CN102709906B - 适用于含柴储孤立微电网的频率分层协调控制方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于含柴储孤立微电网的频率分层协调控制方法，频率控制系统由中央决策层和就地决策层组成，实现系统的一次调频和二次调频功能，一次调频由就地决策层的柴油发电机作为主调节单元，中央决策层中设置死区的PI控制器和就地决策层的分布式储能组成辅助一次调频单元，两个层级相互协调配合完成对频率的一次调节。当频率稳定于辅助一次调频死区上限或下限时，启动二次调频功能；二次调频由中央决策层二次调频模块和就地决策层的微源协调配合完成，通过重新设置分布式储能的有功参考值、调整新能源出力、启停柴油发电机、负荷控制等方式，调整柴油发电机的旋转备用或调峰备用，使系统频率恢复至额定频率运行。本发明可以充分协调利用不同微源的响应特性对系统频率进行调节，实现对孤立微电网简单、快捷的稳定控制，具有较强的鲁棒性和灵活性，能够满足孤立微电网系统长期安全稳定运行的需要。

Description

适用于含柴储孤立微电网的频率分层协调控制方法

技术领域

本发明属于电力系统微电网技术领域，尤其是一种适用于含柴储孤立微电网的频率分层协调控制方法。

背景技术

将分布式电源以微电网的形式构成电气“孤立”运行，是并网型微电网在受扰动时的一种运行模式，也是适用于偏远山区和海岛的一种供电方式。孤立微电网是由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统。

国内外对于孤立型微电网的控制主要分为两种模式：对等控制模式和主从控制模式。对等控制模式模拟同步电机的下垂特性对频率和电压进行调节，不同微源的下垂特性与外部系统的阻抗特性密切相关，其参数在实际工程中很难整定，目前该控制模式仍处于实验室阶段；主从控制模式是目前孤立型微电网系统普遍采用的一种模式，通常由主控电源提供系统频率和电压的参考，从属电源仅起跟随作用，系统稳定性对主控电源的依赖很大，当系统功率波动越出主控电源的备用范围时，系统将面临失稳。

目前国内外主要围绕风光储/光储/风储互补微电网开展控制措施研究，这几种类型的微电网通常规模小，且以储能作为主控电源。对于负荷需求较大，而新能源发电量不足的孤立微电网，需要增加柴油发电机或者燃气轮机作为供电形式的补充。在含柴储的孤立型微电网系统中，由于柴油发电机具有很强的过载能力和频率电压调节能力，工程中通常以柴油发电机作为主控电源或平衡节点。从有关学者对该类型系统的稳定性研究结论中可以发现，微电网中热备用较小，抗扰动能力弱，功率波动或系统故障主要引发频率稳定问题，这使得快速、稳定、易于操作的频率控制方法显得尤为重要。目前的频率控制方法主要为分散就地控制在分散控制方式中，各微源当地控制器和负荷控制器搜集本地信息，进行就地决策，其控制思想是要最大程度地实现微电网内分布式单元和负荷的自治。虽然分散式控制降低了对微电网中央控制器MGCC的功能要求，但在整体协调控制功能上却大大降低，难以实现微电网整体性能的最优化。

发明内容

为了克服现有技术方法存在的不足，本发明提出一种适用于含柴储孤立微电网的频率分层协调控制方法，以提高孤立型微电网运行的频率稳定性。该方法适用于由柴油发电机、储能和新能源组成的孤立型微电网系统。

一种适用于含柴储孤立微电网的频率分层协调控制方法，其特征是：频率控制系统由中央决策层和就地决策层组成，通过微源间的相互协调控制，实现系统的一次调频和二次调频功能，其特征在于：一次调频由柴油发电机、中央决策层和储能配合完成，当系统功率波动在柴油发电机的备用区间内时，重新稳定后功率波动由柴油发电机承担，系统频率恢复至额定值50Hz；系统功率波动超出柴油发电机旋转备用时，系统功率波动与旋转备用限值之间的功率缺额由中央决策层分配给储能承担，系统频率稳定于中央决策层一次调频死区下限；系统功率波动超出柴油发电机调峰备用时，系统功率波动与调峰备用限值的功率差值由中央决策层分配给储能承担，系统频率稳定于中央决策层一次调频死区上限，中央决策层辅助一次调频方法如下：

第一步：检测系统频率，当测量频率值越出辅助一次调频死区时，启动中央决策层一次调频功能，死区设置的原则是与柴油发电机的频率调节特性相配合，并避免储能有功参考值的频繁调节，中央决策层一次调频死区设置的推荐值为49.5Hz-50.5Hz，可以根据柴油发电机和负荷的综合频率特性对死区范围进行调整；

第二步：频率波动Δf通过PI控制器进行调节，将微网频率采样值与频率额定值50Hz做差后经低通滤波器，然后分别送入正偏差控制通道和负偏差控制通道，在正、负偏差控制通道中与频率调节死区做差后送入PI控制器，PI控制器输出进行功率限幅后，最终将正偏差通道和负偏差通道输出加和后作为储能系统有功参考变化值P_f；

第三步：检测储能SOC，设N台储能运行于允许的SOC区间内，将P_f按照下列原则分配至N台储能，作为储能下一时刻有功参考值的变化值ΔP_i(t+1)：

取+；P_f＜0，

取下一时刻第i台储能参考值P_i(t+1)＝P_i(t)+ΔP_i(t+1)；

第四步：检查储能新的有功参考值P_i(t+1)是否超过储能限值，如果有M台储能功率越限，则将储能有功参考值按照限值设置，设N＝N-M,P_f＝P_f-M台储能有功变化值之和,返回第三步；否则，转到第四步；

第五步 将储能新的有功参考值下达至相应的PCS，储能输出功率跟随新的有功参考值变化；

上述步骤中，P_f为储能系统有功变化值的总和，N为运行于SOC允许区间内的储能数，S_i额定为第i台储能PCS的额定视在功率，P_i(t+1)为第i台储能在t+1时刻恒P-Q控制模式中的有功参考值，充电功率取负值，放电功率取正值。

二次调频由中央决策层与就地决策层配合完成，设置一定的延时，避开一次调频的动作时间区间，为使系统频率恢复至额定频率并使柴油发电机留有一定的旋转备用或调峰备用，当系统频率小于辅助一次调频死区下限且持续时间超过设定的启动延时，频率按照重新分配分布式储能的功率、增加新能源出力、柴油发电机启机的顺序进行二次调整；当系统频率大于辅助一次调频死区上限且持续时间超过设定的启动延时，频率按照重新分配分布式储能的功率、柴油发电机停机、限制新能源出力的顺序进行二次调整，中央决策层二次调频方法如下：

第一步：监测系统频率f，若f≥f_upl或f≤f_downl，跳转第二步；

第二步：计算时间延时T，若T>t，t为二次调频动作延时，跳转第三步；否则，返回第一步；

第三步：若f≥f_upl，跳转第四步；f≤f_downl，跳转第五步；

第四步：设若N台（N≠0）储能SOC位于允许运行区间且则将P_f按照以下原则分配给N台储能，作为储能下一时刻有功参考值：

P₁(t+1):...:P_N(t+1)＝(SOC₁(t)-SOC_1low)×S_1额定:...:(SOC_N(t)-SOC_Nlow)×S_N额定；

否则，按照限制新能源出力、开启柴油发电机、负荷控制的顺序操作，直至频率恢复为额定频率，开启的柴油发电机停运时间应大于设置的最小停运时间，其开启次数应小于允许的一日最大启停机次数，频率恢复后，继续检测系统频率，返回第一步；

第五步：设（l为柴油发电机经济运行区间的下限），若N台（N≠0）储能SOC位于允许运行区间且则将P_f按照以下原则分配给N台储能，作为储能下一时刻有功参考值：

P₁(t+1):...:P_N(t+1)＝(SOC_1up-SOC₁(t))×S_1额定:...:(SOC_Nup-SOC_N(t))×S_N额定；

否则，按照关停柴油发电机、限制新能源出力顺序操作，直至频率恢复为额定频率，关停的柴油发电机停运时间应大于设置的最小运行时间，其开启次数应小于允许的一日最大启停机次数，若当前运行中的柴油发电机为1台，关停柴油发电机前应判断是否满足柴储模式切换条件，满足则停运唯一的柴油发电机，微网由柴油机主控切换至储能主控，不满足则转入限制新能源出力操作；

上述步骤中，SOC_iup为第i台储能允许运行的SOC区间上限值，SOC_idown为第i台储能允许运行的SOC区间下限值。

调频系统分为两层架构，通过微源间的相互协调控制，达到一次、二次调频的目的，该控制方法的有益效果包含以下几个方面：

(1)调频控制系统分为中央决策层和就地决策层。就地决策层的微源间互不通信；中央决策层与就地决策层之间采用高速通信网络；两层之间的网络通信延时小于10毫秒；调频控制系统整个控制总的响应时间为能够满足暂态稳定190ms~400ms的要求。

(2)就地决策层的所有微源都接受中央决策层的调度，并能上送同步量测数据。

(3)就地决策层采用主从控制模式：柴油发电机作为主控电源，提供系统频率基准，采用无差调节的方式。频率控制的响应速度满足国家技术标准要求。

(4)储能运行于恒P-Q模式，长期稳态运行时有功参考值P由能量管理系统给定，参与调频时由调频控制系统的中央决策层给定，中央决策层下达的给定值具有优先权。

(5)光伏发电系统正常运行于MPPT模式，二次调频需要时允许对其功率进行调节；风力发电系统功率不可调节，二次调频需要时允许投切操作。

(6)储能应具备低电压穿越能力，避免在系统故障过程中因低电压保护动作而脱网。

(7)为避免柴油发电机频繁启停，应设置最小运行时间t_fo和最小停运时间t_fs。

(8)在满足模式切换条件时，允许柴油发电机和储能在非故障情况下进行主控模式切换。

(9)中央决策层同时具备辅助一次调频和二次调频功能。辅助一次调频设置调频死区，由中央决策层根据检测到的频率值计算出各储能的有功功率参考值，并下达至相应储能的PCS；二次调频由中央决策层根据有功功率不平衡情况给出不同微源的控制指令。

附图说明

图1：典型风光柴储微电网接线图。

图2：本发明提出的微电网一次调频控制原理框图

图3：本发明提出的微电网二次调频控制流程图

图4-图5：微电网频率分层协调控制实施效果对比

图4：采用常规调频方法（柴油发电机有功功率（kW）、机端电压（V）、系统频率（Hz））

图5：本发明提出的调频方法（柴油发电机有功功率（kW）、机端电压（V）、系统频率（Hz）、储能有功功率（MW））

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明。

图1-5中LIM1是中央决策层一次调频负偏差控制通道限幅器，上限为零，下限为分布式储能可用于调频的充电功率总和；LIM2是中央决策层一次调频正偏差控制通道限幅器，下限为零，上限为分布式储能可用于调频的放电功率总和；LIM3_i为第i台分布式储能可用于调频的放电功率限值；LIM4_i为第i台分布式储能可用于调频的充电功率限值；LIM为柴油发电机调速器的失灵区。

图1是典型的含柴储的孤立型微电网主接线图，图中包括柴油发电机、风力发电、光伏发电、储能以及用电负荷，通常柴油发电机出口电压为380V，通过升压变接入10kV线路，光伏经DC/AC接入10kV线路，风机经AC/DC/AC变流器接入10kV线路，储能系统则采用DC/AC接入电网。本发明专利采用的实施例中，中央决策层的控制器（MCC）与就地决策层的发电以及储能设备协调配合完成系统的一、二次调频。

图2是针对图1所示的微电网实施例提出的一次调频控制框图，是本发明的主要创新点。本图中f_o是电网频率额定值（50Hz），f是电网频率实时采样值，Tf是低通滤波器时间常数，Fband是频率调节死区（实施例中取0.5Hz），K_P、K_I是PI控制器参数，LIM1、LIM2分别是负、正偏差控制通道限幅器，P_f是所有储能有功出力变化值，LIM3_i和LIM4_i分别是分布式储能放电、充电功率输出限幅器。采用图2中的紧急调频控制方法，可以达到的效果是，在频率调节死区Fband内，柴油发电机调速系统独立承担频率调节，将扰动后系统频率恢复至额定频率值；在频率调节死区Fband外，中央决策层PI控制器、柴油发电机和分布式储能共同承担频率一次调节，PI控制器根据系统频率与频率死区上下限的偏差计算得到分布式储能P-Q模式中需要调整的有功参考值总和P_f，P_f根据分布式储能调峰备用（P_f<0）或旋转备用（P_f>0）的比例进行分配，将分配的有功变化量和原有功参考值加和得到分布式储能新的有功参考值。储能系统根据新的有功出力参考值，采用PQ控制方法使储能输出有功跟随参考值，从而使储能输出有功与有功参考值趋向一致。储能系统PQ控制方法中采用双环控制，分别是功率环和电流环，功率环控制储能输出P、Q跟随P_ref和Q_ref，电流环则用于提高系统响应时间。

中央决策层辅助一次调频的实施步骤如下：

第一步 检测系统频率，当测量频率值越出辅助一次调频死区时，启动中央决策层一次调频功能。死区设置的原则是与柴油发电机的频率调节特性相配合，并避免储能有功参考值的频繁调节。中央决策层一次调频死区设置的推荐值为49.5Hz-50.5Hz，可以根据柴油发电机和负荷的综合频率特性对死区范围进行调整。

第二步 频率波动Δf通过PI控制器进行调节。将微电网频率采样值与频率额定值（50Hz）做差后经低通滤波器，然后分别送入正偏差控制通道和负偏差控制通道，在正、负偏差控制通道中与频率调节死区做差后送入PI控制器，PI控制器输出进行功率限幅后，最终将正偏差通道和负偏差通道输出加和后作为储能系统有功参考变化值P_f。

第三步 检测储能SOC，设N台储能运行于允许的SOC区间内。将P_f按照下列原则分配至N台储能，作为储能下一时刻有功参考值的变化值ΔP_i(t+1)：

取+；P_f＜0,取-

下一时刻第i台储能参考值P_i(t+1)＝P_i(t)+ΔP_i(t+1)。

第四步 检查储能新的有功参考值P_i(t+1)是否超过储能限值。如果有M台储能功率越限，则将储能有功参考值按照限值设置，设N＝N-M,Pf＝P_f-M台储能有功变化值之和,返回第三步；否则，转到第四步。

第五步 将储能新的有功参考值下达至相应的PCS，储能输出功率跟随新的有功参考值变化。

图3是针对图1所示的微电网实施例提出的二次调频控制流程图，是本发明专利主要创新点。当检测到系统频率稳定于中央决策层设置的一次调频死区上限或下限，启动二次调频控制。实施例中f_upl＝50.5Hz，f_downl＝49.5Hz，t取4秒。SOC_iup取90%，SOC_idown取20%。

二次调频控制的实施步骤如下：

第一步 监测系统频率f，若f≥f_upl或f≤f_downl，跳转第二步。

第二步 计算时间延时T。若T>t，t为二次调频动作延时。跳转第三步；否则，返回第一步。

第三步 若f≥f_upl，跳转第四步；f≤f_downl，跳转第五步。

第四步 设若N台（N≠0）储能SOC位于允许运行区间且则将P_f按照以下原则分配给N台储能，作为储能下一时刻有功参考值：

P₁(t+1):...:P_N(t+1)＝(SOC₁(t)-SOC_1low)×S_1额定:...:(SOC_N(t)-SOC_Nlow)×S_N额定

否则，按照限制新能源出力、开启柴油发电机、负荷控制的顺序操作，直至频率恢复为额定频率。开启的柴油发电机停运时间应大于设置的最小停运时间，其开启次数应小于允许的一日最大启停机次数。频率恢复后，继续检测系统频率，返回第一步。

第五步 设（l为柴油发电机经济运行区间的下限）。若N台（N≠0）储能SOC位于允许运行区间且则将P_f按照以下原则分配给N台储能，作为储能下一时刻有功参考值：

P₁(t+1):...:P_N(t+1)＝(SOC_1up-SOC₁(t))×S_1额定:...:(SOC_Nup-SOC_N(t))×S_N额定

否则，按照关停柴油发电机、限制新能源出力顺序操作，直至频率恢复为额定频率。关停的柴油发电机停运时间应大于设置的最小运行时间，其开启次数应小于允许的一日最大启停机次数。若当前运行中的柴油发电机为1台，关停柴油发电机前应判断是否满足柴储模式切换条件，满足则停运唯一的柴油发电机，微电网由柴油机主控切换至储能主控，不满足则转入限制新能源出力操作。

图4-图5是本发明专利提出的微电网频率分层协调控制效果对比图，图1实施例中，初始状态柴发负载率为30%P_d（P_d为柴发额定功率），突增负荷量为85%P_d。图4为仅仅依赖柴油机机调速系统进行频率调节，储能运行于恒P-Q模式，由于突增的负荷量导致系统旋转备用不足，导致系统频率失稳；图5采取了本发明提出的调频控制方法，在系统发生扰动时，在柴油发电机调速系统进行频率调节的同时，中央决策层辅助一次调频控制同时作用调整分布式储能的有功参考值，扰动发生1.2s左右，系统频率稳定于辅助一次调频死区下限频率49.5Hz，中央决策层二次调频控制模块检测到频率小于或等于49.5Hz的时间累计达到4s时动作，二次调频启动约4.7s后系统频率恢复至额定频率50Hz运行。

Claims (2)

1.一种适用于含柴储孤立微电网的频率分层协调控制方法，其特征是：频率控制系统由中央决策层和就地决策层组成，通过微源间的相互协调控制，实现系统的一次调频和二次调频功能，其特征在于：一次调频由柴油发电机、中央决策层和储能配合完成，当系统功率波动在柴油发电机的备用区间内时，重新稳定后功率波动由柴油发电机承担，系统频率恢复至额定值50Hz；系统功率波动超出柴油发电机旋转备用时，系统功率波动与旋转备用限值之间的功率缺额由中央决策层分配给储能承担，系统频率稳定于中央决策层一次调频死区下限；系统功率波动超出柴油发电机调峰备用时，系统功率波动与调峰备用限值的功率差值由中央决策层分配给储能承担，系统频率稳定于中央决策层一次调频死区上限，中央决策层辅助一次调频方法如下：

第一步：检测系统频率，当测量频率值越出辅助一次调频死区时，启动中央决策层一次调频功能，死区设置的原则是与柴油发电机的频率调节特性相配合，并避免储能有功参考值的频繁调节，中央决策层一次调频死区设置的值为49.5Hz-50.5Hz，根据柴油发电机和负荷的综合频率特性对死区范围进行调整；

第二步：频率波动Δf通过PI控制器进行调节，将微网频率采样值与频率额定值50Hz做差后经低通滤波器，然后分别送入正偏差控制通道和负偏差控制通道，在正、负偏差控制通道中与频率调节死区做差后送入PI控制器，PI控制器输出进行功率限幅后，最终将正偏差通道和负偏差通道输出加和后作为储能系统有功变化值的总和P_f；

第三步：检测储能SOC，设N台储能运行于允许的SOC区间内，将P_f按照下列原则分配至N台储能，作为储能下一时刻有功参考值的变化值ΔP_i(t+1)：

P_f＞0，取+；P_f＜0，

取下一时刻储能有功参考值P_i(t+1)＝P_i(t)+ΔP_i(t+1)；

第四步：检查P_i(t+1)是否超过P_i额定，如果有M台储能功率越限，则将储能有功参考值按照P_i额定设置，设N＝N-M,P_f＝P_f-M台储能有功变化值之和,返回第三步；否则，转到第五步；

第五步将P_i(t+1)下达至相应的PCS，储能输出功率跟随新的下一时刻储能有功参考值变化；

上述步骤中，P_f为储能系统有功变化值的总和，N为运行于SOC允许区间内的储能数，S_i额定为第i台储能PCS的额定视在功率，P_i额定为第i台储能PCS的额定有功功率，S_N额定为第N台储能PCS的额定视在功率，P_N额定为第N台储能PCS的额定有功功率，Q_N额定为第N台储能PCS的额定无功功率，P_i(t+1)为第i台储能在t+1时刻恒P-Q控制模式中的有功参考值，充电功率取负值，放电功率取正值。

2.根据权利要求1所述的一种适用于含柴储孤立微电网的频率分层协调控制方法，其特征在于：二次调频由中央决策层与就地决策层配合完成，设置一定的延时，避开一次调频的动作时间区间，为使系统频率恢复至额定频率并使柴油发电机留有一定的旋转备用或调峰备用，当系统频率小于辅助一次调频死区下限且持续时间超过设定的启动延时，频率按照重新分配分布式储能的功率、增加新能源出力、柴油发电机启机的顺序进行二次调整；当系统频率大于辅助一次调频死区上限且持续时间超过设定的启动延时，频率按照重新分配分布式储能的功率、柴油发电机停机、限制新能源出力的顺序进行二次调整，中央决策层二次调频方法如下：

第一步：监测系统频率f，若f≥f_up或f≤f_down，跳转第二步；

第二步：计算时间延时T，若T>t，t为二次调频动作延时，跳转第三步；否则，返回第一步；

第三步：若f≥f_up，跳转第四步；f≤f_down，跳转第五步；

第四步：设若N台储能SOC位于允许运行区间且则将P_f按照以下原则分配给N台储能，作为储能下一时刻有功参考值：

P₁(t+1):...:P_N(t+1)＝(SOC₁(t)-SOC_1low)×S_1额定:...:(SOC_N(t)-SOC_Nlow)×S_N额定；

否则，按照限制新能源出力、开启柴油发电机、负荷控制的顺序操作，直至频率恢复为额定频率，开启的柴油发电机停运时间应大于设置的最小停运时间，其开启次数应小于允许的一日最大启停机次数，频率恢复后，继续检测系统频率，返回第一步；

第五步：设若N台储能SOC位于允许运行区间且则将P_f按照以下原则分配给N台储能，作为储能下一时刻有功参考值：

P₁(t+1):...:P_N(t+1)＝(SOC_1up-SOC₁(t))×S_1额定:...:(SOC_Nup-SOC_N(t))×S_N额定；

否则，按照关停柴油发电机、限制新能源出力顺序操作，直至频率恢复为额定频率，关停的柴油发电机停运时间应大于设置的最小运行时间，其开启次数应小于允许的一日最大启停机次数，若当前运行中的柴油发电机为1台，关停柴油发电机前应判断是否满足柴储模式切换条件，满足则停运唯一的柴油发电机，微网由柴油机主控切换至储能主控，不满足则转入限制新能源出力操作；

上述步骤中，N≠0，f_up为系统允许运行的频率上限，f_down为系统允许运行的频率下限，P_柴发(t)为柴油发电机在t时刻的有功功率，P_柴发额定为柴油发电机的额定功率，l为柴油发电机经济运行区间的下限，SOC_Nup为第N台储能SOC上限值，SOC_Ndown为第N台储能SOC下限值。