计及海水淡化可控负荷的孤岛微电网频率控制(附件)【字数：12183】
摘 要作为一个海洋大国，我国有着数量众多的中小型海岛，如何更好的解决海岛居民的用电和用水问题，一直倍受关注。近年来，随着分布式电源、储能技术及微电网技术的发展，孤岛型海岛微电网成为中小型海岛供电问题的有效解决方案之一。本文的主要内容如下(1) 基于孤岛型海岛微电网的结构，搭建孤岛型海岛微电网模型，包括海洋能发电系统（风力发电、波浪能发电）、蓄电池储能系统、可控海水淡化负荷等，并对微电网各部分进行建模，讨论了其传统控制方式。(2) 针对以风电和波浪能发电为主电源的孤岛型海岛微电网，提出一种基于电池储能和可控负荷的孤岛型海岛微电网频率协调控制策略。储能元件采用改进的下垂控制实现类似于电力系统一次调频的有差调频，根据其荷电状态及最大充放电功率，动态调整下垂控制运行点以及下垂控制系数；利用海水淡化负荷的可控性，将频率偏差引入其转速控制环，实现类似于电力系统二次调频的无差调频；在Matlab/Simulink下对不同运行场景进行了仿真验证。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.2.1 孤岛型海岛微电网发展现状 1
1.2.2 孤岛微电网频率研究控制现状 4
1.3 本文主要工作 4
1.3.1 问题的提出 4
1.3.2 本文主要内容 4
第二章 孤岛型海岛微电网系统模型 6
2.1 海洋能发电系统 6
2.1.1 风力发电系统 6
2.1.2 基于阿基米德浮子（AWS）的波浪发电系统 8
2.2 蓄电池储能系统 9
2.2.1 蓄电池储能的逆变器控制方法 11
2.3 可控海水淡化负荷 13
2.3.1 海水淡化工艺流程 13
2.3.2 海水淡化负荷模型 14
2.4 本章小结 15
第三章 基于蓄电池储能与海水淡化可控负荷频率协调控制策略 16
3.1 孤岛型海岛微电网频率协调控制系统 16
3.1.1 基本思路 16
3.1.2 频率协调控制系统结构 16
3.2 蓄电池储能系 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
统“类一次调频”控制策略 17
3.2.1 计及荷电状态的最大充、放电功率控制 17
3.2.2 下垂控制参数的动态调整 18
3.3 海水淡化负荷“类二次调频”控制策略 20
3.3.1 海水淡化负荷“类二次调频”控制器 20
3.4 算例分析 21
3.5 本章小结 26
第四章 总结与展望 27
4.1 研究工作总结 27
4.2 后续工作和展望 27
致谢 28
参考文献 29
绪论
课题研究背景及意义
大型海岛由于较高的用电需求和对电网可靠性的要求一般通过海底电缆并网，而对于离岸较远、用电需求较小的中小型海岛来说，通过海底电缆供电的经济性较差[1]。近年来，随着分布式电源、储能技术及微电网技术的发展，孤岛型海岛微电网成为中小型海岛供电问题的有效解决方案之一。通过开发利用海岛及其周边区丰富的风能、太阳能、海洋能、潮流能等清洁能源[27]，构建清洁高效的海岛能源体系，可以有效解决传统孤岛微电网利用化石燃料发电带来的环境污染和能源短缺问题。
由于风、光、海洋能等能源具有较强的波动性和随机性，运行在孤岛模式下的海岛微电网系统频率波动较大，系统稳定性较差。除了电源侧表现出了随机性和波动性，孤岛型海岛微电网在负荷侧也同样表现出了强随机性和波动性，如居民的生活用电，渔船起吊用电等负荷，随机波动性较强且难以控制，会对微电网的频率稳定造成极大影响。但与此同时，为保障海岛居民的淡水需求，海水淡化技术作为生产淡水的常见技术之一[15]，广泛应用于海岛微电网中。不同于之前提及的海岛用电负荷，海水淡化负荷呈现出可控性，可以在一定范围内加大或降低自身功率，且不会对居民的生活产生明显影响[1623]。
因此，将孤岛型海岛微电网中的蓄电池储能系统和海水淡化可控负荷有机结合，可以有效解决海岛微电网频率波动问题，保障海岛微电网的安全稳定运行。
国内外研究现状
孤岛型海岛微电网发展现状
海岛微电网可以说是一个小型的中低压电力网络，包含可再生能源等分布式发电单元、储能设备和负荷（例如海水淡化、空调等）。针对海岛的供电方式一般分为并网和离网两种，大型群岛一般采用海底电缆与大陆电网互联，以满足其较大的电力需求量并保证供电可靠性。例如我国的舟山群岛地区的舟山主网通过220kV和110kV海底电缆与浙江电网相连；嵊泗电网通过±50kV得直流海底电缆与上海电网互联，与舟山主网通过110kV海缆互连[1]。而相较于少数大型近海海岛，对于占比更大的偏远中小型海岛而言，敷设海底电缆的经济成本过高且运行维护非常困难，通常采用离网形式供电，也就是建立孤岛型海岛微电网。
1. 国外发展现状
自从1999年，美国电能可靠性解决方案协会提出了对微电网的定义后[24]，欧盟、日本新能源与产业技术综合开发机构以及加拿大也相继提出了其对微电网的定义[2526]，促进了海岛微电网的发展，并在世界范围内建立了一系列海岛微电网的示范工程。这些示范工程一般以独立电网为主，电网容量数百千瓦左右，以海洋能可再生能源为主要电源，同时为了平滑消纳可再生能源发电的波动，大多配备储能设备。
欧盟在希腊的基斯诺斯岛（Kythnos）试点建立的海岛微电网，是一个典型的早期孤岛型海岛微电网，如图11所示[27]。该项目建在希腊爱琴海Kythnos的一个小山谷里，为岛上12户居民供电。发电系统主要包括10kW的光伏发电系统、53kWh的蓄电池储能系统以及5kW的柴油发电机组，同时在微网控制系统楼顶装有2kW的光伏阵列。该系统通过光伏和储能系统逆变器组网，储能系统逆变器配备下垂控制器。该系统能够监测系统频率，并控制用户的家用可控电器（如水泵、空调等），保证微网系统频率稳定性。
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图11 希腊Kythnos孤岛型海岛微电网项目
不同于希腊Kythnos岛的微电网系统仍然部分使用了柴油发电机作为电源，2014年西班牙El Hierro岛与ABB公司合作，建成了全球首个100%可再生能源海岛微电网，该项目的建设，得到了世界范围内电力行业的密切关注，为实现海岛全部清洁能源供电提供了典型的范例。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.2.1 孤岛型海岛微电网发展现状 1
1.2.2 孤岛微电网频率研究控制现状 4
1.3 本文主要工作 4
1.3.1 问题的提出 4
1.3.2 本文主要内容 4
第二章 孤岛型海岛微电网系统模型 6
2.1 海洋能发电系统 6
2.1.1 风力发电系统 6
2.1.2 基于阿基米德浮子（AWS）的波浪发电系统 8
2.2 蓄电池储能系统 9
2.2.1 蓄电池储能的逆变器控制方法 11
2.3 可控海水淡化负荷 13
2.3.1 海水淡化工艺流程 13
2.3.2 海水淡化负荷模型 14
2.4 本章小结 15
第三章 基于蓄电池储能与海水淡化可控负荷频率协调控制策略 16
3.1 孤岛型海岛微电网频率协调控制系统 16
3.1.1 基本思路 16
3.1.2 频率协调控制系统结构 16
3.2 蓄电池储能系 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
统“类一次调频”控制策略 17
3.2.1 计及荷电状态的最大充、放电功率控制 17
3.2.2 下垂控制参数的动态调整 18
3.3 海水淡化负荷“类二次调频”控制策略 20
3.3.1 海水淡化负荷“类二次调频”控制器 20
3.4 算例分析 21
3.5 本章小结 26
第四章 总结与展望 27
4.1 研究工作总结 27
4.2 后续工作和展望 27
致谢 28
参考文献 29
绪论
课题研究背景及意义
大型海岛由于较高的用电需求和对电网可靠性的要求一般通过海底电缆并网，而对于离岸较远、用电需求较小的中小型海岛来说，通过海底电缆供电的经济性较差[1]。近年来，随着分布式电源、储能技术及微电网技术的发展，孤岛型海岛微电网成为中小型海岛供电问题的有效解决方案之一。通过开发利用海岛及其周边区丰富的风能、太阳能、海洋能、潮流能等清洁能源[27]，构建清洁高效的海岛能源体系，可以有效解决传统孤岛微电网利用化石燃料发电带来的环境污染和能源短缺问题。
由于风、光、海洋能等能源具有较强的波动性和随机性，运行在孤岛模式下的海岛微电网系统频率波动较大，系统稳定性较差。除了电源侧表现出了随机性和波动性，孤岛型海岛微电网在负荷侧也同样表现出了强随机性和波动性，如居民的生活用电，渔船起吊用电等负荷，随机波动性较强且难以控制，会对微电网的频率稳定造成极大影响。但与此同时，为保障海岛居民的淡水需求，海水淡化技术作为生产淡水的常见技术之一[15]，广泛应用于海岛微电网中。不同于之前提及的海岛用电负荷，海水淡化负荷呈现出可控性，可以在一定范围内加大或降低自身功率，且不会对居民的生活产生明显影响[1623]。
因此，将孤岛型海岛微电网中的蓄电池储能系统和海水淡化可控负荷有机结合，可以有效解决海岛微电网频率波动问题，保障海岛微电网的安全稳定运行。
国内外研究现状
孤岛型海岛微电网发展现状
海岛微电网可以说是一个小型的中低压电力网络，包含可再生能源等分布式发电单元、储能设备和负荷（例如海水淡化、空调等）。针对海岛的供电方式一般分为并网和离网两种，大型群岛一般采用海底电缆与大陆电网互联，以满足其较大的电力需求量并保证供电可靠性。例如我国的舟山群岛地区的舟山主网通过220kV和110kV海底电缆与浙江电网相连；嵊泗电网通过±50kV得直流海底电缆与上海电网互联，与舟山主网通过110kV海缆互连[1]。而相较于少数大型近海海岛，对于占比更大的偏远中小型海岛而言，敷设海底电缆的经济成本过高且运行维护非常困难，通常采用离网形式供电，也就是建立孤岛型海岛微电网。
1. 国外发展现状
自从1999年，美国电能可靠性解决方案协会提出了对微电网的定义后[24]，欧盟、日本新能源与产业技术综合开发机构以及加拿大也相继提出了其对微电网的定义[2526]，促进了海岛微电网的发展，并在世界范围内建立了一系列海岛微电网的示范工程。这些示范工程一般以独立电网为主，电网容量数百千瓦左右，以海洋能可再生能源为主要电源，同时为了平滑消纳可再生能源发电的波动，大多配备储能设备。
欧盟在希腊的基斯诺斯岛（Kythnos）试点建立的海岛微电网，是一个典型的早期孤岛型海岛微电网，如图11所示[27]。该项目建在希腊爱琴海Kythnos的一个小山谷里，为岛上12户居民供电。发电系统主要包括10kW的光伏发电系统、53kWh的蓄电池储能系统以及5kW的柴油发电机组，同时在微网控制系统楼顶装有2kW的光伏阵列。该系统通过光伏和储能系统逆变器组网，储能系统逆变器配备下垂控制器。该系统能够监测系统频率，并控制用户的家用可控电器（如水泵、空调等），保证微网系统频率稳定性。
/
图11 希腊Kythnos孤岛型海岛微电网项目
不同于希腊Kythnos岛的微电网系统仍然部分使用了柴油发电机作为电源，2014年西班牙El Hierro岛与ABB公司合作，建成了全球首个100%可再生能源海岛微电网，该项目的建设，得到了世界范围内电力行业的密切关注，为实现海岛全部清洁能源供电提供了典型的范例。
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