CN102170134A - 微电网并网到离网控制方法及无缝切换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微电网并网到离网控制方法及无缝切换方法，本发明的微电网并网到离网控制方法根据上送的一次、二次设备电压、电流采样信息，判断微电网是作为负荷从大电网中吸收电量还是作为发电设备往大电网上送电量，并据此实时计算离网时微电网的功率盈缺，根据功率盈缺制定各负荷、分布式电源的投退控制计划；该控制方法能够实现微电网在离网瞬间的发电出力和负荷用电保持平衡，保证了微电网运行的可靠性、稳定性。

Description

微电网并网到离网控制方法及无缝切换方法
技术领域
本发明属于微电网技术领域，涉及微电网并网到离网控制方法及无缝切换方法。
背景技术
微电网是近年来随着大力发展分布式发电而出现的一种新的电网技术，它是由各种分布式电源、储能单元、负荷以及二次监控、保护装置组成的集合，能并网运行，也能在大电网异常时孤网运行，具有灵活的运行方式和可调度性。这种技术的出现解决了风、光等分布式电源发电间歇性和波动性对大电网带来的冲击问题，同时也提高了分布式电源的利用率和负荷供电的可靠性。
微电网的关键技术之一是由分布式电源、负荷组成的微电网在大电网正常运行时能与大电网并网运行，当大电网异常时能独立运行。在实际的微电网项目中发现，微电网从离网到并网的无缝切换较容易实现，但在从并网到离网的切换过程中，由于微电网离网主发电设备出力容量有限，而其他分布式电源的发电功率和负荷的用电功率具有不确定性，微电网并网到离网的切换无法实现刚性切换，而解决该问题常规的方法是先切换不可预知的负荷和分布式电源，使微电网离网瞬间处于最小安全运行模式下，再通过逐级调节逐步恢复被切分布式电源和负荷的运行，这个过程常常需要经过数秒甚至数分钟，无法实现无缝要求。
申请号为200910305535.9的中国专利“微电网能量智能控制系统”给出了一种利用预测信息对微电网进行控制的智能能量控制系统，包括微电网系统和控制系统，微电网系统包括电源单元、储能单元和负荷单元；控制系统包括信息采集系统和中央处理单元，该中央处理单元包括负荷预测模块、微电网在线状态估计模块、间歇式电源能量预测、储能单元能量预测模块、微电网系统分析模块、微电网多目标优化运行和综合协调控制模块；信息采集系统包括电源、储能、负荷单元信息采集模块。该专利申请虽然给出了具体的能量控制系统，但是并没有给出，也不能直接从系统推得一个微电网从并网到离网的控制方法及无缝切换方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种微电网并网到离网控制方法及无缝切换方法，使微电网在离网瞬间的发电出力和负荷用电保持平衡。
为实现上述目的，本发明的微电网并网到离网控制方法，根据上送的一次、二次设备电压、电流采样信息，判断微电网是作为负荷从大电网中吸收电量还是作为发电设备往大电网上送电量，并据此实时计算离网时微电网的功率盈缺，根据功率盈缺制定各负荷、分布式电源的投退控制计划。
进一步的，当微电网作为负荷从大电网中吸收电量时，功率盈缺计算公式为：
Figure 456891DEST_PATH_IMAGE001
   （1）
式中
Figure 293784DEST_PATH_IMAGE002
为功率盈缺，
Figure 244422DEST_PATH_IMAGE003
为公共连接点处的交换功率， 为第i个分布式电源的最大发电出力，
Figure 541729DEST_PATH_IMAGE005
为第i个分布式电源的当前发电出力。
进一步的，投退控制计划的第一原则是考虑负荷重要性，即先切除非重要负荷，再切次重要负荷，最后是重要负荷；第二原则是切除负荷的个数尽量少，即从功率最大的负荷开始切除，直到切除的负荷总功率超过功率盈缺为止。
进一步的，当微电网作为发电设备网大电网上送电量时，功率盈缺计算公式为：
Figure 484277DEST_PATH_IMAGE006
   （2）
式中
Figure 984528DEST_PATH_IMAGE007
为功率盈缺，为公共连接点处的交换功率，为第k个分布式电源的最小发电出力，为第k个分布式电源的当前发电出力，式中的分布式电源仅包含能随着电压和频率的变化而自动调节其出力的电源，这些电源不在被切除之列。
进一步的，投退控制计划的第一原则是考虑分布式电源的一次能源属性，即先切除不可再生能源的分布式电源，再切除可再生能源的分布式电源；第二原则是切除分布式电源的个数尽量少，即从发电出力最大的分布式电源开始切除，直到切除的分布式电源总出力超过功率盈缺为止。
本发明的微电网并网到离网无缝切换方法步骤如下：
（1）微电网并离网无缝切换系统通过以太网将分布式电源、支路测控装置、微电网就地控制装置数据上传到微电网集中控制器中，微电网集中控制器根据上传的信息判断微电网是作为负荷从大电网中吸收电量还是作为发电设备往大电网上送电量，并计算若此时离网微电网的功率盈缺，根据功率盈缺制定各负荷、分布式电源的投退控制计划；
（2）判断本次投退控制计划与上次控制投退计划是否有异，若是有差异，则将本次投退控制计划下发到微电网就地控制装置；
（3）微电网就地控制装置实时接收微电网集中控制器下发的投退控制计划，实时采集微电网公共连接点处的电压、电流参数，并根据采集参数实时进行孤岛检测，检测是否发生并网转离网，一旦检测发生离网，微电网就地控制装置立即断开与大电网的连接开关，并执行最新一次接收的投退控制计划，切断离网瞬间无法平衡的多余的负荷或分布式电源，使微电网在离网瞬间的发电出力和负荷用电保持平衡，实现无缝切换。
进一步的，所述步骤（1）中，当微电网作为负荷从大电网中吸收电量时，功率盈缺计算公式为：
Figure 978712DEST_PATH_IMAGE001
   （1）
式中
Figure 265337DEST_PATH_IMAGE007
为功率盈缺，
Figure 326834DEST_PATH_IMAGE011
为公共连接点处的交换功率， 为第i个分布式电源的最大发电出力，
Figure 86028DEST_PATH_IMAGE005
为第i个分布式电源的当前发电出力。
进一步的，投退控制计划的第一原则是考虑负荷重要性，即先切除非重要负荷，再切次重要负荷，最后是重要负荷；第二原则是切除负荷的个数尽量少，即从功率最大的负荷开始切除，直到切除的负荷总功率超过功率盈缺为止。
进一步的，所述步骤（1）中当微电网作为发电设备网大电网上送电量时，功率盈缺计算公式为：
Figure 114027DEST_PATH_IMAGE013
   （2）
式中
Figure 295610DEST_PATH_IMAGE007
为功率盈缺，
Figure 547600DEST_PATH_IMAGE014
为公共连接点处的交换功率，为第k个分布式电源的最小发电出力，为第k个分布式电源的当前发电出力，式中的分布式电源仅包含能随着电压和频率的变化而自动调节其出力的电源，这些电源不在被切除之列。
进一步的，投退控制计划的第一原则是考虑分布式电源的一次能源属性，即先切除不可再生能源的分布式电源，再切除可再生能源的分布式电源；第二原则是切除分布式电源的个数尽量少，即从发电出力最大的分布式电源开始切除，直到切除的分布式电源总出力超过功率盈缺为止。
本发明的微电网并网到离网控制方法，根据实时采集的一次、二次设备信息制定负荷、分布式电源的投退控制计划，该控制方法能够实现微电网在离网瞬间的发电出力和负荷用电保持平衡，保证了微电网运行的可靠性、稳定性。
本发明的微电网并网到离网无缝切换方法使用时，如果微电网发生孤岛，微电网就地控制装置能在50毫秒左右检测出孤岛并执行集中控制器下发的最后一次控制计划，使微电网从并网到离网的功率不平衡运行能在非常短的时间内结束。通常情况下分布式电源如光伏逆变器、风机逆变器有600毫秒左右的低电压穿越能力，当整个微电网从并网运行到离网运行过度时间不超过该时间时，分布式电源不会退出运行，系统绝大部分负荷也无须退出，从而实现了微电网从并网到离网的无缝切换。
附图说明
图1是微电网并网离网切换系统结构图；
图2是并网时制定离网瞬间控制计划流程图；
图3是孤岛发生后处理流程图；
图4是切除负荷计划流程图；
图5是切除分布式电源计划流程图。
具体实施方式
本发明的微电网并网到离网控制方法是，根据上送的一次、二次设备电压、电流采样信息，判断微电网是作为负荷从大电网中吸收电量还是作为发电设备往大电网上送电量，并据此实时计算离网时微电网的功率盈缺，根据功率盈缺制定各负荷、分布式电源的投退控制计划。即分为两种情况分别进行处理：
（1） 微电网在离网前作为负荷从大电网中吸收电量
当微电网内部负荷大于分布式电源出力时，公共连接点功率为正，其功率盈缺计算公式如公式1所示：
Figure 377518DEST_PATH_IMAGE001
   （1）
式中
Figure 738093DEST_PATH_IMAGE007
为功率盈缺，
Figure 125212DEST_PATH_IMAGE011
为公共连接点处的交换功率，为第i个分布式电源的最大发电出力，为第i个分布式电源的当前发电出力。
当
Figure 247910DEST_PATH_IMAGE007
大于零时，说明需要切除一部分负荷才能保证离网时负荷用电在发电的可供范围内。切除负荷的原则首先是考虑负荷重要性，即先切除非重要负荷，再切次重要负荷，最后才是重要负荷。切除负荷的第二个原则是切除负荷的个数尽量少，即从功率最大的负荷开始切除，直到切除的负荷总功率超过功率盈缺
Figure 919063DEST_PATH_IMAGE007
为止，具体流程如图4所示。
（2）微电网在离网前作为发电设备往大电网上送电量
在微电网中，分布式电源常常不具备旋转特性，而是采用逆变器将直流变为交流的方式发电，因此当电压、频率发生较大变化时其出力并不能快速自动调节以适应电压和频率的变化，因此如果微电网在离网前其内部的发电量大于用电量，则微电网作为发电设备往大电网系统上送电量，在离网瞬间为了快速达到发用电的平衡，需采用切除部分分布式电源的方式来快速达到目标。
微电网在离网前作为发电设备往大电网系统上送电量，此时公共连接点功率为负，其功率盈缺计算公式如公式2所示：
Figure 92555DEST_PATH_IMAGE019
   （2）
式中
Figure 165553DEST_PATH_IMAGE007
为功率盈缺，
Figure 133509DEST_PATH_IMAGE014
为公共连接点处的交换功率，为第k个分布式电源的最小发电出力，为第k个分布式电源的当前发电出力。式中的分布式电源仅包含那些能随着电压和频率的变化而自动调节其出力的电源，这些电源不在被切除之列。
当
Figure 868750DEST_PATH_IMAGE007
依然小于零时，说明需要切除一部分分布式电源才能保证离网时分布式电源发出的电量能被负荷吸收。切除分布式电源的原则首先是考虑分布式电源的一次能源属性，即先切除需要消耗如天然气、石油等不可再生能源的分布式电源，再切除可再生能源的分布式电源。切除分布式电源的第二个原则是切除分布式电源的个数尽量少，即从发电出力最大的分布式电源开始切除，直到切除的分布式电源总出力超过功率盈缺
Figure 7607DEST_PATH_IMAGE007
为止。
本发明的微电网并网到离网无缝切换系统包含了微电网内几乎所有的一次、二次设备，系统结构如图1所示。该系统包括：
（1） 微电网集中控制器：内嵌微电网集中控制系统，是微电网的控制中心，用于微电网从并网到离网投退计划的制定，使微电网在离网瞬间的发电出力和负荷用电保持平衡；
（2） 微电网就地控制装置：微电网集中控制器的就地执行设备，用于实时采集微电网公共连接处的电压、电流等运行参数，实现微电网孤岛检测、预控制计划接收和执行等；
（3） 分布式电源：包括光伏发电逆变器、风力发电机（或风力发电逆变器）、微燃气轮机等各种类型的发电电源；
（4） 支路测控装置：用于实时量测支路的运行情况并接受与执行对断路器的遥控命令。
本发明的微电网并网到离网无缝切换方法步骤如下：
（1）微电网并离网无缝切换系统通过以太网将分布式电源、支路测控装置、微电网就地控制装置数据上传到微电网集中控制器中，微电网集中控制器根据上传的信息判断微电网是作为负荷从大电网中吸收电量还是作为发电设备往大电网上送电量，并计算若此时离网微电网的功率盈缺，根据功率盈缺制定各负荷、分布式电源的投退控制计划；
（2）判断本次投退控制计划与上次控制投退计划是否有异，若是有差异，则将本次投退控制计划下发到微电网就地控制装置；
（3）微电网就地控制装置实时接收微电网集中控制器下发的投退控制计划，实时采集微电网公共连接点处的电压、电流参数，并根据采集参数实时进行孤岛检测，检测是否发生并网转离网，一旦检测发生离网，微电网就地控制装置立即断开与大电网的连接开关，并执行最新一次接收的投退控制计划，切断离网瞬间无法平衡的多余的负荷或分布式电源，使微电网在离网瞬间的发电出力和负荷用电保持平衡，实现无缝切换,孤岛发生后处理流程图如图3所示。
整个处理过程分两种情况进行分析：
（i）微电网在离网前作为负荷从大电网中吸收电量
当微电网内部负荷大于分布式电源出力时，公共连接点功率为正，其功率盈缺计算公式如公式1所示：
Figure 653352DEST_PATH_IMAGE020
   （1）
式中
Figure 903068DEST_PATH_IMAGE007
为功率盈缺，
Figure 888342DEST_PATH_IMAGE014
为公共连接点处的交换功率， 为第i个分布式电源的最大发电出力，为第i个分布式电源的当前发电出力。
当
Figure 384548DEST_PATH_IMAGE007
大于零时，说明需要切除一部分负荷才能保证离网时负荷用电在发电的可供范围内。切除负荷的原则首先是考虑负荷重要性，即先切除非重要负荷，再切次重要负荷，最后才是重要负荷。 切除负荷的第二个原则是切除负荷的个数尽量少，即从功率最大的负荷开始切除，直到切除的负荷总功率超过功率盈缺
Figure 286645DEST_PATH_IMAGE007
为止，具体流程如图4所示。
（ii）微电网在离网前作为发电设备往大电网上送电量
在微电网中，分布式电源常常不具备旋转特性，而是采用逆变器将直流变为交流的方式发电，因此当电压、频率发生较大变化时其出力并不能快速自动调节以适应电压和频率的变化，因此如果微电网在离网前其内部的发电量大于用电量，则微电网作为发电设备往大电网系统上送电量，在离网瞬间为了快速达到发用电的平衡，需采用切除部分分布式电源的方式来快速达到目标。
微电网在离网前作为发电设备往大电网系统上送电量，此时公共连接点功率为负，其功率盈缺计算公式如公式2所示：
Figure 767305DEST_PATH_IMAGE021
   （2）
式中
Figure 59746DEST_PATH_IMAGE007
为功率盈缺，
Figure 979160DEST_PATH_IMAGE014
为公共连接点处的交换功率，为第k个分布式电源的最小发电出力，为第k个分布式电源的当前发电出力。式中的分布式电源仅包含哪些能随着电压和频率的变化而自动调节其出力的电源，这些电源不在被切除之列。
当依然小于零时，说明需要切除一部分分布式电源才能保证离网时分布式电源发出的电量能被负荷吸收。切除分布式电源的原则首先是考虑分布式电源的一次能源属性，即先切除需要消耗如天然气、石油等不可再生能源的分布式电源，再切除可再生能源的分布式电源。切除分布式电源的第二个原则是切除分布式电源的个数尽量少，即从发电出力最大的分布式电源开始切除，直到切除的分布式电源总出力超过功率盈缺
Figure 830780DEST_PATH_IMAGE007
为止，切除分布式电源计划流程图如图5所示。
整个系统的流程如图2所示，集中控制器在10秒左右收集完一轮整个系统的运行参数，如果未接收到离网信息则根据当前与大电网的交换功率推算离网瞬间微电网的功率盈缺，根据功率盈缺计算最优化的控制计划，如果本次计划和上次计划有差异，则将控制计划下发到微电网就地控制装置中由装置去执行计划。
如果微电网发生孤岛，微电网就地控制装置能在50毫秒左右检测出孤岛并执行集中控制器下发的最后一次控制计划，使微电网从并网到离网的功率不平衡运行能在非常短的时间内结束。通常情况下分布式电源如光伏逆变器、风机逆变器有600毫秒左右的低电压穿越能力，当整个微电网从并网运行到离网运行过度时间不超过该时间时，分布式电源不会退出运行，系统绝大部分负荷也无须退出，从而实现了微电网从并网到离网的无缝切换。
最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限定本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种微电网并网到离网控制方法，其特征在于，根据上送的一次、二次设备电压、电流采样信息，判断微电网是作为负荷从大电网中吸收电量还是作为发电设备往大电网上送电量，并据此实时计算离网时微电网的功率盈缺，根据功率盈缺制定各负荷、分布式电源的投退控制计划。
2.根据权利要求1所述的微电网并网到离网控制方法，其特征在于，当微电网作为负荷从大电网中吸收电量时，功率盈缺计算公式为：
Figure 43453DEST_PATH_IMAGE002
   （1）
式中
Figure 960594DEST_PATH_IMAGE004
为功率盈缺，
Figure 740331DEST_PATH_IMAGE006
为公共连接点处的交换功率， 为第i个分布式电源的最大发电出力，
Figure 12229DEST_PATH_IMAGE010
为第i个分布式电源的当前发电出力。
3.根据权利要求2所述的微电网并网到离网控制方法，其特征在于，投退控制计划的第一原则是考虑负荷重要性，即先切除非重要负荷，再切次重要负荷，最后是重要负荷；第二原则是切除负荷的个数尽量少，即从功率最大的负荷开始切除，直到切除的负荷总功率超过功率盈缺为止。
4.根据权利要求1所述的微电网并网到离网控制方法，其特征在于，当微电网作为发电设备网大电网上送电量时，功率盈缺计算公式为：
Figure 834692DEST_PATH_IMAGE012
   （2）
式中
Figure 164042DEST_PATH_IMAGE004
为功率盈缺，
Figure 362942DEST_PATH_IMAGE006
为公共连接点处的交换功率，为第k个分布式电源的最小发电出力，为第k个分布式电源的当前发电出力，式中的分布式电源仅包含能随着电压和频率的变化而自动调节其出力的电源，这些电源不在被切除之列。
5.根据权利要求4所述的微电网并网到离网控制方法，其特征在于，投退控制计划的第一原则是考虑分布式电源的一次能源属性，即先切除不可再生能源的分布式电源，再切除可再生能源的分布式电源；第二原则是切除分布式电源的个数尽量少，即从发电出力最大的分布式电源开始切除，直到切除的分布式电源总出力超过功率盈缺为止。
6.一种微电网并网到离网无缝切换方法，其特征在于，该方法的步骤如下：
（1）微电网并离网无缝切换系统通过以太网将分布式电源、支路测控装置、微电网就地控制装置数据上传到微电网集中控制器中，微电网集中控制器根据上传的信息判断微电网是作为负荷从大电网中吸收电量还是作为发电设备往大电网上送电量，并计算若此时离网微电网的功率盈缺，根据功率盈缺制定各负荷、分布式电源的投退控制计划；
（2）判断本次投退控制计划与上次控制投退计划是否有异，若是有差异，则将本次投退控制计划下发到微电网就地控制装置；
（3）微电网就地控制装置实时接收微电网集中控制器下发的投退控制计划，实时采集微电网公共连接点处的电压、电流参数，并根据采集参数实时进行孤岛检测，检测是否发生并网转离网，一旦检测发生离网，微电网就地控制装置立即断开与大电网的连接开关，并执行最新一次接收的投退控制计划，切断离网瞬间无法平衡的多余的负荷或分布式电源，使微电网在离网瞬间的发电出力和负荷用电保持平衡，实现无缝切换。
7.根据权利要求6所述的微电网并网到离网无缝切换方法，其特征在于，所述步骤（1）中，当微电网作为负荷从大电网中吸收电量时，功率盈缺计算公式为：
Figure 844761DEST_PATH_IMAGE002
   （1）
式中
Figure 581773DEST_PATH_IMAGE004
为功率盈缺，
Figure 167475DEST_PATH_IMAGE006
为公共连接点处的交换功率， 为第i个分布式电源的最大发电出力，为第i个分布式电源的当前发电出力。
8.根据权利要求7所述的微电网并网到离网无缝切换方法，其特征在于：投退控制计划的第一原则是考虑负荷重要性，即先切除非重要负荷，再切次重要负荷，最后是重要负荷；第二原则是切除负荷的个数尽量少，即从功率最大的负荷开始切除，直到切除的负荷总功率超过功率盈缺为止。
9.根据权利要求6所述的微电网并网到离网无缝切换方法，其特征在于，所述步骤（1）中当微电网作为发电设备网大电网上送电量时，功率盈缺计算公式为：
Figure 176385DEST_PATH_IMAGE012
   （2）
式中
Figure 882173DEST_PATH_IMAGE004
为功率盈缺，
Figure 217339DEST_PATH_IMAGE006
为公共连接点处的交换功率，为第k个分布式电源的最小发电出力，为第k个分布式电源的当前发电出力，式中的分布式电源仅包含能随着电压和频率的变化而自动调节其出力的电源，这些电源不在被切除之列。
10.根据权利要求9所述的微电网并网到离网无缝切换方法，其特征在于：投退控制计划的第一原则是考虑分布式电源的一次能源属性，即先切除不可再生能源的分布式电源，再切除可再生能源的分布式电源；第二原则是切除分布式电源的个数尽量少，即从发电出力最大的分布式电源开始切除，直到切除的分布式电源总出力超过功率盈缺为止。
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Effective date of registration: 20121128

Address after: No. 1298 Xuchang City, Henan province 461000 XJ Avenue

Applicant after: Xuji Group Co., Ltd.

Applicant after: Xuji Electric Co., Ltd.

Applicant after: Xuchang Xuji Software Technology Co., Ltd.

Applicant after: State Grid Corporation of China

Address before: No. 1298 Xuchang City, Henan province 461000 XJ Avenue

Applicant before: Xuji Group Co., Ltd.

Applicant before: Xuji Electric Co., Ltd.

Applicant before: Xuchang Xuji Software Technology Co., Ltd.

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GR01 Patent grant
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Owner name: XUJI ELECTRIC CO., LTD.

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Effective date: 20131202

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Patentee after: Xuji Electric Co., Ltd.

Patentee after: Xuchang Xuji Software Technology Co., Ltd.

Patentee after: State Grid Corporation of China

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Patentee before: Xuji Group Co., Ltd.

Patentee before: Xuji Electric Co., Ltd.

Patentee before: Xuchang Xuji Software Technology Co., Ltd.

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Termination date: 20170505

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