微网的预测 控制与优化运行
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作者程启明
出版社机械工业出版社
ISBN9787111641919
出版时间2020-04
装帧平装
开本16开
定价79元
货号28529219
上书时间2024-10-19
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前言
前 言
微网是一个新型的微电力系统，涉及发电、输电、蓄电（储能）和用电等发电过程各个环节，并且集成了多种分布式发电、储能装置和不同类型负荷。微网利用可再生能源来发电，降低能耗、减少对环境的污染；微网作为大电网的补充，提高了电力系统的可靠性和灵活性。但微网承受扰动的能力相对较弱，考虑到风能、太阳能资源的随机性，系统的安全可能面临更高的风险。
能量管理系统（ Energy Management System，EMS）是电力综合自动化系统管理软件，但传统的 EMS是针对火电为主的大型电力系统，用于大区级电网和省级电网的调度中心。由于微网的特点完全不同于传统的主电网，因此传统的 EMS不适用于微网管理，微网需要开发适合其特点的微网 EMS。微网 EMS是微网技术的重要组成，研究与开发微网 EMS，能够加速微网的发展与应用。现有的微网 EMS在数据采集状态监测等基本功能方面已经比较成熟，但在微网的功率预测、协调控制、经济优化等高级应用功能方面，目前还不成熟，仍处于探索阶段。
本书作者近年来在微网的功率预测、协调控制、优化运行 3个方面取得了一些研究成果，发表了 28篇 SCI、EI期刊论文、 4篇 EI收录的国际会议论文，授权了 16项发明专利、 9项实用新型专利，获得了上海市科技进步奖。针对目前国内微网方面的著作不多，且现有的著作没有全面反映微网在功率预测、协调控制、优化运行 3个方面的情况，本书将着重论述作者在微网的功率预测、协调控制、优化运行等几个关键技术问题所做出的研究成果。
本书分为 4个部分，各部分的关键内容如下：
（1）微网的功率预测方法分析与研究
风光发电具有较强的随机性、间歇性和波动性，输出功率不稳定，大规模接入电力系统将增加电网安全稳定运行的难度，加重系统备用负担。因此，提高风光发电输出功率的预测水平是充分并合理利用可再生能源的关键所在。光伏发电系统在不同天气类型下的功率输出存在着明显的差别。为此，本书首先分析了影响光伏出力的气象因素，确定了关联性特征维度。基于气象采集和监控，提出了一种密度峰值层次聚类算法，将原始气象样本划分类型，对比不同算法的聚类结果，证明该方法更具适用性，并针对每一类别建立支持向量机（ SVM）无监督气象类型标签识别模型，对预测日类型进行定义，然后采用径向基函数建立功率预测模型，结果表明本书提出的模型能够提高预测的精度。风功率预测的关键是风速特性的研究。本书首先考虑风速的波动性，采用集合经验模态分解（ EEMD）分解原始风速序列，缩小频域范围，平稳化风速样本，并避免了经验模态分解（ EMD）方法出现的模态混叠现象；然后将平稳子序列相空间重构，分别建立小二乘支持向量机（ LS-SVM）风速预测模型，模型参数采用一种改进果蝇优化算法（ FOA）实现优化，并证明与遗传算法（ GA）和粒子群优化（ PSO）算法相比，具有可调参数少、泛化性能良好的优点；后叠加子序列预测值即为风速预测值，将该值带入风速 -风功率分段转化函数后终求出对应时间下的风电功率值，原始转化函数变为分段函数后能够细化风速的变化范围，有助于提高功率曲线的回归精度。基于我们所建的预测模型基础，对比分析多种预测方法，证明了我们提出的光伏和风电功率预测模型具有较高的精度，对电力系统的稳定运行和新能源事业的发展起到了促进作用。
（2）交流微网的协调控制方法分析与研究
微网中每个分布式发电（ DG）单元需要通过相应的控制方法接入系统中，而各个 DG单元之间又需要合理的协调控制策略。微网分为交流、直流及混合 3种类型，本书分析研究了这 3种微网的控制方法，并提出了几种新的控制方法。首先对交流微网的协调控制方法进行分析。书中先对微网的基本组成、结构进行介绍，对其运行特点和关键技术进行简单的描述，分析了国内外的控制技术发展情况。其次，在 Simu-link中搭建了光伏电池、升压电路、并网逆变电路的数学模型，并通过仿真验证了模型的正确性；分析与讨论了微网基础技术；研究了光伏并网、控制部分的模型，并对外界环境变化情况下并网模型中各参数进行了仿真与分析。然后，详细介绍了逆变器的控制方法，包括有功 .无功（ PQ）控制（也称恒功率控制）、电压 /频率（ V/f）控制、下垂控制、虚拟同步发电机（ VSG）控制等，分别建立其仿真模型，通过算例仿真对控制方法进行验证，并发现各种控制方法的特性与优缺点。在此基础上，提出了新型下垂控制、新型虚拟同步发电机控制两种新的控制方法，并在 Simulink平台上对其建模与仿真，比较分析了改进前、后的运行情况，说明了新型控制方法的优越性。接着，研究了含有多个分布式电源的微网的协调控制策略，包括对等控制、主从控制、多主从控制、辅助主从控制等。对传统的对等控制、主从控制的原理进行详细的分析，并分别进行了建模仿真；然后根据这两种协调控制表现出的优缺点，提出了多主从控制、辅助主从控制两种新型协调控制策略，并对其进行了算例仿真。后，对该部分进行了总结与展望，指出了我们所完成的主要工作与不足之处，展望值得进一步深入研究的问题。
（3）直流微网及混合微网的协调控制方法分析与研究
本
导语摘要
本书着重论述了作者在微网的功率预测、协调控制、优化运行等方面所取得的研究成果。全书共分为4部分，其中第1部分为微网的功率预测方法分析与研究；第2部分为交流微网的协调控制方法分析与研究；第3部分为直流微网及混合微网的协调控制方法分析与研究；第4部分为微网的优化运行方法分析与研究。
本书适合微网系统研究、设备研发、工程建设和运行管理等相关领域的科技工作者阅读，也可供高等院校分布式能源与微网相关专业的教师、研究生和高年级本科生参考。
目录
前 言
第 1部分 微网的功率预测方法分析与研究
第 1章 绪论 …………………………………………………………………………… 3
1.1 背景及研究意义 ……………………………………………………………… 3
1.2 国内外研究现状及展望 ……………………………………………………… 5
1.2.1 微网能量管理系统 …………………………………………………… 5
1.2.2 光伏功率预测的研究现状 …………………………………………… 7
1.2.3 风电功率预测的研究现状 …………………………………………… 8
1.2.4 风光发电短期功率预测研究方向的展望 …………………………… 9
1.3 本部分主要研究内容 ………………………………………………………… 9
1.3.1 光伏短期功率预测的研究内容 ………………………………………10
1.3.2 风电短期功率预测的主要内容 ………………………………………10
1.3.3 本部分的章节安排 ……………………………………………………10
第 2章 预测模型的关键技术 ……………………………………………………… 12
2.1 基于密度峰值的聚类算法 ……………………………………………………12
2.1.1 气象特征因子的影响 …………………………………………………12
2.1.2 密度峰值聚类算法 ……………………………………………………13
2.1.3 层次聚类算法的实现 …………………………………………………14
2.2 统计学习理论 …………………………………………………………………15
2.2.1 统计学习理论的概念 …………………………………………………15
2.2.2 VC维和 SVM …………………………………………………………15
2.2.3 Mercer定理和软间隔分离 ……………………………………………17
2.2.4 RBF神经网络 …………………………………………………………18
2.3 改进优化算法的原理 …………………………………………………………19
2.3.1 FOA ……………………………………………………………………19
2.3.2 改进 FOA法 …………………………………………………………… 20
2.3.3 与 GA、PSO算法的对比……………………………………………… 20
2.4 集合经验模态分解 ……………………………………………………………20
2.4.1 EMD原理 ……………………………………………………………… 21
2.4.2 抑制白噪声 ……………………………………………………………22
2.5 本章小结 ………………………………………………………………………22
第 3章 基于密度峰值层次聚类的短期光伏功率预测模型 ……………………… 23
3.1 气象特征分析及聚类算法实现 ………………………………………………23
3.1.1 天气状态与光伏出力的相关性分析 …………………………………23
3.1.2 层次聚类算法的实现 …………………………………………………25
3.1.3 与传统聚类算法的对比 ………………………………………………28
3.2 基于 SVM的天气类型聚类识别 ……………………………………………29
3.2.1 SVM模型的建立 ……………………………………………………… 29
3.2.2 SVM训练参数的确定及识别结果评估 ……………………………… 29
3.3 光伏短期功率预测模型设计 …………………………………………………31
3.3.1 预测模型的结构设计 …………………………………………………31
3.3.2 预测结果及评估 ………………………………………………………32
3.4 本章小结 ………………………………………………………………………34
第 4章 基于 EEMD的短期风电功率预测模型 …………………………………… 35
4.1 风电功率短期预测的影响因素分析 …………………………………………35
4.1.1 风电场历史数据的处理 ………………………………………………36
4.1.2 气象特征参数分析 ……………………………………………………36
4.2 基于 EEMD的短期风功率预测模型建立 …………………………………… 38
4.2.1 EEMD的参数优化 ……………………………………………………39
4.2.2 EEMD对于风速时间序列的模态分解 ………………………………40
4.3 风电序列的相空间重构 ………………………………………………………42
4.3.1 相空间重构原理 ………………………………………………………42
4.3.2 延迟时间和嵌入维度的确定 …………………………………………42
4.4 基于改进 FOA的参数优化 LS-SVM模型 …………………………………42
4.4.1 LS-SVM模型 …………………………………………………………42
4.4.2 基于改进 FOA优化 LS-SVM的参数 ………………………………… 43
4.5 基于 EEMD的风速 -风功率预测模型 ………………………………………46
4.5.1 风速短期预测仿真结果 ………………………………………………46
4.5.2 风功率短期预测的实现 ………………………………………………49
4.6 本章小结 ………………………………………………………………………52
第 5章 总结与展望 ………………………………………………………………… 53
5.1 总结 ……………………………………………………………………………53
5.2 展望 ……………………………………………………………………………54
第 1部分参考文献 …………………………………………………………………… 55
第 2部分 交流微网的协调控制方法分析与研究
第 6章 绪论 ………………………………………………………………………… 61
6.1 研究背景与意义 ………………………………………………………………61
6.2 国内外微网发展状况 …………………………………………………………62
6.2.1 国内外微网发展现状 …………………………………………………62
6.2.2 微网控制技术现状 ……………………………………………………63
6.3 本部分主要研究内容 …………………………………………………………64
第 7章 光伏并网技术 ……………………………………………………………… 66
7.1 光伏系统的建模 ………………………………………………………………66
7.1.1 光伏发电的工作原理及模型 …………………………………………66
7.1.2 光伏电池发电 MPPT控制和直流变换 ………………………………69
7.1.3 仿真分析 ………………………………………………………………72
7.2 交流微网并网技术研究 ………………………………………………………73
7.2.1 系统并网的结构 ………………………………………………………74
7.2.2 逆变器控制技术基础 …………………………………………………74
7.2.3 滤波器技术 ……………………………………………………………75
7.2.4 坐标变换 ………………………………………………………………75
7.3 光伏并网技术研究 ……………………………………………………………76
7.3.1 光伏并网的工作原理及模型 …………………………………………76
7.3.2 光伏并网仿真分析 ……………………………………………………77
7.4 本章小结 ………………………………………………………………………80
第 8章 分布式电源接口逆变器的控制策略 ……………………………………… 81
8.1 分布式发电并网一般结构 ……………………………………………………81
8.2 PQ控制 ………………………………………………………………………… 82
8.2.1 PQ控制器 ……………………………………………………………… 82
8.2.2 PQ控制仿真分析 ……………………………………………………… 86
8.3 V/f控制………………………………………………………………………… 87
8.3.1 V/f控制器 ……………………………………………………………… 88
8.3.2 V/f控制仿真分析 ……………………………………………………… 92
8.4 传统的下垂控制 ………………………………………………………………94
8.4.1 分布式电源的功率传输特性 …………………………………………94
8.4.2 下垂控制器 ……………………………………………………………97
8.4.3 下垂控制仿真分析 ………………………………………………… 100
8.5 改进型下垂控制 …………………………………………………………… 102
8.5.1 电压电流双环控制 ………………………………………………… 103
8.5.2 功率环控制 ………………………………………………………… 105
8.5.3 改进型下垂控制仿真分析 ………………………………………… 107
8.6 VSG控制 …………………………………………………………………… 108
8.6.1 VSG控制的系统结构 ……………………………………………… 108
8.6.2 带 Washout滤波器的 VSG控制器设计 …………………………… 110
8.6.3 带 Washout滤波器的 VSG控制仿真分析 ………………………… 112
8.7 基于自适应旋转惯量的 VSG控制器 ……………………………………… 115
8.7.1 常规的 VSG控制存在问题 ………………………………………… 115
8.7.2 基于自适应旋转惯量的 VSG控制 ………………………………… 116
8.7.3 基于自适应旋转惯量的 VSG控制器结构 ………………………… 117
8.7.4 基于自适应旋转惯量的 VSG控制仿真分析 ……………………… 118
8.8 本章小结 …………………………………………………………………… 120
第 9章 微网综合控制策略 ………………………………………………………… 122
9.1 对等控制策略 ……………………………………………………………… 122
9.1.1 对等控制原理及特点 ……………………………………………… 122
9.1.2 对等控制仿真分析 ………………………………………………… 124
9.2 主从控制策略 ……………………………………………………………… 127
9.2.1 主从控制原理及特点 ……………………………………………… 127
9.2.2 主从控制仿真算例分析 …………………………………………… 129
9.3 多主从混合协调控制 ……………………………………………………… 132
9.3.1 多主从混合协调控制原理及特点 ………………………………… 132
9.3.2 多主从混合控制仿真分析 ………………………………………… 133
9.4 辅助主从协调控制策略 …………………………………………………… 136
9.4.1 辅助主从协调控制原理及特点 …………………………………… 136
9.4.2 带辅助单元的主从控制仿真分析 ………………………………… 137
9.5 本章小结 …………………………………………………………………… 141
第 10章 总结与展望 ………………………………………………………………… 142
10.1 总结 ………………………………………………………………………… 142
10.2 展望 ………………………………………………………………………… 142
第 2部分参考文献 …………………………………………………………………… 144
第 3部分 直流微网及混合微网的协调控制方法分析与研究
第 11章 绪论 ………………………………………………………………………… 151
11.1 微网的架构与分类 ………………………………………………………… 151
11.1.1 微网的架构 ………………………………………………………… 151
11.1.2 微网的分类 ………………………………………………………… 152
11.1.3 当前微网协调控制所存在的问题及其改进策略 ………………… 153
11.2 本部分的研究内容 ………………………………………………………… 155
11.2.1 本部分的主要内容 ………………………………………………… 155
11.2.2 本部分的主要工作 ………………………………………………… 155
第 12章 各微源的建模及其控制策略研究 ………………………………………… 157
12.1 Boost变换器的研究 ……………………………………………………… 157
12.2 光伏模型的建立及其控制策略的研究 …………………………………… 158
12.2.1 光伏模型的建立 …………………………………………………… 158
12.2.2 光伏功率控制的研究 ………………………………………… 163
12.2.3 光伏限功率控制的研究 …………………………………………… 169
12.3 风电模型的建立及其控制策略的研究 …………………………………… 176
12.3.1 风电模型的建立 …………………………………………………… 176
12.3.2 风电控制策略的研究 ……………………………………………… 178
12.4 蓄电池模型的建立及其控制策略的研究 ………………………………… 180
12.4.1 蓄电池模型的建立 ………………………………………………… 180
12.4.2 蓄电池控制策略的研究 …………………………………………… 181
12.5 本章小结 …………………………………………………………………… 184
第 13章 直流微网控制策略的研究 ………………………………………………… 185
13.1 直流微网的架构 …………………………………………………………… 185
13.2 直流微网控制策略的研究 ………………………………………………… 186
13.2.1 分级控制的研究 …………………………………………………… 186
13.2.2 变功率控制的研究 ………………………………………………… 188
13.2.3 两种控制策略的仿真对比 ………………………………………… 193
13.3 本章小结 …………………………………………………………………… 194
第 14章 交流微网控制策略的研究 ………………………………………………… 195
14.1 交流微网的架构 …………………………………………………………… 195
14.2 交流微网控制策略的研究 ………………………………………………… 196
14.2.1 PQ控制 …………………………………………………………… 197
14.2.2 V/f控制 …………………………………………………………… 197
14.2.3 直流电压控制 ……………………………………………………… 199
14.3 基于直流电压控制与改进型恒压控制的交流微网的协调控制 ………… 200
14.4 本章小结 …………………………………………………………………… 204
第 15章 交直流混合微网控制策略的研究 ………………………………………… 205
15.1 混合微网的架构及其建模 ………………………………………………… 205
15.2 混合微网控制策略的研究 ………………………………………………… 207
15.3 混合微网各工作模式仿真分析 …………………………………………… 208
15.3.1 混合微网在模式 1的仿真分析 …………………………………… 208
15.3.2 混合微网在模式 2的仿真分析 …………………………………… 210
15.3.3 混合微网在模式 3的仿真分析 …………………………………… 212
15.3.4 混合微网在模式 4的仿真分析 …………………………………… 214
15.4 混合微网模式间切换的仿真分析 ………………………………………… 216
15.5 常规
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