CN103296699B - 一种基于广域信息的计划孤岛供电转换功率平衡的快速控制方法 - Google Patents

一种基于广域信息的计划孤岛供电转换功率平衡的快速控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于广域信息的计划孤岛供电转换功率平衡的快速控制方法，属于电力系统继电保护技术领域。功率差额为计划孤岛内负荷总功率与分布式电源总功率之差，计划孤岛与主网之间在公共耦合点处的交换功率反映计划孤岛内的功率差额。在切换为孤岛运行之前，基于广域信息监测公共耦合点处的功率差额、各分布式电源的出力、各支路的负载以及对应的开关状态，并将监测到的信息传入计划孤岛的主控单元。通过对功率差额和所设阈值的比较，主控单元发出命令断开或合上相应的断路器，使计划孤岛内的分布式电源输出总功率和负载总功率达到最优匹配，满足计划孤岛运行与调节的要求，使得计划孤岛能可靠地转为孤岛运行。

Description

一种基于广域信息的计划孤岛供电转换功率平衡的快速控制 方法
技术领域
本发明涉及一种基于广域信息的计划孤岛供电转换功率平衡的快速控制方法，属于电力系统继电保护技术领域。
背景技术
计划孤岛（intentional islanding）运行是根据分布式电源（DistributedGenerator，简称DG）的容量和本地负荷的大小，事先确定合理的孤岛区域，在与主网断开后，能够保证小系统的稳定运行。计划孤岛运行是分布式发电系统一种非常好的故障处理方式，它既充分利用分布式发电对提高供电可靠性的积极作用，又通过合理规划和有效控制，避免了分布式发电对电力系统安全稳定的不利影响，可以使电力系统更加高效、可靠地运行。计划孤岛运行作为一种提高供电可靠性的重要方式，得到了人们越来越多的关注。新编制的孤岛运行标准IEEE 1547-2003鼓励供电方和用户尽可能通过技术手段实现孤岛运行，并在经济方面达成共识。计划孤岛运行日渐成为满足负荷增长需求、减少环境污染、提高能源综合利用效率和供电可靠性的一种有效途径。
并网和孤岛双模式运行能力是计划孤岛实现其技术、经济性优势的关键。当计划孤岛根据情况需要独立运行或主网发生故障时，应迅速断开与主网的连接，转入孤岛运行模式；当主网供电恢复正常时，或根据情况需要计划孤岛并网运行时，将处于孤岛运行模式的计划孤岛重新联入公共电网。平滑投切是保证计划孤岛在两种运行模式间平稳过渡的关键技术。在供电转换过程中，需要采用相应的运行控制策略，以保证投切过程的平稳性。
现有的孤岛供电转换采用不同的控制策略，如并网运行采用PQ电流控制、独立运行采用V-f控制，符合计划孤岛运行的需要，但电压控制与电流控制之间切换难度大，有切换失败的风险，采用下垂控制，孤岛和并网两种模式下微电源控制策略不变，符合即插即用的特点，但没有考虑下垂控制对并网运行的适应性以及并网过程的冲击电流抑制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服分布式电源对电网的暂态稳定、电压稳定、频率控制等带来的影响，提出基于广域信息的计划孤岛供电转换功率平衡的快速控制方法，使得计划孤岛内发电与本地负载间的功率平衡，使计划孤岛内的DG输出总功率和负载总功率达到最优匹配，满足计划孤岛运行与调节的要求，使得计划孤岛能可靠地转为孤岛运行。
本发明的技术方案是：一种基于广域信息的计划孤岛供电转换功率平衡的快速控制方法，当计划孤岛时，如图1，基于广域信息监测PCC节点处的功率差额，综合利用功率差额、储能的大小、分布式电源的出力和本地负荷的重要等级和粒度以及对应的开关状态，并将监测到的信息传入主控单元存储起来。计划孤岛功率缺额时，即，根据负荷的重要级别和粒度逐级快速切除可切负荷；为了使最终孤岛运行功率差额更小，可以配合切机，然后再根据切机切负荷的情况投入相应储能进行调整。功率过剩时，即<0，且，根据功率差额快速调节分布式电源的出力，为了使最终孤岛运行功率平衡最优，可以配合切负荷，然后再根据切机切负荷的情况投入相应储能进行调整。通过以上策略，主控单元先命令断开PCC节点开关，然后快速控制计划孤岛内DG出口处的开关和负荷开关动作，使计划孤岛内的DG输出总功率和负载总功率达到最优匹配，满足计划孤岛运行与调节的要求，使得计划孤岛能可靠地转为孤岛运行。
该基于广域信息的计划孤岛供电转换功率平衡的快速控制方法的具体步骤是：
（1）判别阈值的设定
DG总额定有功功率为：
上式中为第i个DG的额定有功功率，不包含储能；
设定判别阈值：
=
其中c%为可靠系数，其设定应满足计划孤岛孤岛运行时电网对电压和频率的要求。
（2）正常并网运行时，主控单元——PCC节点处的FTU1（馈线自动化终端，FeederTerminal Unit简称FTU）在监测功率缺额的同时，并与其直接相连的FTU通信，获取各DG的出力和各支线负载以及对应的开关状态，并将其信息存储起来。当检测到计划孤岛内某个开关动作时，或监测到的值与上次存储值相比变化达到5%时，主控单元FTU1重新扫描一次，并把扫描到的信息存储起来，以替换上次存储的信息。
（3）根据步骤（2）中所监测到的的值和设定好的阈值进行比较，判断计划孤岛内的功率差额情况：
若时，功率差额在设定的判别阈值内，计划孤岛内的DG输出总功率和负载总功率已达到切换为孤岛运行条件，不需要调整；
若>0，且时，计划孤岛有功缺额，所需切负荷的范围为。根据本地负荷的重要性对本地负荷进行分级，本发明将其分为3个等级，编号为Load 1、Load 2 、Load 3，第一级负荷Load 1为不能间断供电负荷，第二级Load 2为部分可切负荷，Load 3为完全可切负荷。以PCC节点定值为优化目标，根据负荷的重要级别和可切负荷分支的负荷粒度，形成切负荷的优化整定方案。有功缺额时，依照预定的优化整定方案，切除相应的负荷；为了使最终孤岛运行功率差额更小，可配合切除部分DG，然后再根据切机切负荷的情况投入相应储能进行调整。
若<0，且时，计划孤岛有功过剩，所需切机的功率范围为。根据DG出力稳定性，对本地DG进行分级。本发明将其分为4个等级，编号为DG 1、DG 2、DG 3、DG 4，其中DG 1为出力最稳定分布式电源，DG 2为出力较稳定分布式电源，DG 3为出力不稳定分布式电源， DG 4为储能电源。以PCC节点定值为优化目标，根据DG出力的稳定性，形成切机的优化整定方案。有功过剩时，依照预定的切机优化整定方案，切除相应的分布式电源；为了使最终孤岛运行功率平衡最优，可配合切除部分负荷，然后再根据切机切负荷的情况投入相应储能进行调整。
本发明的原理是：计划孤岛运行是根据分布式电源的容量和本地负荷的大小，事先确定合理的孤岛区域和孤岛运行控制方法。计划孤岛能运行，首先必须保证计划孤岛内的DG输出总功率和负载总功率达到平衡。在切换为孤岛运行之前，基于广域信息监测PCC节点处的功率差额、各DG的出力和各支线负载以及相应的开关状态，并将监测到的信息传入主控单元存储起来。计划孤岛功率缺额时，即，根据负荷的重要级别和粒度逐级快速切除可切负荷；为了使最终孤岛运行功率差额更小，可以配合切机，然后再根据切机切负荷的情况投入相应储能进行微调。功率过剩时，即<0，且，根据功率差额快速调节分布式电源的出力，为了使最终孤岛运行功率平衡最优，可以配合切负荷，然后再根据切机切负荷的情况投入相应储能进行微调。通过以上策略，主控单元先命令断开PCC节点开关，然后快速控制计划孤岛内DG出口处的开关和负荷开关动作，使计划孤岛内的DG输出总功率和负载总功率达到最优匹配，满足计划孤岛运行与调节的要求，使得计划孤岛能可靠地转为孤岛运行。
本发明的有益效果是：
（1）本方法基于广域信息测量PCC节点处的功率差额，只需统计分布式电源，本地负荷和储能以及对应的开关编号和开关状态等信息，再根据策略控制投切，而不需要改变并网和孤岛控制方式。
（2）本方法充分利用广域信息，能获取计划孤岛内的运行情况，可以快速根据预定策略控制DG和负荷的投切，使得计划孤岛能平稳过渡到计划孤岛运行。
附图说明
图1是本发明实施例1和实施例2的结构示意图；
图2是本发明实施例3的结构示意图。
图1中，为功率差额，DG1、DG2、DG3、DG4为分布式电源，其中为储能装置；A、B、C、D、E分别为PCC、DG1、DG2、DG3、DG4出口处的断路器；FTU1、FTU2、FTU3、FTU4、FTU5、FTU6、FTU7、FTU8、FTU9、FTU10为智能控制终端；Load 1、Load 2、Load 3，分别为本地的不能间断供电的负荷，部分可切负荷，完全可切负荷；
图2中，为功率差额，DG11、DG12、DG13、DG14、DG21、DG22、DG31、DG32、DG4为分布式电源，其中为储能装置；A、B1、B2、B3、B4、C1、C2、D1、D2、E分别为PCC、DG11、DG12、DG13、DG14、DG21、DG22、DG31、DG32、DG4出口处的断路器；FTU1、FTU2、FTU3、FTU4、FTU5、FTU6、FTU7、FTU8、FTU9、FTU10、FTU11、FTU12、FTU13、FTU14、FTU15为智能控制终端；、、，分别为本地的不能间断供电的负荷，部分可切负荷，完全可切负荷。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施方式一：系统图如图1所示，各分布式电源及负荷的大小如下表所示。
表格1 分布式电源设计容量 单位：kW
燃气轮机 20
风机 12
太阳能 10
储能 12
表格2 分布式电源实时监测容量 单位：kW
燃气轮机 20
风机 8.1
太阳能 6.5
储能 12
表格3 本地负荷最大容量 单位：kW
10
3+2+4+2.6=11.6
1+1+1+2+2+2+5+6+12=32
表格4本地负荷实时监测容量 单位：kW
10
10
1+1+1+2+2+2+5=14
=42kW
=34.6kW（先不含储能)
=34kW
功率差额=34-34.6=-0.6 kW
阈值=3.46 kW（此处c%=10%）
由上面的计算可知，功率差额在设定的判别阈值内，计划孤岛内的DG输出总功率和负载总功率已达到切换为孤岛运行条件，不需要调整。
实施方式二：系统图如图1所示，各分布式电源及负荷的大小如下表所示。
表格5 分布式电源设计容量 单位：kW
燃气轮机 20
风机 12
太阳能 10
储能 12
表格6 分布式电源实时监测容量 单位：kW
燃气轮机 20
风机 8.1
太阳能 6.5
储能 12
表格7 本地负荷最大容量 单位：kW
10
3+2+4+2.6=11.6
1+1+1+2+2+2+5+6+12=32
表格8本地负荷实时监测容量 单位：kW
10
10
1+1+1+2+2+2+5+12=26
=42kW
=34.6kW（先不含储能)
=46kW
功率差额=11.4kW
阈值=3.46 kW（此处c%=10%）
>0，且，计划孤岛有功缺额，所需切负荷的范围为：，即为，可优先切除第三级负荷中的分支，按照最优组合使得计划孤岛内的DG输出总功率和负载总功率最优匹配，完成切负荷，使得切除负荷后，功率差额值的范围为。
算法：
1、判别>，只需切除第三级负荷里的分支即可把第三级负荷按从小到大排列。
2、找出第三级负荷中最接近于的负荷分支或分支组合（其中n=1，2，3，4，5，6，7，8，9），使，并将其切除。
本实例中切除12kW负荷分支组合，切负荷之后，功率差额=0.6kW<，满足计划孤岛运行的要求。
实施方式三：系统图如图2所示，各分布式电源及负荷的大小如下表所示。
表格9 分布式电源设计容量 单位：kW
表格10 分布式电源实时监测容量 单位：kW
表格11 本地负荷最大容量 单位：kW
8
2+2+2+4=10
1+1+1+2+2+2+5=14
表格12 本地负荷实时监测容量 单位：kW
8
2+2+4=8
1+1+1+2+2+5=12
=58kW
=46kW
=28kW
功率差额=-18kW
阈值=4.6kW
<0，且，计划孤岛有功过剩，需要进行切机，根据分布式电源的出力情况，进行优化调节和形成切机方案，使得功率快速最优匹配。优先切风机和太阳能，
所需切机的功率范围为：，使得切机后，功率差额在范围之内。
本例，切除全部风机和光伏，=1.5kW<，满足计划孤岛运行的要求。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (2)

1.一种基于广域信息的计划孤岛供电转换功率平衡的快速控制方法，其特征在于：功率差额为计划孤岛内负荷总功率与分布式电源总功率之差，计划孤岛与主网之间在公共耦合点处的交换功率ΔP反映计划孤岛内的功率差额；在切换为孤岛运行之前，基于广域信息监测PCC节点处的功率差额ΔP、各DG的出力和各支路负载以及相应的开关状态；主控单元根据监测到的信息使计划孤岛内的分布式电源输出总功率和负载总功率达到最优匹配，满足计划孤岛运行与调节的要求，使得计划孤岛能可靠地转为孤岛运行；
所述方法的具体步骤如下：
(1)设定能可靠转为孤岛运行的功率差额判别阈值ΔPC：
<mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;P</mi> <mi>C</mi> </msub> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </munderover> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <msub> <mi>DG</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mi>c</mi> <mi>%</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
为DG总额定有功功率，上式中为第i个DG的额定有功功率，不包含储能；c％为可靠系数，其设定应满足计划孤岛运行时电网对电压和频率的要求，取c％为10％；
(2)正常并网运行时，主控单元—PCC节点处的FTU1在监测功率缺额ΔP的同时，并与其直接相连的FTU通信，获取各DG的出力和各支线负载以及对应的开关状态，并将其信息存储起来；当检测到计划孤岛内某个开关动作时，或监测到ΔP的值与上次存储值相比变化达到5％时，主控单元FTU1重新扫描一次，并把扫描到的信息存储起来，以替换上次存储的信息；
(3)根据步骤(2)中所监测到的ΔP的值和设定好的阈值ΔPC进行比较，判断计划孤岛内的功率差额情况：
若|ΔP|≤ΔPC，功率差额ΔP在设定的判别阈值内，计划孤岛内的DG输出总功率和负载总功率已达到切换为孤岛运行条件，不需要调整；
若ΔP>0，且ΔP＞ΔPC，计划孤岛有功缺额，所需切负荷的范围为[ΔP-ΔPC,ΔP+ΔPC]，根据本地负荷的重要性对本地负荷进行分级，将其分为3个等级，编号为Load1、Load2、Load3，第一级负荷Load1为不能间断供电负荷，第二级Load2为部分可切负荷，Load3为完全可切负荷；以PCC节点ΔPC定值为优化目标，根据负荷的重要级别和可切负荷分支的负荷粒度，形成切负荷的优化整定方案；有功缺额时，依照预定的优化整定方案，切除相应的负荷；为了使最终孤岛运行功率差额更小，可配合切除部分DG，然后再根据切机切负荷的情况投入相应储能进行调整；
若ΔP<0，且|ΔP|＞ΔPC时，计划孤岛有功过剩，所需切机的功率范围为[|ΔP|-ΔPC,|ΔP|+ΔPC]；根据DG出力稳定性，对本地DG进行分级，将其分为4个等级，编号为DG1、DG2、DG3、DG4，其中DG1为出力最稳定分布式电源，DG2为出力较稳定分布式电源，DG3为出力不稳定分布式电源，DG4为储能电源；以PCC节点ΔPC定值为优化目标，根据DG出力的稳定性，形成切机的优化整定方案；有功过剩时，依照预定的切机优化整定方案，切除相应的分布式电源；为了使最终孤岛运行功率平衡最优，可配合切除部分负荷，然后再根据切机切负荷的情况投入相应储能进行调整。
2.根据权利要求1所述的基于广域信息的计划孤岛供电转换功率平衡的快速控制方法，其特征在于：计划孤岛与主网之间的交换功率ΔP反映计划孤岛的功率差额，根据ΔP与ΔPC的关系，可以预先判断计划孤岛在并网时功率的平衡情况：计划孤岛功率缺额时，即ΔP＞ΔPC，根据负荷的重要级别和粒度逐级快速切除可切负荷；为了使最终孤岛运行功率差额更小，可以配合切机，然后再根据切机切负荷的情况投入相应储能进行调整；功率过剩时，即ΔP<0，且|ΔP|＞ΔPC，根据功率差额ΔP快速调节分布式电源的出力，为了使最终孤岛运行功率平衡最优，可以配合切负荷，然后再根据切机切负荷的情况投入相应储能进行调整；通过以上策略，主控单元先命令断开PCC节点开关，然后快速控制计划孤岛内DG出口处的开关和负荷开关动作，使计划孤岛内的DG输出总功率和负载总功率达到最优匹配，满足计划孤岛运行与调节的要求，使得计划孤岛能可靠地转为孤岛运行。
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