含波浪发电系统及柴油发电机的孤岛微网频率控制(附件)【字数：13318】
摘 要近年来，海洋资源的发展利用成为全球研究热点。海中岛屿是人类开发海洋的远涉基地和前进支点，在国土划界和国土安全上也有着特殊的重要地位。构建高效清洁的海岛能源体系，特别是大力发展含多种可再生能源发电的海岛微电网，对解决海岛能源短缺问题和促进海岛绿色经济发展具有重要意义。本文搭建了含海洋能发电系统的的海岛微电网仿真模型，并对其进行了特性分析。论文的主要内容如下（1）搭建了海岛独立微电网的模型，包括波浪能发电、风力发电、柴油发电机备用以及电池储能等主要电源，并通过对柴油发电机的V/f控制维持微电网电压和频率稳定。（2）分析了波浪发电系统出力的波动性对海岛微电网频率和电压影响。
Key Words: Ocean energy generation system, island microgrid, small signal, large disturbance, modeling and simulation 目录
第1章 绪论 3
1.1 课题研究背景 3
1.2 国内外研究现状 3
1.3 本文的工作 9
1.3.1 问题的提出 9
1.3.2 本文主要内容 10
第2章 海岛微电网中的电源模型 10
2.1 海洋能发电系统 10
2.1.1 AWS波浪能发电装置模型 10
2.2 柴油发电机系统 13
2.2.1 柴油发电机的机械环节模型 14
2.2.2 柴油发电机的电气环节模型 16
2.3 蓄电池系统 17
2.3.1 蓄电池等效电路模型 17
2.4 微电源控制器模型 18
2.4.1 V/f控制模式 19
2.4.2 PQ控制模式 20
2.5 本章小结 21
第3章 海岛微电网的频率动态分析 22
3.1 海岛微电网的频率动态分析 22
3.1.1 波浪能发电的功率波动对海岛电网频率的影响 22
3.1.2 负荷投切引起的频率动态 25
3.1.3 故障过程引起的频率动态 28
3.3 本章小结 29
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/> 第4章 总结与展望 31
4.1 本文工作总结 31
4.2 后续展望 31
参考文献 33
致 谢 34
绪论
课题研究背景
近年来，海洋资源的发展利用成为全球研究热点。人们逐渐形成共识，认为合理有序的开发海洋资源将极大的缓解当前陆地开发所面临的经济、资源与环境之间的矛盾，实现人类的可持续发展。为此，世界各国纷纷制定了海洋发展战略，鼓励海洋科技发展创新。我国作为拥有约300万平方公里海洋面积，1800公里大陆海岸线的海洋大国也制定了《全国科技兴海规划纲要（20082015年）》。该纲要提出要推进海洋科技成果转化与产业化，加速发展海洋产业，支撑、带动沿海地区海洋经济又好又快发展。江苏充分考虑本省海洋资源蕴含丰富的特点，也提出了“沿海大开发”战略，旨在利用开发好3.75万平方公里的海域面积。
海中岛屿是人类开发海洋的远涉基地和前进支点，在国土划界和国土安全上也有着特殊的重要地位。因此，海岛的发展利用更成为海洋发展利用的重中之重。中国一向注重海岛资源的发展利用，早在2010年3月1日就已施行《中华人民共和国海岛保护法》，标志着我国对海岛的开发利用达到了前所未有的重视程度。海岛的开发利用需要能源作为推力。但一般而言，多数海岛面临化石燃料短缺、运输困难、地域偏远难以与大陆联网等问题。我国海疆分布的上万个岛礁中，仅有400多个岛上可供居民常驻，仍有近百万海岛居民缺电或少电。与此同时，值得注意的是，多数海岛及其周围拥有丰富的近海可再生能源，如风能、波浪能、潮流能等。因此，构建高效清洁的海岛能源体系，特别是大力发展含多种可再生能源发电的海岛微电网，对解决海岛能源短缺问题和促进海岛绿色经济发展具有重要意义。
国内外研究现状
1.2.1 海洋可再生能源发电
目前对于海洋能发电研究主要集中在海上风电、波浪能发电、潮流能发电以及海洋能发电并网方式能等方面。
目前，海上风电风资源数据多来源于测风塔、船舶、石油平台和自动气象观测站资料。通常采用数据推算和模型模拟的方法来评估局部海域风能资源。海上风电场的选址主要考虑风能资源、水深、海底地质以及对海上建筑物、轮船航道、渔业生产、生态环境等的影响[1718]。海上风电机组容量主要集中在2MW至5MW，6MW至10MW机组也已逐步进入投运阶段。海上风电机组主要有定速异步发电机（FSIG）、双馈异步发电机（DFIG）、直驱式永磁发电机（DDPMG）三种。FSIG机组的结构如图1 1所示，它通常由风机、传动轴及增速齿轮箱、异步发电机和无功补偿电容器组成。FSIG机组的优点是结构简单、成本低、可靠性高，缺点是转子转速只能在很小的范围内变化导致不能实现对风能的充分利用，而且在发电时需要消耗大量的无功功率。因此，FSIG机组正逐步退出市场。
图1 1 FSIG机组的结构图
DFIG机组的结构如图1 2所示，通过“背靠背”电力电子变流器（额定功率为发电机组额定功率的20%~30%）对转子侧进行交流励磁。发电机可变速范围可达同步转速的+30%。全球前10大风力发电机制造商的产品中有六成以上的变速风力发电机采用双馈式感应发电机。文献[1920]从不同的角度分析和建立了DFIG机组的动态数学模型。
图1 2 DFIG机组模型
波浪能发电方面的研究主要集中于波浪能发电装置的设计及其控制器的研发。波浪能发电装置种类繁多[21]，主要可以分为直接驱动式和间接驱动式两大类。目前大多数的波浪能发电装置采用的是间接驱动的三级能量转换方式。首先，利用一级能量转换机构实现波浪能到机械能的转换；其次，利用二级能量转换机构实现某个载体机械能与旋转机械（常用的有液压电动机、空气透平、水力透平等）的机械能的转换；最后，利用发电机实现三级能量转换，将旋转机械的机械能转化为所需电能。按照一级能量转换方式进行分类，间接式波浪能发电装置主要有振荡水柱式、摆式、收缩波道、鸭式等；直驱式波浪能发电装置则主要是点吸收式[22]。已经建成的振荡水柱式波浪发电装置主要有英国的LIMPET（图1 3a）、中国广东汕尾100kW固定式电站、澳大利亚的500kW漂浮式振荡水柱装置（图1 3b）；而采用筏式波浪能利用技术的有英国Cork大学和女王大学研究的McCabe波浪泵（图1 3c）和苏格兰Ocean Power Delivery公司的海蛇（Pelamis，图1 3d）装置。目前，葡萄牙已建成由三台750kW的海蛇波浪能发电装置构成的波浪能发电阵列，且进入商业化试运营。直接驱动式的点吸收装置有英国的AquaBuOY装置（图1 4a）、阿基米德浮子（图1 4b）、PowerBuoy以及波浪骑士装置。
Key Words: Ocean energy generation system, island microgrid, small signal, large disturbance, modeling and simulation 目录
第1章 绪论 3
1.1 课题研究背景 3
1.2 国内外研究现状 3
1.3 本文的工作 9
1.3.1 问题的提出 9
1.3.2 本文主要内容 10
第2章 海岛微电网中的电源模型 10
2.1 海洋能发电系统 10
2.1.1 AWS波浪能发电装置模型 10
2.2 柴油发电机系统 13
2.2.1 柴油发电机的机械环节模型 14
2.2.2 柴油发电机的电气环节模型 16
2.3 蓄电池系统 17
2.3.1 蓄电池等效电路模型 17
2.4 微电源控制器模型 18
2.4.1 V/f控制模式 19
2.4.2 PQ控制模式 20
2.5 本章小结 21
第3章 海岛微电网的频率动态分析 22
3.1 海岛微电网的频率动态分析 22
3.1.1 波浪能发电的功率波动对海岛电网频率的影响 22
3.1.2 负荷投切引起的频率动态 25
3.1.3 故障过程引起的频率动态 28
3.3 本章小结 29
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/> 第4章 总结与展望 31
4.1 本文工作总结 31
4.2 后续展望 31
参考文献 33
致 谢 34
绪论
课题研究背景
近年来，海洋资源的发展利用成为全球研究热点。人们逐渐形成共识，认为合理有序的开发海洋资源将极大的缓解当前陆地开发所面临的经济、资源与环境之间的矛盾，实现人类的可持续发展。为此，世界各国纷纷制定了海洋发展战略，鼓励海洋科技发展创新。我国作为拥有约300万平方公里海洋面积，1800公里大陆海岸线的海洋大国也制定了《全国科技兴海规划纲要（20082015年）》。该纲要提出要推进海洋科技成果转化与产业化，加速发展海洋产业，支撑、带动沿海地区海洋经济又好又快发展。江苏充分考虑本省海洋资源蕴含丰富的特点，也提出了“沿海大开发”战略，旨在利用开发好3.75万平方公里的海域面积。
海中岛屿是人类开发海洋的远涉基地和前进支点，在国土划界和国土安全上也有着特殊的重要地位。因此，海岛的发展利用更成为海洋发展利用的重中之重。中国一向注重海岛资源的发展利用，早在2010年3月1日就已施行《中华人民共和国海岛保护法》，标志着我国对海岛的开发利用达到了前所未有的重视程度。海岛的开发利用需要能源作为推力。但一般而言，多数海岛面临化石燃料短缺、运输困难、地域偏远难以与大陆联网等问题。我国海疆分布的上万个岛礁中，仅有400多个岛上可供居民常驻，仍有近百万海岛居民缺电或少电。与此同时，值得注意的是，多数海岛及其周围拥有丰富的近海可再生能源，如风能、波浪能、潮流能等。因此，构建高效清洁的海岛能源体系，特别是大力发展含多种可再生能源发电的海岛微电网，对解决海岛能源短缺问题和促进海岛绿色经济发展具有重要意义。
国内外研究现状
1.2.1 海洋可再生能源发电
目前对于海洋能发电研究主要集中在海上风电、波浪能发电、潮流能发电以及海洋能发电并网方式能等方面。
目前，海上风电风资源数据多来源于测风塔、船舶、石油平台和自动气象观测站资料。通常采用数据推算和模型模拟的方法来评估局部海域风能资源。海上风电场的选址主要考虑风能资源、水深、海底地质以及对海上建筑物、轮船航道、渔业生产、生态环境等的影响[1718]。海上风电机组容量主要集中在2MW至5MW，6MW至10MW机组也已逐步进入投运阶段。海上风电机组主要有定速异步发电机（FSIG）、双馈异步发电机（DFIG）、直驱式永磁发电机（DDPMG）三种。FSIG机组的结构如图1 1所示，它通常由风机、传动轴及增速齿轮箱、异步发电机和无功补偿电容器组成。FSIG机组的优点是结构简单、成本低、可靠性高，缺点是转子转速只能在很小的范围内变化导致不能实现对风能的充分利用，而且在发电时需要消耗大量的无功功率。因此，FSIG机组正逐步退出市场。
图1 1 FSIG机组的结构图
DFIG机组的结构如图1 2所示，通过“背靠背”电力电子变流器（额定功率为发电机组额定功率的20%~30%）对转子侧进行交流励磁。发电机可变速范围可达同步转速的+30%。全球前10大风力发电机制造商的产品中有六成以上的变速风力发电机采用双馈式感应发电机。文献[1920]从不同的角度分析和建立了DFIG机组的动态数学模型。
图1 2 DFIG机组模型
波浪能发电方面的研究主要集中于波浪能发电装置的设计及其控制器的研发。波浪能发电装置种类繁多[21]，主要可以分为直接驱动式和间接驱动式两大类。目前大多数的波浪能发电装置采用的是间接驱动的三级能量转换方式。首先，利用一级能量转换机构实现波浪能到机械能的转换；其次，利用二级能量转换机构实现某个载体机械能与旋转机械（常用的有液压电动机、空气透平、水力透平等）的机械能的转换；最后，利用发电机实现三级能量转换，将旋转机械的机械能转化为所需电能。按照一级能量转换方式进行分类，间接式波浪能发电装置主要有振荡水柱式、摆式、收缩波道、鸭式等；直驱式波浪能发电装置则主要是点吸收式[22]。已经建成的振荡水柱式波浪发电装置主要有英国的LIMPET（图1 3a）、中国广东汕尾100kW固定式电站、澳大利亚的500kW漂浮式振荡水柱装置（图1 3b）；而采用筏式波浪能利用技术的有英国Cork大学和女王大学研究的McCabe波浪泵（图1 3c）和苏格兰Ocean Power Delivery公司的海蛇（Pelamis，图1 3d）装置。目前，葡萄牙已建成由三台750kW的海蛇波浪能发电装置构成的波浪能发电阵列，且进入商业化试运营。直接驱动式的点吸收装置有英国的AquaBuOY装置（图1 4a）、阿基米德浮子（图1 4b）、PowerBuoy以及波浪骑士装置。
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