CN103647295B - 微电网储能分段式紧急调频控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了微电网储能分段式紧急调频控制方法，属于电力系统微电网控制的技术领域，采用分段式控制方法，在低频越限状态以及高频越限状态下分别采取PID算法实现调节阶段的频率恢复，采用低通滤波算法实现退出阶段储能的平滑退出，PID算法提高了频率越限后的调节恢复速度，低通滤波算法改善了与其他电源调频速度的匹配性能。

Description

微电网储能分段式紧急调频控制方法

技术领域

本发明公开了微电网储能分段式紧急调频控制方法，属于电力系统微电网控制的技术领域。

背景技术

随着新能源与智能电网技术的迅速发展，分布式能源发电正在受到越来越多的关注。微电网作为分布式发电的重要形式之一，是指由分布式电源、储能装置、能量变换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与大电网并网运行，也可以孤网运行（也称离网运行或孤岛运行）。微电网在孤网运行模式时，由于分布式电源的间歇性和波动性，储能系统对微电网的稳定运行至关重要。微电网主接线如图1所示。

微电网孤网运行时，储能有两种运行方式，作为主电源运行于VF模式（VF模式即为运行于平衡节点，电源输出频率和电压可调，有功和无功不可调）和辅助主电源运行于PQ模式（PQ模式即为运行于PQ节点，电源输出频率和电压不可调，有功和无功可调）。当微电网中含有水电、柴发等旋转类微电源时，此类微电源可以作为主电源，而储能宜运行于PQ模式，辅助主电源进行微电网稳定控制，提高微电网孤网运行的稳定性。当微电网中不含有旋转类微电源，只含有电力电子类微电源时，储能则须运行于VF模式。

储能辅助主电源控制实现的功能主要包括：(1)微电网稳态运行时，为消除光伏、风机等间歇类微电源的功率变化，满足微网内负荷需求或实现削峰填谷等微电源协调优化功能。(2)光伏、风机等间歇类微电源受实时天气等因素，功率变化较大，储能则可平滑抑制此类电源的功率波动。(3)在系统频率异常时辅助主电源进行临时紧急调频。微电网储能调频控制目前主要有下垂控制和紧急调频控制两种。

下垂控制主要通过模拟同步发电机调速器的下垂特性曲线实现，与大电网中的一次调频类似，根据有功功率与频率的线性关系控制储能增减有功出力。在系统频率下降时增加储能的有功出力；在系统频率上升减小储能的有功出力。下垂控制方程为：P＝P_ref+KΔf，其中，f_L为系统频率偏差；f_H为下垂系数；P_ref为储能参考有功出力。下垂控制算法具有无需与其他微电源通信即可实现自主控制的优点，但在微电网出现大功率扰动时，该控制方法无法有效利用储能功率调节速度快的特点，不能在系统紧急情况下提供有功-频率支撑。

关于储能紧急调频控制的研究和应用较少，目前微电网紧急调频控制主要有三类：

(1)频率越限功率步长调节法，即当系统频率超出设定的紧急调频死区后，以一定的功率步长增加/减小储能出力，或者在检测越限后直接控制储能满发有功或吸有功。此种频率调节方法由于调节步长固定，其控制方式简单，但频率变化快慢与功率调节步长无关联性，导致其调节性能较差。

(2)固定偏置调节法，即当系统频率超出设定的紧急调频死区后，储能首先发出/吸收固定偏置量P_bias，然后随频率偏差而变化，其控制方程为：P＝P_ref+KΔf+P_bias。该种紧急调频控制方法实质与下垂控制方法相同，但同样存在大功率扰动时不能充分发挥储能响应快的优点问题。

(3)基于PID算法的紧急调频控制方法。一种是带有死区的PI控制算法，即设置有频率偏差死区，然后经低通滤波器，再经正负偏差PI控制通道，最后经限幅器代数求和输出储能有功功率调节值。另一种是基于模糊控制理论的PID控制方法，即设置有频率偏差死区，频率偏差经低通滤波器，再经基于模糊算法的PID控制器，最后经限幅器输出储能有功功率调节值。

对于紧急调频的调节过程可以分为两个阶段，第一个阶段自频率越限至频率恢复至死区范围内的频率调节恢复阶段，第二个阶段自恢复越限值至紧急调频控制策略的调节退出阶段。基于PID的紧急调频控制方法在频率调节恢复阶段能充分发挥储能响应快的优点，但是在退出阶段其退出速度较快，而对于储能辅助主电源（通常为旋转类微电源）紧急调频时，旋转类主电源存在着较大的惯性，在储能退出紧急调频，将调节中所投入的有功功率转移至旋转类主电源时须与主电源调节速度匹配，因此相对于调节恢复阶段，退出阶段的调节速度须减慢。基于PID的紧急调频控制方法的频率调节恢复阶段和退出阶段的调节速度基本一致，容易在退出阶段出现与旋转类主电源调节速度不一致现象，可能导致在退出阶段出现多次震荡动作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了微电网储能分段式紧急调频控制方法

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

微电网储能分段式紧急调频控制方法，实现对储能做辅助电源的微电网进行调频，包括如下步骤：

步骤1，设定频率下限、频率上限，确定频率死区范围；

步骤2，采集当前时刻系统频率，

在当前时刻以前的系统频率在设定死区范围内，且当前时刻系统频率小于频率下限时，进入步骤3；

在当前时刻以前的系统频率在设定死区范围内，且当前时刻系统频率大于频率上限时，进入步骤4；

步骤3，进入低频越限状态，记录该状态下每个采用时刻的采样数据，

步骤3-1，存取低频越限状态前储能有功出力值；

步骤3-2，在低频越限状态下系统频率首次小于频率下限时，进入低频越限调节恢复阶段，系统频率逐渐增大，储能有功出力值逐渐增大；

步骤3-3，在系统频率大于频率下限且储能有功出力值大于低频越限状态前储能有功出力值时，进入低频越限退出阶段，储能有功出力值逐渐较小，当储能有功出力值降低至小于或者等于低频越限状态前存储有功出力值时，低频越限退出阶段结束；

步骤4，进入高频越限状态，

步骤4-1，存取高频越限状态前储能有功出力值；

步骤4-2，在高频越限状态下系统频率首次大于频率上限时，进入高频越限调节恢复阶段，系统频率逐渐减小，储能有功出力值逐渐减小；

步骤4-3，在系统频率小于频率上限且储能有功出力值小于高频越限状态前储能有功出力值时，进入高频越限退出阶段，储能有功出力值逐渐增大，当储能有功出力值升高至大于或者等于高频越限状态前存储的有功出力值时，则高频越限退出阶段结束。

作为微电网储能分段式紧急调频控制方法的进一步优化方案，步骤1中所述频率死区范围为对称区间或者不对称区间。

作为微电网储能分段式紧急调频控制方法的进一步优化方案，步骤3-3中所述的低频越限退出阶段、步骤4-3中所述的高频越限退出阶段均采用低通滤波方法，

低频越限退出阶段，频率下限与当前系统频率的差值经过第一低通滤波器得到有功功率增量，再由有功功率增量与储能当前有功出力值代数求和得到储能有功功率给定值；

高频越限退出阶段，频率上限与当前系统频率的差值经过第二低通滤波器得到有功功率增量，再由有功功率增量与储能当前有功出力值代数求和得到储能有功功率给定值。

作为微电网储能分段式紧急调频控制方法的进一步优化方案，所述第一低通滤波器参数根据低频越限退出阶段微电网中电源的工况确定、第二低通滤波器参数根据高频越限退出阶段微电网中电源的工况确定。

作为微电网储能分段式紧急调频控制方法的进一步优化方案，步骤3-2中所述的低频越限调节恢复阶段、步骤4-2中所述的高频越限调节恢复阶段均采用增量式PID方法，以系统基准频率为参考值，参考值与当前系统频率的差值经PID环节得到有功功率增量，再由有功功率增量与储能当前有功出力值代数求和得到储能有功功率给定值。

作为微电网储能分段式紧急调频控制方法的进一步优化方案，所述低频越限调节恢复阶段的PID参数与高频越限恢复阶段的PID参数不同，根据微电网电源实时工况确定。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明利用分段式控制的方法在调节恢复阶段实现了系统频率的快速恢复，在退出阶段实现了储能出力平滑转移至微电网主电源。

附图说明

图1为微电网主接线示意图。

图2为本发明紧急调频的示意图。

图3为调节恢复阶段增量式PID算法控制框图。

图4为低频越限退出阶段控制框图。

图5为高频越限退出阶段控制框图。

图6为低频越限储能分段式紧急调频仿真对比图。

图7为高频越限储能分段式紧急调频仿真对比图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

本发明采用如图2所示的分段紧急调频控制方法，将紧急调频分为两个阶段：调节恢复阶段和退出阶段，调节恢复阶段采用增量式PID算法，退出阶段采用低通滤波算法，具体包括如下步骤：

步骤1，定义储能放电为有功功率正方向，储能充电为有功功率负方向，设定频率下限f_L、频率上限f_H，确定频率死区范围[f_L,f_H]；

步骤2，采集当前时刻系统频率f，

在当前时刻以前的系统频率在设定死区范围[f_L,f_H]内，且f＜f_L时，进入步骤3；

在当前时刻以前的系统频率在设定死区范围[f_L,f_H]内，且f＞f_H时，进入步骤4；

步骤3，进入低频越限状态，标示为DLIM，

步骤3-1，存取低频越限状态前储能有功出力值P_{0_DLIM}；

步骤3-2，在低频越限状态下系统频率首次小于频率下限，即为f＜f_L时，进入低频越限调节恢复阶段：采用增量式PID算法确定储能有功功率给定值，在此过程中，系统频率逐渐增大，储能有功出力值逐渐增大；

步骤3-3，在系统频率大于频率下限且P_now＞P_{0_DLIM}时，则进入低频越限退出阶段，储能有功出力值减小，在P_now≤P_{0_DLIM}时，低频越限退出阶段结束，

低频越限退出阶段如图4所示：频率下限f_L与当前系统频率f_now的差值经过第一低通滤波器得到有功功率增量ΔP，再由有功功率增量ΔP与储能当前有功出力值P_now代数求和得到储能有功功率给定值，低频越限增益K_L、低频越限调频系数R_L根据低频越限退出阶段微电网中电源的工况确定，TL为低频越限时间常数；

步骤4，进入高频越限状态，标示为ULIM，

步骤4-1，存取高频越限状态前储能有功出力值P_{0_ULIM}；

步骤4-2，在高频越限状态下系统频率首次大于频率上限，即f＞f_H时，进入高频越限调节恢复阶段：采用增量式PID算法确定储能有功功率给定值，在此过程中，系统频率逐渐减小，储能有功出力值逐渐减小；

步骤4-3，在系统频率小于频率上限且P_now≥P_{0_ULIM}时，则进入高频越限退出阶段，储能有功出力值增大，在P_now≥P_{0_ULIM}时，高频越限退出阶段结束，

高频越限退出阶段如图5所示：频率上限f_H与当前系统频率f_now的差值经过第二低通滤波器得到有功功率增量ΔP，再由有功功率增量ΔP与储能当前有功出力值P_now代数求和得到储能有功功率给定值，高频越限增益K_H、高频越限调频系数R_H根据高频越限退出阶段微电网中电源的工况确定，TH为高频越限时间常数。

增量式PID算法如图3所示：以系统基准频率f_ref为参考值，系统基准频率f_ref与当前系统频率f_now的差值Δf经过PID环节得到有功功率增量ΔP，储能当前有功出力值P_now与有功功率增量ΔP的代数求和即为储能有功功率给定值，PID参数K_P、K_i、K_d根据微电网电源实时工况确定，在低频越限状态和高频越限状态下的PID调节参数可以设置两套。

图6是频率向下越限的对比图，无紧急调频时频率最低点接近45Hz，且整个调频过程长达近10s。而使用本专利提出的微网分段式紧急调频方法，其频率低于设定的49Hz下限后，储能迅速增加了出力，频率最低点约48Hz，由频率越限到恢复设定范围约用3s，储能的整个紧急调频过程约5s，且在调频退出阶段，频率基本没有因为储能出力的减小出现明显波动，实现了与微电网主电源调频速度的较好匹配。

图7是频率向上越限的对比图，无紧急调频时频率最高点接近55Hz，且整个调频过程长达近7s。而使用本专利提出的微网分段式紧急调频方法，其频率高于设定的51Hz上限后，储能迅速增加了出力，频率最高点约52Hz，由频率越限到恢复设定范围约用3s，储能的整个紧急调频过程约30s，其主要时间用在了调频退出阶段以保证储能减小的功率平稳转移至微电网主电源，且在调频退出阶段，储能退出较为缓慢，相对于图6中的紧急调频退出阶段，频率基本无波动，实现了与微电网主电源调频速度的匹配。

本发明在调节恢复阶段采用PID算法，保证辅助其他电源快速调节频率至设定的死区范围内；退出阶段采用低通滤波算法，保证储能有功功率的变化与其他调频电源速度匹配，使得调节恢复阶段增加或者减小的出力逐渐转移至微电网主电源。相对于串接惯性环节和PID环节实现紧急调频的方法，调节恢复阶段仅采用PID算法提高了频率越限后的调节恢复速度，退出阶段仅采用低通滤波算法改善了与其他电源调频速度的匹配性能。

作为进一步的优化方案，频率死区范围[f_L,f_H]可以为对称区间或者不对称区间，不对称区间的死区范围在低频越限退出或者高频越限退出时，频率差值Δf不相同，满足了特殊情况下频率死区正负偏差不同的需求，提高了参数设置的灵活性。

综上所述，本发明利用分段式控制的方法在调节恢复阶段实现了系统频率的快速恢复，在退出阶段实现了储能出力平滑转移至微电网主电源。

Claims (6)

1.微电网储能分段式紧急调频控制方法，实现对储能做辅助电源的微电网进行调频，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，设定频率下限、频率上限，确定频率死区范围；

步骤2，采集当前时刻系统频率：

在当前时刻以前的系统频率在设定死区范围内，且当前时刻系统频率小于频率下限时，进入步骤3；

在当前时刻以前的系统频率在设定死区范围内，且当前时刻系统频率大于频率上限时，进入步骤4；

步骤3，进入低频越限状态，记录该状态下每个采样时刻的采样数据：

步骤3-1，存取低频越限状态前储能有功出力值；

步骤3-2，在低频越限状态下系统频率首次小于频率下限时，进入低频越限调节恢复阶段，采用增量式PID方法确定储能有功功率给定值，系统频率逐渐增大，储能有功出力值逐渐增大；

步骤3-3，在系统频率大于频率下限且储能有功出力值大于低频越限状态前储能有功出力值时，进入低频越限退出阶段，采用低通滤波方法确定储能有功功率给定值，储能有功出力值逐渐减小，当储能有功出力值降低至小于或者等于低频越限状态前存取的储能有功出力值时，低频越限退出阶段结束；

步骤4，进入高频越限状态，记录该状态下每个采样时刻的采样数据：

步骤4-1，存取高频越限状态前储能有功出力值；

步骤4-2，在高频越限状态下系统频率首次大于频率上限时，进入高频越限调节恢复阶段，采用增量式PID方法确定储能有功功率给定值，系统频率逐渐减小，储能有功出力值逐渐减小；

步骤4-3，在系统频率小于频率上限且储能有功出力值小于高频越限状态前储能有功出力值时，进入高频越限退出阶段，采用低通滤波方法确定储能有功功率给定值，储能有功出力值逐渐增大，当储能有功出力值升高至大于或者等于高频越限状态前存取的储能有功出力值时，则高频越限退出阶段结束。

2.根据权利要求1所述的微电网储能分段式紧急调频控制方法，其特征在于：步骤1中所述频率死区范围为对称区间或者不对称区间。

3.根据权利要求1或2所述的微电网储能分段式紧急调频控制方法，其特征在于：步骤3-3中所述的低频越限退出阶段、步骤4-3中所述的高频越限退出阶段均采用低通滤波方法，

低频越限退出阶段，频率下限与当前系统频率的差值经过第一低通滤波器得到有功功率增量，再由有功功率增量与储能当前有功出力值代数求和得到储能有功功率给定值；

高频越限退出阶段，频率上限与当前系统频率的差值经过第二低通滤波器得到有功功率增量，再由有功功率增量与储能当前有功出力值代数求和得到储能有功功率给定值。

4.根据权利要求3所述的微电网储能分段式紧急调频控制方法，其特征在于：所述第一低通滤波器参数根据低频越限退出阶段微电网中电源的工况确定、第二低通滤波器参数根据高频越限退出阶段微电网中电源的工况确定。

5.根据权利要求1或2或4所述的微电网储能分段式紧急调频控制方法，其特征在于：步骤3-2中所述的低频越限调节恢复阶段、步骤4-2中所述的高频越限调节恢复阶段均采用增量式PID方法，以系统基准频率为参考值，参考值与当前系统频率的差值经PID环节得到有功功率增量，再由有功功率增量与储能当前有功出力值代数求和得到储能有功功率给定值。

6.根据权利要求5所述的微电网储能分段式紧急调频控制方法，其特征在于：所述低频越限调节恢复阶段的PID参数与高频越限调节恢复阶段的PID参数不同，根据微电网电源实时工况确定。