CN104701843A - 一种独立微网供电系统供电可靠性修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种独立微网供电系统供电可靠性修正方法。将独立微网系统划分为不同的馈线区域；主控电源采用集中接入方式，经变压器与不同的馈线区域相连；独立微网系统还包括可再生能源发电机和或储能装置，设置在变压器高压侧相连的母线上或设置在馈线区域内部；当储能装置作为主控电源时，若存在功率缺额，开启一台待命状态的不可再生能源发电机来弥补该缺额；当不可再生能源发电机作为主控电源时，若存在功率缺额，优先调用储能装置的有功、无功电能来弥补该缺额，当储能装置不足以补充缺额时，再选择开启一台待命状态的不可再生能源发电机来弥补该缺额。在独立微网系统规划设计中，更充分利用可再生能源的同时保证了系统的供电可靠性。

Description

一种独立微网供电系统供电可靠性修正方法

技术领域

本发明涉及一种独立微网供电系统供电可靠性修正方法，特别是涉及一种适用于基于潮流平衡的独立微网系统可供电靠性修正方法。

背景技术

随着能源需求的不断增长，温室效应愈加明显，利用风能、太阳能等的可再生能源发电技术迅速成为当今应对能源和环境危机的重要手段。独立微网系统能将多种类型的分布式发电单元组合在一起，有效实现多种能源互补，提高整个系统的能源利用率和供电可靠性。在偏远和海岛地区，独立微网系统是解决其供电问题的有效手段之一。

可再生能源往往具有随机性、间歇性的特点。在独立微网系统规划设计中，如何在充分利用可再生能源的同时保证系统的供电可靠性是需要关注的关键问题之一。

然而，目前独立微网系统的可靠性供电中基本只围绕独立系统中的发电-负荷容量平衡进行可靠性评估后的供电方法，不能满足独立微网的规划设计需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种供电可靠性更好的独立微网供电系统供电可靠性修正方法。

随着独立微网系统规模的增加，在可靠性评估中还应该考虑网架结构的影响，现有独立微网系统供电可靠性评估中，并没有考虑设备故障带来的影响，由于网架结构复杂、负荷节点较多，中压独立微网系统在结构上更接近含分布式电源的配电系统。但不同的是，含分布式电源的配电系统长期并网运行，而独立微网系统却始终处于离网状态，需要完全依靠微网内的电源实现电力平衡。这一特点决定了中压独立微网系统的电压问题比配电系统更为突出，由于配电线路中较高的阻性，因此电压同时受有功平衡和无功平衡的双重影响。而在这一点上，现有方法均只考虑系统内的有功平衡，忽略了系统内无功平衡及其带来的电压问题。

本发明采用的技术方案如下：一种独立微网供电系统供电可靠性修正方法，其特征在于，将独立微网系统划分为不同的馈线区域；主控电源采用集中接入方式，经变压器与不同的馈线区域相连；独立微网系统还包括可再生能源发电机和或储能装置，设置在变压器高压侧相连的母线上或设置在馈线区域内部；当储能装置作为主控电源时，若存在功率缺额，开启一台待命状态的不可再生能源发电机来弥补该缺额；当不可再生能源发电机作为主控电源时，若存在功率缺额，优先调用储能装置的有功、无功电能来弥补该缺额，当储能装置不足以补充缺额时，再选择开启一台待命状态的不可再生能源发电机来弥补该缺额；若系统内所有电源都已处于满发状态，但仍存在功率缺额，此时需要调用负荷削减策略。

作为优选，所述负荷削减策略为：确定独立微网供电系统中的可中断负荷，并按照有功负荷量从小到大和或按照重要程度从轻量级到重量级的顺序构建负荷削减表。

作为优选，所述负荷削减策略还包括，当进行负荷削减时，以所述负荷削减表为依据，按顺序同时切除可中断负荷点的有功和无功负荷，在每一次切除后对当前系统的有功总负荷和无功总负荷进行更新，重新判断主控电源额定容量是否能满足更新后的系统总负荷，能则负荷削减终止，系统恢复供电，记录下可中断负荷的切除总量，否则继续执行负荷削减策略，直至满足所述判断或所有可中断负荷均被切除为止。

作为优选，所述负荷削减策略还包括，若切除所有可中断负荷后仍不能满足所述判断依据，系统内所有负荷点均停电。

作为优选，还包括自动保护装置，设置在变压器高压侧和馈线区域入口，用于故障时自动切断故障区域与供电系统其它区域的连接；当区域内任意元件发生故障时，相应自动保护装置将迅速动作令整个馈线区域隔离。

作为优选，将独立微网供电系统划分为不同的馈线区域，读取系统内可再生能源发电机组、不可再生能源发电机组和储能装置等电源设备运行参数和故障参数，以及馈线区域的基本潮流信息和故障信息；根据所有电源设备和馈线区域的故障参数，对所述电源设备和馈线区域进行时刻状态抽样，得到所述电源设备和馈线区域的状态变化循环序列；将所述状态变化循环序列与系统的拓扑结构相结合，得到系统正常联通区域；根据所述系统正常连通区域内的可调度电源种类，选择协调运行策略初步判断系统的有功平衡，并记录不可再生能源发电机组的开启台数、电池的充放电功率和可再生能源发电机组的过剩功率的有功调度信息进行有功调度。

作为优选，根据所述有功调度信息，利用潮流计算得到系统的有功功率缺额和无功功率缺额；根据所述系统有功功率缺额和无功功率缺额，利用修正策略对不可再生能源发电机组和储能电池的调度指令进行修正，并调用可中断负荷的削减策略。

作为优选，还包括手动隔离开关，设置在供电系统网架结构的分支上，用于对相应负荷点的切除操作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在可再生能源具有随机性、间歇性的特点的情况下，在独立微网系统规划设计中，更充分利用可再生能源的同时保证了系统的供电可靠性。

附图说明

图1为本发明其中一实施例的系统结构示意图。

图2为本发明其中一实施例的硬充电策略流程示意图。

图3为本发明其中一实施例的修正策略流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示，一种独立微网供电系统，将独立微网供电系统划分为不同的馈线区域；在本具体实施例中可再生能源发电机为风力发电机，不可再生能源发电机为柴油发电机；作为系统主控电源的柴油发电机采用集中接入方式，经变压器与不同的馈线区域相连；风力发电机WT和储能装置EA(在本具体实施例中为蓄电池储能装置)设置在变压器高压侧相连的母线上或设置在馈线区域内部(在本具体实施例中设置在馈线区域内部)。

在本具体实施例中，考虑到变压器故障和馈线区域内的线路故障，变压器高压侧和馈线区域入口处均装有自动保护装置。当故障发生时，自动保护装置能及时检测到系统内的不正常运行状态，通过跳闸操作迅速切断故障区域与系统其它区域的连接，从而实现故障区域的隔离。

在本具体实施例中，各馈线区域内部均为树状网络，根节点与区域入口处自动保护装置相连，负荷点分散在网络的干支和分支上。树状网络的某些分支上设有手动隔离开关，能够支持相应负荷点的切除操作，但各馈线区内部不含自动保护装置。

在图1所示系统中，变压器高压侧和各馈线区域入口处均设有自动保护装置。该结构下，馈线区域中的所有元件均在其入口处自动保护装置的保护范围内，当区域内任意元件发生故障时，相应自动保护装置将迅速动作令整个馈线区域隔离，从而导致该区域内的所有负荷停电。当某区域被隔离时，该区域中所有可再生能源发电设备和储能装置的供电都将切断。综上所述，系统内任意线路的故障都可等效为相应馈线区域的故障。以图1所示的独立微网供电系统为例，整个系统可根据自动保护装置的位置分为4个区域。区域0为柴油发电机与变压器组成的主控电源区域，区域1～3为不同的负荷区域。

将独立微网供电系统划分为不同的馈线区域，读取系统内可再生能源发电机组、不可再生能源发电机组和储能装置等电源设备运行参数和故障参数，以及馈线区域的基本潮流信息和故障信息；根据所有电源设备和馈线区域的故障参数，对所述电源设备和馈线区域进行时刻状态抽样，得到所述电源设备和馈线区域的状态变化循环序列；将所述状态变化循环序列与系统的拓扑结构相结合，得到系统正常联通区域；根据所述系统正常连通区域内的可调度电源种类，选择协调运行策略初步判断系统的有功平衡，并记录不可再生能源发电机组的开启台数、电池的充放电功率和可再生能源发电机组的过剩功率的有功调度信息进行有功调度。

在本具体实施例中，基于序贯蒙特卡洛模拟法，对系统内各元件进行状态抽样，产生各元件的运行状态序列。

抽样生成系统内各电源与馈线区域的运行状态序列后，就能够依照系统的拓扑结构得到系统在每一时刻的连通区域(即未被自动保护装置隔离的区域)。以图1系统为例，当系统内无故障发生时，连通区域为整个中压独立微网供电系统。当故障发生在区域0中时(变压器故障)，所有柴油发电机均退出运行，连通区域为区域1、2、3，储能装置将暂时作为系统的主控电源。当故障发生在区域1中时，分离发电机和储能装置均退出运行，连通区域为区域0、2、3。当故障发生在区域2(或区域3)时，连通区域为0、1、3(或0、1、2)，柴油发电机将与风力发电机、储能装置相互配合，向无故障区域供电。

基于系统运行策略判断系统的实时潮流平衡状态。本具体实施例在基于有功平衡的协调运行策略基础上，进一步提出基于潮流平衡的修正策略以同时计及有功平衡与无功平衡对系统可靠性的影响。

在本具体实施的独立微网供电系统中存在两种可调度电源：柴油发电机和蓄电池储能装置。根据可调度电源的选择，独立微网供电系统的协调运行策略可划分为三类：储能调度策略、柴油发电机调度策略、储能与柴油发电机的协调调度策略。考虑到电源故障和区域故障的影响，本具体实施例在协调运行策略中同时计入上述三类情况：

浮充策略：若保护装置动作将柴油发电机所在区域隔离，系统将以蓄电池储能作为主控电源，并配合风力发电机出力来满足负荷需求。采用浮充策略作为储能调度模式下的运行策略，其调度原则为：若系统内可再生能源出力高于负荷需求，剩余功率为储能充电，当储能最大充电功率不能消纳剩余功率时，将多余功率记录为可再生能源弃功率EP(t)；反之，若系统内可再生能源出力低于负荷需求，不足部分由储能放电补充。

无储能策略：若保护装置动作将蓄电池储能所在区域隔离，系统运行于柴油发电机调度策略下。采用的柴油发电机调度策略为：优先利用可再生能源发电向负荷供电，不足部分由柴油发电机提供。此策略下，系统根据本步长的净负荷情况选择柴油发电机开启台数：若净负荷小于0，强制开启一台柴油发电机来保证系统稳定运行，并记录可再生能源弃功率EP(t)；若净负荷大于0，根据净负荷值大小选择适当的柴油发电机开启台数，若可用柴油发电机全部投入运行仍不能满足净负荷需求，令柴油发电机开启台数等于可用柴发台数。

硬充电策略：当独立微网内所有含电源区域均正常投入工作时，系统在运行过程中需要协调柴油发电机、可再生能源发电和储能间的关系。为了尽可能减少柴油发电机的燃料消耗，更加充分地利用系统内的可再生能源，选择硬充电策略作为该模式下的协调运行策略。该策略下，柴油发电机与蓄电池储能可轮流做主电源满足净负荷需求(系统总负荷与可再生能源发电出力的差值)，其流程如图2所示。

图2中，P1-P6分别代表系统净负荷、计入系统备用容量的净负荷、蓄电池最大充电功率、蓄电池最大放电功率、柴油发电机组最大出力、柴油发电机组最小出力(大于0)。该策略根据该时刻系统净负荷和备用容量，以及上一时刻中柴油发电机开启台数与储能充放电功率来计算本步长中应开启柴发台数n_t，进而根据系统净负荷计算蓄电池充放电功率P_bat(t)、系统弃能量EP(t)等指标，为下一时刻的修正策略环节提供基本信息。

根据所述有功调度信息，利用潮流计算得到系统的有功功率缺额和无功功率缺额；根据所述系统有功功率缺额和无功功率缺额，利用修正策略对不可再生能源发电机组和储能电池的调度指令进行修正，并调用可中断负荷的削减策略。

在上述基于有功平衡的协调运行策略基础上，本发明进一步提出了基于潮流平衡的修正策略。修正策略流程如图3所示：

为计算系统潮流，需要给定系统的节点、支路和发电机信息，本发明选择以馈线区域为基本单位存储上述信息，以便于对潮流输入信息进行重组。需要强调的是，蓄电池储能系统中的双向变流器能够在四个象限运行，即它可以在变流器容量限制内，根据系统需求吸收或放出有功功率和无功功率。因此对于无功容量有限的独立微网供电系统，在其运行策略中必须计及蓄电池储能的无功能力。此外，考虑到可再生能源发电功率高于负荷需求时带来的节点电压抬升问题，本发明计及可再生能源出力的削减，即协调运行策略结果中的弃功率EP(t)不作为风力发电机的有效出力计入潮流计算中。

在修正策略中，独立微网供电系统对各电源下发的指令与系统实时的有功缺额P_lack(t)和无功缺额Q_lack(t)有关，其计算方式分别如下：

P_lack(t)＝max(0,P_s.re(t)-P_s.max(t))   (1)

Q_lack(t)＝max(0,Q_s.re(t)-Q_s.max(t))   (2)

式中，P_s.re(t)、Q_s.re(t)为潮流结果中平衡节点应提供的有功、无功出力；P_s.max(t)、Q_s.max(t)为主电源所能提供的最大有功、无功功率，当柴油发电机或储能系统作为主电源时，其计算分别如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{s.\max }\left(t\right)=P_{\mathrm{dg}.\max }\left(t\right)=n_t{S}_{\mathrm{dg}}\\ Q_{s.\max }\left(t\right)=Q_{\mathrm{dg}.\max }\left(t\right)=\sqrt{{\left(n_t{S}_{\mathrm{dg}}\right)}^2-{\left(n_t{P}_{\mathrm{dg}}\left(t\right)\right)}^2}\end{array}\right.---\left(3\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{s.\max }\left(t\right)=P_{\mathrm{bat}.\max }\left(t\right)=P_{\mathrm{dis}.\max }\left(t\right)\\ Q_{s.\max }\left(t\right)=Q_{\mathrm{bat}.\max }\left(t\right)=\sqrt{S_{\mathrm{con}}^2-P_{\mathrm{bat}}^2\left(t\right)}\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中，P_dis.max(t)为储能系统的最大放电功率；S_dg为柴油电机额定容量；S_con为储能双向变流器额定容量；P_bat(t)和P_dg(t)分别为储能装置、柴油发电机有功出力，它们的初始值由协调运行策略给出，并在修正策略中不断更新。

以有功缺额P_lack(t)、无功缺额Q_lack(t)为依据，所述修正策略为：当储能系统作为主电源时，若存在功率缺额，开启一台待命状态的柴油发电机来弥补该缺额；当柴油发电机作为主电源时，若存在功率缺额，优先调用储能系统的有功、无功电能来弥补该缺额，当储能系统不足以补充缺额时，再选择开启一台待命状态的柴油发电机来弥补该缺额；若系统内所有电源都已处于满发状态，但仍存在功率缺额，此时需要调用负荷削减策略。

所述负荷削减策略为：确定独立微网供电系统中的可中断负荷，并按照有功负荷量从小到大和或按照重要程度从轻量级到重量级的顺序构建负荷削减表。

所述负荷削减策略还包括，当进行负荷削减时，以所述负荷削减表为依据，按顺序同时切除可中断负荷点的有功和无功负荷，在每一次切除后对当前系统的有功总负荷和无功总负荷进行更新，重新判断主控电源额定容量是否能满足更新后的系统总负荷，能则负荷削减终止，系统恢复供电，记录下可中断负荷的切除总量，否则继续执行负荷削减策略，直至满足所述判断或所有可中断负荷均被切除为止。

所述负荷削减策略还包括，若切除所有可中断负荷后仍不能满足所述判断依据，系统内所有负荷点均停电。

考虑到网架结构的影响，各馈线区域内所有经手动隔离开关与干线相连的负荷点均被视为可中断负荷，当发电容量不足时可在负荷削减策略中予以切除。在潮流平衡条件下，应同时关注可中断负荷点的有功和无功功率。本具体实施例只考虑单一的负荷类型，例如全部负荷均为居民负荷，因此负荷削减顺序仅与负荷量有关。为提高模拟速度，本文采取启发式负荷削减策略：首先假定所有负荷点均不削减，调用协调运行策略与修正策略来模拟系统的运行状态。当出现系统发电容量不足的情况时，负荷总量最小的可中断负荷优先被切除，重复此过程直到满足下式为止：

$P_{s.\mathrm{re}}^2\left(t\right)+Q_{s.\mathrm{re}}^2\left(t\right)\≤S_{\mathrm{mp}}^2---\left(5\right)$

式中，S_mp(t)为当前系统主电源的额定容量。若该式满足，表明系统可通过负荷削减策略恢复供电，此时系统停电时间LT(t)记录为0，停电量UL(t)记录为可中断负荷削减总量L_cut(t)。

需要说明的是，由于系统内可中断负荷数目有限，采取负荷削减策略并不一定能够确保系统达到电力平衡。如果可中断负荷全部削减后仍不满足式(5)的要求，整个系统将因发电容量低于负荷需求而完全停电。此时系统停电时间LT(t)记录为1小时，停电量UL(t)记录为整个系统的实时负荷L(t)。

Claims (8)

1.一种独立微网供电系统供电可靠性修正方法，其特征在于，将独立微网系统划分为不同的馈线区域；主控电源采用集中接入方式，经变压器与不同的馈线区域相连；独立微网系统还包括可再生能源发电机和或储能装置，设置在变压器高压侧相连的母线上或设置在馈线区域内部；当储能装置作为主控电源时，若存在功率缺额，开启一台待命状态的不可再生能源发电机来弥补该缺额；当不可再生能源发电机作为主控电源时，若存在功率缺额，优先调用储能装置的有功、无功电能来弥补该缺额，当储能装置不足以补充缺额时，再选择开启一台待命状态的不可再生能源发电机来弥补该缺额；若系统内所有电源都已处于满发状态，但仍存在功率缺额，此时需要调用负荷削减策略。

2.根据权利要求1所述的独立微网供电系统供电可靠性修正方法，其特征在于，所述负荷削减策略为：确定独立微网供电系统中的可中断负荷，并按照有功负荷量从小到大和或按照重要程度从轻量级到重量级的顺序构建负荷削减表。

3.根据权利要求2所述的独立微网供电系统供电可靠性修正方法，其特征在于，所述负荷削减策略还包括，当进行负荷削减时，以所述负荷削减表为依据，按顺序同时切除可中断负荷点的有功和无功负荷，在每一次切除后对当前系统的有功总负荷和无功总负荷进行更新，重新判断主控电源额定容量是否能满足更新后的系统总负荷，能则负荷削减终止，系统恢复供电，记录下可中断负荷的切除总量，否则继续执行负荷削减策略，直至满足所述判断或所有可中断负荷均被切除为止。

4.根据权利要求2所述的独立微网供电系统供电可靠性修正方法，其特征在于，所述负荷削减策略还包括，若切除所有可中断负荷后仍不能满足所述判断依据，系统内所有负荷点均停电。

5.根据权利要求1所述的独立微网供电系统供电可靠性修正方法，其特征在于，还包括自动保护装置，设置在变压器高压侧和馈线区域入口，用于故障时自动切断故障区域与供电系统其它区域的连接；当区域内任意元件发生故障时，相应自动保护装置将迅速动作令整个馈线区域隔离。

6.根据权利要求5所述的独立微网供电系统供电可靠性修正方法，其特征在于，将独立微网供电系统划分为不同的馈线区域，读取系统内可再生能源发电机组、不可再生能源发电机组和储能装置等电源设备运行参数和故障参数，以及馈线区域的基本潮流信息和故障信息；根据所有电源设备和馈线区域的故障参数，对所述电源设备和馈线区域进行时刻状态抽样，得到所述电源设备和馈线区域的状态变化循环序列；将所述状态变化循环序列与系统的拓扑结构相结合，得到系统正常联通区域；根据所述系统正常连通区域内的可调度电源种类，选择协调运行策略初步判断系统的有功平衡，并记录不可再生能源发电机组的开启台数、电池的充放电功率和可再生能源发电机组的过剩功率的有功调度信息进行有功调度。

7.根据权利要求6所述的独立微网供电系统供电可靠性修正方法，其特征在于，根据所述有功调度信息，利用潮流计算得到系统的有功功率缺额和无功功率缺额；根据所述系统有功功率缺额和无功功率缺额，利用修正策略对不可再生能源发电机组和储能电池的调度指令进行修正，并调用可中断负荷的削减策略。

8.根据权利要求1所述的独立微网供电系统供电可靠性修正方法，其特征在于，还包括手动隔离开关，设置在供电系统网架结构的分支上，用于对相应负荷点的切除操作。