CN105656034A - 孤岛微电网频率控制的仿真建模方法 - Google Patents

孤岛微电网频率控制的仿真建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种孤岛微电网频率控制的仿真建模方法，包括步骤：S1，将孤岛微电网根据不同分布式电源划分为通过联络线连接的第一控制区域和第二控制区域；S2，在Simulink仿真环境下，对第一控制区域和第二控制区域中的各个分布式电源建立仿真模型；S3，在Simulink仿真环境下，对连接第一控制区域和第二控制区域的联络线建模；第一控制区域包括双馈式风力发电机组和负荷；第二控制区域包括飞轮储能、燃气轮机组以及光伏发电。本发明建立孤岛微电网为两区域互联的仿真模型，通过控制算法设计互联电网的自动发电控制器对整个孤岛微电网系统进行实时仿真，检测和调节控制，实现对孤岛微电网频率的长期稳定控制。

Description

孤岛微电网频率控制的仿真建模方法
技术领域
本发明涉及微电网运行与控制领域，更具体地说，本发明涉及一种孤岛微电网频率控制的仿真建模方法。
背景技术
孤岛微电网是解决中国偏远地区用电、大电网灾变时地方用电和战争条件下部队用电等的重要途径。当微网中接入光伏等新能源时，由于受天气变化的影响，其输出功率具有波动性、随机性、间歇性等特点。为了保持接入新能源的孤岛微电网的平稳运行，必须对微网进行有效的频率调节。近年来，关于微网的研究包含各种运行控制策略，主要包括集中控制与分散式控制两种。集中控制主要由一个中心控制单元对微网进行总的数据处理和分析，分散式控制则是将控制器分散在各个分布式电源，分别处理数据和传达控制指令。在微网的建模中，不管是集中控制还是分散式控制，通过有功功率控制频率的方式都是建立在微网的负荷频率控制(LoadFrequencyControl，LFC)模型上。
现有技术中，一种基于负荷调节方式的微网建模方法，利用系统可靠性运行的约束条件，对不同的分布式电源进行数学建模，然后利用PSCAD等仿真平台搭建整个微网系统的仿真模型。采用此种建模方法时，对分布式电源的基本特性进行数学建模，并不能体现微网各分布式电源实时的频率特性，在进行控制方法仿真时，实时的随机频率扰动也不能通过可靠性运行的约束条件来控制实现。另一种基于建立微网仿真模型的建模方法，基于simulink仿真软件，分别建立微网分布式能源的仿真模型。其中将风力发电建模为随机扰动的负荷输入系统，采用集控式的控制方式，将统一的功率指令传达致调频机组。如将燃气轮机组与小水电做为调频机组，通过频率响应等值函数返回实时频率值实现闭环控制。采用此种建模方法进行仿真时，由于将风力发电模型建立为随机扰动的负荷输入系统，则微网中容量比较大的风力发电则不能参与调频，并且自身做为随机性扰动则只能通过其他的调频机组进行调节。此外，此种建模方法采用电力系统自动发电控制进行微网二次调频时，为实现无差调节，需要调节各调频机组的有功功率来使系统频率恢复到额定值，这就需要对各个参与调频的调频机组设计不同的调节器。这对于集控式控制器来说实现难度比较大，控制精度比较低。
发明内容
针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种孤岛微电网频率控制的仿真建模方法，针对孤岛微电网系统的不稳定性和分布式电源的分布与相互连接特性，基于simulink仿真软件，建立孤岛微电网为两区域互联的仿真模型，通过控制算法设计互联电网的自动发电控制器对整个孤岛微电网系统进行实时仿真，检测和调节控制，实现对孤岛微电网频率的长期稳定控制。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，本发明通过以下技术方案实现：
本发明所述的孤岛微电网频率控制的仿真建模方法，包括以下步骤：
S1，将孤岛微电网根据不同分布式电源划分为通过联络线连接的第一控制区域和第二控制区域，
S2，在Simulink仿真环境下，对所述第一控制区域和第二控制区域中的各个分布式电源建立仿真模型；
S3，在Simulink仿真环境下，对连接所述第一控制区域和所述第二控制区域的联络线建模；
其中，所述第一控制区域包括双馈式风力发电机组和负荷；所述第二控制区域包括飞轮储能、燃气轮机组以及光伏发电。
优选的是，步骤S2具体包括：
S21，建立仿真模型的一次调频模型，其包括分别对所述双馈式风力发电机组和所述飞轮储能建立一次调频模型；
S22，建立仿真模型的二次调频模型，其包括分别对所述双馈式风力发电机组和所述燃气轮机组建立二次调频模型。
优选的是，所述负荷作为扰动输入第一控制区域；所述光伏发电作为扰动输入所述第二控制区域。
优选的是，添加频率响应模块，设置双馈式风力发电机组响应频率变化的有功功率调节量为ΔP，建立所述双馈式风力发电机组的一次调频模型：则，其中，Kp、Kd为设置的响应系数，Δf为频率偏差。
优选的是，设置双馈式风力发电机组的桨距角为β、双馈式风力发电机组的调节功率值为P，建立所述双馈式风力发电机组的二次调频模型：
则， β = - 539.2 ( P k P V p u 3 ) 3 + 584.6 ( P k P V p u 3 ) 2 - 249.4 ( P k P V p u 3 ) 3 + 44.32 ;
其中，V为风速标幺值，kP为风能利用系数额定值，Vpu为风机实时转速。
优选的是，建立所述燃气轮机组的二次调频模型方法如下：将频率偏差Δf与功率调节值ΔP0输入调速器，调速器输出功率调节值ΔP1；功率调节值ΔP1依次通过涡轮机与双馈式风力发电机组，经过频率响应函数返回频率值Δf
其中，调速器传递函数为1/T1S+1，T1＝10s；负荷限制环节传递函数为1/T2S+1，T2＝3.0s。
优选的是，步骤S3中，对联络线建模的方法是：设所述第一控制区域的返回频率为f1、所述第二控制区域的返回频率为f2、所述第一控制区域与所述第二控制区域的功率差值为P12、联络线频率响应参数为Kf，则满足： P 12 = 1 K f · S ( f 1 + f 2 ) .
本发明至少包括以下有益效果：本发明提供的孤岛微电网频率控制的仿真建模方法，针对孤岛微电网系统的不稳定性和分布式电源的分布与相互连接特性，基于simulink仿真软件，将孤岛微电网分为第一控制区域和第二控制区域，通过控制算法设计互联电网的自动发电控制器对整个孤岛微电网系统进行实时仿真，检测和调节控制，实现对孤岛微电网频率的长期稳定控制。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明所述的孤岛微电网频率控制的仿真建模方法的流程图；
图2为本发明所述的孤岛微电网频率控制的仿真建模方法的示意图；
图3为本发明所述的双馈式风力发电机组的一次调频模型示意图；
图4为本发明所述的双馈式风力发电机组的二次调频模型示意图；
图5为本发明所述的燃气轮机组的二次调频模型示意图；
图6为本发明所述的飞轮储能的仿真模型示意图；
图7为本发明所述的联络线建模示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
本发明提供一种孤岛微电网频率控制的仿真建模方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1，将孤岛微电网根据不同分布式电源划分为通过联络线连接的第一控制区域和第二控制区域；
S2，在Simulink仿真环境下，对第一控制区域和第二控制区域中的各个分布式电源建立仿真模型；
S3，在Simulink仿真环境下，对连接第一控制区域和第二控制区域的联络线建模；
其中，第一控制区域的分布式电源包括双馈式风力发电机组和负荷；第二控制区域的分布式电源包括飞轮储能、燃气轮机组以及光伏发电。
由于孤岛微电网的分布式电源是相互连接，都作用于孤岛微电网这个系统，所以将不同的分布式电源看做两个互联的区域电网，各有发电单元与负荷。由于孤岛微电网建模的互联电网的随机性，负荷发生频率扰动时，光伏输出也有跳变，所以需要对两个区域同时进行控制。本发明采用联络线功率频率偏差控制(TielineBiasFrequencyControl，TBC)的方法，在参数选取合适的情况下，只有发生扰动的控制区才会产生控制作用，其它控制区不进行控制，从而实现对系统的频率稳定控制。
本发明针对孤岛微电网系统的不稳定性和分布式电源的分布与相互连接特性，基于simulink仿真软件，通过控制算法设计互联电网的自动发电控制器对整个孤岛微电网系统进行实时仿真，检测和调节控制，实现对孤岛微电网频率的长期稳定控制。
作为本发明的另一种实施方式，如图2所示，因为双馈式风力发电机组含有一次调频与二次调频的功能，所以孤岛微电网频率控制仿真建模的一次调频由双馈式风力发电机组的一次调频部分与飞轮储能完成，孤岛微电网频率控制仿真建模的二次调频由双馈式风力发电机组的二次调频部分和燃气轮机进行调节。因此，步骤S2具体包括：S21，建立仿真模型的一次调频模型，其包括分别对双馈式风力发电机组和飞轮储能建立一次调频模型；S22，建立仿真模型的二次调频模型，其包括分别对双馈式风力发电机组和燃气轮机组建立二次调频模型。
作为本发明的另一种实施方式，负荷作为扰动输入第一控制区域；光伏发电可以看做不可控能源，由于光伏发电的随机性，在输出功率时也会对微网频率产生扰动影响，因此，光伏发电作为扰动输入第二控制区域。
作为本发明的另一种实施方式，建立双馈式风力发电机组的一次调频模型时，传统的同步双馈式风力发电机组能够在孤岛微电网系统频率偏离额定值时通过转子动能的释放和吸收来调节系统的频率偏差，对于双馈式风力发电机组来说这不可能自动的完成，因此，本发明采用添加频率响应模块的方法，设置双馈式风力发电机组响应频率变化的有功功率调节量为ΔP，建立双馈式风力发电机组的一次调频模型：由于功率变化值与频率偏差以及频率偏差的微分有关，所以设置风机自动响应系统频率变化的有功功率调节量为(1)式：则，其中，Kp、Kd为设置的响应系数，Δf为频率偏差。双馈式风力发电机组本身的转速不高，如果此时孤岛微电网系统中频率降低，转速会进一步的下降，这将会造成双馈式风力发电机组的电机停转，因此在一次调频的控制器中应考虑风速的范围，以保证双馈式风力发电机组的电机能够正常的运行。若风机最低转速极限为0.7，初始桨距角为5°，则设置风机最低有效转速Vmin＝6.44m/s。因此，建立双馈式风力发电机组的一次调频模型，如图3所示。
作为本发明的另一种实施方式，双馈式风力发电机组的系统通常稳定运行于最大功率曲线的状态，为了能够调节双馈式风力发电机组系统中变化周期长、变化幅度大的负荷分量，双馈式风力发电机组电机的功率需要有一定的冗余，也就是说双馈式风力发电机组的电机应运行于亚最大功率状态而不是运行于桨距角β＝0°。因此，双馈式风力发电机组的输出功率与桨距角有很大的关系，可以通过设置桨距角初值实现功率余量的保留。通过拟合最大功率曲线的方式来得出最优叶尖速比与桨距角的关系、桨距角与风能利用系数的多项式，最终得到输出功率与桨距角的关系。
所以，建立双馈式风力双馈式风力发电机组的二次调频模型时，设置双馈式风力发电机组的桨距角为β、双馈式风力发电机组调度中心下达的调节功率值为P，则， β = - 539.2 ( P k P V p u 3 ) 3 + 584.6 ( P k P V p u 3 ) 2 - 249.4 ( P k P V p u 3 ) 3 + 44.32 ; 其中，V为风速标幺值，kP为风能利用系数额定值，Vpu为风机实时转速，建立的双馈式风力发电机组的二次调频模型如图4所示。当双馈式风力发电机组的系统中功率发生不匹配时，调度中心或本地控制中心下达风电场需要增加或减少P，双馈式风力发电机组的二次调频控制器将调节功率转换为桨距角，通过调节桨距角实现双馈式风力发电机组的调节功率值的改变。
作为本发明的另一种实施方式，建立燃气轮机组的二次调频模型方法如下：将频率偏差Δf与功率调节值ΔP0输入调速器，调速器输出功率调节值ΔP1；功率调节值ΔP1依次通过涡轮机与双馈式风力发电机组，经过频率响应函数返回频率值Δf；其中，调速器传递函数为1/T1S+1，T1＝10s；负荷限制环节传递函数为1/T2S+1，T2＝3.0s。燃气轮机组的二次调频模型如图5所示。
作为本发明的另一种实施方式，建立飞轮储能的仿真模型，包括飞轮惯性与限幅环节，调差系数为1/Rfw，Rfw＝8，如图6所示。
作为本发明的另一种实施方式，电力系统的控制区是以区域的负荷和发电来进行平衡的。当某一个控制区内的发电与负荷产生不平衡时，其它控制区通过联络线上功率的变化进行支援。因此，步骤S3中，对联络线建模的方法是：设第一控制区域的返回频率为f1、第二控制区域的返回频率为f2、第一控制区域与第二控制区域的功率差值为P12、联络线频率响应参数为Kf，则满足：如图7所示。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种孤岛微电网频率控制的仿真建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将孤岛微电网根据不同分布式电源划分为通过联络线连接的第一控制区域和第二控制区域；
S2，在Simulink仿真环境下，对所述第一控制区域和第二控制区域中的各个分布式电源建立仿真模型；
S3，在Simulink仿真环境下，对连接所述第一控制区域和所述第二控制区域的联络线建模；
其中，所述第一控制区域包括双馈式风力发电机组和负荷；所述第二控制区域包括飞轮储能、燃气轮机组以及光伏发电。
2.如权利要求1所述的孤岛微电网频率控制的仿真建模方法，其特征在于，步骤S2具体包括：
S21，建立仿真模型的一次调频模型，其包括分别对所述双馈式风力发电机组和所述飞轮储能建立一次调频模型；
S22，建立仿真模型的二次调频模型，其包括分别对所述双馈式风力发电机组和所述燃气轮机组建立二次调频模型。
3.如权利要求1所述的孤岛微电网频率控制的仿真建模方法，其特征在于，所述负荷作为扰动输入第一控制区域；所述光伏发电作为扰动输入所述第二控制区域。
4.如权利要求2所述的孤岛微电网频率控制的仿真建模方法，其特征在于，添加频率响应模块，设置双馈式风力发电机组响应频率变化的有功功率调节量为ΔP，建立所述双馈式风力发电机组的一次调频模型：则，其中，Kp、Kd为设置的响应系数，Δf为频率偏差。
5.如权利要求2所述的孤岛微电网频率控制的仿真建模方法，其特征在于，设置双馈式风力发电机组的桨距角为β、双馈式风力发电机组的调节功率值为P，建立所述双馈式风力发电机组的二次调频模型：
则， β = - 539.2 ( P k P V p u 3 ) 3 + 584.6 ( P k P V p u 3 ) 2 - 249.4 ( P k P V p u 3 ) 3 + 44.32 ;
其中，V为风速标幺值，kP为风能利用系数额定值，Vpu为风机实时转速。
6.如权利要求2所述的孤岛微电网频率控制的仿真建模方法，其特征在于，建立所述燃气轮机组的二次调频模型方法如下：将频率偏差Δf与功率调节值ΔP0输入调速器，调速器输出功率调节值ΔP1；功率调节值ΔP1依次通过涡轮机与双馈式风力发电机组，经过频率响应函数返回频率值Δf
其中，调速器传递函数为1/T1S+1，T1＝10s；负荷限制环节传递函数为1/T2S+1，T2＝3.0s。
7.如权利要求1-6中任一项所述的孤岛微电网频率控制的仿真建模方法，其特征在于，步骤S3中，对联络线建模的方法是：设所述第一控制区域的返回频率为f1、所述第二控制区域的返回频率为f2、所述第一控制区域与所述第二控制区域的功率差值为P12、联络线频率响应参数为Kf，则满足： P 12 = 1 K f · S ( f 1 + f 2 ) .
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