CN103311940A - 一种微电网负荷储能一体化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于镜像下垂与虚拟惯性控制的微电网高精度负荷控制方法，将微电网内可控负荷与储能视为一个整体进行一体化控制，提高负荷控制的精度、拓展可控负荷的用途，减轻微电网对储能功率和容量的依赖，降低储能配备；以“负电源”身份参与微电网稳定运行时分布式电源的对等控制，以“广义储能”身份参与孤岛转并网等故障情况下的微电网紧急控制。从而实现微电网频率稳定，抑制联络线功率波动，从而提高微电网安全稳定运行能力。

Description

一种微电网负荷储能一体化控制方法

技术领域

本发明属于微电网运行控制领域，涉及电力系统中可控负荷应用与微电网技术，特别涉及一种基于镜像下垂与虚拟惯性控制的微电网高精度负荷控制方法。

背景技术

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，其组成包括不同种类的分布式电源、储能系统、负荷的用户终端以及相关的控制、保护装置。其中的可再生能源输出的间歇性、随机性等特点会对微电网造成不利影响，与大型互联电网相比，微电网是一个容量较小的低全局惯量系统，抗扰动能力差，用户对供电质量要求更高，且在网络拓扑、典型机组调控、接口控制方法等方面具有特殊性，因此安全稳定运行对于微电网意义重大。

根据不同供电质量要求，微电网内部负荷可分为敏感负荷、可调节负荷以及可中断负荷，后两种负荷的用电时间灵活，均可视为可控负荷参与系统运行控制。负荷控制凭借其直接提供热备用的运行特性，能迅速抵消分布式电源出力与负荷功率的不匹配造成的有功缺额，有效提高微电网的安全可靠性。

分布式电源可分为可控电源（包括燃料电池、微型燃气轮机、柴油发电机组等）和不可控电源（包括风电机组、光伏发电系统等）；负荷控制配合微电网内部可控电源，可有效维持孤岛运行模式下微电网的频率与电压稳定，抑制并网运行模式下微电网与常规配网联络线间功率的波动，提高系统鲁棒性。

目前关于微电网运行控制的研究重点关注的是如何让储能系统发挥积极作用，负荷控制则延续了大电网中低频减载的常规思路，但储能设备价格昂贵，维护成本较高；且微电网中负荷结构与电源控制方式有独特性这些问题不能忽略，因此相对于单一依赖于储能系统，负荷协调控制是解决微电网安全稳定问题有效的新技术途径。目前关于负荷控制在微电网中稳定运行方面的应用以及它与分布式电源、储能的互动机理研究还比较少，没有广泛的展开。

发明内容

技术问题：本发明提供一种可提高微电网安全稳定运行能力，能够有效、快速、简单的实现微电网频率稳定，抑制联络线功率波动，从而拓展可控负荷应用范畴，提高系统鲁棒性的微电网负荷储能一体化控制方法。

技术方案：本发明的微电网负荷储能一体化控制方法，包括以下步骤：

1）对微电网的频率、负荷、电压及电源输出功率进行实时采样，建立动态数据库，动态数据库确定能控制的负控终端范围，并将可控负荷中的可中断负荷进行离散化，整定为0.01kw-0.1kw左右的可中断负荷台阶；

2）选定微电网中容量为可控负荷容量50%-100%、充放电能够在5-10秒内完成的储能系统，按功率分配最优算法进行储能与可控负荷功率分配，然后根据功率分配的结果对选定的储能管理系统和选定的负控终端进行控制，将储能和可控负荷集成为一个外特性为近似线性可调的理想负荷或电源的“黑盒”；

3）利用孤岛检测装置对微电网运行状态进行检测，如果系统处于稳定运行状态，则进入步骤4），否则进入步骤5）；

4）微电网的负荷与储能的一体化装置进入“负电源”运行模式，即黑盒控制器通过镜像下垂控制方法调节“黑盒”的功率，实现与分布式电源及储能的对等控制；镜像下垂控制方法的具体流程为：

首先，按照下式建立微电网的负荷下垂曲线：

$f=f_n-\frac{P-P_n}{a}$

$V=E_n-\frac{Q-Q_n}{b}$

参数a，b即下垂系数，可以如下表示：

$a=\frac{P_{\max }-P_n}{f_n-f_{\min }}$

$b=\frac{Q_{\max }-Q_n}{E_n-E_{\min }}$

其中，P_max为可控负荷消耗的最大有功功率；P_n为可控负荷在额定频率下的吸收功率；f为负荷处实际频率，f_n为电网的额定频率；f_min为可控负荷消耗最大功率时运行的最小频率；Q_max为可控负荷达到电压下降最大允许值时消耗的无功功率；V为负荷处电压幅值；E_n为可控负荷消耗无功功率为Q_n时的电压幅值；E_min为允许的最小电压幅值；

然后，将负荷下垂曲线和微电网的频率实时采样，以及频率f、时间T和分布式电源运行状态作为黑盒控制器的输入量；黑盒控制器通过设定的镜像下垂曲线与下垂控制的分布式电源协调，输出量为“黑盒”功率参考值，即通过等效增发有功来参与分布式电源的对等控制；

5）微电网的负荷与储能的一体化装置进入“广义储能”运行模式，即根据本地信息计算微电网功率缺额，按照微电网功率缺额来切除动态数据库内能控制的负荷终端，实现等效储能的放电，进行无差调频。

本发明的步骤2）中的按功率最优分配算法进行储能与可控负荷功率分配，作用是将超短期调度或实时控制产生的总功率调度指令按照特定的优化目标和约束条件分配给可中断负荷、可调负荷和储能，具体流程为：

21）根据控制的目标、精度和速度要求，储能与可控负荷的配置，以及不同可中断负荷、可调负荷的电压和频率调节特性，对储能与可控负荷进行建模；

22）根据不同的控制目标输出相应的控制变量：

优先级向量：p={p₁,p₂,….p_n}，表示个控制目标的优先级；

频率特性向量：f_p={f_p1,f_p2,….f_pn}，模拟频率特性直线斜率；

频率特性向量：U_p={U_p1,U_p2,….U_pn}，模拟电压特性直线斜率；

响应速度向量：t={t₁,t₂,….t_n}，每个控制目标的响应速度是一定的；

容量向量：p={p₁,p₂,….p_n}，各控制目标总容量；

约束条件：P_short=p₁*x₁*Δy₁+p₂*x₂*Δy₂+…+p_i*x_i*Δy_i

+p_i+1*x_i+1*y_i+1+…+p_n*x_n*y_n;

X_i=0,1；

-1≤Δy_i≤1；

y_j=±1；

其中，输出控制向量x={x₁,x₂,….x_n}表示是否对相应控制目标进行控制，xi只能是0或者1，0表示不控，1表示控制该控制目标；输出控制向量y={Δy₁,Δy₂,….Δy_i,y₁,y₂,….y_j}，Δy_i∈[-1,1]表示储能和可调负荷控制率，对于储能来说，正值表示需输出功率，负值需吸收功率；对于可调负荷，正值表示切除负荷间接向母线输出功率，负值表示投入负荷吸收母线功率；y_j=±1表示可中断负荷控制控制开关量，1表示断开，间接向母线提供功率，-1表示投入，等价于消耗母线功率；i+j=n。

本发明方法将微电网内可控负荷与储能看做一个整体，一体化控制，互为补偿。以“负电源”身份参与微电网稳定运行时分布式电源的对等控制，以“广义储能”身份参与孤岛转并网等故障情况下的微电网紧急控制。从而实现微电网频率稳定，抑制联络线功率波动，提高微电网安全稳定运行能力。

本发明提出的储能与可控负荷一体化控制其内涵在于充分利用储能与可控负荷的功率特性，提出功率最优分配算法，以储能补偿可控负荷的非线性功率特性，以可控负荷大容量特性解决储能的大容量时的高成本问题。

本发明提出的镜像下垂控制其内涵是将与分布式电源和储能并联成的虚拟电源视为“黑盒”，通过模拟分布式电源和储能的下垂（或倒下垂）曲线进行实时控制。当系统出现功率缺额时，“黑盒”根据与分布式电源、储能预先商议好的下垂斜率切除相应容量的可控负荷，即通过等效增发有功和无功来参与分布式电源和储能的对等控制，同时实现功率分配。同理，当系统出现功率盈余时，“黑盒”也会根据下垂斜率投入相应容量的负荷；

本发明提出的虚拟惯性控制其内涵是在可调度需求响应资源的并网控制逻辑中加入基于定时限幅机制的虚拟惯性环节，对可控分布式电源与负荷的功率调节惯性进行修正，实现同步调节。并通过虚拟惯性环节控制电源出力或负荷调节的先后次序，实现制定的优化方法。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

由于微电网中一般存在间隙性分布式电源且电源和负荷的投退较为频繁，同时由于负荷总量较小，负荷的波动量/总量的比例较常规电网大，采用传统负荷控制方法时系统实际功率缺额很难与预先的整定量相同。本发明提出的负荷协调控制方法具有针对性、准确性与实时性，充分考虑到在系统发生电压或频率下降时对应功率缺额后分布式电源和储能采取的紧急控制，减少由于过控或欠控导致的系统振荡现象。

本发明利用储能及其并网逆变器够快速调节的特点，通过储能的快速充放电弥补负控开关和可调负荷的动作和调节延时，具备优良的动态响应速度；接着，在储能持续削峰或填谷后，通过对可控负荷进行适度过切或欠切，触发储能功能反转，避免储能过放或过充，具备持续的调节能力。

本发明将负荷控制无缝融入分布式电源和储能的对等控制，通过镜像下垂使负荷以热备用身份参与系统调频，有效避免因为电源的下垂控制导致电压、频率长期悬浮在较低值；通过虚拟惯性环节在较小时间尺度上避免因电源爬坡速率不同或者负荷与电源的控制时序不匹配等导致系统振荡现象。使可控负荷能够发挥更主动和更灵活的调节作用，有助于微电网安全稳定运行，降低对储能或后备电源的备用需求，减少投资需求，提高系统综合效益。

附图说明

图1为本发明的负荷储能一体化控制方法流程图。

图2为本发明的储能与可控负荷集成应用示意图。

图3为本发明的黑盒内功率分配算法功能框图。

图4为本发明的分配算法优先级规则流程图。

图5为本发明的镜像下垂曲线图。

图6为本发明的分布式电源与可控负荷协调控制示意图。

图7为本发明的虚拟惯性环节控制框图。

图8（a）为本发明的基于定时限幅的虚拟惯性控制的频率变化示意图。

图8（b）为本发明的基于定时限幅的虚拟惯性控制的负荷功率变化示意图。

图9为本发明的基于定时限幅的虚拟惯性控制案例仿真图。

图10（a）为本发明的镜像下垂控制案例功率仿真图。

图10（b）为本发明的镜像下垂控制案例频率仿真图

图11为本发明的微电网紧急控制案例仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方法来详细说明本发明技术方案。

1）对微电网的频率、负荷、电压及电源输出功率进行实时采样，建立动态数据库，动态数据库确定能控制的负控终端范围，并将可控负荷中的可中断负荷进行离散化，整定为0.01kw-0.1kw左右的可中断负荷台阶。图1为负荷储能一体化控制方法流程图。

2）对储能管理系统（BMS）和负控终端（LC）进行一体化控制，将储能和可控负荷集成为一个外特性为近似线性可调的理想负荷或电源的“黑盒”，继而发挥其优良的双向调节作用，其中储能作为电流源，输出或者吸收功率，用以调节电网连接点的功率，增加微网系统的稳定性。在日前计划、发用电计划、超短期调度和实时控制等不同时间尺度或不同应用中实现不同的控制目标。

基本思路如图2所示：图中包括为可中断负荷，可调负荷，储能为功率或能量型；Sref为总功率调度指令，[S1,S2...Si]为分组投切的可中断负荷功率，Sal为可调负荷功率调节指令，Sds为储能功率调节指令，正值表示功率流入母线、负值表示流出母线。

功率最优分配算法的作用是将超短期调度或实时控制产生的总功率调度指令按照特定的优化目标和约束条件分配给可中断负荷、可调负荷和储能，算法功能框图如图3所示。由于控制的目标、精度和速度要求不同，储能与可控负荷的配置不同，以及不同可中断负荷、可调负荷的电压和频率调节特性不同，需要预先根据不同的参数对储能与可控负荷进行建模，然后根据不同的控制目标输出相应的控制变量，具体设计如下。

用CO表示控制目标，变量设计：

输出控制向量x={x1,x2,….xn},表示是否对相应CO进行控制xi只能是0或者1,0表示不控，1表示控制该CO。

输出控制向量y={Δy1,Δy2,….Δyi,y1,y2,….yj},Δyi∈[-1,1]表示储能和可调负荷控制率，对于储能来说，正值表示需输出功率，负值需吸收功率；对于可调负荷，正值表示切除负荷间接向母线输出功率，负值表示投入负荷吸收母线功率；yj=±1表示可中断负荷控制控制开关量，1表示断开，间接向母线提供功率，-1表示投入，等价于消耗母线功率；i+j=n。

优先级向量：p={p1,p2,….pn}，表示个CO的优先级。

频率特性向量：fp={fp1,fp2,….fpn}，模拟频率特性直线斜率。

频率特性向量：Up={Up1,Up2,….Upn}，模拟电压特性直线斜率。

响应速度向量：t={t1,t2,….tn}，每个控制目标的响应速度是一定的。

容量向量：p={p1,p2,….pn}，各控制目标总容量。

约束条件：Pshort=p1*x1*Δy1+p2*x2*Δy2+···+pi*xi*Δyi

+pi+1*xi+1*yi+1+···+pn*xn*yn;

Xi=0,1;

-1≤Δyi≤1;

yj=±1;

分配规则有优先级规则，响应速度规则，频率响应规则，电压幅值响应规则，不同的规则有不同的分配算法，不同的规则也可以局部范围混合使用。优先级规则流程图如图4所示,以优先级最低的CO为最先控制目标；响应速度规则以响应速度最快的CO最优先控制目标；频率响应规则以对频率影响最大的CO为优先控制目标；电压幅值响应规则以对电压幅值影响最大的CO为控制目标；其控制流程图与优先级规则流程图类似。在局部的CO范围内使用不同的规则，这种混合使用可以使系统达到更多的控制目标。

按照不同的控制目标选择不同的控制规则，既可以满足控制要求，如时间要求，对系统电压质量的调节要求等，又能通过将储能对可中断负荷阶梯状的调节特性的补偿使得整个系统对外呈现功率线性可调。

系统处于孤岛运行状态时，利用储能及其并网逆变器能够精确调节的特点，对可控负荷阶梯状或非线性的功率调节量进行削峰（负荷过切、储能充电）填谷（负荷欠切、储能放电），使“黑盒”具备优良的调节精度；同时，利用储能及其并网逆变器够快速调节的特点，通过储能的快速充放电弥补负控开关和可调负荷的动作和调节延时，使“黑盒”具备优良的动态响应速度；接着，在储能持续削峰或填谷后，通过对可控负荷进行适度过切或欠切，触发储能功能反转，避免储能过放或过充，使“黑盒”具备持续的调节能力。

3）利用孤岛检测装置以及微电网内其他监控装置对微电网运行状态进行检测，如果系统处于稳定运行状态，则以“负电源”身份参与微电网稳定运行时分布式电源的对等控制，否则以“广义储能”身份参与孤岛转并网等故障情况下的微电网紧急控制。

4）镜像下垂控制是基于分布式电源的下垂控制，如图6所示，分布式电源采取p-f下垂控制，通过采集逆变器端口处的有功功率值给出频率的参考值；与此同时，“黑盒”采取镜像下垂算法，即通过采集母线电压的频率给出有功功率的参考值，经过离散化后得到开关动作信号并对可中断负荷进行切除。具体流程如下：初始状态系统处于额定状态，DG运行在N点，输出额定功率P_n和额定频率f_n；可中断负荷运行在N′点，投入微电网的功率为P_n′。如图3所示，当投入负荷ΔP＝P_max-P_n时，投入瞬时，图5中系统运行点有从N到M的下滑趋势，同理，频率开始从f_n开始下降；当频率下降到f_A时，由设定的“黑盒”的镜像下垂曲线可知，图5对应的可中断负荷运行点为A’点（系统的频率一致性），此时可中断负荷投入微电网的功率为P_A′，即将有ΔP₁＝P_n′-P_A的负荷被切除，则此时，系统的功率缺额为ΔP_unb＝P_max-P_A-ΔP₁，由图5可知，系统运行点将从A点向X点移动。

同理可知，在DG与可控负荷一系列的协调过程中，系统最终达到新的平衡点（DG的运行点在O点，可中断负荷运行点在O′点），此时，DG增发功率ΔP_DG＝P_O-P_n，可中断负荷切除功率ΔP_LOAD＝P_n′-P_O′，系统运行频率为f_O。

当系统有n台下垂控制的DG并联时，DG容量分别为Si,下垂系数为mi，ni，可控负荷容量为Sc，虚拟下垂系数mc，nc。下垂系数m、n的选取可以参考以下原则:

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{km}}_c{S}_c=m_1{S}_1=m_2{S}_2=...=m_n{S}_n\\ {\mathrm{kn}}_c{S}_c=n_1{S}_1=n_2{S}_2=...=n_n{S}_n\end{array}\right.$

故可切除的可控负荷为：

${\mathrm{\ΔP}}_2=\frac{m_c}{m_c+{\mathrm{\Σ}}_n{m}_i}\mathrm{\ΔP}$

5）当微电网进入并网转孤岛模式或微电网联络线功率波动超过允许值时，可控负荷进入紧急控制模式，“黑盒”根据本地信息动作，即所利用的信息是从故障发生到最终形成全动态过程及后续稳态过程中保护测量到的本地时间域信息。黑盒以切除负荷等效储能放电，不再与考虑分布式电源的配合。并通过虚拟惯性环节平缓系统频率的变化。

由于微电网内分布式电源种类较多，型号参数差距较大，无法得知所有分布式电源的精确转动惯量常数。故参照同步发电机的转子运动方程，在微电网中建立等效惯性时间常数，描述微电网的整体等效惯性时间常数，如式所示：

$\frac{2H}{f_n}\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dt}}=P_G-P_L=\mathrm{\ΔP}$

其中，H为微电网中等效惯性时间常数，PG为分布式电源发出的有功，PL为负载消耗的有功功率。由式可知，系统功率缺额ΔP与频率变化率df/dt成正比。

与前述公式类似，考虑到系统增加的负荷有功功率ΔP不同，但最后到达稳态的时间基本一致，而且暂态过程中，功率以阶梯状增加，做如下假设：在功率增加的某一步长Δti内增加有功功率Δpi与整个暂态过程Δt内增加的功率值ΔP存在线性关系。

$k_i\frac{{\mathrm{\Δp}}_i}{{\mathrm{\Δt}}_i}=\frac{\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\Δt}}$

式中，由于Δti趋近于0，并假设每Δti内系数ki保持不变，将其记为K，而且Δt在同一系统中一般为某一固定值，由公式可以得出：

${\mathrm{\ΔP}=\mathrm{K\Δt}\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}=H_p\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}|}_{t=t_i}$

其中，Hp=KΔt，Hp为ti时刻微电网等效惯性时间常数，dp/dt为有功功率的微分值。由公式可知，系统功率缺额ΔP与功率变化率dp/dt成正比。

当计算出系统功率缺额ΔP时，设定的可控负荷台阶为pζ，允许切除的可控负荷总功率Pa，可控负荷台阶数为n，选定的储能容量为SE。

此时，切除

(取整)个可控负荷，开关动作K₁至K_m。

储能系统放电功率 $P_{\mathrm{ES}}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&Delta;P}-m\&CenterDot;P_{\mathrm{\&zeta;}},& P_{\mathrm{ES}}<P_E\\ P_E,& P_{\mathrm{ES}}\&GreaterEqual;P_E\end{array}\right.$

在参与微电网紧急控制时，可控负荷根据实测的系统频率变化率与PCC点处功率变化率，估算出系统功率缺额并切除动态负荷数据库内允许的负荷，进行无差调频。

6）根据同步发电机二阶模型基本方程，经过拉普拉斯变换到频域可以得到频率增量Δω关于有功功率增量ΔＰ的闭环传递函数

$\frac{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}{\mathrm{\&Delta;P}}=\frac{\mathrm{\&omega;}-{\mathrm{\&omega;}}_0}{P-P_0}=\frac{1}{T_{J}s+D}=\frac{\mathrm{\&mu;}}{{T_J}^{\&prime;}s+1}$

参见图7，在逆变电源的下垂控制的功率外环中引入虚拟惯性环节

在负荷处加入定时限幅环节。ＴＪ和D分别为模拟发电机转子运动方程的惯性时间常数和阻尼系数，μ为逆变电源的静态调差系数。通过定时限幅环节限制负荷在ΔT时间段内的输出功率上限。经过惯性环节，逆变电源在受到扰动时频率的变化不再是阶跃的，而是按指数曲线变化。经过惯性环节后逆变电源的输出频率和q-v下垂控制得到的输出电压一起组成电压电流控制环的参考电压值，之后经过电压外环电流内环的调节最终形成正弦波调制信号，和三角载波一起形成触发脉冲，对三相逆变器进行控制。此时p-f下垂控制改进为：

$\mathrm{\&omega;}={\mathrm{\&omega;}}_0+k_p(P_0-P_i)\&CenterDot;\frac{\mathrm{\&mu;}}{{T_J}^{\&prime;}s+1}$

当电网频率初始变化时，虚拟惯性功率成为主导部分，此时逆变器主要输出惯性功率P_D。除逆变器接口电源外，微电网中还有部分同步发电机，受调速器的限制，同步发电机调差率的标幺值为0.01～0.06。为了保证微电网中含逆变器接口的电源与同步发电机合理地分配负荷，逆变电源调差率μ应该在该区间内取值。

如图8（a）所示，经过定时限幅环节，负荷有功阶跃呈台阶式，如图8（b）所示，在忽略负荷的调节作用时，惯性时间常数TJ和阻尼系数D决定频率的过渡时间。基于定时限幅的虚拟惯性控制环节给频率和频率相关量为判据的镜像下垂控制和微电网紧急控制以充分的动作时间，易于实现孤岛往并网运行模式的无缝切换，提高关键负荷的电压稳定性。通过调节控制T_J和D的值设定分布式电源出力或负荷调节的先后次序，实现制定的优化方法。

下面结合附图给出具体实施案例，进一步说明本发明的基于镜像下垂与虚拟惯性控制的微电网高精度负荷控制方法是如何实现的。

基于虚拟惯性控与镜像下垂控制的负荷储能一体化方法将微电网内可控负荷与储能看做一个整体，一体化控制，互为补偿。以“负电源”身份参与微电网稳定运行时分布式电源的对等控制，以“广义储能”身份参与孤岛转并网等故障情况下的微电网紧急控制。从而实现微电网频率稳定，抑制联络线功率波动，提高微电网安全稳定运行能力。负荷储能一体化方法包括有如下步骤：

对系统频率、负荷及微电网内电源输出功率进行实时采样，建立动态数据库。根据微电网的负荷情况实时更新数据，主要包括负荷的重要性和电气特性。

选定储能系统，对其储能管理系统（BMS）和选定的负控终端（LC）进行一体化控制，将储能和可控负荷集成为一个外特性为近似线性可调的理想负荷或电源的“黑盒”。

系统稳定运行时，进入“负电源”运行模式，即“黑盒”能按设定的镜像下垂曲线调节功率，“黑盒”内部按功率分配最优算法进行储能的充放电与动态负荷数据库推荐的负荷的投切，实现与分布式电源及储能的对等控制；在并网转孤岛等运行故障时，进入“广义储能”运行模式，即根据本地信息计算系统功率缺额，通过切除动态负荷数据库内允许的负荷等效储能的放电，进行无差调频。

建立微电网仿真模型，微网由两台分布式电源，90kw负荷以及储能系统构成。DG1和DG2接口逆变器采用下垂控制方法，微网电压额定值U_N=0.311kv，允许的最低电压U_min=0.296kv；频率额定值f_N=50Hz，允许的最低频率f_min=49.6Hz；分布式电源输出的额定功率P_N=50kw，Q_N=0kvar，系统允许最大负荷为150kw,可控负荷容量设计为50kw，可控负荷台阶5kw。

首先对虚拟惯性控制进行仿真分析：5s时突增冲击负荷25kw，经过2s后恢复为额定功率；采用下垂控制时，频率迅速降低至49.8HZ；而采用虚拟惯性控制时，频率在整个动态过程中的最低值为49.86HZ；如果增大惯性时间常数，则频率下降至更低值。从仿真结果可以看出，虚拟惯性控制提高了系统频率抵御短时负荷冲击的能力。

对镜像下垂控制进行仿真分析。对系统突加一个20kw的小扰动，如图10所示对比了2种情况下的系统频率及DG有功出力曲线，1.三台分布式电源并联，不使用负荷协调控制；2.两台分布式电源并联，使用基于镜像下垂的负荷协调控制方法；由图10可见，频率经过开始时的下降，随后暂态过程后又迅速上升至新的平衡点，负荷协调控制算法可以根据虚拟下垂曲线迅速切除5kw的负载，储能系统放电2kw，使DG有功出力的增发减少7kw，对比两种情况下的曲线，系统频率最终都稳定在49.85Hz，每台DG有功出力增发6.5kw，这与理论计算相符，故使用负荷协调控制方法能够让可控负荷与储能的集成模块达到负电源的效果。

对微电网紧急控制进行仿真，首先计算在不启用虚拟惯性控制下的微电网等效惯性时间常数H。在建立的微电网中进行其试验，场景如表1所示

表1几种不同功率缺额的试验场景

经计算，等效惯性时间常数H=-0.31427，Hp=0.055383。本案例中，可中断负荷一共10组，每组为5kW，每组负荷均通过开关Ki(i=1-10)与母线相连。表2显示了功率缺额ΔP与开关的对应关系。

表2功率缺额与开关对应关系

如图11所示，在0.5s时刻，系统突增大的扰动，功率缺额37kW，此时频率开始下降；在0.52s时刻，系统采集df/dt与dp/dt值，dp/dt|t=0.52s=0.66525，df/dt|t=0.52s=-2.94434；带入式(4-5)可知:ΔP(dp)=36.84kW,ΔP(df)=37.01kW与准确值相比，误差仅为0.42%与0.02%。当频率下降到f_min（仿真中取49.8Hz）时，仿真中时间在0.54s左右，系统开始切负荷35kW，储能系统放电4kw，频率则经过一段暂态过程恢复到额定值附近，验证了该负荷控制方法的正确性。

本发明利用储能及其并网逆变器够快速调节的特点，通过储能的快速充放电弥补负控开关和可调负荷的动作和调节延时，具备优良的动态响应速度；接着，在储能持续削峰或填谷后，通过对可控负荷进行适度过切或欠切，触发储能功能反转，避免储能过放或过充，具备持续的调节能力。

本发明将负荷控制无缝融入分布式电源和储能的对等控制，通过镜像下垂使负荷以热备用身份参与系统调频，有效避免因为电源的下垂控制导致电压、频率长期悬浮在较低值；通过虚拟惯性环节在较小时间尺度上避免因电源爬坡速率不同或者负荷与电源的控制时序不匹配等导致系统振荡现象。使可控负荷能够发挥更主动和更灵活的调节作用，有助于微电网安全稳定运行，降低对储能或后备电源的备用需求，减少投资需求，提高系统综合效益。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本发明不受上述实施例的限制。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种微电网负荷储能一体化控制方法，其特征在于，该方法适用于下垂控制的微电网，包括以下步骤：

1）对微电网的频率、负荷、电压及电源输出功率进行实时采样，建立动态数据库，所述动态数据库确定能控制的负控终端范围，并将可控负荷中的可中断负荷进行离散化，整定为0.01kw-0.1kw左右的可中断负荷台阶；

2）选定微电网中容量为可控负荷容量50%-100%、充放电能够在5-10秒内完成的储能系统，按功率分配最优算法进行储能与可控负荷功率分配，然后根据功率分配的结果对选定的储能管理系统和选定的负控终端进行控制，将储能和可控负荷集成为一个外特性为近似线性可调的理想负荷或电源的“黑盒”；

3）利用孤岛检测装置对微电网运行状态进行检测，如果系统处于稳定运行状态，则进入步骤4），否则进入步骤5）；

4）微电网的负荷与储能的一体化装置进入“负电源”运行模式，即黑盒控制器通过镜像下垂控制方法调节“黑盒”的功率，实现与分布式电源及储能的对等控制；所述镜像下垂控制方法的具体流程为：

首先，按照下式建立微电网的负荷下垂曲线：

$f=f_n-\frac{P-P_n}{a}$

$V=E_n-\frac{Q-Q_n}{b}$

参数a，b即下垂系数，可以如下表示：

$a=\frac{P_{\max }-P_n}{f_n-f_{\min }}$

$b=\frac{Q_{\max }-Q_n}{E_n-E_{\min }}$

其中，P_max为可控负荷消耗的最大有功功率；P_n为可控负荷在额定频率下的吸收功率；f为负荷处实际频率，f_n为电网的额定频率；f_min为可控负荷消耗最大功率时运行的最小频率；Q_max为可控负荷达到电压下降最大允许值时消耗的无功功率；V为负荷处电压幅值；E_n为可控负荷消耗无功功率为Q_n时的电压幅值；E_min为允许的最小电压幅值；

然后，将所述负荷下垂曲线和微电网的频率实时采样，以及频率f、时间T和分布式电源运行状态作为黑盒控制器的输入量；黑盒控制器通过设定的镜像下垂曲线与下垂控制的分布式电源协调，输出量为“黑盒”功率参考值，即通过等效增发有功来参与分布式电源的对等控制；

5）微电网的负荷与储能的一体化装置进入“广义储能”运行模式，即根据本地信息计算微电网功率缺额，按照所述微电网功率缺额来切除动态数据库内能控制的负荷终端，实现等效储能的放电，进行无差调频。

2.根据权利要求1所述的微电网负荷储能一体化控制方法，其特征在于，所述步骤2）中的按功率最优分配算法进行储能与可控负荷功率分配，作用是将超短期调度或实时控制产生的总功率调度指令按照特定的优化目标和约束条件分配给可中断负荷、可调负荷和储能，具体流程为：

21）根据控制的目标、精度和速度要求，储能与可控负荷的配置，以及不同可中断负荷、可调负荷的电压和频率调节特性，对储能与可控负荷进行建模；

22）根据不同的控制目标输出相应的控制变量：

优先级向量：p={p₁,p₂,….p_n}，表示个控制目标的优先级；

频率特性向量：f_p={f_p1,f_p2,....f_pn}，模拟频率特性直线斜率；

频率特性向量：U_p={U_p1,U_p2,....U_pn}，模拟电压特性直线斜率；

响应速度向量：t={t₁,t₂,....t_n}，每个控制目标的响应速度是一定的；

容量向量：p={p₁,p₂,....p_n}，各控制目标总容量；

约束条件：P_short=p₁*x₁*Δy₁+p₂*x₂*Δy₂+···+p_i*x_i*Δy_i

+p_i+1*x_i+1*y_i+1+···+p_n*x_n*y_n;

X_i=0,1；

-1≤Δy_i≤1;

y_j=±1；

其中，输出控制向量x={x₁,x₂,….x_n}表示是否对相应控制目标进行控制，xi只能是0或者1，0表示不控，1表示控制该控制目标；输出控制向量y={Δy₁,Δy₂,….Δy_i,y₁,y₂,….y_j}，Δy_i∈[-1,1]表示储能和可调负荷控制率，对于储能来说，正值表示需输出功率，负值需吸收功率；对于可调负荷，正值表示切除负荷间接向母线输出功率，负值表示投入负荷吸收母线功率；y_j=±1表示可中断负荷控制控制开关量，1表示断开，间接向母线提供功率，-1表示投入，等价于消耗母线功率；i+j=n。

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