CN104716658A - 一种采用储能pcs恢复孤岛模式下微网频率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了微网控制领域的一种采用储能PCS恢复孤岛模式下微网频率的方法，该方法根据微网运行过程中测得的各组微网的频率-功率的测量数据，通过循环进行的待测负荷调节效应系数求取步骤、待测负荷调节效应系数筛选步骤和逐步寻优求解步骤，线性拟合出最优的微网负载的频率-功率特性曲线，然后再依据储能PCS的频率-功率下垂特性曲线进行二次调频，调整储能PCS的输出功率，使微网的频率稳定在额定频率。其技术效果是：通过调整作为主电源的储能PCS的输出功率来使微网的频率稳定额定频率的附近。

Description

一种采用储能PCS恢复孤岛模式下微网频率的方法

技术领域

本发明涉及微网频率控制领域，尤其涉及一种采用储能PCS恢复孤岛模式下微网频率的方法。

背景技术

微网是指能实现自我控制、保护和管理的，自治的微型电网系统，其既可处于并入大电网运行的并网模式，又能处于脱离大电网独立运行的孤岛模式。微网处于并网模式时，频率由大电网控制，微网处于孤岛模式时，频率由微网的主电源控制。微网存在大量波动性和随机性较强的间歇性微电源，这些间歇性能源微电源大都采用电力电子设备作为接口,系统惯性很小或无惯性，微网的结构多变，负载多变，使得孤岛模式下的微网的频率容易发生波动，频率恢复困难。

包含储能系统的微网可以由储能PCS(功率转换系统，Power ConvertSystem)作为主电源来负责调频，储能PCS通常采用下垂控制，类似于传统电网的一次调频，属于有差调节，频率不能完全恢复到额定频率值；当微网负载的功率波动较大时，微网的频率偏差较大，微网就需要启动二次调频，来维持其频率恒定。目前孤岛模式下采用二次调频控制策略为：根据不同微电源的频率-功率特性以及相互作用，来改进微电源的频率-功率控制算法来实现二次调频。极少研究根据微网负载的频率-功率特性来实现微网的二次调频。

微网负载的频率-功率特性与传统电网的频率-功率特性是一致的,其取决于微网负载的种类及其占比。微网负载的频率-功率特性是微网负载的有功功率，即微网吸收的有功功率，随微网的频率而改变的特性，即：

P_l＝F(f)，

一般可表示为：

$P_l=a_0{P}_{\mathrm{le}}+a_1{P}_{\mathrm{le}}\left(\frac{f}{f_e}\right)+a_2{P}_{\mathrm{le}}{\left(\frac{f}{f_e}\right)}^2+a_3{P}_{\mathrm{le}}{\left(\frac{f}{f_e}\right)}^3+.......+a_n{P}_{\mathrm{le}}{\left(\frac{f}{f_e}\right)}^n,$

将上式除以P_le，则得标幺值形式，即

$P_{l*}=a_0+a_1{f}_{*}+a_2{f_{*}}^2+.......+a_n{f_{*}}^n,$

式中f_e——微网的额定频率。

P_l——微网的频率为f时，微网负载的有功功率，即微网吸收的有功功率。

P_le——微网的频率为f_e时，微网负载的有功功率，即微网吸收的有功功率，或者说微网的额定功率。

a₀，a₁.......a_n——为上述各种负载的有功功率占P_le的比例。

微网频率变化允许的范围很小，为此微网的负载-频率特性曲线可近似视为具有不变斜率且为正的直线。该直线的斜率即为K_l*，请参见图1。可见，当微网的频率下降时，微网的吸收的有功功率随之下降，如果微网的频率升高，微网的吸收的有功功率随着增大。微网的频率效应起到减轻微网系统能量不平衡的作用。K_l*称为调节效应系数：

$K_{l_{*}}=\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{*}}{\mathrm{\Δ}{P}_{*}}=\frac{\mathrm{\ΔP}\%}{\mathrm{\Δf}\%}=\frac{\mathrm{\Δ}{P}_l/P_{\mathrm{le}}}{\mathrm{\Δf}/f_e},$

孤岛模式下，微网的发电机组的出力随微网吸收的有功功率的变化而快速变化，才能维持供电频率稳定。储能PCS的频率-功率下垂特性，使储能PCS的频率-功率下垂特性曲线是一条斜率不变且为负的直线，与旋转类电源类似。储能PCS的频率-功率下垂特性曲线与微网负载的频率-功率特性曲线的交点就是微网的频率的稳定运行点。请参阅图2：

曲线①为微网的频率和有功负载为分别为f_e和P_le时，微网负载的频率-功率特性曲线。

曲线③为储能PCS的频率-功率下垂特性曲线。

曲线①和曲线③两条特性曲线的交点为A。

②为微网的吸收的有功功率增加ΔP_l后的频率-功率特性曲线。

如果微网吸收的有功功率增加ΔP_l后，储能PCS的瞬间输出功率没开始调整，仍旧为P_le，两条特性曲线的交叉点将为B。由于机械惯性作用，微网的频率会缓慢下降到f₁。

在实际运行中，微网的储能PCS的频率-功率下垂特性曲线响应速度很快，其实际的调节几乎是沿着A点到C点过渡，不会真正达到B点。即储能PCS增加输出功率至P₂，储能PCS的频率-功率特性曲线和微网负载的频率-功率特性曲线稳定在交叉点C，此时微网的频率稳定在f₂。

储能PCS的一次调频让微网的频率稳定在f₂。如果微网的吸收的有功功率波动较大，f₂会偏离f_e较远，调节结果差。这时候需要启动频率二次调频，即储能PCS的频率-功率下垂特性曲线和微网负载的频率-功率特性曲线相交于C点后，重新设定储能PCS的频率-功率下垂曲线，增加储能PCS的输出功率，使两条曲线相交于D点，微网的频率达到额定频率f_e，此时储能PCS输出功率为P_2e。

由此可见，当微网吸收的有功功率波动较大时候，一次调频只能将频率稳定在f₂值，离额定频率f_e有较大差值，这时候需要启动二次调频，增加储能PCS的输出功率，使微网的频率f稳定在额定频率f_e。如图3所示。

微网的频率-功率特性曲线，即知道微网的调节效应系数K_l*，就可以知道微网吸收的有功功率波动后，二次调频时储能PCS所需要增加的输出功率值，就可以重新设定微网负载的频率-功率曲线，以此调整微网的频率在额定频率f_e。即微网孤岛模式下要精确恢复其频率就需要较为精确的估算微网负载的频率-功率特性。但是微网中的负载规模小，单个负载的有功功率对微网的频率的影响相对较大，微网负载的频率-功率特性曲线是动态实时变化的，较难获取。

发明内容

本发明的技术目的是提供一种采用储能PCS恢复孤岛模式下微网频率的方法，其能够通过调整作为主电源的储能PCS的输出功率来使微网的频率稳定额定频率的附近。

实现上级技术目的的一种技术方案是：一种采用储能PCS恢复孤岛模式下微网频率的方法，包括下列步骤：

获取动态测量值步骤：当微网吸收的有功功率实时变化时，通过得到m组微网的频率-功率的测量数据：(P₁,f₁)、(P₂,f₂)、(P₃,f₃)……(P_m,f_m)；

待测负荷调节效应系数求取步骤：根据确定的微网的额定频率f_e和微网的额定功率P_e的初始值；计算得到m个微网的负荷调节效应系数K_l(t)*以及m个P_(t)'＝F(K_l(t)*,P_e,f_t,f_e)，其中求K_l(t)*的公式为：

$K_{{l\left(t\right)}_{*}}=\frac{(P_{\left(t\right)}-P_e)/P_e}{(f_{\left(t\right)}-f_e)/f_e}=\frac{P_{\left(t\right)}/P_e-1}{f_{\left(t\right)}/f_e-1};$

其中,K_l(t)*是待测微网的负荷调节效应系数；

P_(t)和f_(t)是微网调节过程中的测得的各组微网的频率-功率的测量数据；其中t＝1～m；

对于每个P_(t)'＝F(K_l(t)*,P_e,f_(t),f_e)，可以计算得到每个对应的频率f_m时的，微网吸收的有功功率的计算值，即P_(t)'＝F(K_l(t)*,P_e,f_(t),f_e)，即得到m个计算点：

(P₁',f₁)，(P₂',f₂)，(P₃',f₃)……….(P_m',f_m)；

待测负荷调节效应系数筛选步骤：

计算通过每个P_(t)'＝F(K_l(t)*,P_e,f_t,f_e)，得到的微网吸收的有功功率的计算值，与微网吸收的有功功率的测量值之间的均方根值ΔP_K：

$\mathrm{\Δ}{P}_K=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{({P_1}^{\′}-P_1)}^2+{({P_2}^{\′}-P_2)}^2+...{({P_m}^{\′}-P_m)}^2};$

取ΔP_K最小时的待测负荷调节效应系数K_l(t)*和P_e值即为真实值，求得微网负载的频率-功率特性曲线；

逐步寻优求解步骤：

根据求得的K_l(t)*和P_e值得出微网负载的频率-功率特性曲线，去除明显偏离该曲线的第一种坏点，即ΔP_m＝|P_m'-P_m|绝对值明显偏大的点；

根据求得的K_l(t)*和P_e值得出微网负载的频率-功率特性曲线，在该曲线的一侧连续排列的点的数量超过定值时，只保留ΔP_m最小的一到两个点；其余的点作为第二种坏点去除；

重复待测负荷调节效应系数求取步骤、待测负荷调节效应系数筛选步骤和逐步寻优求解步骤，直到求得微网负载的频率-功率特性曲线的两侧无测得的值第一种坏点和第二种坏点；

储能PCS输出功率调节步骤：待微网的频率稳定后，得出微网负载的频率-功率特性曲线与储能PCS的频率-功率特性曲线相交的第一个点(P₀,f₀),调节储能PCS的输出功率P_n，逐步增加ΔP_n，使微网的频率向f_e渐近，直至调节储能PCS的输出功率为求得的P_e值，微网的频率也稳定在f_e。

进一步的，ΔP_K最小时的待测负荷调节效应系数K_l(t)*和P_e值是通过matlab软件中的f min search函数确定的。

进一步的，所述f min search函数可直接由matlab编译成可执行文件来使用，或者用叠代求解法来代替。

进一步的，逐步寻优求解步骤中，第一种坏点是ΔP_m≥0.01P_m的点；并在微网负载的频率-功率特性曲线的一侧连续排列的点的数量超过三个，进行第二种坏点的去除。

本发明的一种采用储能PCS恢复孤岛模式下微网频率的方法的技术方案，该方法根据微网运行过程中测得的各组微网的频率-功率的测量数据，通过循环进行的待测负荷调节效应系数求取步骤、待测负荷调节效应系数筛选步骤和逐步寻优求解步骤，线性拟合出最优的微网负载的频率-功率特性曲线，然后再依据储能PCS的频率-功率下垂特性曲线进行二次调频，调整储能PCS的输出功率，使微网的频率稳定在额定频率。其技术效果是：通过调整作为主电源的储能PCS的输出功率来使微网的频率稳定额定频率的附近。

附图说明

图1为微网负载的频率-功率特性曲线示意图。

图2为微网一次调频调频时，微网负载的频率-功率特性曲线与储能PCS的频率-功率下垂特性曲线示意图。

图3为微网二次调频调频时，微网负载的频率-功率特性曲线与储能PCS的频率-功率下垂特性曲线示意图。

图4为本发明的一种采用储能PCS恢复孤岛模式下微网频率的方法中微网负载的频率-功率特性曲线获取示意图。

图5为本发明的一种采用储能PCS恢复孤岛模式下微网频率的方法中微网负载的频率-功率特性曲线获取中去除第一种坏点示意图。

图6为本发明的一种采用储能PCS恢复孤岛模式下微网频率的方法中微网负载的频率-功率特性曲线获取中去除第二种坏点示意图。

图7为本发明的一种采用储能PCS恢复孤岛模式下微网频率的方法中储能PCS的频率-功率下垂特性曲线获取示意图。

图8为本发明的一种采用储能PCS恢复孤岛模式下微网频率的方法的流程图。

具体实施方式

请参阅图1至图8，本发明的发明人为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例，并结合附图进行详细地说明：

本发明的一种采用储能PCS恢复孤岛模式下微网频率的方法，通过动态获取微网负载的频率-功率运行点来求取微网负载的频率-功率特性曲线。具体步骤如下：

1)获取动态测量值步骤：当微网吸收的有功功率实时变化时，微网的调频微电源在自动进行调频，在这一过程中，通过测量，可以得到m组微网负载的频率-功率的测量数据：(P₁,f₁)、(P₂,f₂)、(P₃,f₃)……(P_m,f_m)；如图4所示。

2)待测负荷调节效应系数求取步骤：

因为待测微网的负荷调节效应系数K_l(t)*求取的公式为：

$K_{{l\left(t\right)}_{*}}=\frac{(P_{\left(t\right)}-P_e)/P_e}{(f_{\left(t\right)}-f_e)/f_e}=\frac{P_{\left(t\right)}/P_e-1}{f_{\left(t\right)}/f_e-1};$

其中,K_l(t)*是待测微网的负荷调节效应系数；

P_e是待求的微网的输出功率值，即图3中的D点；

P_(t)和f_(t)微网调节过程中的测得的各组微网的频率-功率的测量数据；其中t＝1～m；。

可得出方程:

$P_{\left(t\right)}=F(K_{l\left(t\right)*},P_e,f_{\left(t\right)},f_e)=[K_{l\left(t\right)*}\×(\frac{f_{\left(t\right)}}{f_e}-1)+1]\×P_e$

如设定一组K_l(t)*和P_e初值，可以计算得到每个对应的频率f_m时的，微网吸收的有功功率的计算值，即P_(t)*'＝F(K_l(t)*,P_e,f_t,f_e)。即得到m个计算点：

(P₁',f₁)，(P₂',f₂)，(P₃',f₃)……….(P_m',f_m)。

3)待测负荷调节效应系数筛选步骤：

计算通过每个待测负荷调节效应系数K_l(t)*得到的微网吸收的有功功率的计算值，与微网吸收的有功功率的测量值之间的均方根值ΔP_K：

$\mathrm{\Δ}{P}_K=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{({P_1}^{\′}-P_1)}^2+{({P_2}^{\′}-P_2)}^2+...{({P_m}^{\′}-P_m)}^2};$

如假定使用一个待测负荷调节效应系数K_l(t)*与P_e值，其与真实值偏离很大，则ΔP_K就很大，如使用一个待测负荷调节效应系数K_l(t)*与P_e值，其与真实值偏离很小，则ΔP_K就较小。当ΔP_K为最小值，说明通过该待测负荷调节效应系数K_l(t)*得到的微网的频率-功率特性曲线公式计算点和测量点基本重合，可以认为假定的K_l(t)*与P_e值即为真实值，即测得的该条曲线即为微网负载的频率特性曲线。

实践中可以采用matlab软件中的f min search函数求解出最优值K_l(t)*和P_e。

理论上只要两个点就能求解出方程值P_e和K_l(t)*，但是由于系统调节过程随时在进行，而且单个点测得的偶然误差会造成计算的偏差，因此采用多点综合评价此方程,并且需要剔除对求取微网负载的频率-功率特性曲线无效的点，又可称为坏点。

4)逐步寻优求解步骤

m个测量点中，有部分测量点对求取微网负载的频率特性曲线是无效的，这些点称为坏点，需要剔除。剔除坏点后再重新计算，逐步寻优求解，具体步骤如下：

a)根据求得的K_l(t)*和P_e值得出微网负载的频率-功率特性曲线，再看m个点中明显偏离该曲线的点，即ΔP_m＝|P_m'-P_m|绝对值明显偏大，比如ΔP_m≥0.01P_m的点，这些点属于第一种坏点，需要剔除。如图5所示。

开始连续地出现ΔP_m＝P_m'-P_m为正值或者负值，即这些点都在曲线的一边，说明系统的自动调节作用还在继续，这些点对求取微网负载的频率-功率特性曲线无效，也需要剔除。图6所示。比如ΔP_m＝P_m'-P_m连续为正值或者负值的点大于五个，只保留ΔP_m最小的一到两个点，其余的点作为第二种坏点去除。

重复待测负荷调节效应系数求取步骤、待测负荷调节效应系数筛选步骤和逐步寻优求解步骤，直到求得微网负载的频率-功率特性曲线的两侧无测得的值偏差明显偏大的点，即无第一种坏点，并且测得值的点均匀的分布在微网负载的频率-功率特性曲线的两侧，即无第二种坏点，则计算所得的K_l(t)*即为求得的微网负载的频率-功率特性曲线，该微网负载的频率-功率特性曲线所对应频率为f_e时的P_e即为二次调频需要设定的额定功率值。

本发明中，以储能PCS作为主电源，采用储能PCS恢复孤岛模式下微网频率的方法如下：当负载出现波动后，储能PCS承担一次调频的作用。如图3所示，一次调频稳定后，微网的功率与频率的稳定在C点。在从A→B→C的调节过程中，由于储能PCS中电动机和发电机转子惯性的作用，微网的频率-功率稳定点并不会出现经过点B再到点C，微网的频率-功率稳定点基本沿着A→C的趋势渐近调节的。由于储能PCS调节速度更快，几乎直接沿着A→C的直线调节，调节过程可在百毫秒级完成。根据储能PCS的频率-功率特性曲线，采用储能PCS恢复孤岛模式下微网频率的方法如下：

储能PCS输出功率调节步骤：待微网的频率稳定后，得出微网负载的频率-功率特性曲线与储能PCS的频率-功率下垂特性曲线相交的第一个点(P₀,f₀)，如果测得f₀偏离f_e较大，超出调节死区，调节储能PCS的输出功率P_n，对P_n逐步增加ΔP_n，使微网的频率向f_e渐近，如图7所示。

在程序实现中matlab中f min search函数可直接由matlab编译成可执行文件来使用，也可用叠代求解法来代替，在叠代过程中可增加去除坏点的算法，这样在第一次结果算出后，主要看是否有开始连续多个点偏离在同一边的情况，如果有，保留2个点，其余都删除，再重新叠代计算。

微网负载的频率-功率特性曲线获取后，也获知了储能PCS该设定的额定功率值，逐步调节储能PCS的输出功率至P_e，微网的频率也将逐步稳定在额定频率左右，二次调频完成。

本发明的一种采用储能PCS恢复孤岛模式下微网频率的方法基于微网负载的频率-功率特性曲线和微网频率恢复采用一次、二次调频策略。

本发明的一种采用储能PCS恢复孤岛模式下微网频率的方法中，微网参与调频的主电源是储能PCS。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围。

Claims (4)

1.一种采用储能PCS恢复孤岛模式下微网频率的方法，包括下列步骤：

获取动态测量值步骤：当微网吸收的有功功率实时变化时，通过得到m组微网的频率-功率的测量数据：(P₁,f₁)、(P₂,f₂)、(P₃,f₃)……(P_m,f_m)；

待测负荷调节效应系数求取步骤：根据确定的微网的额定频率f_e和微网的额定功率P_e的初始值；计算得到m个微网的负荷调节效应系数K_l(t)*以及m个P_(t)'＝F(K_l(t)*,P_e,f_t,f_e)，其中求K_l(t)*的公式为：

$K_{l\left(t\right)*}=\frac{(P_{\left(t\right)}-P_e)/P_e}{(f_{\left(t\right)}-f_e)/f_e}=\frac{P_{\left(t\right)}/P_e-1}{f_{\left(t\right)}/f_e-1};$

其中,K_l(t)*是待测微网的负荷调节效应系数；

P_(t)和f_(t)是微网调节过程中的测得的各组微网的频率-功率的测量数据；其中t＝1～m；

对于每个P_(t)'＝F(K_l(t)*,P_e,f_(t),f_e)，可以计算得到每个对应的频率f_m时的，微网吸收的有功功率的计算值，即P_(t)'＝F(K_l(t)*,P_e,f_(t),f_e)，即得到m个计算点：

(P₁',f₁)，(P₂',f₂)，(P₃',f₃)……….(P_m',f_m)；

待测负荷调节效应系数筛选步骤：

计算通过每个P_(t)'＝F(K_l(t)*,P_e,f_t,f_e)，得到的微网吸收的有功功率的计算值，与微网吸收的有功功率的测量值之间的均方根值ΔP_K：

$\mathrm{\Δ}{P}_K=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{({P_1}^{\′}-P_1)}^2+{({P_2}^{\′}-P_2)}^2+\·\·\·{({P_m}^{\′}-P_m)}^2};$

取ΔP_K最小时的待测负荷调节效应系数K_l(t)*和P_e值即为真实值，求得微网负载的频率-功率特性曲线；

逐步寻优求解步骤：

根据求得的K_l(t)*和P_e值得出微网负载的频率-功率特性曲线，去除明显偏离该曲线的第一种坏点，即ΔP_m＝|P_m'-P_m|绝对值明显偏大的点；

根据求得的K_l(t)*和P_e值得出微网负载的频率-功率特性曲线，在该曲线的一侧连续排列的点的数量超过定值时，只保留ΔP_m最小的一到两个点；其余的点作为第二种坏点去除；

重复待测负荷调节效应系数求取步骤、待测负荷调节效应系数筛选步骤和逐步寻优求解步骤，直到求得微网负载的频率-功率特性曲线的两侧无测得的值第一种坏点和第二种坏点；

储能PCS输出功率调节步骤：待微网的频率稳定后，得出微网负载的频率-功率特性曲线与储能PCS的频率-功率特性曲线相交的第一个点(P₀,f₀),调节储能PCS的输出功率P_n，逐步增加ΔP_n，使微网的频率向f_e渐近，直至调节储能PCS的输出功率为求得的P_e值，微网的频率也稳定在f_e。

2.根据权利要求1所述的一种采用储能PCS恢复孤岛模式下微网频率的方法，其特征在于：ΔP_K最小时的待测负荷调节效应系数K_l(t)*和P_e值是通过matlab软件中的fminsearch函数确定的。

3.根据权利要求2所述的一种采用储能PCS恢复孤岛模式下微网频率的方法，其特征在于：所述fminsearch函数可直接由matlab编译成可执行文件来使用，或者用叠代求解法来代替。

4.根据权利要求1所述的一种采用储能PCS恢复孤岛模式下微网频率的方法，其特征在于：逐步寻优求解步骤中，第一种坏点是ΔP_m≥0.01P_m的点；并在微网负载的频率-功率特性曲线的一侧连续排列的点的数量超过三个，进行第二种坏点的去除。