摘 要

随着新能源技术的不断发展以及世界能源形势的持续紧张，以可再生能源为主要发电方式的微电网系统逐渐受到重视。微电网既是对可再生能源高效利用的有效方式，又是对大电网供电系统的有效补充。目前的微网系统主要以交流微网为主，但直流供电具有众多显著的优点，直流微网已经成为微电网领域的发展趋势与研究重点。本文以典型的风光储结构直流微网作为研究对象，针对直流微网的建模、控制、仿真以及容量优化配置等方面进行了研究。

首先，本文介绍了直流微网的基本组成，分析了典型风-光-储直流微网的系统组成和拓扑结构，根据微网中各个模块的电气特性设计与选择了相应的能量接口电路，以实现各个模块与直流母线的连接。

其次，本文对直流微网中主要模块进行了建模，包括光伏电池、小型风力发电机、锂电池以及超级电容的建模，在所建立的数学模型基础上，对各个模块的输出特性进行分析，同时在Simulink平台下搭建了各个模块的电气模型。

然后，本文设计了直流微网的控制策略，采用分层控制的思路，将直流微网的控制划分为系统层和变流器层两个层次：系统层控制主要用于进行各单元协调以及能量管理；变流器层控制包含了光伏电池接口电路、风机接口电路、储能模块接口电路以及并网接口电路的控制，主要用于执行系统层的控制指令，对各个模块的功率进行调节。本文在Simulink环境下搭建了直流微网的仿真平台，在前文所述控制策略下进行了仿真运行，验证了控制策略的合理性。

最后，本文介绍了直流微网的容量优化配置过程。本文以全寿命周期内成本最小作为优化目标，在简化数学模型以及前文的控制策略基础上，建立了直流微网的容量优化配置模型，确定了模型的目标函数以及约束条件，以直流微网规划地区为例，采用了遗传优化算法，对直流微网容量优化配置进行求解，得到了直流微网的最优容量配置。

关键词：直流微网；分布式电源；能量管理；分层控制；容量优化配置

Abstract

With the continuous development of new energy technology and the continuous tension of the world energy situation, the microgrid system with renewable energy as the main generation mode has gradually been paid attention to. A microgrid is not only an effective way of efficient utilization of renewable energy but also an effective complement to the power supply system of the large power grid. The current microgrid system is mainly based on AC microgrid, but DC power supply has many remarkable advantages, and DC microgrid has become the development trend and research focus of microgrid. In this thesis, the typical wind-photovoltaic-storage microgrid structure is regarded as the object of study, and the modeling, simulation and capacity optimization of DC microgrid are studied.

Firstly, in this thesis, the composition of the DC microgrid is elaborated, the topology of the typical wind-photovoltaic-storage microgrid is analyzed, and the corresponding interface circuits are designed and selected according to the electrical characteristics of each access unit of the DC micro grid.

Secondly, the main module of DC micro grid has been established, including small wind turbines, photovoltaic battery, lithium battery and a super capacitor, and based on the mathematical models, the output characteristics of each module are analyzed, and the electrical model of each module is set up for the Simulink platform.

Then, this thesis designed the control strategy of DC micro grid. The hierarchical control method is used and the control of the DC microgrid is divided into two levels: system layer and converter layer. System layer control is mainly used for energy management and coordination control, and converter layer control including the control of each module circuit is used to implement the instructions of the system layer and adjust the power of each module. The simulation platform of DC microgrid is built with the Simulink environment. The simulation is carried out under the control strategy mentioned above, and the rationality of the control strategy is verified.

Finally, the capacity optimization configuration of DC microgrid is introduced. In this thesis, the whole life cycle cost minimum is set as the optimization goal and based on the simplified mathematical model and control strategy, an optimal capacity allocation model for DC microgrid is built and objective function and constraints are obtained. In this thesis, taking the DC microgrid planning area as an example, the genetic optimization algorithm is adopted to solve the optimal allocation of the DC microgrid capacity, and the optimal capacity allocation of the DC microgrid is obtained.

Key Words：DC microgrid; distributed generation; energy storage; hierarchical control; optimal capacity configuration

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文主要研究内容 5

第2章 直流微网结构及能量接口分析 6

2.1 直流微网结构 6

2.2直流微网接入单元分析与能量接口电路选择 7

2.2.1 光伏电池及其接口电路 7

2.2.2 风力发电机及其接口电路 8

2.2.3 储能模块及其接口电路 8

2.2.4 公共电网接口电路 9

2.2.5 负载接口电路 10

2.3本章小结 10

第3章 直流微网各单元建模 11

3.1 光伏电池建模 11

3.2 小型风力发电机建模 14

3.3 储能电池建模 16

3.4 超级电容建模 19

3.5本章小结 21

第4章 直流微网控制策略及方法研究 22

4.1 直流微网分层控制策略 22

4.2 直流微网系统层控制策略 23

4.2.1 直流微网运行状态划分 23

4.2.2 直流微网下垂控制方法 24

4.2.3 并网运行系统层控制策略 26

4.2.4 孤岛运行系统层控制策略 26

4.3 直流微网变流器层控制方法 27

4.3.1 光伏电池变流器控制方法 27

4.3.2 风机变流器控制方法 28

4.3.3 储能单元变流器控制方法 29

4.3.4 并网变流器控制方法 30

4.4 直流微网系统运行仿真 31

4.4.1 直流微网仿真平台搭建 31

4.4.2 直流微网仿真及结果分析 32

4.5本章小结 36

第5章 直流微网容量配置优化研究 37

5.1 引言 37

5.2 直流微网各单元简化数学模型 37

5.2.1 光伏电池输出简化模型 37

5.2.2 风力发电机输出简化模型 39

5.2.3 锂电池简化模型 40

5.3 直流微网容量优化配置模型 40

5.3.1 直流微网容量优化配置目标函数 40

5.3.1 直流微网容量优化配置约束条件 41

5.4 直流微网容量优化配置求解方法 42

5.5 直流微网容量优化配置算例分析 43

5.6本章小结 46

第6章 总结与展望 47

参考文献 48

致 谢 51

附录 部分源代码 52

第1章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

微电网是相对传统公用电网的一个概念,是指由分布式微电源、储能单元、负荷单元、功率变换器及相关二次设备构成的小型发配电系统。其可以实现自我控制、保护以及管理,既能并入公用电网运行,也能孤岛运行^[1]。

进入21世纪以来,世界范围内能源供应形势持续紧张,以风力发电、光伏发电为代表的新能源发电方式逐渐受到各国的重视。在可持续发展战略提出后，我国新能源行业得到了快速发展，光伏、风能等新能源发电产业在“十二五”期间得到了大幅度推进，光伏电站的建设与投资成本已经降至约7元/瓦，5年内发电成本下降了60%以上，我国太阳能制造的规模复合增长率超过30%；风电行业目前产品已基本实现国产化，产业集中度不断提高，风电装机容量连续多年增长20%以上。但是，可再生能源普遍具有间歇性、随机性的特点，相对大电网来说,可再生能源的功率输出不稳定，难以自由调节，因此电网系统通常采取隔离、限制的方式进行处理，以减小其对电网的冲击。另外,可再生能源单机接入成本高,对并网的技术要求高、控制困难,因而限制了其大规模的应用^[2]。

随着社会的快速发展，电力需求增长迅速,电网规模也在不断扩大。然而,超大规模电力系统的不足之处也逐渐显现出来：建设投资成本较高,运行难度较大,随着电力用户对供电可靠性和电能质量的逐渐重视,传统电力系统并不能很好适应用户的需求^[3]。