CN104993478A - 一种适用于用户侧微电网的离网运行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于用户侧微电网的离网运行控制方法。本发明对微电网中离网运行模式进行研究，采用分层结构的微电网协调控制策略，所述分层结构包含本地控制层和集中控制层，适用多种运行工况下多电源及负荷之间的协调控制。本发明在保证电能质量的前提下，充分利用各微电源的发电优势，高效而可靠地对用户侧微电网中多类型微电源进行协调控制，以满足微电网能量平衡和输出的要求。本方法简单实用，使微电网内部电压、频率稳定，保障重要负荷安全运行，同时充分利用了光伏发电系统的出力，提高可再生能源的利用率。

Description

一种适用于用户侧微电网的离网运行控制方法

技术领域

本发明涉及电网技术领域，特别是涉及一种微电网离网运行控制方法。

背景技术

随着化石能源逐渐枯竭和环境污染的日益加剧，发展和利用清洁能源和可再生能源成为了必然选择，太阳能、风能等可再生能源发电在全球得到了迅速发展和广泛应用。与此同时，随着工业文明的突飞猛进，电力需求日益增大，传统电网规模的不断扩大，超高压、远距离的集中输电方式受到越来越多的挑战，基于以上背景，分布式发电(Distributed Generation，DG)技术得到了国内外研究人员的广泛关注与重视。分布式发电技术的发展，一方面可以提高可在生能源的利用率和渗透率，改善能源结构，降低环境污染；另一方面，与传统大电网相结合，作为大电网的有效补充和支撑，合理的选择分布式电源的安装地点和容量，能有效改善电网末梢的电压水平，提高现有电网的供电可靠性、电能质量和供电效率，并可减缓和减少传统电网的建设或改造工程，从而降低电网的输配电设备投资成本。

为了有效解决分布式发电系统的并网接入问题，协调分布式电源与配电网之间的矛盾，提高可再生能源的利用率，各国学者展开了深入的研究，并取得了突破性的进展，由美国可靠性技术解决方案协会最早提出的微电网概念，通过分布式电源的合理配置和采用先进的控制技术，对区域内的电源和负荷进行统一控制，使这个小型的独立发配电系统对外表现为可控的“细胞”，是微电网的最大特点。微电网中分布式电源种类和数量繁多，运行方式多样，可控程度不同，所以微电网中分布式电源的协调控制策略非常复杂，因此就微电网系统运行控制展开深入研究。

作为电网未来的发展方向之一，微电网的协调控制关系到微电网的安全稳定和优化运行。经对现有技术文献的检索发现，(一种用于可并网和离网运行的微电网系统及能量控制方法，中国专利号：201310618109.7)提出了一种离网运行控制方式，它通过检测蓄电池的SOC(State of Charge，荷电状态)，控制超级电容对蓄电池充放电状态进行修正，通过中央控制器、能量控制装置、负载控制器使微电网稳定运行，但是对控制器的协调要求很高。现有的微电网协调控制策略各有利弊，难以大面积推广应用，在离网运行方面的研究也较少。本发明在借鉴前人研究成果的基础上，重点考虑光伏发电与储能电池的协调运行，开展用户侧微电网的离网运行控制系统研究与实现工作，为我国的微电网推广应用提供低成本高效率的解决方案。

发明内容

本发明的目的是针对用户侧微电网，提供适用于用户侧微电网的离网运行控制方法，该策略设计简便、响应可靠。

一种适用于用户侧微电网的离网运行控制方法，采用分层结构的微电网协调控制策略，所述分层结构包含本地控制层和集中控制层；

所述本地控制层中的智能终端、负荷控制器、光伏发电系统控制器和储能控制器接收集中控制层各种控制指令后，在无需互相通信的前提下基于本地测量信息实现对具体开关、线路、光伏发电系统、储能变流器、负荷的控制；本地控制层将用户侧微电网内部各终端处的电压、电流、功率和储能SOC工况信息上送至集中控制层；

集中控制层用于维持用户侧微电网电压和频率的稳定，其主要功能有：

(1)完成底层单体设备数据采集与处理，具备对分布式单元、可控负荷的监控功能；

(2)基于光照、温度和历史数据信息，实现对光伏发电系统和负荷的短期和超短期预测；

(3)在用户侧微电网离网运行时，通过对各分布式电源的控制模式及控制参数的设置，保证微电网安全稳定运行，同时维持全网电压和频率在允许范围之内。

本发明基于分层结构的微电网协调控制策略中，令ΔP＝∑P_pv+∑P_bat-∑P_loss-∑P_load即光伏发电系统与储能出力之和减去负荷功率和用户侧微电网有功损耗，通过判断ΔP的大小进入投负荷、减少出力和增加出力操作等流程，合理地设置参数，实现离网运行多电源协调的“滞环控制”，避免控制系统的频繁动作。当储能系统、光伏发电系统和负荷的调节不能保证微电网内部功率的平衡，使得电压或频率异常时，进入电压稳定控制或频率稳定控制操作流程。

式中P_pv为光伏发电出力，P_bat为储能出力，P_loss为负荷功率损耗，P_load为微电网有功损耗。

当电源出力小于负荷需求时，协调控制策略进入增大出力程序，具体流程分析如下：

(1)存在PQ(功率可调)光伏发电系统的前提下，增加PQ光伏发电系统的有功出力。

(2)若增加运行中光伏发电系统的出力后未能填补功率缺额，且存在可投入的光伏发电系统情况下，则进入投入光伏发电系统流程。若光伏发电系统的运行模式为MPPT(Maximum Power Point Tracking)，则依次投入满足条件式的光伏电源。若光伏发电系统运行模式为PQ，则全部启动并按照功率分配原则设定PQ光伏发电系统出力。

(3)充分利用光伏发电系统的出力未能满足负荷需求后，对可进行PQ类储能系统的功率进行调节。

(4)PQ类储能系统满放后仍未能满足负荷需求后，对系统储能主电源的SOC状态进行判断，若主电源已处于越下限状态或功率缺额不能满足负荷需求时，依次切除最接近功率缺额的非重要负荷。

当电源出力大于负荷需求时，协调控制策略进入减少出力程序，具体流程分析如下：

(1)存在负荷未投入情况，此时投入满足条件式

(P_batDhLmt-P_batRl)+ΔP≥1.5·P_loadj的负荷

式中，P_batDhLmt为储能主电源的放电功率限制，P_batRl为储能主电源的实际放电功率，P_loadj为可投入的负荷有功功率。

(2)若不存在未投入的负荷，判断储能主电源能否通过充电吸收电源多余有功出力，若能够吸收多余出力则协调控制不动作，由主电源平抑功率的波动；否则在储能主电源满充的情况下转入调节光伏发电系统出力环节。

(3)以尽量避免弃光控制为原则，对储能可充电功率和PQ光伏发电系统有功功率之和进行计算，判断是否进行切除MPPT光伏电源操作。

(4)调节光伏发电系统出力环节中，切除有功出力离多余出力最近的MPPT光伏发电系统即可。

(5)减少光伏发电系统的出力仍使电源出力大于负荷需求时，对储能系统进行的功率进行调节。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：在保证电能质量的前提下，充分利用各微电源的发电优势，高效而可靠地对用户侧微电网中多类型微电源进行协调控制，以满足微电网能量平衡和输出的要求。

附图说明

图1是离网状态协调控制策略主流程。

图2是增大出力程序图。

图3是减少出力程序图。

图4是母线电压及频率变化图。

图5是光照强度及负荷变化图。

图6是光伏控制信号及出力变化图。

图7是储能出力及SOC变化图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1是一种适用于用户侧微电网的离网运行控制方法的主流程，令ΔP＝∑P_pv+∑P_bat-∑P_loss-∑P_load即光伏发电系统与储能出力之和减去负荷功率和用户侧微电网有功损耗，通过判断ΔP的大小进入投负荷、减少出力和增加出力操作等流程，合理地设置参数，实现离网运行多电源协调的“滞环控制”，避免控制系统的频繁动作。当储能系统、光伏发电系统和负荷的调节不能保证微电网内部功率的平衡，使得电压或频率异常时，进入电压稳定控制或频率稳定控制操作流程。

式中P_pv为光伏发电出力，P_bat为储能出力，P_loss为负荷功率损耗，P_load为微电网有功损耗，SOC_min是SOC最小值(10％)，SOC_max是SOC最大值(90％)，P_ofset1为区间免频繁调正值，P_ofset2为区间免频繁调负值。

图2是电源出力小于负荷需求时，增大出力程序图，具体流程分析如下：

(1)存在可调PQ光伏发电系统的前提下，增加PQ光伏发电系统的有功出力，按下式所示

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{pqAdi}=\min (P_{pqRmi},\frac{P_{pqRmi}}{{\mathrm{\ΣP}}_{pqRmi}}\×\mathrm{\Δ}P)\\ P_{pqRmi}=P{pq\mathrm{Pr}i}_{}-P{pqRli}_{}\\ P{pqSeti}_{}=P{pqRli}_{}+P_{pqAdi}\end{array}\right.$

式中，P_pqAdi为PQ运行模式的光伏发电系统增加的有功功率指令，P_pqPri为PQ光伏发电系统的有功预测值，P_pqRli为PQ光伏发电系统的实际有功出力。

(2)若增加运行中光伏发电系统的出力后未能填补功率缺额，且存在可投入的光伏发电系统情况下，则进入投入光伏发电系统流程。若光伏发电系统的运行模式为MPPT，则依次投入满足条件

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{mp\mathrm{Pr}j}=max\left\{p_{mpPri}\right\}\\ p_{mpPri}<\mathrm{\&Delta;}P\end{array}\right.$

的光伏电源。若光伏发电系统运行模式为PQ，则全部启动并按照功率分配原则设定PQ光伏发电系统出力，分配出力如下

$P_{pqSeti}=min(P_{pqPri},\frac{P_{pqPri}}{{\mathrm{\&Sigma;P}}_{pqPri}}\&times;\mathrm{\&Delta;}P)$

式中，P_mpPrj为待投入的MPPT电源的有功预测值，j为待投入电源编号；P_mpPri可投入的MPPT电源有功预测值，P_pqSeti为待投入的PQ光伏电源的有功设定值；P_pqPri为待投入的PQ光伏电源的有功预测值。

(3)充分利用光伏发电系统的出力未能满足负荷需求后，对可进行PQ类储能系统的功率进行调节，其放电功率设定如下式所示

$P_{batSeti}=min(P_{batDhLmti},P_{batRli}+\frac{P_{batDhLmti}-P_{batRli}}{\mathrm{\&Sigma;}(P_{batDhLmti}-P_{batRli})}\&times;\mathrm{\&Delta;}P)$

(4)PQ类储能系统满放后仍未能满足负荷需求后，对系统储能主电源的SOC状态进行判断，若主电源已处于越下限状态或功率缺额不能满足负荷需求时，依次切除最接近功率缺额的非重要负荷，如下式所述：

$\left\{\begin{array}{c}k=j,|P_{loadj}-\mathrm{\&Delta;}P|=P_{min}\\ P_{min}=min\left\{\right|P_{loadj}-\mathrm{\&Delta;}P\left|\right\},j=1,2,...,n\end{array}\right.$

式中，P_loadj为非重要负荷i的功率，k为最接近功率缺额的非重要负荷编号，n为非重要负荷个数。

图3是电源出力大于负荷需求时，减少出力程序图，具体流程分析如下：

(1)存在负荷未投入情况，此时投入满足下式的负荷：

(P_batDhLmt-P_batRl)+ΔP≥1.5·P_loadj

式中，P_batDhLmt为储能主电源的放电功率限制，P_batRl为储能主电源的实际放电功率，P_loadj为可投入的负荷j有功功率。

(2)若不存在未投入的负荷，判断储能主电源能否通过充电吸收电源多余有功出力，若能够吸收多余出力则协调控制不动作，由主电源平抑功率的波动；否则在储能主电源满充的情况下转入调节光伏发电系统出力环节。

(3)以尽量避免弃光控制为原则，对储能可充电功率和PQ光伏发电系统有功功率之和进行计算，判断是否进行切除MPPT光伏电源操作，计算公式如下所示。

P_sumCtrl＝∑P_pqRli+∑(P_batRli-P_batChLmti)

(4)调节光伏发电系统出力环节中，切除有功出力离多余出力最近的MPPT光伏发电系统即可，如下式所述：

$\left\{\begin{array}{c}k=j,|P_{mpRlj}+\mathrm{\&Delta;}P|=P_{min}\\ P_{\min }=min\left\{\right|P_{mpRli}+\mathrm{\&Delta;}P\left|\right\},j=1,2...n\end{array}\right.$

式中，P_mpRli为待切除的MPPT光伏发电系统的有功出力实际值，k为出力离调度有功缺额最近的MPPT光伏编号。

减少PQ光伏发电系统的有功出力如下式所述：

$P_{pqSeti}=P_{pqRli}+max(-P_{pqRli},\frac{P_{pqRli}}{{\mathrm{\&Sigma;P}}_{pqRli}}\&times;\mathrm{\&Delta;}P)$

(4)减少光伏发电系统的出力仍使电源出力大于负荷需求时，对储能系统进行的功率进行调节，其功率设定如下式所述：

$P_{batSeti}=max(P_{batChLmti},\frac{P_{batRli}-P_{batChLmti}}{\mathrm{\&Sigma;}(P_{batRli}-P_{batChLmti})}\&times;\mathrm{\&Delta;}P)$

为了验证所提出的用户侧型微电网多微电源离网运行协调控制策略，本实例设置了典型工况进行仿真验证，仿真参数及波形分析如下所述：

光照：0～3s：700W/m²，3～6s：900W/m²，6～9s：1000W/m²，每9s循环

一次；

温度：25℃；

光伏1：MPPT类，容量为30kVA；

光伏2：可限功率运行，容量为30kVA；

光伏3：可限功率运行，容量为30kVA；

储能主电源：VF(Voltage-Frequency)/PQ，容量为90kVA，SOC：85％；

辅助储能：PQ，容量为30kVA，SOC：60％；

负荷1：0～9s：容量15kW，9～18s：容量18kW，18～27s：35kW，27～36s：

容量18kW，36～45s：容量15kW；

负荷2：0～9s：容量15kW，9～18s：容量18kW，18～27s：35kW，27～36s：

容量18kW，36～45s：容量15kW；

负荷3：0～9s：容量15kW，9～18s：容量18kW，18～27s：35kW，27～36s：

容量18kW，36～45s：容量15kW；

系统仿真时间20s代表1个小时。

图4是母线电压及频率变化图，图5是光照强度及负荷变化图，图6是光伏控制信号及出力变化图，图7是储能出力及SOC变化图。

系统初始运行时，微电源发出功率总共为60kW，而负荷只有45kW，系统净负荷为-15kW，可由储能主电源完成吸收，主电源充电功率为15kW，在3s时，光照增强，光伏输出功率增大到78kW，主电源和辅助电源进行充电，在5s时，系统不能完全吸收多余能量，为了维持系统稳定，切除MPPT类光伏，随后系统达到平衡；在18s左右，满足光伏投入条件，MPPT类光伏可投入；之后，在30s前，辅助电源一直处于放电状态，之后随着光照的增加和负荷的减少，主电源和辅助电源处于充电状态，到33s时，由于系统电源不能完全吸收多余太阳能，为了维持系统的稳定，将切除MPPT类光伏，切除MPPT类光伏后，系统重新达到平衡，整个系统测试波形如图4-图7所示。

结果表明本发明所提出的用户侧微电网离网运行控制策略能够有效地保障微电网的安全稳定运行。

Claims (2)

1.一种适用于用户侧微电网的离网运行控制方法，采用分层结构的微电网协调控制策略，所述分层结构包含本地控制层和集中控制层；其特征在于：

令ΔP＝∑P_pv+∑P_bat-∑P_loss-∑P_load，即光伏发电系统与储能出力之和减去负荷功率和用户侧微电网有功损耗，通过判断ΔP的大小进入投负荷、减少出力和增加出力操作流程，合理地设置微电网参数，实现离网运行多电源协调控制，避免控制系统的频繁动作；当储能系统、光伏发电系统和负荷的调节不能保证微电网内部功率的平衡，使得电压或频率异常时，进入电压稳定控制或频率稳定控制操作流程；

式中P_pv为光伏发电出力，P_bat为储能出力，P_loss为负荷功率损耗，P_load为微电网有功损耗；

所述微电网协调控制策略中，当电源出力小于负荷需求时，进入增大出力程序；当电源出力大于负荷需求时，进入减少出力程序。

2.根据权利要求1所述的一种适用于用户侧微电网的离网运行控制方法，其特征在于所述微电网协调控制策略中，

当电源出力小于负荷需求时，进入增大出力程序，具体过程如下：

(1)存在可调PQ光伏发电系统的前提下，增加PQ光伏发电系统的有功出力，按下式所示

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{pqAdi}=\min (P_{pqRmi},\frac{P_{pqRmi}}{\&Sigma;P_{pqRmi}}\&times;\mathrm{\&Delta;}P)\\ P_{pqRmi}=P_{pq\mathrm{Pr}i}-P_{pqRli}\\ P_{pqSeti}=P_{pqRli}+P_{pqAdi}\end{array}\right.$

式中，P_pqAdi为PQ运行模式的光伏发电系统增加的有功功率指令，P_pqPri为PQ光伏发电系统的有功预测值，P_pqRli为PQ光伏发电系统的实际有功出力；

(2)若增加运行中光伏发电系统的出力后未能填补功率缺额，且存在可投入的光伏发电系统情况下，则进入投入光伏发电系统流程；若光伏发电系统的运行模式为MPPT，则依次投入满足条件

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{mpPrj}=max\left\{p_{mpPri}\right\}\\ p_{mpPri}<\mathrm{\&Delta;}P\end{array}\right.$

的光伏电源；若光伏发电系统运行模式为PQ，则全部启动并按照功率分配原则设定PQ光伏发电系统出力，分配出力如下

$p_{pqSeti}=min(p_{pqPri},\frac{p_{pqPri}}{{\mathrm{\&Sigma;P}}_{pqPri}}\&times;\mathrm{\&Delta;}P)$

式中，P_mpPrj为待投入的MPPT电源的有功预测值，j为待投入电源编号；P_mpPri可投入的MPPT电源有功预测值，P_pqSeti为待投入的PQ光伏电源的有功设定值；P_pqPri为待投入的PQ光伏电源的有功预测值；

(3)充分利用光伏发电系统的出力未能满足负荷需求后，对可进行PQ类储能系统的功率进行调节，其放电功率设定如下式所示

$P_{batSeti}=\min (P_{batDhLmti},P_{batRli}+\frac{P_{batDhLmti}-P_{batRli}}{\&Sigma;(P_{batDhLmti}-P_{batRli})}\&times;\mathrm{\&Delta;}P)$

(4)PQ类储能系统满放后仍未能满足负荷需求后，对系统储能主电源的SOC状态进行判断，若主电源已处于越下限状态或功率缺额不能满足负荷需求时，依次切除最接近功率缺额的非重要负荷，如下式所述：

$\left\{\begin{array}{c}k=j,|P_{loadj}-\mathrm{\&Delta;}P|=P_{min}\\ P_{min}=min\left\{\right|P_{loadj}-\mathrm{\&Delta;}P\left|\right\},j=1,2,\mathrm{...},n\end{array}\right.$

式中，P_loadj为非重要负荷i的功率，k为最接近功率缺额的非重要负荷编号，n为非重要负荷个数；

当电源出力大于负荷需求时，进入减少出力程序，具体流程如下：

(1)存在负荷未投入情况，此时投入满足下式的负荷：

(P_batDhLmt-P_batRl)+ΔP≥1.5·P_loadj

式中，P_batDhLmt为储能主电源的放电功率限制，P_batRl为储能主电源的实际放电功率，P_loadj为可投入的负荷j有功功率；

(2)若不存在未投入的负荷，判断储能主电源能否通过充电吸收电源多余有功出力，若能够吸收多余出力则协调控制不动作，由主电源平抑功率的波动；否则在储能主电源满充的情况下转入调节光伏发电系统出力环节；

(3)以尽量避免弃光控制为原则，对储能可充电功率和PQ光伏发电系统有功功率之和进行计算，判断是否进行切除MPPT光伏电源操作，计算公式如下所示；

P_sumCtrl＝∑P_pqRli+∑(P_batRli-P_batChLmti)；

(4)调节光伏发电系统出力环节中，切除有功出力离多余出力最近的MPPT光伏发电系统即可，如下式所述：

$\left\{\begin{array}{c}k=j,|P_{mpRlj}+\mathrm{\&Delta;}P|=P_{min}\\ P_{min}=min\left\{\right|P_{mpRli}+\mathrm{\&Delta;}P\left|\right\},j=1,\mathrm{2...}n\end{array}\right.$

式中，P_mpRli为待切除的MPPT光伏发电系统的有功出力实际值，k为出力离调度有功缺额最近的MPPT光伏编号；

减少PQ光伏发电系统的有功出力如下式所述：

$P_{pqSeti}=P_{pqRli}+max(-p_{pqRli},\frac{p_{pqRli}}{{\mathrm{\&Sigma;P}}_{pqRli}}\&times;\mathrm{\&Delta;}P)$

(5)减少光伏发电系统的出力仍使电源出力大于负荷需求时，对储能系统进行的功率进行调节，其功率设定如下式所述：

$P_{batSeti}=max(P_{batChLmti},\frac{P_{batRli}-P_{batChLmti}}{\mathrm{\&Sigma;}(P_{batRli}-P_{batChLmti})}\&times;\mathrm{\&Delta;}P).$