CN104242298A - 一种全分布式结构的孤岛交流微电网的频率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全分布式结构的孤岛交流微电网的频率控制方法。各个分布式发电机均依次通过第一和第二低通滤波器与微电网母线连接，对各个分布式发电机同时通过第一、第二频率控制方式进行控制，分别得到第一、第二控制频率变化量；再由得到的第一控制频率变化量通过第三频率控制方式进行控制，得到第三控制频率变化量；将第一、第二和第三控制频率变化量相加得到最终频率控制量，进而对分布式发电机进行频率控制。本发明可以在孤岛微电网中应用于频率恢复和经济调度且不需要信息交互，极大的降低了系统的复杂性和成本。在本发明中，滤波器在提升微网动态性能和维持系统稳定性方面有着重要作用。

Description

一种全分布式结构的孤岛交流微电网的频率控制方法

技术领域

本发明涉及一种微电网的控制方法，尤其是涉及一种全分布式结构的孤岛交流微电网的频率控制方法。 

背景技术

当前电力系统已成为集中发电、远距离高压输电的大型互联网络系统。随着电网规模的不断扩大，超大规模电力系统的弊端也日益凸现，如运行难度大、难以满足用户越来越高的可靠性及多样化用电需求等。分布式发电是指直接布置在配电网或分布在负荷附近的发电设施，能够经济、高效、可靠地发电。分布式电源位置灵活、分散，能与大电网互为备用，在一定程度上分担了输电网从电厂向用户远距离和大功率输电的功能。 

尽管分布式电源优点突出，但分布式电源相对于大电网来说是一个不可控电源，大电网也往往限制或隔离分布式电源。为了协调大电网与分布式电源的矛盾，又提出了微电网的概念。微电网是一个由负荷与微电源共同组成的系统，它可同时提供电能和热量；微电源由电力电子器件负责能量转换，并提供必需的控制；对大电网表现为单一的受控单元，对用户则表现为可定制的电源。 

目前，三层集中式控制(Three-level Hierarchical Control，简称TLHC)方法在微网控制中被广泛使用，三层控制即一次控制，二次控制和三次控制。通常，在控制模块中有一个微网集中控制器(Microgrid Centralized Control，简称MGCC)和一个集中通信系统，这些会增加系统的复杂性和成本。 

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种全分布式结构的孤岛交流微电网的频率控制方法，可在本地执行一次、二次和三次控制，不需要集中通信系统(MGCC)。 

本发明的技术方案采用如下步骤： 

1)各个分布式发电机均依次通过第一低通滤波器和第二低通滤波器与微电网母线连接，对各个分布式发电机同时通过第一频率控制方式、第二频率控制方式进行控制，分别得到第一控制频率变化量f_pri、第二控制频率变化量f_sec； 

2)再由得到的第一控制频率变化量f_pri通过第三频率控制方式进行控制，得 到第三控制频率变化量f_ter； 

3)将第一控制频率变化量f_pri、第二控制频率变化量f_sec和第三控制频率变化量f_ter相加得到最终频率控制量，进而对分布式发电机进行频率控制。 

所述的步骤1)中的第一频率控制方式采用以下公式2计算得到第一控制频率变化量f_pri： 

$\left\{\begin{array}{c}{f}_{\mathrm{pri}}=f_{\max }-d_i{P}^i\\ d_i=(f_{\max }-f_{\min })/S_i\end{array}---\left(2\right)\right.$

其中，f_max和f_min分别为微电网的频率上、下限，S_i是分布式发电机的视在功率容量，P_i为分布式发电机的功率输出值，功率与频率的比值d_i为(f_max-f_min)/S_i。 

所述的步骤2)中的第二频率控制方式采用以下公式3计算得到第二控制频率变化量f_sec： 

f_sec＝α(50-f_meas,i)/(1+T₂s)   (3) 

其中，α为第二频率控制方式的增益系数，f_i,meas为分布式发电机输出频率的测量值，T₂为第一低通滤波器的时间常数，s为频域变量。 

所述的步骤3)中的第三控制频率变化量f_ter采用以下公式4计算得到第三控制频率变化量f_ter： 

f_ter＝(f_max-d_iS_iβλ_i(P_i)-f_pri)/(1+T₃s)   (4) 

其中，λ_i(P_i)为每个分布式发电机的成本微增率函数，P_i为分布式发电机的功率输出值，β为第三频率控制方式的系数，T₃是第二低通滤波器的时间常数，d_i为(f_max-f_min)/S_i，s为频域变量。 

本发明具有的有益的效果是： 

本发明可以在孤岛微电网中应用于频率恢复和经济调度且不需要信息交互，极大的降低了系统的复杂性和成本。在本发明中，滤波器在提升微网动态性能和维持系统稳定性方面有着重要作用。 

本发明在本地的分布式发电机(Distributed Generator，简称为DG)中可以完成一次、二次和三次控制，可以在不借助集中控制器和通信的情况下，将系统频率调节到允许的范围内，并使得各个分布式发电机按照等成本微增率原理来分担负荷；其中的两个低通滤波器用以对微电网的动态特性进行解耦，并改善系统的性能。 

本发明可在不借助于信息交互的情形下，应用于孤岛微电网的二次调频和经济调度(Economic Dispatch，简称为ED)，也可以拓展到微电网的其他应用方面。 

附图说明

图1为本发明方法的控制方法示意图。 

图2为本发明实施例的微电网模型图。 

图3为本发明实施例的所设三个分布式发电机的成本微增率曲线。 

图4为本发明实施例的三个分布式发电机的非线性下垂曲线和稳态频率特性。 

图5为本发明实施例的微网频率特性曲线。 

图6为本发明实施例的分布式发电机稳定时的成本微增率值的变化曲线 

图7为本发明实施例的分布式发电机不稳定时的成本微增率值的变化曲线 

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。 

如图1所示，本发明方法包括以下步骤： 

1)各个分布式发电机(DG)均依次通过第一低通滤波器和第二低通滤波器与微电网母线连接，对各个分布式发电机同时通过第一频率控制方式、第二频率控制方式进行控制，分别得到第一控制频率变化量f_pri、第二控制频率变化量f_sec； 

2)再由得到的第一控制频率变化量f_pri通过第三频率控制方式进行控制，得到第三控制频率变化量f_ter； 

3)将第一控制频率变化量f_pri、第二控制频率变化量f_sec和第三控制频率变化量f_ter相加得到最终频率控制量，进而对分布式发电机进行频率控制； 

f_i＝f_pri+f_sec+f_ter   (1)。 

步骤1)中的第一频率控制方式采用以下公式2计算得到第一控制频率变化量f_pri： 

$\left\{\begin{array}{c}{f}_{\mathrm{pri}}=f_{\max }-d_i{P}_i\\ d_i=(f_{\max }-f_{\min })/S_i\end{array}---\left(2\right)\right.$

其中，f_max和f_min分别为微电网的频率上、下限，S_i是分布式发电机的视在功率容量，P_i为分布式发电机的功率输出值，功率与频率的比值d_i为(f_max-f_min)/S_i，i为分布式发电机的序数。 

步骤2)中的第二频率控制方式采用以下公式3计算得到第二控制频率变化量f_sec，第二频率控制方式于微网恢复频率，时间常数为T₂的低通滤波器用来减少它与第一频率控制方式之间的相互影响： 

f_sec＝α(50-f_meas,i)/(1+T₂s)   (3) 

其中，α为第二频率控制方式的增益系数，f_i,meas为分布式发电机输出频率的测量值，T₂为第一低通滤波器的时间常数，s为频域变量。 

步骤3)中的第三控制频率变化量f_ter采用以下公式4计算得到第三控制频率变化量f_ter，第三频率控制方式是一种非线性下垂控制，用于实现分布式经济调度。时间常数为T₃的低通滤波器用来避免因为下垂曲线的非线性而造成的系统小信号不稳定： 

f_ter＝(f_max-d_iS_iβλ_i(P_i)-f_pri)/(1+T₃s)   (4) 

其中，λ_i(P_i)为每个分布式发电机的成本微增率函数，P_i为分布式发电机的功率输出值，β为第三频率控制方式的系数，T₃是第二低通滤波器的时间常数，d_i为(f_max-f_min)/S_i，s为频域变量。 

本发明的分布式发电机(DG)存在一个成本微增率(CIV)函数，若不失一般性，它是一个单调递增的凸函数。本发明是为微电网中所有的分布式发电机(DG)而设计的，每个分布式发电机(DG)都是平等的。 

因此，三层集中式控制TLHC功能可以通过一个集成的本地控制方法来实现。如图1所示，本发明主要由三部分组成的：分布式一次控制(DPC)，分布式二次控制(DSC)和分布式三次控制(DTC)。通过解耦处理，微电网系统动态特性与采用传统的下垂控制方法时的是类似的，因此采用本发明控制后的系统具有较好的稳态和动态性能。图1中的Vi为分布式发电机的电压。 

本发明的设计原理如下： 

以在系统稳态频率能恢复到允许的范围内，并且系统具有良好的动态响应为例下面进行说明。 

系统的稳态特性 

当微网运行到稳态时，每个分布式发电机的输出频率f_i均等于其测量值f_meas,i，控制方法在稳态满足 

Δf_i＝f_i-50＝[f_max-50-β(f_max-f_min)λ_i(P_i)]/(1+α)   (5) 

在稳态下，所有分布式发电机的Δf_i和λ_i(P_i)都是相等的，因此，除了那些需要被固定在自己运行范围内的分布式发电机，各个分布式发电机均按照经济调度的等微增率原则分配负荷。另外，通过选择合适的α和β，微电网的频率偏差可以被控制在允许的范围内。例如当f_max和f_min分别为51Hz和49Hz，α＝20和0<β<1/max{λ_i(P_i)}时，则稳态频率偏差的最大值将小于0.05赫兹。 

系统的动态特性： 

该方法下的系统动态有两个特性：：第一个特性是控制方法的三个部分互相解耦，DPC在系统动态性能中占主导地位。此时，系统动态性能与在传统的下垂控制的情况是相似的，如公式6所示 

f_i＝f_max-d_iP_i   (6) 

第二个特性是滤波器减弱了函数λ_i(P_i)的非线性，从而对系统的动态性能产生影响。这两个特性的实现借助于引入的两个时间常数分别为T₂和T₃且满足T₂<T₃的低通滤波器。下面分别从DSC和DTC两个角度说明这两个滤波器是如何实现这两个特性的。 

(i)DSC：在分析DSC对系统动态性能的影响时，DTC的影响可以忽略且f_i＝f_meas,i。因此，它遵循(1)中的控制规律，系统的动态性能可以被描述为 

f_i＝[f_max(1+T₂s)+50α]/(1+α+T₂s)-(1+T₂s)d_iP_i/(1+α+T₂s)   (7) 

在暂态快速过程中，假定|T₂s|>>1+α成立，可得|(1+T₂s)/(1+α+T₂s)|→1，则在这一过程中的下垂曲线的斜率与公式6中是相似的。所以，系统的动态特性仍是由公式6式主导，因此滤波器减弱了DSC对系统动态性能的影响。 

(ii)DTC：在分析DTC对系统的影响时，DSC滤波器的动态特性可以被忽略。系统的动态特性可以被描述为 

f_i＝[50α+f_max-d_iP_i+(d_iP_i-d_iS_iβλ_i(P_i))/(1+T₃s)]/(1+α)   (8) 

当P_i变化时，非线性部分λ_i(P_i)的斜率也随之发生变化，如果T₃＝0且运行工况发生变化，相关的f_i的斜率也随之变化。当P_i增加时，与P_i相关的λ_i(P_i)的导数通常也会增加，若分布式发电机接近满负荷，斜率会变得很大，系统可能发生小信号不稳定的情况。另一方面，引入时间常数为T₃的滤波器，使得系统线性化后的等效增益等于初值(没有滤波器)乘以这减弱了下垂控制的非线性对系统动态特性的影响。 

本发明的具体实施例如下: 

在Matlab/Simulink软件中建立一个典型的孤岛交流微电网，微电网包括三个1MW的分布式发电机(DG1，DG2，DG3)和一个集中负荷，如图2所示。图中的三个分布式发电机DG1，DG2，DG3均为同一组的三个分布式发电机。本发明的控制方法中已包含了连接到各个分布式发电机的两个滤波器。 

具体实施的系统参数如下： 

T₂＝1s,T₃＝3s,α＝20,β＝1/3,f_min＝49,f_max＝51. 

图3给出了各分布式发电机的成本微增率(CIV)曲线，图4中给出了非线性下垂曲线g(P_i)和根据公式2得出的各分布式发电机的稳态频率特性。为了防止有分布式发电机过载，g(P_i)中接近满负荷的部分都经过了修正，以致于最后 所有的分布式发电机在其达到最大功率输出的同时达到同样的频率。在图4中，分布式发电机的稳态频率特性曲线显示出稳态频率偏移的最大值不超过0.05赫兹。 

初始负荷为1.5MW，这里考虑了两种情况：A、在第20s，负荷提高到2.0MW；B、在第30s，负荷提高到2.5MW。 

并将以下三种控制方法进行比较： 

(a)本发明提出的新型控制方法； 

(b)同样的方法但是没有时间常数为T₂的滤波器； 

(c)同样的方法但是没有时间常数为T₃的滤波器。 

图5中包含了在(a)和(b)两种控制方法下微网频率仿真结果，图6中包含了在(a)控制方法下系统稳定时三个分布式发电机的成本微增率(CIV)值曲线，而图7中则包含了在(c)控制方法下系统不稳定时三个分布式发电机的成本微增率(CIV)值曲线。 

从图6和图7中观察可得，采用本文提出的控制方法时，在前30s内，三个分布式发电机的全部达到了等微增率点。当负荷在第30s后再次增加时，只有DG1和DG2达到了等微增率点，这是因为DG3已经接近了它的满负荷状态。在图5中，稳态频率偏移的最大值大约是0.03赫兹(小于0.05赫兹)，这是一个比较好的控制效果。 

必须指出的是，如果在DSC中没有时间常数为T₂的滤波器，系统就不能保持稳定(图5中)。如果在DTC中没有时间常数为T₃的滤波器，在0-30s内，分布式发电机能比提出的控制方法更快地达到等微增率点，但是在30s后，系统出现了因为小信号不稳定而引起的功率振荡(图7中)。从而可见，本发明提出的新型控制方法能使微电网系统快速达稳，并在负荷增大的情况下，使系统稳定运行且符合经济性要求。本发明的控制方法使得系统有较好的稳态和动态性能，是一个可行的控制方法。 

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。 

Claims (4)

1.一种全分布式结构的孤岛交流微电网的频率控制方法，其特征在于：包括

1)各个分布式发电机均依次通过第一低通滤波器和第二低通滤波器与微电网母线连接，对各个分布式发电机同时通过第一频率控制方式、第二频率控制方式进行控制，分别得到第一控制频率变化量f_pri、第二控制频率变化量f_sec；

2)再由得到的第一控制频率变化量f_pri通过第三频率控制方式进行控制，得到第三控制频率变化量f_ter；

3)将第一控制频率变化量f_pri、第二控制频率变化量f_sec和第三控制频率变化量f_ter相加得到最终频率控制量，进而对分布式发电机进行频率控制。

2.根据权利要求1所述的一种全分布式结构的孤岛交流微电网的频率控制方法，其特征在于：所述的步骤1)中的第一频率控制方式采用以下公式2计算得到第一控制频率变化量f_pri：

$\left\{\begin{array}{c}{f}_{\mathrm{pri}}=f_{\max }-d_i{P}^i\\ d_i=(f_{\max }-f_{\min })/S_i\end{array}---\left(2\right)\right.$

其中，f_max和f_min分别为微电网的频率上、下限，S_i是分布式发电机的视在功率容量，P_i为分布式发电机的功率输出值，功率与频率的比值d_i为(f_max-f_min)/S_i。

3.根据权利要求1所述的一种全分布式结构的孤岛交流微电网的频率控制方法，其特征在于：所述的步骤2)中的第二频率控制方式采用以下公式3计算得到第二控制频率变化量f_sec：

f_sec＝α(50-f_meas,i)/(1+T₂s)   (3)

其中，α为第二频率控制方式的增益系数，f_i,meas为分布式发电机输出频率的测量值，T₂为第一低通滤波器的时间常数，s为频域变量。

4.根据权利要求1所述的一种全分布式结构的孤岛交流微电网的频率控制方法，其特征在于：

所述的步骤3)中的第三控制频率变化量f_ter采用以下公式4计算得到第三控制频率变化量f_ter：

f_ter＝(f_max-d_iS_iβλ_i(P_i)-f_pri)/(1+T₃s)   (4)

其中，λ_i(P_i)为每个分布式发电机的成本微增率函数，P_i为分布式发电机的功率输出值，β为第三频率控制方式的系数，T₃是第二低通滤波器的时间常数，d_i为(f_max-f_min)/S_i，s为频域变量。