CN102842904B - 一种基于功率缺额预测及分配的微电网协同频率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于功率缺额预测及分配的微电网协同频率控制方法，包括步骤：10）当进行并离网模式切换或发生功率缺失故障时，集中控制器采集运行信息，测算频率变化率平均值；20）对总有功功率缺额进行预测算；30）在一次调频中，集中控制器分配增发指令到储能元件中，储能元件提供一次调频支撑；40）在二次调频中，集中控制器分配功率控制参考指令到本地控制器中；50）集中控制器分配功率控制参考指令到分布式电源的本地控制器，电源增发，实现多源协同增发；当微电网中可用功率无法弥补功率缺额时，微电网进行负荷减载，完成多级负荷优化减载。该控制方法实现微电网协同控制，有效提高频率控制能力，提高了微电网的频率稳定性。

Description

一种基于功率缺额预测及分配的微电网协同频率控制方法

技术领域

本发明属于微电网运行控制领域，具体来说，涉及一种基于功率缺额预测及分配的微电网协同频率控制方法。

背景技术

随着地球资源的日渐衰竭以及人们对环境问题的关注，可再生能源的接入越来越受到世界各国的重视。微电网是一种在能量供应系统中增加可再生能源和分布式能源渗透率的新兴能量传输模式，其组成部分包括不同种类的分布式能源(distributed energyresources，DER，包括微型燃气轮机、风力发电机、光伏、燃料电池、储能设备等)、各种电负荷和/或热负荷的用户终端以及相关的监控、保护装置。

微电网内部的电源主要由电力电子器件负责能量的转换，并提供必须的控制；微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并可同时满足用户对电能质量和供电安全等的要求。微电网与大电网之间通过公共连接点进行能量交换，双方互为备用，从而提供了供电的可靠性。由于微电网是规模较小的分散系统，与负荷的距离较近，可以增加本地供电的可靠性、降低网损，大大增加了能源利用效率，是一种符合未来智能电网发展要求的新型供电模式。

频率稳定对于微电网的稳定运行具有重要意义。在与大电网相连的运行模式下，微电网的频率受大电网控制，分布式电源按指定目标发出一定的有功与无功；与大电网断开进入孤岛模式时，微电网的频率需由自身控制。由于此时微电网是独立的小系统，等效转动惯量很小，少量的功率波动将引起显著的频率偏移，且各分布式电源以小规模分散接入，波动性、随机性远较传统大电网的集中接入方式明显。因此，微电网必须要有一套有效的控制系统，使微电网中的各微元（电源和负载）在微电网不同的运行状态下有序运行，各得其所，始终把频率维持在可接受的范围内。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于功率缺额预测及分配的微电网协同频率控制方法，该控制方法能够实现微电网中各种储能、分布式电源及负荷的协同控制，且能有效提高微电网的频率控制能力，使频率快速恢复到额定值，从而提高微电网的频率稳定性。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采取的一种基于功率缺额预测及分配的微电网协同频率控制方法，该控制方法包括下述步骤：

步骤10）当微电网进行并离网模式切换或发生功率缺失故障时，微电网集中控制器对微电网频率变化率进行实时跟踪，并采集本地控制器中的微电网运行信息，微电网运行信息包含微电网的电压、电流、功率、频率变化、等效转动惯量和额定频率，利用式（1）对微电网的频率变化率的平均值ROCOF进行测算，

$\mathrm{ROCOF}=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\mathrm{df}}_k}{{\mathrm{dt}}_k}/k$ 式(1)

式（1）中，t_k为第k段时间，f_k为第k段时间的频率变化，k为实时跟踪的时间段，每个时间段的持续时长相等，k=1,2,…，n；n为大于等于3的整数，ROCOF为k个时间段实时跟踪的频率变化率的平均值；

步骤20）根据步骤10）测算得出的频率变化率的平均值，利用式（2）对微电网的总有功功率缺额进行预测算，

$\mathrm{\ΔP}=\frac{2H}{f_n}\mathrm{ROCOF}$ 式(2)

在式（2）中，H是微电网的等效转动惯量，单位：秒，f_n是微电网的额定频率，单位：赫兹，ΔP是模式切换或发生功率缺失故障时，微电网总有功功率缺额，单位：瓦；

步骤30）在微电网一次调频过程中，微电网集中控制器分配增发指令到动作时间为毫秒级的储能元件中，在毫秒级的时间内，指定增发的储能元件释放储存在其中的能量，为微电网提供一次调频支撑，缓解微电网频率下降速度，提升微电网频率最低值；

步骤40）在微电网二次调频过程中，微电网集中控制器根据步骤20）预测得到的总有功功率缺额ΔP，利用式（3）分配功率控制参考指令到动作时间为秒级的本地控制器中，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔP}}_i^{\mathrm{DG}}=\frac{{\mathrm{\ξ}}_i^C{K}_i^{\mathrm{DG}}\mathrm{\ΔP}}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ξ}}_i^C{K}_i^{\mathrm{DG}}+\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ξ}}_j^C{K}_j^L}\\ {\mathrm{\ΔP}}_j^L=\frac{{\mathrm{\ξ}}_j^C{K}_j^L\mathrm{\ΔP}}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ξ}}_i^C{K}_i^{\mathrm{DG}}+\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ξ}}_j^C{K}_j^L}\end{array}\right.$ 式(3)

其中，i代表第i个分布式电源,i=1,…，m；m是大于等于1的整数，j代表第j个负荷，j=1,…，q；q是大于等于1的整数；

为第i个分布式电源增发的功率，

为第j个负荷的减载量；

是分布式电源的参与因子，令

当η>5％时，

当η≤5％时，其中，η为可用功率百分比，为第i个分布式电源的可用容量，

为第i个分布式电源的总容量；

是负荷的参与因子，其初始值为0，当负荷参与微电网的低频减载时，

根据负荷分级取值为0.5或1；

为分布式电源的容量限定参数,当分布式电源达到容量限制时，值为0，否则

值为1；

为负荷的容量限定参数，当负荷达到容量限制时，

值为0，否则

值为1；

步骤50）微电网集中控制器根据式（3）得到的

分配相应的功率控制参考指令到分布式电源的本地控制器，各分布式电源根据功率参考指令进行增发，实现各分布式电源的多源协同增发；当微电网中分布式电源的可用功率无法弥补功率缺额时，或微电网频率下降至低频减载阀值时，微电网根据式（3）得到的

进行负荷减载，完成多级负荷优化减载，实现微电网中各分布式电源的多源增发与多级负荷优化减载的协同频率控制。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的控制方法能够实现微电网中各种储能、分布式电源及负荷的协同控制，且能有效提高微电网的频率控制能力，使频率快速恢复到额定值，从而提高微电网的频率稳定性。本发明的微电网协同频率控制方法，在微电网一次调频及二次调频过程中测算并分配各分布式单元（包括分布式电源、储能及负荷）的功率参考值，使微电网各个单元协同地进行频率支撑，实现微电网的频率协同控制。在微电网并离网模式切换或功率故障时，集中控制器利用微电网频率变化率和等效转动惯量对微电网的功率缺额进行快速预测，并控制各种储能单元自动增发为微电网一次调频提供支持，缓解微电网在一次调频中频率下降速度，提升微电网频率最低值，防止微电网频率跌至低频减载阀值，从而避免微电网低频减载带来的损失。在二次调频中，集中控制器根据功率缺额协同分配功率参考值指令至分布式电源和负荷的本地控制器中。本地控制器分别实现分布式电源的多源协同增发以及多级负荷的优化减载，并使分布式电源与负荷协同互补提供频率支撑，从而有效实现了微电网中各分布式单元的协同频率控制，提高了孤岛微电网的频率控制能力。

附图说明

图1是本发明中步骤20）至步骤50）的流程图。

图2是本发明中微电网协同频率的控制体系图。

图3是本发明实施例中采用的微电网仿真系统结构图。

图4是本发明实施例中微电网并离网模式切换下协同频率控制效果图。

图5是本发明实施例中孤岛微电网发生功率缺失故障下协同频率控制效果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施案例对本发明进行深入地详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

如图1所示，本发明的一种基于功率缺额预测及分配的微电网协同频率控制方法，包括下述步骤：

步骤10）当微电网进行并离网模式切换或发生功率缺失故障时，微电网集中控制器对微电网频率变化率进行实时跟踪，并采集本地控制器中的微电网运行信息，微电网运行信息包含微电网的电压、电流、功率、频率变化、等效转动惯量和额定频率，利用式（1）对微电网的频率变化率的平均值ROCOF进行测算，

$\mathrm{ROCOF}=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\mathrm{df}}_k}{{\mathrm{dt}}_k}/k$ 式(1)

式（1）中，t_k为第k段时间，f_k为第k段时间的频率变化，k为实时跟踪的时间段，每个时间段的持续时长相等，k=1,2,…，n；n为大于等于3的整数，ROCOF为k个时间段实时跟踪的频率变化率的平均值。df_k/dt_k表示第k段时间的频率变化率。

步骤20）根据步骤10）测算得出的频率变化率的平均值，利用式（2）对微电网的总有功功率缺额进行预测算，

$\mathrm{\ΔP}=\frac{2H}{f_n}\mathrm{ROCOF}$ 式(2)

在式（2）中，H是微电网的等效转动惯量，单位：秒，f_n是微电网的额定频率，单位：赫兹，ΔP是模式切换或发生功率缺失故障时，微电网总有功功率缺额，单位：瓦。

步骤30）在微电网一次调频过程中，微电网集中控制器分配增发指令到动作时间为毫秒级的储能元件中，在毫秒级的时间内，指定增发的储能元件释放储存在其中的能量，为微电网提供一次调频支撑，缓解微电网频率下降速度，提升微电网频率最低值。

微电网的一次调频是一种自发的过程，时间非常短暂。动作时间快慢是分配的依据，分配的指令只是一个增发命令，就是增或不增，指定增发的储能元件会自动增发。

步骤40）在微电网二次调频过程中，微电网集中控制器根据步骤20）预测得到的总有功功率缺额ΔP，利用式（3）分配功率控制参考指令到动作时间为秒级的本地控制器中。

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔP}}_i^{\mathrm{DG}}=\frac{{\mathrm{\ξ}}_i^C{K}_i^{\mathrm{DG}}\mathrm{\ΔP}}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ξ}}_i^C{K}_i^{\mathrm{DG}}+\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ξ}}_j^C{K}_j^L}\\ {\mathrm{\ΔP}}_j^L=\frac{{\mathrm{\ξ}}_j^C{K}_j^L\mathrm{\ΔP}}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ξ}}_i^C{K}_i^{\mathrm{DG}}+\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ξ}}_j^C{K}_j^L}\end{array}\right.$ 式(3)

其中，i代表第i个分布式电源,i=1,…，m；m是大于等于1的整数，j代表第j个负荷，j=1,…，q；q是大于等于1的整数；

为第i个分布式电源增发的功率，

为第j个负荷的减载量；

是分布式电源的参与因子，令

当η>5％时，

当η≤5％时，其中，η为可用功率百分比，

为第i个分布式电源的可用容量，

为第i个分布式电源的总容量；

是负荷的参与因子，其初始值为0，当负荷参与微电网的低频减载时，根据负荷分级取值为0.5或1；

为分布式电源的容量限定参数,当分布式电源达到容量限制时，

值为0，否则

值为1；为负荷的容量限定参数，当负荷达到容量限制时，值为0，否则

值为1。

决定

值大小的因素包含了各分布式电源的可用功率和容量限制。决定

值大小的因素包含了负荷分级、负荷参与因子的设定和负荷分配。负荷分为一级负荷、二级负荷和三级负荷，一级负荷为不可调负荷，不参与微电网的低频减载，需要保证不间断供电，其参与因子始终为零；二级负荷和三级负荷为可调负荷，可参与微电网的低频减载；当负荷为二级负荷时，

初始值为0，在微电网需要低频减载时，

当负荷为三级负荷时，初始值为0，在微电网需要低频减载时，

在本技术领域中，电力负荷根据供电可靠性及中断供电在政治、经济上所造成的损失或影响的程度，可分为一级负荷、二级负荷及三级负荷。

1.一级负荷：

(1)中断供电将造成人身伤亡者。

(2)中断供电将造成重大政治影响者。

(3)中断供电将造成重大经济损失者。

(4)中断供电将造成公共场所秩序严重混乱者。

对于某些特等建筑，如重要的交通枢纽、重要的通信枢纽、国宾馆、国家级及承担重大国事活动的会堂、国家级大型体育中心，以及经常用于重要国际活动的大量人员集中的公共场所等的一级负荷，为特别重要负荷。

中断供电将影响实时处理计算机及计算机网络正常工作或中断供电后将发生爆炸、火灾以及严重中毒的一级负荷亦为特别重要负荷。

2.二级负荷：

(1)中断供电将造成较大政治影响者。

(2)中断供电将造成较大经济损失者。

(3)中断供电将造成公共场所秩序混乱者。

3.三级负荷：不属于一级和二级的电力负荷。

根据不同的负荷分级，对参与因子取不同的值,实现多级负荷优化减载。本发明的控制方法主要依靠三级负荷减载和少量的二级负荷减载来维持微电网频率稳定，保证一级负荷的不间断供电，同时使大部分二级负荷能够持续供电。另外,需要明确的是，

初始值为零,当其参与减载时，

才会大于零。也就是说，只有在需要减载时，才大于零,其他时间，

都是取零的。因为

一直大于零，就代表一直不供电，所以要尽量避免

大于零，尽可能少切负荷，要切也切不重要的三级负荷。

步骤50）微电网集中控制器根据式（3）得到的

分配相应的功率控制参考指令到分布式电源的本地控制器，各分布式电源根据功率参考指令进行增发，实现各分布式电源的多源协同增发；当微电网中分布式电源的可用功率无法弥补功率缺额时，或微电网频率下降至低频减载阀值时，微电网根据式（3）得到的

进行负荷减载，完成多级负荷优化减载，实现微电网中各分布式电源的多源增发与多级负荷优化减载的协同频率控制。

本发明中的微电网协同频率控制体系如图2所示，该协同频率控制体系主要包括两层，一层是微电网集中控制器（MGCC），另一层是本地控制器（MGLC）。集中控制器根据采集微电网的运行信息，并分配控制参考指令到各个本地控制器，本地控制器根据上层的控制参考指令对相应的分布式单元进行控制，并将控制信息反馈到集中控制器。另外，在微电网调频过程中，根据各个分布式电源的动作时间，微电网中的储能元件参与微电网的一次频率调节，而分布式电源和负荷在二次调频中实现协同分配。

下面例举一个实施例。

仿真微电网系统如图3所示，该仿真微电网由微型燃气轮机（简称MT）、双馈风力发电机组（简称DFIG）、光伏系统（简称PV）、超导储能（简称SMES）、电池（简称BES）及负荷（Load）组成。各分布式单元由电力电子元件接入0.38kV低压配电网，其中超导储能接在双馈风力发电机组母线侧，形成风储互补系统。在图3中，MV表示中压，英文全称MediumVoltage；LV表示低压，英文全称Low Voltage。基于电力系统计算机辅助设计/含直流电磁暂态仿真（英文简称：PSCAD/EMTDC）平台搭建仿真微电网模型，在矩阵实验室（英文简称MATLAB）中建立基于功率缺额预测及分配的算法程序，利用Fotran语言编译接口程序将MATLAB中的算法与电力系统计算机辅助设计（英文简称PSCAD）模型联合运行，从而利用联合仿真技术实现本发明的控制方法的仿真验证。分别针对微电网并离网模式切换及孤岛微电网发生功率缺失故障进行了仿真，比较两种情况下本发明的协同频率控制方法与传统的微电网频率控制方法的差异。传统的微电网频率控制方法，是由基本比例积分（英文缩写：PI）控制环节实现的微电网频率控制方法，不包含功率缺额预测及协同分配等控制方法。在微电网传统频率控制方法中，微电网中各分布式单元单独地为微电网提供频率支撑。在微电网中，分布式单元包括电源、负荷和储能元件。

仿真结果如图4和图5所示。在图4和图5中，横坐标表示时间，单位：秒，纵坐标表示频率，单位：赫兹。

如图4所示，仿真时间2秒时，微电网进行并离网模式切换，由并网运行模式切换到孤岛运行模式，此时主网与微电网间联络线上的功率损失，微电网出现功率缺额，频率向下偏移，由图中虚线可知，仅利用传统的微电网频率控制方法，微电网最低频率仍低于低频减载阀值49.5Hz，系统需低频减载才能维持稳定运行，否则微电网低频运行可能导致系统崩溃。而由图4中实线可知，利用本发明的控制方法，各分布式单元协同地进行频率支撑，缓解了系统频率下降，使系统最低频率大于49.5Hz，高于低频减载阀值，系统无需低频减载既能稳定运行。

如图5所示，仿真时间2秒时，离网孤岛微电网发生功率缺失故障，微电网出现功率缺额，频率向下偏移。由图5中虚线可知，仅利用传统的微电网频率控制方法，无法弥补微电网功率缺额，在稳态运行后微电网的频率无法恢复到额定频率。而由图5中实线可以看出，利用本发明的控制方法后，各分布式单元协同地进行频率支撑，深入挖掘了各分布式电源的频率支撑潜能，完全弥补了微电网功率缺额，使稳态运行后微电网的频率恢复到额定频率。

本发明所提出的基于功率缺额预测及分配的协同频率控制方法，在微电网并离网模式切换及孤岛微电网故障时，均能实现微电网中各种储能、分布式电源及负荷的协同控制，有效提高微电网的调频控制能力。

Claims (2)

1.一种基于功率缺额预测及分配的微电网协同频率控制方法，其特征在于，该控制方法包括下述步骤：

步骤10）当微电网进行并离网模式切换或发生功率缺失故障时，微电网集中控制器对微电网频率变化率进行实时跟踪，并采集本地控制器中的微电网运行信息，微电网运行信息包含微电网的电压、电流、功率、频率变化、等效转动惯量和额定频率，利用式（1）对微电网的频率变化率的平均值ROCOF进行测算，

$\mathrm{ROCOF}=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\mathrm{df}}_k}{{\mathrm{dt}}_k}/k$ 式(1)

式（1）中，t_k为第k段时间，f_k为第k段时间的频率变化，k为实时跟踪的时间段，每个时间段的持续时长相等，k=1,2,…，n；n为大于等于3的整数，ROCOF为k个时间段实时跟踪的频率变化率的平均值；

步骤20）根据步骤10）测算得出的频率变化率的平均值，利用式（2）对微电网的总有功功率缺额进行预测算，

$\mathrm{\ΔP}=\frac{2H}{f_n}\mathrm{ROCOF}$ 式(2)

在式（2）中，H是微电网的等效转动惯量，单位：秒，f_n是微电网的额定频率，单位：赫兹，ΔP是模式切换或发生功率缺失故障时，微电网总有功功率缺额，单位：瓦；

步骤30）在微电网一次调频过程中，微电网集中控制器分配增发指令到动作时间为毫秒级的储能元件中，在毫秒级的时间内，指定增发的储能元件释放储存在其中的能量，为微电网提供一次调频支撑，缓解微电网频率下降速度，提升微电网频率最低值；

步骤40）在微电网二次调频过程中，微电网集中控制器根据步骤20）预测得到的总有功功率缺额ΔP，利用式（3）分配功率控制参考指令到动作时间为秒级的本地控制器中，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔP}}_i^{\mathrm{DG}}=\frac{{\mathrm{\ξ}}_i^C{K}_i^{\mathrm{DG}}\mathrm{\ΔP}}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ξ}}_i^C{K}_i^{\mathrm{DG}}+\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ξ}}_j^C{K}_j^L}\\ {\mathrm{\ΔP}}_j^L=\frac{{\mathrm{\ξ}}_j^C{K}_j^L\mathrm{\ΔP}}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ξ}}_i^C{K}_i^{\mathrm{DG}}+\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ξ}}_j^C{K}_j^L}\end{array}\right.$ 式(3)

其中，i代表第i个分布式电源,i=1,…，m；m是大于等于1的整数，j代表第j个负荷，j=1,…，q；q是大于等于1的整数；

为第i个分布式电源增发的功率，

为第j个负荷的减载量；

是分布式电源的参与因子，令

当η>5％时，

当η≤5％时，

其中，η为可用功率百分比，

为第i个分布式电源的可用容量，

为第i个分布式电源的总容量；

是负荷的参与因子，其初始值为0，当负荷参与微电网的低频减载时，

根据负荷分级取值为0.5或1；

为分布式电源的容量限定参数,当分布式电源达到容量限制时，

值为0，否则值为1；

为负荷的容量限定参数，当负荷达到容量限制时，

值为0，否则

值为1；

步骤50）微电网集中控制器根据式（3）得到的

分配相应的功率控制参考指令到分布式电源的本地控制器，各分布式电源根据功率参考指令进行增发，实现各分布式电源的多源协同增发；当微电网中分布式电源的可用功率无法弥补功率缺额时，或微电网频率下降至低频减载阀值时，微电网根据式（3）得到的

进行负荷减载，完成多级负荷优化减载，实现微电网中各分布式电源的多源增发与多级负荷优化减载的协同频率控制。

2.按照权利要求1所述的基于功率缺额预测及分配的微电网协同频率控制方法，其特征在于，所述的负荷分为一级负荷、二级负荷和三级负荷，一级负荷为不可调负荷，不参与微电网的低频减载，需要保证不间断供电，其参与因子始终为零；二级负荷和三级负荷为可调负荷，可参与微电网的低频减载；当负荷为二级负荷时，

初始值为0，在微电网需要低频减载时，

当负荷为三级负荷时，

初始值为0，在微电网需要低频减载时， $K_j^L=1.$

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