CN103001223B - 一种基于储能换流器控制的离网型微电网频率调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于储能换流器控制的离网型微电网频率调节方法，离网型微电网运行过程中，根据系统的负荷以及新能源的出力实时波动情况，控制储能自同步电压源换流器输出特性，实现离网型微电网频率的自动调节，在实现离网型微电网频率控制的同时，进一步提高可再生能源利用率以及微电网供电的可靠性，该方法可以实现以多台储能自同步电压源换流器组网的离网型微电网安全、稳定、经济运行。

Description

一种基于储能换流器控制的离网型微电网频率调节方法

技术领域

本发明属于微电网的运行与控制技术领域，具体涉及一种基于储能换流器控制的离网型微电网频率调节方法。

背景技术

微电网是由分布式电源、储能单元、负荷以及控制保护装置组成的集合，是一个能够自我控制、保护和管理的自治系统。根据微电网与大电网的连接关系，微电网分为联网型微电网和离网型微电网，对于联网型微电网的频率调节，由于存在大电网的电压和频率支撑，微电网系统内各分布式电源、储能单元及负荷可直接并网运行，微电网系统频率直接由大电网决定，且相对较稳定；对于离网型微电网的频率调节，需要微电网内部的组网单元通过灵活控制、协调运行进而实现整个独立型微电网的频率调节。因此，离网型微电网的频率调节是实现微电网灵活、可靠、经济运行的关键技术。

对于离网型微电网，要求系统内部有一个电源为系统提供参考电压和频率信号，充当微电网的参考电源，此电源即为微电网的主网单元。目前，国内外能够实现独立型微电网频率调节技术分以下几种：

（1）以单台储能换流器组网的小型离网型微电网。目前，对于某些功率等级在百千瓦级的小型离网型微电网，以单台大功率的储能换流器作为微电网的主网单元，该储能换流器运行于V-F模式，其他分布式新能源发电单元则运行于P-Q模式。此时离网型微电网的系统运行频率由单台储能换流器直接决定，并且在系统的负荷或新能源出力波动过程中，系统的运行频率始终保持储能换流器外部设定的频率参考值。由于目前单台储能换流器的功率等级有限，因此该类技术只适用于某些小型的离网型微电网，直接制约了微电网的规模。

（2）以同步发电机组网且无储能系统接入的离网型微电网。以常规电源作为主网单元，且系统中无储能单元，该类常规电源采用同步发电机技术实现系统电压和频率调节，此类组网方式对化石燃料资源的依赖程度大，容易造成环境污染，而且独立运行时为保持微电网的稳定运行，风电和光伏等间歇性新能源所占的比例不能太大或必须停运，影响了微电网节能环保的作用。

（3）以同步发电机组网且有储能系统接入的离网型微电网。在某些离网型微电网中，有柴油发电机或燃气轮机等常规电源，同时为实现系统功率的平衡接入储能系统，此时的储能系统只能以P-Q模式运行，运行功率完全取决于上级调度系统，在系统负荷波动或新能源出力突变较大情况下，系统频率无法实现在规定区间内运行，影响了系统供电质量。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于储能换流器控制的离网型微电网频率调节方法，离网型微电网运行过程中，根据系统的负荷以及新能源的出力实时波动情况，控制储能自同步电压源换流器输出特性，实现离网型微电网频率的自动调节，在实现离网型微电网频率控制的同时，进一步提高可再生能源利用率以及微电网供电的可靠性，该方法可以实现以多台储能自同步电压源换流器组网的离网型微电网安全、稳定、经济运行。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

提供一种基于储能换流器控制的离网型微电网频率调节方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：离网型微电网频率进行一次调频；

步骤2：离网型微电网频率进行二次调频；

步骤3：离网型微电网频率进行三次调频。

所述步骤1中，储能换流器实时采集输出的三相电压和电流，根据瞬时功率理论，计算储能换流器输出的瞬时有功功率P，采用Droop控制，计算储能换流器输出电压相量的参考频率f_ref，储能换流器运行于状态A时，出力和工作频率分别为P_A和f_A，由于系统负荷波动，储能换流器运行于状态B时，出力和工作频率分别为P_B和f_B，储能换流器有功功率与频率的线性对应关系如式（1）：

f_ref＝f^*-m(P^*-P)    （1）

式中：

f_ref-储能换流器输出电压相量的参考频率；

f^*-微电网系统额定电压的参考频率；

m-有功/频率Droop控制的下垂系数；

P^*-储能换流器在额定频率f^*下输出的有功功率参考值；

P-储能自同步电压源换流器输出的有功功率；

有功/频率Droop控制的下垂系数m计算公式如下：

$m=\frac{f_{\min }-f^{*}}{P_{\max }-P^{*}}---\left(2\right)$

式中：

f_min—通过一次调频后微电网系统允许的最低运行频率；

P_max—储能换流器可输出的最大有功功率；

在换流器整个功率运行区间内，离网型微电网系统频率运行范围为f_min≤f′≤f_max，f_max为通过一次调频后微电网系统允许的最高运行频率，满足f_min<f_A<f*<f_B<f_max，0<P_B<P_A<P_max。

所述步骤2中，通过离网型微电网二次调频，离网型微电网的系统频率波动范围设定为f₂≤f″≤f₁，f₁为通过二次调频后微电网系统运行的最高运行频率，f₂为通过二次调频后微电网系统运行的最低运行频率。

所述离网型微电网频率二次调频过程分为以下两种情况：

A)频率越上限

设储能换流器二次调频之前，其工作点为C点，有f_ref＝f_C；

此时储能换流器的工作频率为f_C，有f_C>f₁；

启动二次调频，即储能换流器的有功/频率对应关系如下：

f′_ref上＝f^*-m(P^*-ΔP-P)    （3）

f′_ref上-储能换流器工作在C点且经过二次调频后输出电压相量的参考频率；

ΔP-储能自同步电压源换流器二次调频有功调节步长；

储能自同步电压源换流器通过二次调频后，储能自同步电压源换流器工作点为C′，此时f_ref＝f′_C；

此时储能换流器的工作频率为f′_C，有f₂＜f′_C＜f₁，满足系统频率要求；

B)频率越下限

设储能换流器二次调频之前，其工作点为D点，有f_ref＝f_D；

此时储能换流器的工作频率为f_D，有f_D＜f₂；

启动二次调频，即储能换流器的有功/频率对应关系如下：

f′_fef下＝f^*-m(P^*+ΔP-P)    （3）

f′_ref下—储能换流器工作在D点且经过二次调频后输出电压相量的参考频率；

储能自同步电压源换流器通过二次调频后，储能自同步电压源换流器工作点为D′，此时f_ref＝f′_D；

此时储能换流器的工作频率为f′_D，有f₂＜f′_D≤f₁，满足系统频率要求。

所述步骤3的离网型微电网的三次调频中，通过微电网能量管理系统，经过优化约束规则确定各台储能换流器的出力情况，通过能量管理系统设定各台储能换流器的下垂系数的斜率，进而实现在同样系统频率波动下，优化控制各台储能换流器的出力，实现离网型微电网的优化调度。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.可应用于大容量离网型微电网，实现离网型微电网的频率调节，避免目前大容量微电网频率不可控或者通过其他辅助调频电源实现系统频率控制，提高微电网组网的灵活性；

2.可应用于由储能换流器与传统发电机共同组网的离网型微电网，可以实现储能换流器与同步发电机之间的自动协调运行参与系统频率支撑，提高系统运行的稳定性；

3.可用于由多台储能换流器单独组网的离网型微电网，可实现多台储能换流器同时参与系统的频率支撑，同时实现不同储能单元的能量优化管理，实现系统的稳定运行；

4.可应用于由储能系统接入的离网型微电网，通过对储能换流器的三次调频技术，可实现新能源发电的最大化利用及储能系统的最优化运行，有效推广了大容量离网型微电网的应用。

附图说明

图1是离网型微电网发电原理图；

图2是离网型微电网一次调频原理图；

图3是离网型微电网二次调频原理图；

图4是离网型微电网三次调频原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1，提供一种基于储能换流器控制的离网型微电网频率调节方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：离网型微电网频率进行一次调频；

在离网型微电网运行过程中，系统负荷及可再生能源出力时刻处于波动状态，并且在大型离网型微电网中需要储能换流器与传统同步发电机并联运行，因此储能换流器的一次调频功能是实现离网型微电网实时功率平衡、系统稳定运行的关键技术之一。

本技术通过对储能自同步电压源换流器的控制，实现换流器的Droop模式运行，即无论系统负荷与可再生能源出力如何波动，只要满足换流器额定功率，储能自同步电压源换流器根据自身输出瞬时功率调节自身的工作频率，从而实现多台储能自同步电压源换流器之间以及储能自同步电压源换流器与同步发电机之间功率自动协调分配，保障系统的功率平衡及频率稳定。

步骤2：离网型微电网频率进行二次调频；

通过储能自同步电压源换流器的一次调频控制，系统频率与电源出力形成线性对应关系，此时微电网系统频率进行有差模式运行，储能自同步电压源换流器二次调频可以优化系统频率运行区间，是实现微电网频率控制的关键技术之一。

储能自同步电压源换流器一次调频原理是将电源容量与系统频率区间进行了单一的线性对应关系，实现系统频率的自动调节。储能自同步电压源换流器的二次调频技术是将系统电源容量分成不同的区间段，每段功率区间对应的频率区间与系统要求一致，进而增加系统频率调节分辨率，提高离网型微电网频率调节稳定性，同时提高离网型微电网系统供电的电能质量。

步骤3：离网型微电网频率进行三次调频。

储能自同步电压源换流器的一次调频和二次调频实现了系统的实时功率平衡及频率控制，储能自同步电压源换流器的三次调频技术是实现整个离网型微电网资源优化及经济运行的关键技术之一。

在离网型微电网运行过程中，通过储能自同步电压源的一次调频和二次调频控制，实现了储能换流器之间及储能换流器与同步发电机之间的自动功率协调，同时实现了微电网的频率自动控制。离网型微电网能量管理系统监测各储能系统的剩余电量，同时兼顾可再生能源和负荷的功率预测技术，对储能自同步电压源换流器三次调频控制，实现整个离网型微电网的经济调度与优化运行。

总之，为实现微电网功率平衡、频率调节及优化运行，需要解决储能自同步电压源换流器的一次调频、二次调频和三次调频技术。

如图2，储能换流器实时采集输出的三相电压和电流，根据瞬时功率理论，计算储能换流器输出的瞬时有功功率P，采用Droop控制，计算储能换流器输出电压相量的参考频率f_ref，储能换流器运行于状态A时，出力和工作频率分别为P_A和f_A，由于系统负荷波动，储能换流器运行于状态B时，出力和工作频率分别为P_B和f_B，储能换流器有功功率与频率的线性对应关系如式（1）：

f_ref＝f^*-m(P^*-P)    （1）

式中：

f_ref—储能换流器输出电压相量的参考频率；

f^*—微电网系统额定电压的参考频率；

m—有功/频率Droop控制的下垂系数；

P^*—储能换流器在额定频率f^*下输出的有功功率参考值；

P—储能自同步电压源换流器输出的有功功率；

有功/频率Droop控制的下垂系数m计算公式如下：

$m=\frac{f_{\min }-f^{*}}{P_{\max }-P^{*}}---\left(2\right)$

式中：

f_min—通过一次调频后微电网系统允许的最低运行频率；

P_max-储能换流器可输出的最大有功功率；

在换流器整个功率运行区间内，离网型微电网系统频率运行范围为f_min≤f′≤f_max，f_max为通过一次调频后微电网系统允许的最高运行频率，满足f_min<f_A<f^*<f_B<f_max，0<P_B<P_A<P_max。

如图3，通过离网型微电网二次调频，离网型微电网的系统频率波动范围设定为f₂≤f″≤f₁，f₁为通过二次调频后微电网系统运行的最高运行频率，f₂为通过二次调频后微电网系统运行的最低运行频率。

所述离网型微电网频率二次调频过程分为以下两种情况：

A)频率越上限

设储能换流器二次调频之前，其工作点为C点，有f_erf＝f_C；

此时储能换流器的工作频率为f_C，有f_C>f₁；

启动二次调频，即储能换流器的有功/频率对应关系如下：

f′_ref上＝f^*-m(P^*-ΔP-P)    （3）

f′_ref上—储能换流器工作在C点且经过二次调频后输出电压相量的参考频率；

ΔP—储能自同步电压源换流器二次调频有功调节步长；

储能自同步电压源换流器通过二次调频后，储能自同步电压源换流器工作点为C′，此时f_ref＝f′_C；

此时储能换流器的工作频率为f′_C，有f₂＜f′_C＜f₁，满足系统频率要求；

B)频率越下限

设储能换流器二次调频之前，其工作点为D点，有f_ref＝f_D；

此时储能换流器的工作频率为f_D，有f_D＜f₂；

启动二次调频，即储能换流器的有功/频率对应关系如下：

f′_ref下＝f^*-m(P^*+ΔP-P)    （3）

f′_ref下—储能换流器工作在D点且经过二次调频后输出电压相量的参考频率；

储能自同步电压源换流器通过二次调频后，储能自同步电压源换流器工作点为D′，此时f_ref＝f′_D；

此时储能换流器的工作频率为f′_D，有f₂＜f′_D＜f₁，满足系统频率要求。

所述步骤3的离网型微电网的三次调频中，通过微电网能量管理系统，经过优化约束规则确定各台储能换流器的出力情况，通过能量管理系统设定各台储能换流器的下垂系数的斜率，进而实现在同样系统频率波动下，优化控制各台储能换流器的出力，实现离网型微电网的优化调度。

经过储能自同步电压源换流器的一次调频、二次调频控制，可实现微电网系统中电源-负荷实时保持平衡，且系统频率满足规定范围。对于一个离网型微电网，各储能系统的安装位置、安装容量存在差异，因此需要通过微电网能量管理系统时刻监测系统的频率、储能剩余电量、储能分布、负荷分布及分布式新能源的功率预测技术，对储能自同步电压源换流器的三次调频控制，实现离网型微电网系统的经济运行。

储能自同步电压源换流器三次调频控制原理如图4所示，系统中有2台不同容量的储能自同步电压源换流器。

储能自同步电压源换流器进行三次调频之前：

系统的负荷增加，系统频率下降Δf，此时，根据储能自同步电压源换流器一次调频和二次调频的工作原理可知，

1#储能自同步电压源换流器的有功功率增加量为ΔP₁；

2#储能自同步电压源换流器的有功功率增加量为ΔP₂。

储能自同步电压源换流器进行三次调频之后：

储能自同步电压源换流器的三次调频是通过微电网的监控系统下达指令，修改换流器有功与频率的对应系数，具体调节原理如图4可知。

离网型微电网运行过程中，系统的负荷增加，系统频率下降Δf，此时，根据储能自同步电压源换流器一次调频、二次调频和三次调频的工作原理可知，

1#储能自同步电压源换流器的有功功率增加量为ΔP₁；

2#储能自同步电压源换流器的有功功率增加量为ΔP′₂。

由图4可知，ΔP′₂>ΔP₂

即2#储能自同步电压源换流器通过三次调频控制后，在系统同样频率波动下，其出力将发生变化，因此，可以通过微电网监控系统改变自同步电压源换流器的有功与频率对应系数，间接改变换流器的出力特性，通过时间积累可实现微电网系统中不同储能单元的能量调节，实现微电网的经济调度。

总上所述，对于一个以多台储能自同步电压源换流器组网的离网型微电网，依托微电网的能量管理系统，通过对储能自同步电压源的灵活控制，实现离网型微电网的一次调频、二次调频以及三次调频功能，进而实现离网型微电网的安全、稳定、经济运行。

本发明通过储能换流器的Droop控制模式，实现储能换流器运行有功功率与频率的线性对应关系，实现多台储能换流器根据系统负荷波动，自动调节各自换流器的出力，最终实现系统自动稳定运行；

通过微电网的能量管理系统，监测系统的实时运行频率，通过改变储能自同步电压源换流器有功功率与频率的对应关系，实现运行特性平移，进而缩小离网型微电网频率运行区间，提高系统频率质量；

综合考虑系统新能源功率预测、负荷预测、系统储能剩余电量及储能接入点分布情况，通过微电网能量管理系统调节不同储能换流器的有功功率与频率对应关系系数，进而实现离网型微电网的优化运行；

通过储能换流器自身的有功功率与频率的对应线性关系，依托微电网的能量管理系统，借助储能换流器与能量管理系统的有效配合，实现离网型微电网的稳定运行与经济调度。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于储能换流器控制的离网型微电网频率调节方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤： 

步骤1：离网型微电网频率进行一次调频； 

步骤2：离网型微电网频率进行二次调频； 

步骤3：离网型微电网频率进行三次调频； 

所述步骤3的离网型微电网的三次调频中，通过微电网能量管理系统，经过优化约束规则确定各台储能换流器的出力情况，通过能量管理系统设定各台储能换流器的下垂系数的斜率，进而实现在同样系统频率波动下，优化控制各台储能换流器的出力，实现离网型微电网的优化调度。 

2.根据权利要求1所述的基于储能换流器控制的离网型微电网频率调节方法，其特征在于：所述步骤1中，储能换流器实时采集输出的三相电压和电流，根据瞬时功率理论，计算储能换流器输出的瞬时有功功率P，采用Droop控制，计算储能换流器输出电压相量的参考频率f_ref，储能换流器运行于状态A时，出力和工作频率分别为P_A和f_A，由于系统负荷波动，储能换流器运行于状态B时，出力和工作频率分别为P_B和f_B，储能换流器有功功率与频率的线性对应关系如式（1）： 

式中： 

f_ref—储能换流器输出电压相量的参考频率； 

f^*—微电网系统额定电压的参考频率； 

m—有功/频率Droop控制的下垂系数； 

P^*—储能换流器在额定频率f^*下输出的有功功率参考值； 

P—储能自同步电压源换流器输出的有功功率； 

有功/频率Droop控制的下垂系数m计算公式如下： 

式中： 

f_min—通过一次调频后微电网系统允许的最低运行频率； 

P_max—储能换流器可输出的最大有功功率； 

在换流器整个功率运行区间内，离网型微电网系统频率运行范围为f_min≤f^′≤f_max，f_max为通过一次调频后微电网系统允许的最高运行频率，满足f_min<f_A<f^*<f_B<f_max，0<P_B<P_A<P_max。 

3.根据权利要求2所述的基于储能换流器控制的离网型微电网频率调节方法，其特征在于：所述步骤2中，通过离网型微电网二次调频，离网型微电网的系统频率波动范围设定为f₂≤f^′′≤f₁，f₁为通过二次调频后微电网系统运行的最高运行频率，f₂为通过二次调频后微电网系统运行的最低运行频率。 

4.根据权利要求3所述的基于储能换流器控制的离网型微电网频率调节方法，其特征在于：所述离网型微电网频率二次调频过程分为以下两种情况： 

A)频率越上限 

设储能换流器二次调频之前，其工作点为C点，有f_ref=f_C； 

此时储能换流器的工作频率为f_C，有f_C>f₁； 

启动二次调频，即储能换流器的有功/频率对应关系如下： 

f_r ^′ _ef上—储能换流器工作在C点且经过二次调频后输出电压相量的参考频率； 

ΔP—储能自同步电压源换流器二次调频有功调节步长； 

储能自同步电压源换流器通过二次调频后，储能自同步电压源换流器工作点为C^′，此时f_ref=f_C′； 

此时储能换流器的工作频率为f_C′，有f₂<f_C′< f₁，满足系统频率要求； 

B)频率越下限 

设储能换流器二次调频之前，其工作点为D点，有f_ref=f_D； 

此时储能换流器的工作频率为f_D，有f_D＜f₂； 

启动二次调频，即储能换流器的有功/频率对应关系如下： 

f_r ^′ _ef下—储能换流器工作在D点且经过二次调频后输出电压相量的参考频率； 

储能自同步电压源换流器通过二次调频后，储能自同步电压源换流器工作点为D^′，此时f_ref=f_D ^′； 

此时储能换流器的工作频率为f_D ^′，有f₂<f_D ^′<f₁，满足系统频率要求。