CN103545843B - 微电网离网协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了微电网离网协调控制方法，该控制方法完成对间歇电源、储能单元和负荷的功率、SOC值数据信息的采集，并对储能电池功率、SOC、断路器状态、间歇电源功率信息的判断，并经过储能功率管理和间歇电源功率调整两个中间环节，形成间歇电源和负荷的控制命令，并通过通信线将功率调整值和信号开出值下发至发电单元和负荷，完成对间歇电源和负荷的控制。本发明的控制方法实现了微电网内电源、储能和负荷的综合协调控制，保障微电网能够长期稳定有效的离网运行。

Description

微电网离网协调控制方法

技术领域

本发明涉及微电网离网协调控制方法，属于新能源发电技术领域。

背景技术

全球能源危机与环境问题促进了可再生能源发电的快速发展。在改善能源结构的同时，可再生能源发电也引入了一些技术问题，其中关于电网接入问题的研究形成了分布式发电(DG)研究领域。DG位置灵活分散的特点很好地适应了分散电力需求和资源分布，延缓了输配电网升级换代所需的巨大投资，但DG单机接入成本高，容量小，运行不确定性强，有些受制于自然条件，缺少灵活可控的特点，对大电网是一个不可控源。大电网对DG多采取隔离限制措施，这限制了DG的效能发挥。为了更充分地发挥DG的价值与效益，微电网的概念被提出。微电网本质上是由负荷和DG组成的、连接在中低压配电网或用户负荷附近的独立可控系统，可以并网运行或独立运行。微电网集成DG与负荷的特点使得微电网摆脱了DG运行不确定、控制困难的缺点，但是微电网发展引入了一些新的问题，如微电网的整体控制、微网内的储能、微电网运行的经济性优化等。

微电网的控制是保障微电网达标运行的基础，需做到根据本地信息对事件做出快速独立的响应，以维持微电网的持续稳定运行。微电网控制的主要目标有：有功、无功的独立控制；平滑地与电网并列、分离；自主选择运行策略等。按层次划分，微电网控制可分为两层，即以功能为导向的底层设备自身控制和以目标为导向的上层管理控制。底层控制是微电网控制的基础，功能实现的保障，其主要包括电源、储能和负荷等的自身控制；上层控制则是以微电网经济有效运行为目标，主要包括微电网协调控制、微电网能量管理系统、微电网电能质量控制等。

微电网协调控制系统管理着微电网内部的电源、储能和负荷，以确保微电网能够长期稳定运行。微电网协调控制系统通过通信采集微网内各个设备的数据信息，按照预设的协调控制方法周期性地对采集到的数据信息进行综合分析，得到控制结果，若需要控制出口，则通过通信向相应设备下发控制命令，如此以保证微电网按照既定策略长期稳定地运行。微电网协调控制系统主要包括通信和数据采集系统、协调控制策略算法、可再生能源发电预测、电源控制、储能控制、负荷控制、负荷预测等。

微电网可以并网运行或独立运行，并网运行时，由于有电网支撑，微网的长期稳定运行是有保障的，微网的协调控制侧重于响应电网的需求；离网运行时，微网的电压频率由设备的本地控制维持，但本地控制并不能保证微网能够长时间离网稳定运行，因此微网的协调控制用以保证微网长期可靠运行。

目前微电网离网协调控制方法研究还较少，且与实际工程结合不紧密，在国内微网工程逐渐增多的趋势下，研究一种典型的微电网离网协调控制策略方法极具工程意义。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种可保证微电网离网长期安全稳定运行的微电网离网协调控制方法。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

微电网离网协调控制方法，包括以下几个步骤：

(1)该控制方法首先判断重要负荷支路上的断路器是否已投入，若已投入，则所述控制方法直接获取储能变流器出口功率值；

若未投入，则判断储能电池SOC值是否大于重要负荷投入定值SOC_{cl_im}，若储能电池SOC值不大于重要负荷投入定值SOC_{cl_im}，则所述控制方法直接获取储能变流器出口功率值，若储能电池SOC值已大于重要负荷投入定值SOC_{cl_im}，则所述控制方法控制重要负荷支路上的断路器闭合，接着所述控制方法获取储能变流器出口功率值；

(2)所述控制方法获取储能变流器出口功率实测值P_s，若储能变流器出口功率实测值P_s小于等于0，则进入储能功率管理；

若储能变流器出口功率实测值P_s大于0，表示储能单元输出功率，为放电状态，判断储能电池SOC值是否小于间歇电源最大功率运行定值SOC_{max_pw}，若储能电池SOC值大于等于间歇电源最大功率运行定值SOC_{max_pw}，则进入储能功率管理，若储能电池SOC值小于间歇电源最大功率运行定值SOC_{max_pw}，则判断间歇电源是否已最大功率运行，若是，则进入储能功率管理，若不是，则将间歇电源都设为最大功率运行，并结束该控制方法；

所述储能功率管理可根据储能电池SOC值对储能变流器出口功率实测值P_s进行处理修正得到储能功率输出参考值P_{s_ref}，并进行P_rem＝P_s-P_{s_ref}运算得到剩余功率值P_rem；

若剩余功率值P_rem大于门槛定值P_th，表明微网内电源的发电功率小于负荷功率，且电池SOC值较低，需要对微网内的电源和负荷进行如下控制调整：若间歇电源不为最大功率运行，则都设置为最大功率运行，并结束该控制方法，否则继续判断非重要负荷；若非重要负荷处于投入状态，则切除非重要负荷，并结束该控制方法，否则继续判断电池SOC值；若储能SOC值大于等于重要负荷切除定值SOC_{op_im}，则结束该控制方法，否则，继续判断重要负荷，若重要负荷为投入状态，则切除重要负荷，并结束该控制方法，若重要负荷为切除状态，则直接结束该控制方法；

若剩余功率值P_rem小于负门槛定值-P_th，表明微网内电源的发电功率大于负荷功率且电池SOC值较高，需要对微网内的电源和负荷进行如下调整：若非重要负荷未投入，则投入非重要负荷，并结束该控制方法，否则进入间歇电源功率调整，完毕后结束该控制方法；

若剩余功率值P_rem介于负门槛定值-P_th与门槛定值P_th之间，则直接结束该控制方法。

当储能电池SOC值大于放电约束定值S₁时，P_{s_ref}即为P_s，当储能电池SOC值小于放电约束定值S₁时，P_{s_ref}需约束为放电功率约束值P₁，放电功率约束值P₁等于重要负荷的最大功率值；

当储能电池SOC值小于充电约束小定值S₂时，P_{s_ref}即为-P_s，当储能电池SOC值大于充电约束小定值S₂且小于充电约束大定值S₃时，P_{s_ref}需约束为负的充电功率约束值P₂，充电功率约束值P₂等于非重要负荷的最大功率值的80％；

当储能电池SOC值大于充电约束大定值S₃时，P_{s_ref}需约束为零。

上述放电约束定值S₁的选取根据工程需要考虑储能优先维持重要负荷供电的时间而决定；

所述充电约束小定值S₂的选取以根据工程需要考虑储能在何时可以投入被切除的非重要负荷而决定，且S₂大于S₁；

所述充电约束大定值S₃的选取根据工程需要考虑储能电池过充保护裕度而决定。

上述间歇电源功率调整包括有功可控间歇电源功率调整和有功不可控间歇电源功率调整两个步骤。

上述有功可控间歇电源功率调整的方法如下：

根据剩余功率值P_rem，尝试调节有功可控间歇电源功率设定值使P_rem降为零，间歇电源功率设定值参照下式计算：

$P_{i\_\mathrm{set}}=\left\{\begin{array}{cc}{P}_{i\_\mathrm{ref}}& ,P_{i\_\mathrm{ref}}>0\\ 0& ,P_{i\_\mathrm{ref}}<=0\end{array}\right.$

式中，

$P_{i\_\mathrm{ref}}=P_i-\frac{P_i}{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_j}{P}_{\mathrm{rem}}$

其中，P_{i_set}为第i个有功可控间歇电源的功率设定值；P_{i_ref}为第i个有功可控间歇电源的功率设定参考值；P_i为第i个有功可控间歇电源的功率实测值；n表示有n个有功可控的间歇电源；

每次有功可控间歇电源功率设定值调整后都结束该控制方法，直至有功可控间歇电源功率当前设定值都已为零。

上述有功不可控间歇电源功率调整的方法如下：

先判断储能电池SOC值是否大于所有有功不可控间歇电源都切除定值SOC_{op_all}；

若储能电池SOC值大于所有有功不可控间歇电源都切除定值SOC_{op_all}，则要切除所有的有功不可控间歇电源支路，防止储能电池过充造成电池保护动作导致微网停运，切除后结束该控制方法；

若储能电池SOC值不大于所有有功不可控间歇电源都切除定值SOC_{op_all}，则对所有尚未切除的有功不可控间歇电源的发电功率进行排序，切除发电功率值最小的那条间歇电源支路，切除后结束该控制方法。

本发明的协调控制方法，实现了微电网内电源、储能和负荷的综合协调控制，能够保障微电网能够长期稳定有效的离网运行；本发明针对有功可控和有功不可控两种间歇电源类型，设计了间歇电源功率调节的方法，保证离网运行的微网内不会发生储能过充保护，且可以延缓甚至避免有功不可控间歇电源的切除操作，防止间歇电源投切产生的励磁涌流；本发明的储能功率管理可根据储能电池SOC值对储能变流器出口功率实测值P_s进行处理修正得到储能功率输出参考值P_{s_ref}，为后续协调控制提供决策依据，保证离网运行的微网内电源的适时调节和负荷的适时投切。

附图说明

图1为本发明的系统图；

图2为本发明的方法流程图；

图3为储能功率管理曲线图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1，本发明所面向的典型微电网中含有一个光伏发电单元、一个风力发电单元、一个电池储能单元、一组紧要负荷和一组次要负荷。储能单元采用V/F控制模式，风力发电单元和光伏发电单元均采用PQ控制模式。协调控制系统通过通信与各个发电、储能、测量表及断路器等联系，并按照离网协调控制方法维持着微网的长期稳定运行。

参见图2，离网协调控制方法完成对离网运行微网内的间歇电源、储能和负荷的功率、SOC值等数据信息的判断和综合分析，形成对间歇电源和负荷的控制命令，并通过协调控制系统的通信通道将功率调整值和信号开出值下发至发电单元和负荷单元，以保障微网的长期稳定运行。

离网协调控制具体方法如下：

协调控制系统首先判断重要负荷支路上的断路器是否投入，若已投入，直接进入获取储能变流器出口功率值部分，若未投入，则判断储能电池的SOC值是否大于重要负荷投入定值SOC_{cl_im}，若不大于该值，直接进入获取储能变流器出口功率值部分，若已大于该值，则出口控制重要负荷支路断路器闭合，接着进入获取储能变流器出口功率值部分。协调控制系统根据测量表得到储能变流器出口功率实测值P_s，若P_s小于等于0，进入储能功率管理部分，若P_s大于0，表示储能单元输出功率，为放电状态，判断储能电池的SOC值是否小于间歇电源最大功率运行定值SOC_{max_pw}，若大于等于该值，则进入储能功率管理部分，若小于该值，则判断间歇电源(即风电和光伏)是否已最大功率运行，若是，则进入储能功率管理部分，若不是，则将间歇电源都设为最大功率运行，并结束该周期控制流程。储能功率管理部分根据SOC值对P_s值进行处理修正得到储能功率输出参考值P_{s_ref}，并进行P_rem＝P_s-P_{s_ref}运算得到剩余功率值P_rem。

若P_rem大于门槛定值P_th，表面微网内电源的发电功率小于负荷功率，且电池SOC值较低，因此需要对微网内的电源和负荷进行控制调整。若间歇电源不为最大功率运行，则都设置为最大功率运行，并结束该周期控制流程，否则继续判断非重要负荷。若非重要负荷处于投入状态，则切除非重要负荷，并结束该周期控制流程，否则继续判断电池SOC值。若储能SOC值大于等于重要负荷切除定值SOC_{op_im}，则结束该周期控制流程，否则，继续判断重要负荷，若重要负荷为投入状态，则切除重要负荷，并结束该周期控制流程，若重要负荷为切除状态，则直接结束该周期控制流程。

若P_rem小于-P_th，表明微网内电源的发电功率大于负荷功率，且电池SOC值较高，因此需要对微网内的电源和负荷进行调整。若非重要负荷未投入，则投入非重要负荷，并结束该周期控制流程，否则进入间歇电源功率调整部分，完毕后结束该周期控制流程。

若P_rem介于-P_th与P_th之间，则直接结束该周期控制流程。

其中：

1)储能功率管理

储能功率管理模块的操作为：根据输入储能变流器出口功率实测值P_s，查询图3所示的功率管理曲线，得到储能功率输出参考值P_{s_ref}。

当P_s大于零时，表明为放电。当储能SOC大于放电约束定值S₁时，P_{s_ref}即为P_s，当储能SOC小于S₁时，P_{s_ref}需约束为放电功率约束值P₁(即当P_s比P₁大时，P_{s_ref}为P₁，其它情形仍为P_s)，P₁值等于重要负荷的最大功率值。S₁值的选取根据工程需要考虑储能优先维持重要负荷供电的时间而决定。

当P_s小于零时，表明为充电。当储能SOC小于充电约束小定值S₂时，P_{s_ref}即为-P_s，当储能SOC大于S₂且小于充电约束大定值S₃时，P_{s_ref}需约束为负的充电功率约束值P₂(约束的涵义同前)，P₂值等于非重要负荷的最大功率值的80％，当储能SOC大于充电约束大定值S₃时，P_{s_ref}需约束为零。S₂值的选取以根据工程需要考虑储能在何时可以投入被切除的非重要负荷而决定，其值要大于S₁值。S₃值的选取根据工程需要考虑储能电池过充保护裕度而决定。

2)间歇电源功率调整

间歇电源功率的调整分为两个阶段，即先对有功可控的间歇电源的发电功率进行调整，当有功可控的间歇电源的发电功率都已调整成零时，则再切除有功不可控间歇电源。

有功可控间歇电源发电功率的调节方法为：根据剩余功率值P_rem，尝试调节有功可控间歇电源功率设定值使P_rem降为零，间歇电源功率设定值参照下式计算。

$P_{i\_\mathrm{set}}=\left\{\begin{array}{cc}{P}_{i\_\mathrm{ref}}& ,P_{i\_\mathrm{ref}}>0\\ 0& ,P_{i\_\mathrm{ref}}<=0\end{array}\right.$

式中， $P_{i\_\mathrm{ref}}=P_i-\frac{P_i}{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_j}{P}_{\mathrm{rem}}$

上式中，P_{i_set}为第i个有功可控间歇电源的功率设定值；P_{i_ref}为第i个有功可控间歇电源的功率设定参考值；P_i为第i个有功可控间歇电源的功率实测值；n表示有n个有功可控的间歇电源。

上式是按照单个有功可控间歇电源的当前发电功率在有功可控间歇电源总发电功率中的权重来分配调整值。每次有功可控间歇电源功率设定值调整后都结束该周期控制流程，直至有功可控间歇电源功率当前设定值都已为零。

当有功可控的间歇电源的发电功率都已调整成零时，若P_rem仍然小于-P_th，则还需对有功不可控的间歇电源进行调整，即切除有功不可控间歇电源支路。切除的方法为：先判断储能SOC值是否大于所有有功不可控间歇电源都切除定值SOC_{op_all}，若为大于，则要切除所有的有功不可控间歇电源支路，防止储能电池过充造成电池保护动作导致微网停运，切除后结束该周期控制流程。若不大于，则对所有尚未切除的有功不可控间歇电源发电功率进行排序，切除发电功率值最小的那条电源支路，切除后结束该周期控制流程。

3)几个定值的确定

前述涉及到重要负荷投入定值SOC_{cl_im}，重要负荷切除定值SOC_{op_im}，间歇电源最大功率运行定值SOC_{max_pw}和所有有功不可控间歇电源都切除定值SOC_{op_all}，这四个定值的确定方法如下。

当离网运行的微网内储能电池的SOC越来越低，为避免触及电池过放保护定值，造成微网停运，需提前将重要负荷也切除，并留出一定SOC裕量可以让间歇电源对电池充电，SOC_{op_im}的确定即是根据工程需要留出该SOC裕量，而SOC_{cl_im}的确定是根据工程需要考虑SOC_{cl_im}至SOC_{op_im}之间的SOC值可维持重要负荷供电的时间(考虑间歇电源以平均水平发电)。

当离网运行的微网内储能电池的SOC越来越高，为避免触及电池过充保护定值，造成微网停运，需提前将间歇电源的发电功率限制为零，在开始限制到过充保护定值间需留有裕量，SOC_{op_all}的确定即是根据工程需要留出该SOC裕量，而SOC_{max_pw}的确定是根据工程需要考虑SOC_{max_pw}至SOC_{op_all}之间的SOC值可供有功不可控间歇电源(以平均水平发电)充电的时间。

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。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。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 (6)

1.微电网离网协调控制方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

(1)该控制方法首先判断重要负荷支路上的断路器是否已投入，若已投入，则所述控制方法直接获取储能变流器出口功率值；

若未投入，则判断储能电池SOC值是否大于重要负荷投入定值SOC_{cl_im}，若储能电池SOC值不大于重要负荷投入定值SOC_{cl_im}，则所述控制方法直接获取储能变流器出口功率值，若储能电池SOC值已大于重要负荷投入定值SOC_{cl_im}，则所述控制方法控制重要负荷支路上的断路器闭合，接着所述控制方法获取储能变流器出口功率值；

(2)所述控制方法获取储能变流器出口功率实测值P_s，若储能变流器出口功率实测值P_s小于等于0，则进入储能功率管理；

若储能变流器出口功率实测值P_s大于0，表示储能单元输出功率，为放电状态，判断储能电池SOC值是否小于间歇电源最大功率运行定值SOC_{max_pw}，若储能电池SOC值大于等于间歇电源最大功率运行定值SOC_{max_pw}，则进入储能功率管理，若储能电池SOC值小于间歇电源最大功率运行定值SOC_{max_pw}，则判断间歇电源是否已最大功率运行，若是，则进入储能功率管理，若不是，则将间歇电源都设为最大功率运行，并结束该控制方法；

所述储能功率管理可根据储能电池SOC值对储能变流器出口功率实测值P_s进行处理修正得到储能功率输出参考值P_{s_ref}，并进行P_rem＝P_s-P_{s_ref}运算得到剩余功率值P_rem；

若剩余功率值P_rem大于门槛定值P_th，表明微网内电源的发电功率小于负荷功率，且电池SOC值较低，需要对微网内的电源和负荷进行如下控制调整：若间歇电源不为最大功率运行，则都设置为最大功率运行，并结束该控制方法，否则继续判断非重要负荷；若非重要负荷处于投入状态，则切除非重要负荷，并结束该控制方法，否则继续判断电池SOC值；若储能SOC值大于等于重要负荷切除定值SOC_{op_im}，则结束该控制方法，否则，继续判断重要负荷，若重要负荷为投入状态，则切除重要负荷，并结束该控制方法，若重要负荷为切除状态，则直接结束该控制方法；

若剩余功率值P_rem小于负门槛定值-P_th，表明微网内电源的发电功率大于负荷功率且电池SOC值较高，需要对微网内的电源和负荷进行如下调整：若非重要负荷未投入，则投入非重要负荷，并结束该控制方法，否则进入间歇电源功率调整，完毕后结束该控制方法；

若剩余功率值P_rem介于负门槛定值-P_th与门槛定值P_th之间，则直接结束该控制方法。

2.根据权利要求1所述的微电网离网协调控制方法，其特征在于，步骤(2)中处理修正方法如下：

当储能电池SOC值大于放电约束定值S₁时，P_{s_ref}即为P_s，当储能电池SOC值小于放电约束定值S₁时，P_{s_ref}需约束为放电功率约束值P₁，放电功率约束值P₁等于重要负荷的最大功率值；

当储能电池SOC值小于充电约束小定值S₂时，P_{s_ref}即为-P_s，当储能电池SOC值大于充电约束小定值S₂且小于充电约束大定值S₃时，P_{s_ref}需约束为负的充电功率约束值P₂，充电功率约束值P₂等于非重要负荷的最大功率值的80％；

当储能电池SOC值大于充电约束大定值S₃时，P_{s_ref}需约束为零。

3.根据权利要求2所述的微电网离网协调控制方法，其特征在于，所述放电约束定值S₁的选取根据工程需要考虑储能优先维持重要负荷供电的时间而决定；

所述充电约束小定值S₂的选取以根据工程需要考虑储能在何时可以投入被切除的非重要负荷而决定，且S₂大于S₁；

所述充电约束大定值S₃的选取根据工程需要考虑储能电池过充保护裕度而决定。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的微电网离网协调控制方法，其特征在于，所述间歇电源功率调整包括有功可控间歇电源功率调整和有功不可控间歇电源功率调整两个步骤。

5.根据权利要求4所述的微电网离网协调控制方法，其特征在于，所述有功可控间歇电源功率调整的方法如下：

根据剩余功率值P_rem，尝试调节有功可控间歇电源功率设定值使P_rem降为零，间歇电源功率设定值参照下式计算：

$P_{i\_\mathrm{set}}=\left\{\begin{array}{cc}{P}_{i\_\mathrm{ref}}& ,P_{i\_\mathrm{ref}}>0\\ 0& ,P_{i\_\mathrm{ref}}<=0\end{array}\right.$

式中，

$P_{i\_\mathrm{ref}}=P_i-\frac{P_i}{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_j}{P}_{\mathrm{rem}}$

其中，P_{i_set}为第i个有功可控间歇电源的功率设定值；P_{i_ref}为第i个有功可控间歇电源的功率设定参考值；P_i为第i个有功可控间歇电源的功率实测值；n表示有n个有功可控的间歇电源；

每次有功可控间歇电源功率设定值调整后都结束该控制方法，直至有功可控间歇电源功率当前设定值都已为零。

6.根据权利要求5所述的微电网离网协调控制方法，其特征在于，所述有功不可控间歇电源功率调整的方法如下：

先判断储能电池SOC值是否大于所有有功不可控间歇电源都切除定值SOC_{op_all}；

若储能电池SOC值大于所有有功不可控间歇电源都切除定值SOC_{op_all}，则要切除所有的有功不可控间歇电源支路，防止储能电池过充造成电池保护动作导致微网停运，切除后结束该控制方法；

若储能电池SOC值不大于所有有功不可控间歇电源都切除定值SOC_{op_all}，则对所有尚未切除的有功不可控间歇电源的发电功率进行排序，切除发电功率值最小的那条间歇电源支路，切除后结束该控制方法。