CN106099994A

CN106099994A - 一种适应于偏远地区独立电网的稳定发电系统的控制方法

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Publication number: CN106099994A
Application number: CN201610515144.XA
Authority: CN
Inventors: 曾宪瑞
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-07-04
Filing date: 2016-07-04
Publication date: 2016-11-09
Anticipated expiration: 2036-07-04
Also published as: CN106099994B

Abstract

本发明公开一种适应于偏远地区独立电网的稳定发电系统的控制方法，包括作为主电源的柴油发电机、用于调节波动频率高、波动幅度大的短期波动的飞轮储能系统、做出稳定控制决策的稳定控制器。本发明通过稳控控制器将柴油发电机和飞轮储能系统有效集成，形成较为稳定的发电系统，能抑制独立电网系统内的频繁扰动，减少发电系统的故障率，提高偏远地区供电可靠性。

Description

一种适应于偏远地区独立电网的稳定发电系统的控制方法

技术领域

本发明属于电力系统发电领域，用于解决偏远地区独立电网供电稳定性问题。

背景技术

我国农村面积广大，农村人口占全国总人口的50.32％。电力作为农村重要的基础设施之一，关系到我国农村居民基本生活需求、生活水平提高和经济持续发展，是全面建设小康社会的重要保障措施。我国农村自1923年开始用电以来已有90年的历史，从上世纪60年代的农村电力发展奠基到90年代末启动的三期农村电网改造工程，农村电力发展取得了巨大的成就，农民电力消费有了显著的提高。

然而，许多农村地区由于地理位置偏远，自然环境较恶劣，用电问题至今尚未解决。只有逐步构建覆盖我国农村的电力系统，才能缩小城乡居民收入和地区发展水平的差距，保持社会的公平公正、维持社会和谐发展。可见，偏远无电地区电力建设的意义十分重要。

此外，对于远离大陆的偏远小岛，由于最大负荷有限、输送距离较远、岛屿面积狭窄，铺设海缆在技术与经济方面需要付出更大代价，随着国家对海岛开发利用的重视，加上居民生活水平的不断提高，旅游业的兴起，海岛供电问题也亟需解决。

对于偏远地区农村和海岛，由于负荷有限、输送距离过远，供电系统在技术与经济方面需要付出更大代价。通常需要围绕可再生能源为核心，开发清洁可靠的独立电网。独立电网中，由于容量较大，以光伏和风电为主的可再生能源出力受到天气条件影响大，出力波动，对系统运行有着较大的干扰，导致独立电网可靠性和稳定性较大，影响居民生活水平。

公布号为CN104283308A公开了一种微电网智能中央策略控制系统，其对微电网稳定性进行控制，但是，并不能很好的适应偏远地区。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种适应于偏远地区独立电网的稳定发电系统的控制方法，包括作为主电源的柴油发电机、用于调节波动频率高、波动幅度大的短期波动的飞轮储能系统、做出稳定控制决策的稳定控制器。本发明通过稳控控制器将柴油发电机和飞轮储能系统有效集成，形成较为稳定的发电系统，能抑制独立电网系统内的频繁扰动，减少发电系统的故障率，提高偏远地区供电可靠性。

为了实现上述目的，本发明包括按顺序进行的下列步骤：

步骤一，根据偏远地区独立电网的负荷预测结果，配置柴油发电机组容量，并在柴油发电机组母线侧配置一定容量飞轮储能系统；

步骤二，计量单元采集柴油发电机组母线电压/频率数据，并通过通信通道传递给稳定控制器；

步骤三，稳定控制器接柴油发电机组母线电压/频率数据，并对其进行纠错和滤波；

步骤四，稳定控制器判断母线电压/频率是否越限，若不越限，则继续重复步骤二至步骤四，否则转入下一步；

步骤五，稳定控制器对母线电压/频率数据进行求导，得到柴油发电机母线电压/频率变化率；

步骤六，若为母线电压越限，则稳定控制器根据母线电压值和变化率，协调飞轮储能无功出力；若为母线频率越限，则稳定控制器根据母线频率值和变化率，协调飞轮储能有功出力。

步骤一中，柴油发电机组的容量P_diesel配置如下式所示：

P_diesel＝(1+K_bp)×P_load

式中，P_load为偏远地区独立电网最大需求负荷预测值，K_bp为旋转备用系数。

飞轮储能系统容量，通常按照最大需求负荷预测值的5％～15％配置容量。

步骤三中，对所接收的柴油发电机母线侧电压及系统频率数据进行纠错处理时，电压纠错判断主要采用以下判断条件：

\{\begin{matrix} U_{i} = 0 \cap U_{i - 1} > 0.5 \times U_{N} \\ U_{i} > 2 \times U_{N} \\ U_{i} < 0 \end{matrix}

式中，U_i为当前接收的柴油发电机母线电压采样值，U_i-1上一时刻接收的柴油发电机母线电压采样值，U_N为柴油发电机组母线电压额定值。

当稳定控制器接收到的母线电压数据U_i满足上式条件中的一项或者多项时，则判断母线电压采样值接收错误，启动数据纠错流程，令U_i＝U_i-1。

频率纠错判断主要采用以下判断条件：

\{\begin{matrix} f_{i} = 0 \cap f_{i - 1} > 0.5 \times f_{N} \\ f_{i} > 2 \times f_{N} \\ f_{i} < 0 \end{matrix}

式中，f_i为当前接收的柴油发电机母线频率采样值，f_i-1上一时刻接收的柴油发电机母线频率采样值，f_N为柴油发电机组母线频率额定值，在我国电力系统通常取值50Hz。

当稳定控制器接收到的母线频率数据f_i满足上式条件中的一项或者多项时，则判断频率采样值接收错误，启动数据纠错流程，令f_i＝f_i-1。

步骤三中，对所接收的母线电压/频率进行滤波时，采用二阶带通滤波算法，滤波器设计如下式所示：

\frac{T_{c} s}{s^{2} + T_{a} s + T_{b}}

式中，T_a、T_b、T_c为滤波时间常数，可根据现场需要进行调整。

通过二阶带通滤波算法，能够有效得到电压/频率基波分量，作为稳定控制器的控制策略输入。

步骤四中，电压越限判断依据如如下式所示：

\{\begin{matrix} U_{i} > K_{u P} \times U_{N} \\ U_{i} < K_{u L} \times U_{N} \end{matrix}

式中，K_uP、K_uL值的确定可依据国家电能质量标准，并考虑偏远地区独立电网的实际情况，适当放宽；U_N为母线额定电压值。

频率越限判断依据如如下式所示：

\{\begin{matrix} f_{i} > K_{f P} \times f_{N} \\ f_{i} < K_{f L} \times f_{N} \end{matrix}

式中，K_fP、K_fL值的确定可依据国家电能质量标准，并考虑偏远地区独立电网的实际情况，适当放宽；f_N为柴油发电机组母线频率额定值，在我国电力系统通常取值50Hz。

步骤六中，若为母线电压越限，则稳定控制器根据母线电压值和变化率，协调飞轮储能无功出力，其出力公式为：

\{\begin{matrix} Q_{v a l} = | \sqrt{1 + D_{u}^{2}} + D_{u} | \cdot (\frac{1}{T_{u I}} &Integral; (U_{i} - U_{N}) \cdot d t + (U_{i} - U_{N})) \\ Q = \frac{1}{1 + T_{u} s} \cdot Q_{v a l} \\ Q_{c M a x} \leq Q \leq Q_{d M a x} \end{matrix}

式中，D_u为电压变化率，T_uI为电压环PI控制器积分时间常数，U_i为母线电压值，U_N为母线额定电压值，Q_val为电压环输出无功指令值，T_u为无功功率指令滤波器时间常数，Q为稳定控制器滤波后的输出无功指令，即为飞轮储能系统无功出力指令值，Q_cMax为飞轮储能最大可吸无功功率(感性无功功率)，Q_dMax为飞轮储能最大可放无功功率(容性无功功率)。

如上式所示，稳定控制器电压控制，采用PI控制器+反馈闭环控制策略，母线电压与额定值偏差作为PI控制器的输入，通过计算得到系统无功功率指令，为了避免系统出现无功阶跃，引发系统电压冲击，对无功指令值采用一阶滤波器进行滤波，经过滤波器后的无功指令值Q经过稳控控制器下发，对飞轮储能系统无功功率的进行控制，来保障独立电网系统的电压稳定，同时，为了防止飞轮储能无功指令越限，需要对PI控制器输出的无功指令进行限幅。

步骤六中，若为系统频率越限，则稳定控制器根据系统频率值和变化率，协调飞轮储能有功出力，其出力公式为：

\{\begin{matrix} P_{v a l} = | \sqrt{1 + D_{f}^{2}} + D_{f} | \cdot (\frac{1}{T_{f I}} &Integral; (f_{i} - f_{N}) \cdot d t + (f_{i} - f_{N})) \\ P = \frac{1}{1 + T_{f} s} \\ P_{c M a x} \leq P \leq P_{d M a x} \end{matrix}

式中，D_f为频率变化率，T_fI为频率环PI控制器积分时间常数，f_i为系统频率值，f_N为系统频率额定值，在我国电力系统中通常取50Hz，P_val为频率环输出有功指令值，T_f为有功功率指令滤波器时间常数，P为稳定控制器滤波后的输出有功指令，即为飞轮储能系统有功出力指令值，P_cMax为飞轮储能最大可吸有功功率(充电)，P_dMax为飞轮储能最大可放有功功率(放电)。

如上式所示，稳定控制器频率控制，采用PI控制器+反馈闭环控制策略，系统频率与额定值偏差作为PI控制器的输入，通过计算得到系统有功功率指令，为了避免系统出现有功阶跃，引发系统频率冲击，对有功指令值采用一阶滤波器进行滤波，经过滤波器后的有功指令值P经过稳控控制器下发，对飞轮储能系统无功功率的进行控制，来保障独立电网系统的频率稳定。同时，为了防止飞轮储能有功指令越限，造成飞轮储能过充过放，需要对PI控制器输出的有功指令进行限幅。

步骤六中，若母线电压和系统频率同时越限时，稳控控制器优先进入系统频率越限处理流程，协调飞轮储能有功出力；当系统频率恢复正常时，若此时无功依然越限，则稳定控制进入母线电压越限处理流程。

附图说明

图1为一种适应于偏远地区独立电网的稳定发电系统示意图

图2为稳定控制器母线电压控制算法框图

图3为稳定控制器系统频率控制算法框图

具体实施方式

下面结合附图和具体实例，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。

本发明所提供的一种适应于偏远地区独立电网的稳定发电系统的控制方法中，主要为偏远地区独立电网提供稳定的主电源，以风电和光伏为主的可再生能源可依据电力系统接入规范，接入独立电网；本发明所提供的的控制方法中，通过在柴油发电机侧接入飞轮储能，并在稳定控制器的有效控制下，调节飞轮储能的出力，用于平抑因可再生能源出力或者负荷波动引发系统频率或者电压的扰动，增大独立电网的稳定裕度，提高独立电网的供电可靠性和电能质量。

本发明提供的一种适应于偏远地区独立电网的稳定发电系统的控制方法中，包括按顺序进行的下列步骤：

步骤一中，柴油发电机组的容量P_diesel配置如下式所示：

P_diesel＝(1+K_bp)×P_load

式中，P_load为偏远地区独立电网最大需求负荷预测值，K_bp为旋转备用系数。其中，偏远地区独立电网最大需求负荷预测，可采用以下两种方式进行预测：

1)户均法：通过对独立电网所辖区域内用电负荷的家庭数(户数)进行调查，并按照国家标准中每户家庭用电负荷标准值，考虑负荷同时率，即可得到用电负荷预测值；

2)负荷密度法：根据独立电网所辖区域内土地使用用途进行调研，根据国家标准中不同负荷的负荷密度(kW/公顷)，考虑负荷同时率，即可得到用电负荷预测值。

此外，根据独立电网所辖区域内的资源条件，以及未来规划发展，可对负荷预测结果进行适当调整。

旋转备用系数K_bp的取值，可从两个方面考虑，一是考虑柴油发电机的检修备用、事故备用，当负荷较低时，可退出一台柴油发电机进行检修，或者某台柴油发电机发生故障退出运行时，柴油发电机组的容量裕度，可以继续保证负荷的供电；二是考虑负荷备用，负荷突增时，柴油发电机的容量裕度，能够保证突增后负荷的供电，以及渡过突增过程中的冲击。

飞轮储能系统容量，通常按照最大需求负荷预测值的5％～15％以持续30s供电来配置容量。

\{\begin{matrix} U_{i} = 0 \cap U_{i - 1} > 0.5 \times U_{N} \\ U_{i} > 2 \times U_{N} \\ U_{i} < 0 \end{matrix}

当前系统电压采样值相比上一时刻变化幅度超过额定值的一半，或者当前系统电压采样值超过2倍额定值及少于0的值等异常现象出现时，则表明通信数据出现丢失或者出错，稳定控制器不应该动作。

频率纠错判断主要采用以下判断条件：

\{\begin{matrix} f_{i} = 0 \cap f_{i - 1} > 0.5 \times f_{N} \\ f_{i} > 2 \times f_{N} \\ f_{i} < 0 \end{matrix}

步骤三中，对所接收的母线电压/系统频率数据进行滤波时，采用二阶带通滤波算法，滤波器设计如下式所示：

\frac{T_{c} s}{s^{2} + T_{a} s + T_{b}}

独立电网系统，电能质量指标通常不优，所测量的电压含有较多的谐波成分，通过二阶带通滤波算法，能够有效得到电压/频率基波分量，作为稳定控制器的控制策略输入。

步骤四中，电压越限判断依据如如下式所示：

\{\begin{matrix} U_{i} > K_{u P} \times U_{N} \\ U_{i} < K_{u L} \times U_{N} \end{matrix}

频率越限判断依据如如下式所示：

\{\begin{matrix} f_{i} > K_{f P} \times f_{N} \\ f_{i} < K_{f L} \times f_{N} \end{matrix}

步骤六中，若为母线电压越限，则稳定控制器根据母线电压值和变化率，协调飞轮储能无功出力，控制过程采用限幅式PID控制器，并根据电压变化率实现PI控制器中比例增益的自适应调整，其出力公式为：

\{\begin{matrix} Q_{v a l} = | \sqrt{1 + D_{u}^{2}} + D_{u} | \cdot (\frac{1}{T_{u I}} &Integral; (U_{i} - U_{N}) \cdot d t + (U_{i} - U_{N})) \\ Q = \frac{1}{1 + T_{u} s} \cdot Q_{v a l} \\ Q_{c M a x} \leq Q \leq Q_{d M a x} \end{matrix}

步骤六中，若为系统频率越限，则稳定控制器根据系统频率值和变化率，协调飞轮储能有功出力，控制过程采用限幅式PID控制器，并根据频率变化率实现PI控制器中比例增益的自适应调整，其出力公式为：

\{\begin{matrix} P_{v a l} = | \sqrt{1 + D_{f}^{2}} + D_{f} | \cdot (\frac{1}{T_{f I}} &Integral; (f_{i} - f_{N}) \cdot d t + (f_{i} - f_{N})) \\ P = \frac{1}{1 + T_{f} s} \\ P_{c M a x} \leq P \leq P_{d M a x} \end{matrix}

步骤六中，若母线电压和系统频率同时越限时，稳控控制器优先进入系统频率越限处理流程，协调飞轮储能有功出力，否则对系统电压进行调整时会加剧系统有功缺额，导致频率越限问题更严重；当系统频率恢复正常时，若此时无功依然越限，则稳定控制进入母线电压越限处理流程。

本发明能够很好的解决偏远地区电网的稳定性，将飞轮储能和柴油机很好的应用于供电系统中，通过控制系统控制算法的优化，使电网与柴油发电机，储能系统无缝对接，保证偏远地区稳定的供电。

Claims

1.一种适应于偏远地区独立电网的稳定发电系统的控制方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种适应于偏远地区独立电网的稳定发电系统的控制方法，其特征在于：所述的步骤一中，柴油发电机组的容量P_diesel配置如下式所示：

P_diesel＝(1+K_bp)×P_load

式中，P_load为偏远地区独立电网最大需求负荷预测值，K_bp为旋转备用系数；

3.根据权利要求1所述的一种适应于偏远地区独立电网的稳定发电系统的控制方法，其特征在于：所述的步骤三中，对所接收的柴油发电机母线侧电压及系统频率数据进行纠错处理时，电压纠错判断主要采用以下判断条件：

\{\begin{matrix} U_{i} = 0 \cap U_{i - 1} > 0.5 \times U_{N} \\ U_{i} > 2 \times U_{N} \\ U_{i} < 0 \end{matrix}

式中，U_i为当前接收的柴油发电机母线电压采样值，U_i-1上一时刻接收的柴油发电机母线电压采样值，U_N为柴油发电机组母线电压额定值；

当稳定控制器接收到的母线电压数据U_i满足上式条件中的一项或者多项时，则判断母线电压采样值接收错误，启动数据纠错流程，令U_i＝U_i-1；

频率纠错判断主要采用以下判断条件：

\{\begin{matrix} f_{i} = 0 \cap f_{i - 1} > 0.5 \times f_{N} \\ f_{i} > 2 \times f_{N} \\ f_{i} < 0 \end{matrix}

式中，f_i为当前接收的柴油发电机母线频率采样值，f_i-1上一时刻接收的柴油发电机母线频率采样值，f_N为柴油发电机组母线频率额定值，在我国电力系统通常取值50Hz；

4.根据权利要求1所述的一种适应于偏远地区独立电网的稳定发电系统的控制方法，其特征在于：所述的步骤三中，对所接收的母线电压/系统频率进行滤波时，采用二阶带通滤波算法，滤波器设计如下式所示：

\frac{T_{c} s}{s^{2} + T_{a} s + T_{b}}

式中，T_a、T_b、T_c为滤波时间常数，可根据现场需要进行调整；

5.根据权利要求1所述的一种适应于偏远地区独立电网的稳定发电系统的控制方法，其特征在于：所述的步骤四中，电压越限判断依据如如下式所示：

\{\begin{matrix} U_{i} > K_{u P} \times U_{N} \\ U_{i} < K_{u L} \times U_{N} \end{matrix}

6.根据权利要求5所述的一种适应于偏远地区独立电网的稳定发电系统的控制方法，其特征在于:

频率越限判断依据如下式所示：

\{\begin{matrix} f_{i} > K_{f P} \times f_{N} \\ f_{i} < K_{f L} \times f_{N} \end{matrix}

7.根据权利要求1所述的一种适应于偏远地区独立电网的稳定发电系统的控制方法，其特征在于：步骤六中，若为母线电压越限，则稳定控制器根据母线电压值和变化率，协调飞轮储能无功出力，其出力公式为：

\{\begin{matrix} Q_{v a l} = | \sqrt{1 + D_{u}^{2}} + D_{u} | \cdot (\frac{1}{T_{u I}} &Integral; (U_{i} - U_{N}) \cdot d t + (U_{i} - U_{N})) \\ Q = \frac{1}{1 + T_{u} s} \cdot Q_{v a l} \\ Q_{c M a x} \leq Q \leq Q_{d M a x} \end{matrix}

式中，D_u为电压变化率，T_uI为电压环PI控制器积分时间常数，U_i为母线电压值，U_N为母线额定电压值，Q_val为电压环输出无功指令值，T_u为无功功率指令滤波器时间常数，Q为稳定控制器滤波后的输出无功指令，即为飞轮储能系统无功出力指令值，Q_cMax为飞轮储能最大可吸无功功率，即感性无功功率，Q_dMax为飞轮储能最大可放无功功率，即容性无功功率。

8.根据权利要求7所述的一种适应于偏远地区独立电网的稳定发电系统的控制方法，其特征在于:

根据所述飞轮储能无功出力公式，稳定控制器电压控制，采用PI控制器+反馈闭环控制策略，母线电压与额定值偏差作为PI控制器的输入，通过计算得到系统无功功率指令，为了避免系统出现无功阶跃，引发系统电压冲击，对无功指令值采用一阶滤波器进行滤波，经过滤波器后的无功指令值Q经过稳控控制器下发，对飞轮储能系统无功功率的进行控制，来保障独立电网系统的电压稳定，同时，为了防止飞轮储能无功指令越限，需要对PI控制器输出的无功指令进行限幅。

9.根据权利要求1所述的一种适应于偏远地区独立电网的稳定发电系统的控制方法，其特征在于：步骤六中，若为系统频率越限，则稳定控制器根据系统频率值和变化率，协调飞轮储能有功出力，其出力公式为：

\{\begin{matrix} P_{v a l} = | \sqrt{1 + D_{f}^{2}} + D_{f} | \cdot (\frac{1}{T_{f I}} &Integral; (f_{i} - f_{N}) \cdot d t + (f_{i} - f_{N})) \\ P = \frac{1}{1 + T_{f} s} \\ P_{c M a x} \leq P \leq P_{d M a x} \end{matrix}

式中，D_f为频率变化率，T_fI为频率环PI控制器积分时间常数，f_i为系统频率值，f_N为系统频率额定值，在我国电力系统中通常取50Hz，P_val为频率环输出有功指令值，T_f为有功功率指令滤波器时间常数，P为稳定控制器滤波后的输出有功指令，即为飞轮储能系统有功出力指令值，P_cMax为飞轮储能最大可吸有功功率，即充电，P_dMax为飞轮储能最大可放有功功率，即放电。

10.根据权利要求9所述的一种适应于偏远地区独立电网的稳定发电系统的控制方法，其特征在于：

根据所述飞轮储能有功出力公式，稳定控制器频率控制，采用PI控制器+反馈闭环控制策略，系统频率与额定值偏差作为PI控制器的输入，通过计算得到系统有功功率指令，为了避免系统出现有功阶跃，引发系统频率冲击，对有功指令值采用一阶滤波器进行滤波，经过滤波器后的有功指令值P经过稳控控制器下发，对飞轮储能系统无功功率的进行控制，来保障独立电网系统的频率稳定；同时，为了防止飞轮储能有功指令越限，造成飞轮储能过充过放，需要对PI控制器输出的有功指令进行限幅。