1.1 课题研究背景及意义
近年来，由于世界各国经济飞速发展，电能的需求量正在逐渐增大。而传统的火力发电仍然是主要的电能生产方式，火力发电会产生大量的污染。由于化石燃料等不可再生能源的过度开采，近年来，人类社会的能源问题异常严峻，世界各国对此给予了高度的重视。经济的飞速发展，也极大地提高了电力负荷，为了应对这样的局面，各国都采取措施使电力系统各部分之间联系日益紧密，电网规模不断扩大。电网规模的扩大的确能够有效满足负荷的需求。而与此同时，这样的模式也带来了不小的风险，由于电网各部分联系越来越紧密，局部故障极有可能大规模扩散开来，引起巨大的灾难。由此可见，大电网具有一定的脆弱性。在能源紧张、环境污染、大电网脆弱的现实面前，分布式发电正在受到强烈关注。分布式发电包括光伏发电、风力发电等，几乎无污染，而且发电、输电的成本都较低。但是由于分布式可再生能源发电不可控制，大量分布式电源接入大电网极易造成电力系统的不稳定。为了更好地处理分布式电源接入的问题，微型电网（简称“微电网”，又称“微网”）这一概念被学者提出。微网的含义是[1]：一个由多种不同类型的微电源、储能、负荷以及相应的监控、通信以及控制单元组成的新型电气网络，通过电力电子变换技术和相应的能量管理策略，使其发出的电能既能满足本地负载的需求，同时多余的电能可以馈送给大电网。微网既能够并网运行，作为大电网的补充和延伸，与大电网并联协作运行，为大电网提供削峰填谷、备用等附加服务；也可以与大电网切断连接，运行于孤岛模式，单独向某个区域的用户供电，保证区域内负荷的稳定供电。但是，由于可再生能源具有间歇性和波动性，微网中的可再生能源发电功率也相应地具有间歇性和波动性。而微网中的节点电压、频率都与节点注入的功率密切相关，功率的剧烈波动必然会造成电压、频率的剧烈波动，严重影响电能质量[4]-[6]，影响微网的稳定运行。为了保证微网系统的稳定，储能系统是微网必不可少的一部分。目前，常用的储能装置以化学储能装置为主，价格比较昂贵，经济性差，利用储能装置维持微网的稳定，会降低系统的经济性。近年来，电动汽车正在受到越来越多的关注。电动汽车以电能提供行驶所需要的能量，与传统汽车相比，利用率高、排放少、无噪声。发展电动汽车，能够有效地提高空气质量，改善环境状况，减少能源消耗，实现可持续发展，目前，世界各国都对电动汽车的研究非常重视。世界上主要国家和地区到 2020 年的电动汽车发展规划如图 1.1 所示。
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1.2 微网电压调节研究现状
为了保证稳定运行，微网需要进行有效的电压调节，以保证系统的正常运行。配电网中，常用的调压方法包括改变发电机端电压、改变变压器变比、无功补偿、组合调压等。由于微网中具有大量的分布式电源，微网的电压波动明显大于配电网，而这些传统的电压调节方式调节速度慢、灵活性差，而且不具备连续调节的能力[12]，难以适应微网中更高的调节要求。同时，微网具有线路电阻大于电抗的特点，使得电压幅值的变化受到有功功率的影响更大[13]，传统的以调节无功为主的调压方法在微网中作用有限。因此，为了实现微网的电压调节，需要研究出适合微网特征的新方法。微网电压调节的方法主要有集中控制方法和分布式控制方法。在这种网络中，每个节点都能与中心点进行通信。采用集中控制方法进行电压调节时，所有分布式电源与中央控制器进行直接通信，中央控制器实时采集各分布式电源和负荷的运行数据，根据决策策略获得决策指令，并统一向每个分布式电源直接分发所获得的控制命令从而调节各分布式电源的出力，达到稳定微网电压的目的。可见，使用中央控制器是集中控制方法的主要特点。
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第二章 微网的结构与模型
本章主要介绍微网系统的组成和结构，并分别对各组成部分进行建模。同时介绍电动汽车的可调度容量。
2.1 微网系统的组成和结构
典型的包含电动汽车的低压微网典型结构如图 2.1 所示。该系统电压等级为400V，通过变压器并入 10k V 配电系统。微网总共包括 N 个节点，一部分节点接有分布式电源、负荷或电动汽车。分布式电源包括光伏发电系统（PV）、风力发电单元（WT），微型燃气轮机和储能单元等。由于单台电动汽车功率、容量较小，不能对系统产生足够的影响，因此，系统中采用多台电动汽车构成电动汽车组。此外，从运行模式上，该微网可以并网运行也可以离网运行。
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2.2 微网中节点电压与功率的关系
假设微网系统中所包含的 N 个节点组成集合 V。节点 i 的电压幅值为 Ui，功
率为 Pi，为调节电压而增加的输出功率为Pi，该功率可正可负。所有节点电压幅值组成向量 U，所有节点电压相角组成向量?。所有节点输出有功功率组成向量 P，无功功率组成向量 Q。本文规定以节点功率流出的方向为正方向，因此，电动汽车充电功率以及负荷功率为正值，电动汽车放电功率以及可再生能源发电功率为负值。由 2.2 中的推导可以看出，微网中节点电压幅值的变化主要受到有功功率变化的影响。因此，当节点电压越限时，可对对各节点的有功功率进行适当调节。微网中，电动汽车的充放电功率可以调节，光伏发电系统、风力发电系统以及负荷的有功功率在需要的情况下可以削减，因此，它们都是微网电压调节可以利用的资源。通过优化电动汽车的充放电功率、在需要的时候削减可再生能源出力以及切除部分负荷都能够起到调节电压的作用。电压的大小能够反映出系统节点功率的情况。电压较高表明可再生能源的发电功率较大或负荷较小，此时应通过电动汽车充电或削减可再生能源发电的方式减小节点注入功率，以降低电压。而电压较低表明可再生能源的发电功率较小或负荷较大，此时应通过电动汽车放电或削减负荷的方式增大节点注入功率，以升高电压。以下将对微网电压调节可以利用的几种资源：光伏电池、风力发电机、电动汽车、负荷，分别加以介绍。
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第三章 微网电压调节的分布式控制方法....... 20
3.1 微网电压调节数学模型............. 20
3.2 Gossip 算法............. 23
3.3 基于 Gossip 算法的分布式电压调节方法.... 25
3.4 集中控制方法......... 27
3.5 本章小结....... 30
第四章 微网并网运行电压调节算例分析....... 31
4.1 算例系统的组成和参数............. 31
4.2 权矩阵的计算......... 33
4.3 有关计算条件的设置....... 33
4.4 算例 1: 任意时刻电压调节过程......... 36
4.5 算例 2：全天的计算........ 41
4.6 两种控制方法的对比....... 47
4.7 本章小结....... 48
第五章 微网孤岛运行电压调节算例分析....... 49
5.1 算例系统的组成和参数............. 49
5.2 计算条件的设置..... 50
5.3 算例 1：特定时刻的计算.......... 52
5.4 算例 2：全天的计算........ 55
5.5 本章小结....... 63
第五章 微网孤岛运行电压调节算例分析
本章主要在微网孤岛运行条件下，对所提出的分布式控制方法进行验证，同样包括特定时刻的计算和全天的计算两个算例。与第四章相同，本章也同时使用分布式算法和集中控制方法进行同样的计算。
5.1 算例系统的组成和参数
为了验证所提方法在微网独立运行时的有效性，本章仍以西门子 Benchmark0.4k V 低压微网系统为例进行计算，主要分析微网孤岛运行时的电压调节情况。由于图 5.1 为孤岛运行的微网，因此与图 4.1 相比，去掉了图 4.1 中的并网点，即节点 1。图 4.1 中，并网点为平衡节点，去掉并网点后，系统失去了平衡节点。此时，将系统中唯一的 PV 节点（节点 18）视为平衡节点。系统结构及其他有关参数、条件保持不变。此时，对权矩阵进行计算，得到其非零元素如表 5.1 所示。因为去掉了并网点，所以权矩阵变为 19 阶方阵。
总结
建立微网系统，不仅能够可靠地为用户提供所需要的电能，而且可以很好地集成利用可再生能源，更加的节能、环保。但是，可再生能源的波动性会造成电压的剧烈波动，影响电能质量。为了保证微网的稳定运行，必须采取有效措施抑制电压波动。本文针对含有电动汽车的微网的电压波动问题，建立了电压调节数学模型，提出了分布式电压调节方法，以 Gossip 算法为基础，可以在没有中央控制器的情况下，完全利用微网系统各节点之间的通信，进行迭代更新，最终求出全局最优值，从而实现减小电压波动的目标。使用这种方法，能够降低系统对通信的要求。电动汽车的发展收到了越来越多的关注。与传统的汽车相比，电动汽车排放很少，几乎没有污染。电动汽车接入微网，可以充电和放电，扮演电源和负荷的双重角色，相当于移动的储能装置。相比于静止储能装置，电动汽车还具有利用率高、经济性好、灵活性强等优势。本文通过对电动汽车的充放电进行有效的控制，使电动汽车与微网中的可再生能源、负荷相互协调配合，在电压过高时充电，消耗过剩的电能以降低电压；在电压过低时放电，补偿功率缺额以抬高电压。同时，电动汽车参与电压调节时，还必须以满足充电需求为前提。为了满足充电需求，本文将电动汽车的可调度容量作为约束条件加入微网电压调节的数学模型当中。在每个调度周期内，需要对电动汽车的可调度容量进行计算，还需要具体安排每台电动汽车的充放电。通过这种方式，所有电动汽车在离网时，充电需求都得到了满足。
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参考文献（略）
