CN106099970A - 一种考虑三相不平衡度约束的多微电网黑启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑三相不平衡度约束的多微电网黑启动方法。多微网作为结构及控制模式更加复杂的微电网群落，研究安全有效地黑启动以进入正常运行状态对提高供电可靠性具有重要意义。在分析含单三相复合混联的多微网结构及控制系统基础上，为使主电源高效运行，提出一种考虑三相不平衡度约束的多微电网黑启动方法，通过选择考虑源荷网条件的储能系统作为黑启动主电源，以分散‑集中方式实现多微网的源荷网恢复。所提方法经验证有效可靠，可为多微网黑启动恢复提供一定的借鉴意义。

Description

一种考虑三相不平衡度约束的多微电网黑启动方法

技术领域

本发明涉及多微网黑启动领域，特别涉及一种考虑三相不平衡度约束的多微电网黑启动方法。

背景技术

随着世界经济快速发展，人类社会对电力供应的依赖度不断提高，大停电事故造成的后果日趋严重。为减少停电时间及停电引起的经济损失，研究快速、高效、可靠的黑启动方法对电力系统的安全稳定运行具有重要意义。黑启动是指电力系统在因故障停运后，不依赖于其他的网络，通过启动系统内具有自启动能力的电源，带动无自启动能力的电源进行，并逐步扩大系统恢复范围，最终实现整个系统恢复的过程。传统电网的黑启动恢复过程时间较长且较为复杂，可划分为三个阶段：准备阶段，网架恢复阶段，负荷恢复阶段。准备阶段中，需确定系统分区、选择网架恢复方法、选择恢复路径、确定黑启动电源等；网架恢复阶段需完成输电线路的充电、启动相应的黑启动机组、同步子系统、维持有功无功平衡等；负荷恢复阶段，需尽快恢复重要负荷。

随着微网规模化接入，地域相近且因互联互需而形成了能满足特定功能和控制目标的多微网系统，其考虑了子微网独立运行和系统协调运行要求，既满足各微网内部稳定运行，又可实现各微网间能量互济。由于多微网网架结构及控制系统的复杂性，传统的单微网黑启动方法无法直接应用于多微网，其黑启动过程需考虑各子微网内不同的源荷特性，更多关注各子微网间的协调配合，以更平稳地完成黑启动过程。单相分布式电源，甚至单相微网的接入，从而形成单三相多微网混联的复杂结构系统，这方面研究国外刚开始开展，而国内基本处于空白。

经对现有技术文献的检索发现，一种适用于光储微电网的黑启动系统及方法(发明专利：CN201510703476.6)公开了一种适用于光储微电网的黑启动系统及方法。系统包括控制层、监测层和通讯层，控制层由微电网中央控制器MGCC和下层控制器组成，下层控制器包括负荷控制器、光伏控制器和储能控制器；监测层由监测装置即电流互感器、电压互感器以及功率计组成；下层控制器与监测 层连接，下层控制器与微电网中央控制器之间通过通讯层通信，通讯层由通信端口和通信网络组成。该发明提出了一种基于串行恢复的光储微电网黑启动方法，适用于对不同拓扑类型的光储微电网进行黑启动控制，黑启动方法基于串行恢复，具有简单、稳定、快速的优点，能使微电网在离网状态下恢复内部电压和频率稳定和负荷的供电。但该方法只考虑单微网系统的黑启动，未考虑三相不平衡情况下多微网的黑启动方法。

发明内容

本发明提出一种考虑三相不平衡度约束的多微电网黑启动方法，通过选择考虑源荷网条件的储能系统作为黑启动主电源，以分散-集中方式实现多微网的源荷网恢复。所提方法经验证有效可靠，可为多微网黑启动恢复提供一定的借鉴意义。

一种考虑三相不平衡度约束的多微电网黑启动方法，该方法包含分散式子微网恢复和集中式多微网协调恢复两部分，其主要步骤如下：

(1)多微网控制器先进行基于双向数据传送的单三相多微网状态监视和拓扑识别，提供网络内微源和负荷的功率、设备投入状态等信息；

(2)多微网控制器进行黑启动主电源的选择，并以主电源所处的子微网作为主微网，除主微网外的其他子微网作为从微网，三相主微网以三相储能作为主电源进行串行恢复。三相主微电网的子微网控制器工作在离网控制状态，多微网进行网架恢复，将子微网的并/离网开关闭合；

(3)分散式恢复阶段开始，单相子微网控制器设置为并网运行状态，并网调度值设置0，三相主微网控制器则处于离网运行状态以调节微网内部的功率平衡；

(4)分散式恢复阶段完成后，多微网控制器进行集中式协调恢复，多微网控制器通过子微网特征值进行聚类分析，通过调节同类子微网网群内各子微网的联络线功率维持多微网的平衡度约束和集中式负荷恢复。

进一步地，所述的子微网分散式恢复阶段步骤如下：

(1)多微网中央控制器进行拓扑分析，并统计未投入设备，并形成未投入设备集C_eqm；其中未投入设备数目为j＝j_pv+j_bs+j_ld，j表示未投入设备数目，j_pv表示未投入光伏数目，j_bs表示未投入储能数目，j_ld表示未投入负荷数目；

(2)计算设备集C_eqm中每一个设备单独投入后的微网运行裕度和微网稳定裕度K_pMGi，取设备E_{KpMGi max}进入步骤(3)判断；其中，E_{KpMGi max}表示K_pMGi最大时对应的设备，E_{KpMGi max}∈C_eqm；

(3)判断循环结束条件，即j＝0，若满足则子微网分散式源荷恢复流程结束，否则进入步骤(4)判断；

(4)判断是否满足下式，满足则进入步骤(5)，否则进入步骤(6)；

(5)投入步骤(2)中使得K_pMGi最大的设备，并将其从设备集C_eqm排除，j＝j-1，返回步骤(2)；

(6)不投入设备，并将步骤(2)中使得K_pMGi最大的设备从设备集C_eqm排除，j＝j-1，返回步骤(2)。

进一步地，所述的多微网集中式协调恢复阶段步骤如下：

(1)多微网中央控制器读取各子微网中央控制器信息，形成各相未投入负荷集C_Lda、C_Ldb、C_Ldc；其中C_Lda、C_Ldb、C_Ldc分别表示所有A、B、C相子微网未投入负荷集；

(2)基于各相未投入负荷集C_Lda、C_Ldb、C_Ldc，形成集中恢复方案集C_proj；其中，projx表示一种负荷投入方案，projx∈C_proj，projx＝{P_ax,P_bx,P_cx}，x＝1,2,…,k；

(3)针对其中第x种集中恢复方案projx，以储能出力总量最小为目标，以三相不平衡度约束、光伏出力上下限约束和储能出力上下限约束作为约束，求解projx情况下的光伏出力增量和储能出力增量，形成第x种集中恢复方案projx对应的出力增量方案poutx，其中poutx＝{P_bs1,x,P_pv1,x,…}，其数学模型如下式所示；

s.t.ε(P_net,a,P_net,b,P_net,c)≤15％

P_{min bsx,u}≤P_bsx,u≤P_{max bsx,u}

P_{min pvx,r}≤P_pvx,r≤P_{max pvx,r}

自x＝1,2,…,k演算，形成光伏储能出力增量集C_pout，，poutx∈C_pout,poutx＝{P_bs1,x,P_pv1,x,…}；其中P_net,a、P_net,b、P_net,c分别是各相微电网的联络线功率；P_bsx,u表示储能u的出力增量，其中u∈U，U表示已投入的储能集合(含各相)，P_{max bsx,u}、P_{min bsx,u}分别表示储能u的出力增量上下限值；P_pvx,r表示光伏r的 出力增量，其中r∈R，R表示已投入的出力增量集合(含各相)，P_{max pvx,r}、P_{min pvx,r}分别表示光伏r的出力增量上下限值；

(4)C_proj内元素C_proj{k}按负荷恢复总量由小到大排序，更新C_proj，依照C_proj对应的顺序，更新C_pout；

(5)根据下式判断在C_proj{k}出力情况下，各相微网需三相微网支撑的总出力是否在三相微网可支撑的范围内；

∑(C_proj{k})-∑(C_pout{k})≤∑P_rem,3p,bs+∑P_rem,3p,pv

若是，则根据C_proj{k}进行负荷恢复，单相微网储能和光伏根据C_pout{k}调整出力，三相微网则遵从光伏优先出力、主储能辅助出力的原则调整出力，完成后进入步骤(7)；若否，则进入步骤(6)；其中，∑(C_proj{k})表示C_proj{k}出力情况下投入的总负荷量，∑(C_pout{k})各单相光伏、储能总出力增量，∑P_rem,3p,bs表示三相微网储能剩余可投入容量，∑P_rem,3p,pv表示三相微网光伏剩余可投入容量；

(6)从C_proj排除方案C_proj{k}，从C_pout排除方案C_pout{k}，k＝k-1,并返回步骤(5)；

(7)集中式恢复阶段结束，多微网中央控制器进入离网运行控制模式。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明在分析含单三相复合混联的多微网结构及控制系统基础上，为使主电源高效运行，提出一种考虑三相不平衡度约束的多微电网黑启动方法，通过选择考虑源荷网条件的储能系统作为黑启动主电源，以分散-集中方式实现多微网的源荷网恢复。所提方法经验证有效可靠，可为多微网黑启动恢复提供一定的借鉴意义。

附图说明

图1是单三相多微网黑启动主流程图。

图2是分散式源荷恢复阶段控制流程图。

图3是集中式恢复阶段控制流程图。

图4为实例中一种多维网拓扑示意图。

图5是A相微电网黑启动恢复过程图。

图6是B相微电网黑启动恢复过程图。

图7是C相微电网黑启动恢复过程图。

图8是三相微电网黑启动恢复过程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

图1是单三相多微网黑启动主流程图，该流程包含分散式子微网恢复和集中式多微网协调恢复两部分，其主要步骤如下：

(1)多微网控制器先进行基于双向数据传送的单三相多微网状态监视和拓扑识别，提供网络内微源和负荷的功率、设备投入状态等信息；

(2)多微网控制器进行黑启动主电源的选择，并以主电源所处的子微网作为主微网，除主微网外的其他子微网作为从微网，三相主微网以三相储能作为主电源进行串行恢复。三相主微电网的子微网控制器工作在离网控制状态，多微网进行网架恢复，将子微网的并/离网开关闭合；

(3)分散式恢复阶段开始，单相子微网控制器设置为并网运行状态，并网调度值设置0，三相主微网控制器则处于离网运行状态以调节微网内部的功率平衡；

(4)分散式恢复阶段完成后，多微网控制器进行集中式协调恢复，多微网控制器通过子微网特征值进行聚类分析，通过调节同类子微网网群内各子微网的联络线功率维持多微网的平衡度约束和集中式负荷恢复。

图2是分散式源荷恢复阶段控制流程图，其具体步骤如下：

(1)多微网中央控制器进行拓扑分析，并统计未投入设备，并形成未投入设备集C_eqm；其中未投入设备数目为j＝j_pv+j_bs+j_ld，j表示未投入设备数目，j_pv表示未投入光伏数目，j_bs表示未投入储能数目，j_ld表示未投入负荷数目；

(2)计算设备集C_eqm中每一个设备单独投入后的微网运行裕度和微网稳定裕度K_pMGi，取设备E_{KpMGi max}进入步骤(3)判断；其中，E_{KpMGi max}表示K_pMGi最大时对应的设备，E_{KpMGi max}∈C_eqm；

(3)判断循环结束条件，即j＝0，若满足则子微网分散式源荷恢复流程结束，否则进入步骤(4)判断；

(4)判断是否满足下式，满足则进入步骤(5)，否则进入步骤(6)；

(5)投入步骤(2)中使得K_pMGi最大的设备，并将其从设备集C_eqm排除，j＝j-1，返回步骤(2)；

(6)不投入设备，并将步骤(2)中使得K_pMGi最大的设备从设备集C_eqm排除，j＝j-1，返回步骤(2)。

图3是集中式恢复阶段控制流程图，其具体步骤如下：

(1)多微网中央控制器读取各子微网中央控制器信息，形成各相未投入负荷集C_Lda、C_Ldb、C_Ldc；其中C_Lda、C_Ldb、C_Ldc分别表示所有A、B、C相子微网未投入负荷集；

(2)基于各相未投入负荷集C_Lda、C_Ldb、C_Ldc，形成集中恢复方案集C_proj；其中，projx表示一种负荷投入方案，projx∈C_proj，projx＝{P_ax,P_bx,P_cx}，x＝1,2,…,k；

(3)针对其中第x种集中恢复方案projx，以储能出力总量最小为目标，以三相不平衡度约束、光伏出力上下限约束和储能出力上下限约束作为约束，求解projx情况下的光伏出力增量和储能出力增量，形成第x种集中恢复方案projx对应的出力增量方案poutx，其中poutx＝{P_bs1,x,P_pv1,x,…}，其数学模型如下式所示；

s.t.ε(P_net,a,P_net,b,P_net,c)≤15％

P_{min bsx,u}≤P_bsx,u≤P_{max bsx,u}

P_{min pvx,r}≤P_pvx,r≤P_{max pvx,r}

自x＝1,2,…,k演算，形成光伏储能出力增量集C_pout，，poutx∈C_pout,poutx＝{P_bs1,x,P_pv1,x,…}；其中P_net,a、P_net,b、P_net,c分别是各相微电网的联络线功率；P_bsx,u表示储能u的出力增量，其中u∈U，U表示已投入的储能集合(含各相)，P_{max bsx,u}、P_{min bsx,u}分别表示储能u的出力增量上下限值；P_pvx,r表示光伏r的出力增量，其中r∈R，R表示已投入的出力增量集合(含各相)，P_{max pvx,r}、P_{min pvx,r}分别表示光伏r的出力增量上下限值；

(4)C_proj内元素C_proj{k}按负荷恢复总量由小到大排序，更新C_proj，依照C_proj对应的顺序，更新C_pout；

(5)根据下式判断在C_proj{k}出力情况下，各相微网需三相微网支撑的总出 力是否在三相微网可支撑的范围内；

∑(C_proj{k})-∑(C_pout{k})≤∑P_rem,3p,bs+∑P_rem,3p,pv

若是，则根据C_proj{k}进行负荷恢复，单相微网储能和光伏根据C_pout{k}调整出力，三相微网则遵从光伏优先出力、主储能辅助出力的原则调整出力，完成后进入步骤(7)；若否，则进入步骤(6)；其中，∑(C_proj{k})表示C_proj{k}出力情况下投入的总负荷量，∑(C_pout{k})各单相光伏、储能总出力增量，∑P_rem,3p,bs表示三相微网储能剩余可投入容量，∑P_rem,3p,pv表示三相微网光伏剩余可投入容量；

(6)从C_proj排除方案C_proj{k}，从C_pout排除方案C_pout{k}，k＝k-1,并返回步骤(5)；

(7)集中式恢复阶段结束，多微网中央控制器进入离网运行控制模式。

具体算例如下：

图4是A相微电网黑启动恢复过程图，先投入储能、储能出力设置为0，0.4s投入光伏，光伏出力3kW，同时储能出力设置为-3kW，0.8s投入负荷1后，同时储能出力设置为1kW。

图5是B相微电网黑启动恢复过程图，先投入储能、储能出力设置为0，0.3s投入负荷1后，储能出力设置为2kW，0.6s投入光伏后，光伏出力3kW，储能出力设置为-1kW，0.9s投入负荷2后，储能出力设置为2kW。

图6是C相微电网黑启动恢复过程图，先投入储能、储能出力设置为0，0.2s投入负荷1后，储能出力设置为1kW，0.5s投入光伏1后，光伏出力3kW，储能出力设置为-2kW。

图7是三相微电网黑启动恢复过程图，先投入储能、储能出力为0，0.1s投入负荷2后，储能出力为5kW，0.4s投入负荷1后，储能出力为15kW，0.6s投入光伏后，光伏出力20kW，储能出力设置为-5kW，0.8s投入负荷3后，储能出力为10kW。

由上述图中可以看出，使用该方法进行多微网黑启动后，单三相多微网可以在满足三相不平衡约束的情况下平稳恢复并稳定运行。

本发明所描述的具体实施例仅是对本发明精神的具体说明，本领域技术人员可以在不违背本发明的原理和实质的前提下对本具体实施例做出各种修改或补充或者采用类似的方式替代，但是这些改动均落入本发明的保护范围。因此本发明技术范围不局限于上述实施例。

Claims (3)

1.一种考虑三相不平衡度约束的多微电网黑启动方法，其特征在于，该方法包含分散式子微网恢复和集中式多微网协调恢复两部分，具体包括如下步骤：

(a)多微网控制器先进行基于双向数据传送的单三相多微网状态监视和拓扑识别，提供网络内微源和负荷的功率、设备投入状态等信息；

(b)多微网控制器进行黑启动主电源的选择，并以主电源所处的子微网作为主微网，除主微网外的其他子微网作为从微网，三相主微网以三相储能作为主电源进行串行恢复。三相主微电网的子微网控制器工作在离网控制状态，多微网进行网架恢复，将子微网的并/离网开关闭合；

(c)分散式恢复阶段开始，单相子微网控制器设置为并网运行状态，并网调度值设置0，三相主微网控制器则处于离网运行状态以调节微网内部的功率平衡；

(d)分散式恢复阶段完成后，多微网控制器进行集中式协调恢复，多微网控制器通过子微网特征值进行聚类分析，通过调节同类子微网网群内各子微网的联络线功率维持多微网的平衡度约束和集中式负荷恢复。

2.根据权利要求1所述的一种考虑三相不平衡度约束的多微电网黑启动方法，其特征在于，子微网分散式恢复阶段包括如下步骤：

(1)多微网中央控制器进行拓扑分析，并统计未投入设备，并形成未投入设备集C_eqm；其中未投入设备数目为j＝j_pv+j_bs+j_ld，j表示未投入设备数目，j_pv表示未投入光伏数目，j_bs表示未投入储能数目，j_ld表示未投入负荷数目；

(2)计算设备集C_eqm中每一个设备单独投入后的微网运行裕度和微网稳定裕度K_pMGi，取设备E_KpMGimax进入步骤(3)判断；其中，E_KpMGimax表示微网稳定裕度K_pMGi最大时对应的设备，其中E_KpMGimax∈C_eqm；

微网i运行裕度用于描述子微网i黑启动过程中的运行裕度；当微网稳定时，表示微网i具有正值的有功出力调整裕度，以应对负荷增加和电源出力减少的情况；表示微网i具有负值的有功出力调整裕度，以应对负荷减少和电源出力增加的情况；微网稳定裕度指标K_pMGi的计算如下式所示，K_pMGi表示微网i的功率调整裕度，可衡量微网的稳定性，K_pMGi越大，其稳定性越好，

$K_{pMGi}=\min \left(\right|P_{MGi}^{+}|,|P_{MGi}^{-}\left|\right);$

(3)判断循环结束条件，即j＝0，若满足则子微网分散式源荷恢复流程结束，否则进入步骤(4)判断；

(4)判断是否满足下式，满足则进入步骤(5)，否则进入步骤(6)；

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{MGi}^{+}\≥0\\ P_{MGi}^{-}\≤0\end{array}\right.$

(5)投入步骤(2)中使得K_pMGi最大的设备，并将其从设备集C_eqm排除，j＝j-1，返回步骤(2)；

(6)不投入设备，并将步骤(2)中使得K_pMGi最大的设备从设备集C_eqm排除，j＝j-1，返回步骤(2)。

3.根据权利要求1所述的一种考虑三相不平衡度约束的多微电网黑启动方法，其特征在于，所述的多微网集中式协调恢复阶段包括如下步骤：

(1)多微网中央控制器读取各子微网中央控制器信息，形成各相未投入负荷集C_Lda、C_Ldb、C_Ldc；其中C_Lda、C_Ldb、C_Ldc分别表示所有A、B、C相子微网未投入负荷集；

(2)基于各相未投入负荷集C_Lda、C_Ldb、C_Ldc，形成集中恢复方案集C_proj；其中，projx表示一种负荷投入方案，projx∈C_proj，projx＝{P_ax,P_bx,P_cx}，x＝1,2,…,k；

(3)针对其中第x种集中恢复方案projx，以储能出力总量最小为目标，以三相不平衡度约束、光伏出力上下限约束和储能出力上下限约束作为约束，求解projx情况下的光伏出力增量和储能出力增量，形成第x种集中恢复方案projx对应的出力增量方案poutx，其中poutx＝{P_bs1,x,P_pv1,x,…}，其数学模型如下式所示；

$\begin{array}{cc}\min & f_x=\underset{u\∈C_{bs}}{\Σ}\left|P_{bsx,u}\right|\end{array}$

s.t.ε(P_net,a,P_net,b,P_net,c)≤15％；

P_minbsx,u≤P_bsx,u≤P_maxbsx,u

P_minpvx,r≤P_pvx,r≤P_maxpvx,r

自x＝1,2,…,k演算，形成光伏储能出力增量集C_pout，，poutx∈C_pout,poutx＝{P_bs1,x,P_pv1,x,…}；其中P_net,a、P_net,b、P_net,c分别是各相微电网的联络线功率；P_bsx,u表示储能u的出力增量，其中u∈U，U表示已投入的储能集合，P_maxbsx,u、P_minbsx,u分别表示储能u的出力增量上下限值；P_pvx,r表示光伏r的出力增量，其中r∈R，R表示已投入的出力增量集合，P_maxpvx,r、P_minpvx,r分别表示光伏r的出力增量上下限值；

(4)C_proj内元素C_proj{k}按负荷恢复总量由小到大排序，更新C_proj，依照C_proj对应的顺序，更新C_pout；

(5)根据下式判断在C_proj{k}出力情况下，各相微网需三相微网支撑的总出力是否在三相微网可支撑的范围内；

∑(C_proj{k})-∑(C_pout{k})≤∑P_rem,3p,bs+∑P_rem,3p,pv；

若是，则根据C_proj{k}进行负荷恢复，单相微网储能和光伏根据C_pout{k}调整出力，三相微网则遵从光伏优先出力、主储能辅助出力的原则调整出力，完成后进入步骤(7)；若否，则进入步骤(6)；其中，∑(C_proj{k})表示C_proj{k}出力情况下投入的总负荷量，∑(C_pout{k})各单相光伏、储能总出力增量，∑P_rem,3p,bs表示三相微网储能剩余可投入容量，∑P_rem,3p,pv表示三相微网光伏剩余可投入容量；

(6)从C_proj排除方案C_proj{k}，从C_pout排除方案C_pout{k}，k＝k-1,并返回步骤(5)；

(7)集中式恢复阶段结束，多微网中央控制器进入离网运行控制模式。