CN104810842A

CN104810842A - 基于不同时间尺度的独立微电网分层协调控制方法

Info

Publication number: CN104810842A
Application number: CN201510170324.4A
Authority: CN
Inventors: 雷金勇; 李鹏; 杨苹; 喻磊; 许爱东; 郭晓斌; 许志荣; 周少雄; 马艺玮; 马溪原; 王建邦
Original assignee: South China University of Technology SCUT; Research Institute of Southern Power Grid Co Ltd
Current assignee: South China University of Technology SCUT; CSG Electric Power Research Institute; Research Institute of Southern Power Grid Co Ltd
Priority date: 2015-04-10
Filing date: 2015-04-10
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2035-04-10
Also published as: CN104810842B

Abstract

本发明公开了一种基于不同时间尺度的独立微电网分层协调控制方法，包括如下步骤：(1)根据独立微电网系统电压和频率的动态特性，将电压和频率的波动幅度分别划分为A、B和C三类区域，A区域表示电压和频率偏差在正常波动范围，B区域表示电压和频率偏差稍微超出正常波动范围，C区域表示电压和频率偏差严重超出正常波动范围；(2)实时监控并采集独立微电网母线上的电压值U、频率值f和功率P，并判断U、f所在的区域；(3)若U、f处于A区域，则蓄电池储能系统和柴油发电机组不参与调节；若U、f处于B区域，负责一级控制的蓄电池储能系统参与调节以实现系统功率平衡；若U、f处于C区域，则二级控制的柴油发电机参与调节以实现系统功率平衡；(4)重复采集U、f和P，直到判断U、f处在A区域。

Description

基于不同时间尺度的独立微电网分层协调控制方法

技术领域

本发明涉及微电网运行控制技术，更具体地说，涉及一种基于不同时间尺度的独立微电网分层协调控制方法。

背景技术

独立微电网是指与外部大电网隔离、独立自主运行的小型电力系统，它主要有两种不同形式：不与外部大电网相连接的孤岛式微电网和因某种原因断开与大电网的连接而转入独立运行模式的微电网。现有研究和实践表明，集成风、光等间歇性可再生能源和电池储能系统等多种混合能源的独立微电网，能够有效降低风、光等高渗透率间歇性电源的随机性和间歇性出力对系统运行带来的不良影响、提高系统的供电可靠性和电能质量、降低成本，还可以作为解决海岛等偏远地区电力需求的一种有效途径。

独立微电网系统内多种不同类型的分布式电源间的协调控制是系统运行控制的关键，国内外许多学者提出了很多种微电网运行控制技术，主要有主从控制、对等控制和基于多代理的分层控制三种基本控制模式。而目前大多数方案没有综合考虑分布式电源的不同类型、微电网系统电压和频率控制的层次性、系统负荷和间隙性能源出力的不同波动特性等因素对独立微电网稳定运行带来的影响。

经对现有技术的文献检索发现，“多时间尺度协调控制的独立微网能量管理策略”(郭思琪,袁越,张新松等.多时间尺度协调控制的独立微网能量管理策略[J].电工技术学报,2014,29(2):122-129.)虽然引用了多时间尺度这一概念，但仅考虑到日前和日内调度，没有细分至毫秒级。“Control of parallelinverters in distributed AC power systems with consideration of lineimpedance effect”(Tuladhar A,Jin H.,Unger T.,et.a1.Control ofparallel inverters in distributed AC power systems with considerationof line impedance effect[J].IEEE Transact ions on Industry Applications,2000,36(1):131-138.)一文提出基于用P-f和Q-V下垂控制方法的多微电源逆变器并联控制来提高负荷功率分配的精确性，但独立微电网系统电能质量仍受到系统中各微电源的不同功率等级、线路阻抗和逆变器设计参数等因素的影响。申请号为201310625717.0的中国发明专利申请提出一种基于曲线控制的独立微电网协调控制方法，保证蓄电池可长时间正常工作，延长发电机使用寿命，但没有提高微电网系统电能质量。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种基于不同时间尺度的独立微电网分层协调控制方法，充分利用蓄电池储能的瞬时响应性与柴油发电机的无差控制等优点，分区域从毫秒级到秒级进行控制，提高了系统运行的稳定性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于不同时间尺度的独立微电网分层协调控制方法，包括如下步骤：

(1)根据独立微电网系统电压和频率的动态特性，将电压和频率的波动幅度分别划分为A、B和C三类区域，A区域表示电压和频率偏差在正常波动范围，B区域表示电压和频率偏差稍微超出正常波动范围，C区域表示电压和频率偏差严重超出正常波动范围；

(2)实时监控并采集独立微电网母线上的电压值U、频率值f和功率P，并判断U、f所在的区域；

(3)若U、f处于A区域，则蓄电池储能系统和柴油发电机组不参与调节；若U、f处于B区域，负责一级控制的蓄电池储能系统参与调节以实现系统功率平衡；若U、f处于C区域，则二级控制的柴油发电机参与调节以实现系统功率平衡；

(4)重复采集U、f和P，直到判断U、f处在A区域。

作为本发明的一种改进，B区域又进一步分为B_H区域和B_L区域，B_H区域为B区域中高电压和高频率的部分，B_L区域为B区域中低电压和低频率的部分；C区域又进一步分为C_H区域和C_L区域，C_H区域为C区域中高电压和高频率的部分，C_L区域为C区域中低电压和低频率的部分。

作为本发明的一种改进，若U、f处于B_H区域，蓄电池储能系统通过充电来吸收多余的功率以实现系统功率平衡；若U、f处于B_L区域，蓄电池储能系统通过放电进行功率补偿以实现系统功率平衡；若U、f处于C_H区域，则柴油发电机降低功率输出实现系统功率平衡；若U、f处于C_L区，则柴油发电机增加功率输出实现系统功率平衡。

作为本发明的一种改进，针对变化幅度小、周期短的随机性净负荷波动分量，采用基于下垂控制的蓄电池储能系统的一级控制，分为有功-频率控制和无功-电压控制两部分，使U、f处在A区域。

作为本发明的一种改进，针对变化幅度大、周期长的冲击性净负荷波动分量，采用基于无差控制的柴油发电机的二级控制，主要包含调速器和自动电压调节器，使U、f处在A区域。

与现有技术相比，本发明综合考虑高渗透率间歇性能源和频繁投切的系统负荷，根据独立微电网的动态特性，对电压和频率波动幅度按照一定级别划分为A、B和C三类区域，A区域属于正常范围，B区域采用蓄电池储能系统作为一级控制单元，C区域利用柴油发电机作为二级控制单元。蓄电池储能系统能够在毫秒级时间尺度内有效补偿负荷功率缺额，快速抑制了系统电压和频率波动；柴油发电机动态响应速度较慢，有十秒到几十秒的时间延时，但是技术成熟、容量大而且持续时间长。为了充分利用蓄电池储能的瞬时响应性与柴油发电机的无差控制等优点，分区域从毫秒级到秒级进行控制，提高了系统运行的稳定性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的结构及其有益技术效果进行详细说明。

图1是电压和频率稳定区域划分图；

图2是本发明一种基于不同时间尺度的独立微电网分层协调控制方法流程图；

图3是在PSCAD中搭建的风柴蓄独立微电网系统示意图；

图4是微电网系统频率的仿真结果；

图5是微电网系统电压的仿真结果。

具体实施方式

为了使本发明的发明目的、技术方案及其有益技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。

请参阅图1和图2，本发明一种基于不同时间尺度的独立微电网分层协调控制方法包括如下步骤：

(1)根据独立微电网系统电压动态特性和频率动态特性，对电压和频率波动幅度按照一定级别划分为如图1所示的A、B和C三类区域，其中，A区域代表电压和频率偏差在电能质量要求范围内，B区域代表稍微超出额定电压和频率允许波动范围，C区域代表严重超出电压和频率允许波动范围；

(2)各分布式电源的控制器实时监控并采集微电网母线上的电压值U、频率值f和功率P，并判断U、f所在分区；

(3)若U、f在正常范围内即A区域，则蓄电池储能系统和柴油发电机组不参与调节；若U、f不在A区域，判断U、f是否在B_H区；若U、f处于B_H区，负责一级控制的蓄电池储能系统通过充电来吸收多余的功率，抑制和降低电压和频率波动幅度并处于稳定区域A中；若U、f不处于B_H区，判断U、f是否处于B_L区；若U、f处于B_L区，一级控制的蓄电池储能系统通过放电进行功率补偿，满足系统功率平衡；

(4)若U、f不处于B_L区，判断U、f是否处于C_H区；若U、f处于C_H区，则二级控制的柴油发电机则降低功率输出实现系统功率平衡；若U、f不处于C_H区，则判断U、f是否处于C_L区；若U、f处于C_L区，则二级控制的柴油发电机则增加功率输出实现系统功率平衡；

(5)重复采集U、f和P，直到判断U、f处在A区域，达到恢复系统电压和频率质量的目的。

在图1中，f_n为额定电网频率50Hz，U_n为系统10kV母线电压标幺值1.00p.u.，基准值为10kV，频率与电压的各区范围如下：

频率A区范围：49.5Hz≤f≤50.5Hz；

电压A区范围：0.95p.u.≤U≤1.08p.u.；

频率B区范围：B_L区为49Hz≤f<49.5Hz；B_H区为50.5Hz<f≤51Hz；

电压B区范围：B_L区为0.85p.u.≤U<0.95p.u.；B_H区为1.08p.u.<U≤1.15p.u.；

频率C区范围：C_L区为45Hz≤f<49Hz；C_H区为51Hz<f≤55Hz；

电压C区范围：C_L区为0.8p.u.≤U<0.85p.u.；C_H区为1.15p.u.<U≤1.2p.u.。

请参阅图3，以广东东澳岛独立微电网的一期项目工程为例，在PSCAD中搭建风柴蓄独立微电网系统仿真模型，该微电网系统包含有2台柴油发电机组、2台风力发电机组和1套蓄电池储能系统共5个微电源，蓄电池储能输出的直流电经过变流器转换为交流电后经升压变压器接入系统10kV母线，其它各分布式单元均直接经过升压变压器接入系统10kV母线，再通过降压变压器供给连接在L1至L5处的5个负荷。

仿真结果如图4和图5所示，图4为系统频率变化，图5为系统电压的变化。

由图4可知：40s时，风力发电机组WT₂(WT为Wind Turbine)启动，吸收系统大量有功功率，系统频率下降，此时频率偏差超过蓄电池储能系统BS(BS为Energy Storage)的调节范围，柴油发电机组增加有功功率输出，跟随系统净负荷的变化，系统频率经过短暂波动后恢复；45s时，系统净负荷增加引起系统频率下降，频率偏差在BS调节范围内，BS输出功率完成系统的频率调节；60s时，柴油发电机组DE₂(DE为Diesel Generator)故障跳闸，系统频率急剧下降，在BS和柴油发电机组DE₁的协作下，系统频率最终恢复额定值。

由图5可知：40s时，WT₂启动，吸收系统大量无功功率，系统电压下降，柴油发电机组增加无功功率输出，跟随系统净负荷的变化，系统电压经过短暂波动后恢复；60s时，DE₂故障跳闸，系统电压急剧下降，在BS和DE₁的协作下，系统电压最终恢复额定值。

仿真结果验证了所提方法能够有效提高独立微电网系统电压和频率质量。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims

1.一种基于不同时间尺度的独立微电网分层协调控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(4)重复采集U、f和P，直到判断U、f处在A区域。

2.根据权利要求1所述的基于不同时间尺度的独立微电网分层协调控制方法，其特征在于，B区域又进一步分为B_H区域和B_L区域，B_H区域为B区域中高电压和高频率的部分，B_L区域为B区域中低电压和低频率的部分；C区域又进一步分为C_H区域和C_L区域，C_H区域为C区域中高电压和高频率的部分，C_L区域为C区域中低电压和低频率的部分。

3.根据权利要求2所述的基于不同时间尺度的独立微电网分层协调控制方法，其特征在于，若U、f处于B_H区域，则蓄电池储能系统通过充电来吸收多余的功率以实现系统功率平衡；若U、f处于B_L区域，则蓄电池储能系统通过放电进行功率补偿以实现系统功率平衡；若U、f处于C_H区域，则柴油发电机降低功率输出实现系统功率平衡；若U、f处于C_L区，则柴油发电机增加功率输出实现系统功率平衡。

4.根据权利要求1所述的基于不同时间尺度的独立微电网分层协调控制方法，其特征在于，针对变化幅度小、周期短的随机性净负荷波动分量，采用基于下垂控制的蓄电池储能系统的一级控制，分为有功-频率控制和无功-电压控制两部分，使U、f处在A区域。

5.根据权利要求1所述的基于不同时间尺度的独立微电网分层协调控制方法，其特征在于，针对变化幅度大、周期长的冲击性净负荷波动分量，采用基于无差控制的柴油发电机的二级控制，主要包含调速器和自动电压调节器，使U、f处在A区域。