电网可并可孤
微电网的主要技术问题：
安全问题：
保护技术：
并网、孤网、故障处理
可靠：
稳定控制，供电可靠性；
无缝切换；
中央控制：
功率平衡
经济、高效：
分布式电源即插即用、监控系统及高级应用、能量管理：
功率平衡；
经济调度：
储能、电源、负荷。
第2章太阳能发电的原理
2.1太阳能发电的原理及构成
太阳能是一种清洁能源，最大的优点就是取之不尽。
太阳就像一个巨大的火球，其中蕴藏着巨大的能量，植物可以利用自身的特殊结构，利用太阳光进行光合，获得生长生存所必须的营养。
人们将黄河视作生命的母亲，我觉得太阳的伟大就像是父亲，如果我们人类也能够将其利用起来，那是一笔可观的财富。
目前，光伏发电已开始常见起来。
不管光伏发电系统是独立运行还是并网运行，它的主要元件是固定的，主要包括太阳能电池板、逆变器和控制器三部分。
光伏发电的具体原理其实就是外层电子吸收光能摆脱原子核，然后由于光照不均匀，在电池板内部各部分的电压大小不相等，所以根据这种“光伏效应”，再用上特殊的材料，目前主要是硅，。
太阳能电池板是完成能量转换的部分，它是由一个单元一个单元组成的，组成之后形成组件。
光伏电发的特点是可靠性高，使用寿命长，不污染环境，典型的特征为产生的需要蓄电池来存储，用于在夜间或多云、下雨的日子提供电力。
太阳能是易受天气状况、昼夜、季节等的因素影响，所以太阳能的存储是必要的。
太阳能的存储包括直接和间接两种，所谓直接就是把太阳能的热辐射蓄到蓄热体上，间接存储包括电能存储、氢能存储、机械能存储等。
下图为太阳能发电系统结构示意图。
图
1太阳能电池方阵
光伏发电系统中将太阳能转化为电能的部分，形成方阵可以产生更多的电能，根据实际的需求可以调整方阵的大小，若设负载电压为U2，太阳能电池方阵的工作电压为U1,则U1=1.4U2。
2阻塞二极管
3储能蓄电池组
这里的蓄电池，有普通的电池的功能，即以化学能的形式存储在一个容器中，有正极和负极，在用电时串联在正负极之间。
也有其独特的地方，它的充电靠的是阳光，就像太阳能热水器，利用它的材质的特殊性吸收太阳辐射，然后储能。
另外，电池是一种恒压源，和蓄电池并联的电路电压值和电池是相等的，那么也就起到了所谓钳为之作用。
所以对于一个太阳能发电系统来说储能蓄电池是不可或缺的。
另外稳压的作用是很明显的，不管电池板端还是负载端电压发生波动时都会将输出电压钳位于蓄电池的额定电压上，具有受气候影响小，寿命长，输入输出可靠等优点。
4调节控制器
调节控制器顾名思义主要起控制和调节的作用，具体来说就是当蓄电池已经充满时控制停止再对其充电或当蓄电池内的电量低于一定水平时停止蓄电池对负载供电。
以铅酸蓄电池为例，对蓄电池充电时单体蓄电池的平均电压达到2.40（+-0.02）V时，控制器会发出信号使其停止充电，蓄电池对负载供电时单体蓄电池的平均电压达到1.9（+-0.1）V时，控制器会发出信号使其停止放电。
总的来说有如下几种作用：
第一，可以利用其上述功能设置报警器或断路器自动保护电路、保护储能蓄电池；
第二，当前的蓄电池发生故障无法正常工作时，能够自动地控制接通备用的储能蓄电池，保证电能的可靠供应;
第三，根据其用电压的大小来控制的原理，当电路中负载处出现短路故障时能够自动断开电路；
第四，保证在和交流电网并网时能够同步运行。
光伏发电并网，其实就是实现太阳能发电从单独运行单独使用转向网络。
一方面，当光伏电池阵列及蓄电池的电能除了供给需要供给的负荷之外，还有剩余，那么剩余的电能就会被送入到电网当中；
另一方面，当光伏电池及蓄电池的电能无法满足需要供给的负荷，那么电网就会进行补充。
2.2太阳能发电的现状
中国太阳能资源十分丰富，具有良好的太阳能利用条件，国土面积2/3以上区域太阳能都比较丰富，年辐射量超过60亿焦耳/平方米，每年地表吸收的太阳能大约相当于1-7万亿吨标准煤。
特别是西北、西藏和云南等地区，太阳能资源更加丰富。
具体资源分布图如下：
目前，中国已掌握成熟的太阳能光伏发电技术，我国的太阳能发电的容量已达到15MW，产业基础良好，虽然光伏发电的成本是高于煤电的，但是在边远的地区，相对于用电网供电，加上运行等各方面的考虑，太阳能发电仍然是比较经济适用的。
最近几年，根据我国的能源分布状况与自然环境，太阳能发电在我国西部发展迅速，西藏先后建立了10余座光伏发电站，为7个县送去了光明，13000多人从中受到了恩惠，节省了他们过去用柴油机发电的资金，青海也先后建立了10个太阳能电站，大大解决了当地用电问题。
新疆地区则建设了一百余个太阳能电源。
第3章风能发电的原理及发展
3.1风能发电的原理
随着传统能源的日渐减少和生态环境的日益恶化，清洁能源愈发受到人们的青睐，风能便是其中的一种。
可能是资源短缺、气候特点、地理地形等因素的综合，在北欧一些国家风能发电获得了长足的发展，尤其是丹麦、芬兰两国。
我国地域辽阔，不同的地方自然环境差异较大，比如在西部地区除了日照充足外，风力也十分强劲，于是我国在西部地区大力发展风力发电，且取得了一定的成效。
小型风电系统有着较高的效率，它由风力发电机、充电器、数字逆变器组成，其中风力发电机的组成部分有机头、尾翼、叶片和转体，其各部分的功能如下：
目前，当风速达到约每秒3米时便可以用来发电，然而，风毕竟来源于自然界，什么时候产生，风向如何，风力多大是无法随人的想法改变的，所以动力是不稳定的，导致输出的电压也不是恒定的，而是在13—25V范围之内波动的
，它的波动性决定了它的不稳定，于是是没有办法直接使用的，另外没有规律，要想使用必须通过逆变。
人们有着一种错觉：
风力发电机叶片越大发电效率越高，那是没有根据的，风能转化为电能之后电功率的大小取决于风量的大小。
可以想象，将风能源源不，首先是存在蓄电池里的，所以人们使用的电功率大小和蓄电池是息息相关的。
断转换成电能供人们使用，那是怎样可观的一种节约啊。
3.2风能发电的现状及发展前景
我国风力事业的大力发展始于2003年，尤其08、09年发展更为迅猛，期间风力发电总装机容量达到了1.2MW，全球占到了第四的位置。
现在，我国风能发电技术有着以下的发展特点：
（1）发展的最多的风能发电机都是兆瓦级别的；
（2）变速恒频、变桨；
（3）双馈发电直接驱动。
综合分析，风力发电的发展趋势如下：
（1）风力发电的规模越来越大型化；
（2）越来越向着桨距可变、速度可变、频率恒定的方向发展；
（3）增加了对海风的利用与研究，更多的在海边或海上建起了风电站；
（4）对风力发电监控更加的到位，控制更加智能；
（5）应用了全功率变流并网技术。
第4章太阳能发电的微电网的并网运行
4.1光伏发电并网系统的组成
经济迅猛发展的当今社会，传统的资源，例如煤炭、石油等资源开始紧张，而他们的利用所带来的环境问题（如北京雾霾、冰川融化等）也逐步成为了制约社会可持续发展的因素，提上了各国首相的议程。
故加紧对清洁能源的开发和合理运用显得尤为重要，上文中对太阳能和风能的发电原理及其发展做了详细的介绍，然而要实现微电网的更大发展，并网是必须的，接下来就以太阳能发电并网系统为例来具体研究微电网的并网运行设计。
下图为光伏发电并网系统图。
图光伏发电并网系统图
4.2逆变器
以下是逆变器电路原理图。
在下图中，最左边的电容的作用是钳位电压，中间的是由6个晶闸管和6个二极管两两组合形成的逆变电路，然后右边的部分电阻限流、电感滤波，最后输出可利用的交流电。
图逆变器电路原理图
逆变器的作用是相当重要的，是无可替代的,逆变器的质量好坏决定着整个系统如何。
因此对它的要求应当很高，具体要求如下：
（1）输出来的电能必须是标准的正弦交流电，不能含有直流分量，不能含有谐波分量，如果有那些分量并网时会带给电网谐波，影响电网的稳定运行。
（2）考虑到太阳能量的大小收到天气的影响较大，逆变器的工作要求必须加一条在变化幅度大的情况下仍能有效工作。
（3）体积不宜过大，运行要稳定。
如果此系统是用于家庭用电，那么逆变器一般都安装在室内，而且一经安装至少要有二三十年的使用寿命。
4.3控制器
这种控制的方法的主要原理如下图所示：
逆变器和控制器相互配合的原理图如下：
列状态方程：
公式（4-1）
拉普拉斯变换：
公式（4-2）
由于逆变器可以等效成一个纯滞后环节，所以系统的并网电流结构图如下：
图并网电流结构图
可得传递函数：
公式（4-3）
4.4仿真及结果
本文采用的是MATLAB中的simulink软件包进行仿真和研究的，仿真结果如下：
图三相参考电流图
通过仿真得到的三相电流：
A相电流的理想波形（上）和仿真波形（下）比较;
从上面的仿真图和理想图比较可以看出，经过逆变器和以SPWM技术为核心的控制器，然后再进行并网时，输入的电流和电网中原有的电流或是理想的正弦交流电，使输入的电流在幅值，相位，频率等方面保持一致所以基本满足了并网的要求。
但是凡事不可能完美，还是存在着一定的波动和出入。
第五章总结与展望
总结
自定题之后，本人积极的查阅相关资料，积极准备论文，终于在我的努力之下完成了这项工作。
本文题目是微电网的并网运行设计，文中的大体结构是：
第一章介绍背景问题，包括能源现状、电网发展、微电网发展等；
第二章介绍太阳能发电的原理；
第三章介绍风能发电的原理；
第四章以太阳能光伏发电为例介绍了三相光伏并网系统。
由于个人水平有限和时间关系，其中第四章部分做的不太严谨。
本文没有涉及到一个问题，那就是太阳光采集的问题，由于太阳光是分散的，采集太阳光时应该考虑光的追踪问题，希望以后有机会可以继续研究有关这方面的内容与知识。
展望
世界的人口在不断的增长，人民的消费水平不断提高，而煤、石油等传统资源却在日渐减少，生态环境在日渐恶化，为了实现更长远的发展，开发和利用新能源是未来世界的发展方向，微电网的研究会越来越多，人们对太阳能和风能会越来越熟悉。
科学在进步，社会在发展，我们期望着我们的生活能变的越来越好。
将来会有一天，我们回到家里，看着太阳能电视，吃太阳能灶做出来的饭，吹着太阳能空调。
期待那一天早日到来。
参考文献
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[2]杨庚辰,自动控制原理,西安电子科技大学出版社,2004.2
[3]沈锦飞,电源变换应用技术,机械工业出版社,2007.8
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[5]赵争鸣,刘建政等,太阳能光伏发电及其应用,科学出版社,2005.10
[6]冯垛生,宋金莲等,太阳能发电原理与应用,人民邮电出版社2007.4
[7]王正林,郭阳宽,过程控制与应用电子工业出版社,2006.7
[8]刘振亚，智能电网技术，中国电力出版社，2010
[9]李富生，李瑞生，周逢权，微电网技术及工程应用，中国电力出版社，2013
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