CN106786808B - 由移动应急电源组成的应急微电网的分散分层控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种由移动应急电源组成的应急微电网的分散分层控制方法。本发明在灾害导致配电网大面积停电后，对城市配电网进行区域划分，利用移动应急电源组成应急微电网为某一区域的重要负荷应急供电；通过频率分散分层控制得到应急微电网目标频率，然后根据目标频率，利用调速器调节汽轮机的转速，进而改变移动应急电源输出的有功功率，完成对系统频率的调节；通过电压分散分层控制得到目标电压，然后根据目标电压，利用励磁系统调节励磁电压，从而控制移动应急电源机端电压在允许范围内。本发明提高了城市电网遭遇极端灾害导致配电网大面积停电后的应急供电的能力。
Description
技术领域
本发明涉及应急微电网的控制方法，尤其是一种由移动应急电源组成的应急微电网的分散分层控制方法。
背景技术
近年来，国内外发生了不少由冰灾、雪灾、台风等极端灾害导致的大面积长时间停电事件。2008年年初中国南方大部分地区遭遇长时间、大范围的低温、雨雪和冰冻天气，给输电网造成严重的破坏，导致部分城市大面积长时间停电，对该地区居民的生产生活造成巨大的影响。2011年3月日本福岛地区的地震和海啸，导致福岛周边地区大范围停电，且长时间未能恢复供电，给当地带来巨大的经济损失。随着特高压输电通道的建设，由于其输送距离远、输送能力强，线路受到毁坏而停运带来的经济损失将更加巨大；并且在全球气候恶化的大背景下，极端灾害导致的电力系统停电事故将会频繁发生。
长期以来，中国电力系统对稳定破坏引起的电网事故研究较多，重点大多集中在电力系统三大防线的建立等方面，提出了许多保障电力系统安全稳定运行的措施与建议，但对因冰灾、台风、战争等灾害造成电网崩溃，导致的城市配电网大面积停电情况下应急措施的研究不足。现代城市是重要负荷(医院、学校等)的聚集地，遭遇极端灾害导致的大面积停电事故后，如果不采取应急措施对重要负荷进行应急供电，而等待城市电网重新并网后恢复供电，会造成巨大的经济损失甚至可能威胁到居民的生命安全。
微电网的概念最早由美国CERTS提出，CERTS为了进一步验证所提出的微电网概念的准确性和合理性，于2006年11月开始在美国电力公司的多兰技术中心搭建微电网实验平台，以及智能配用电系统实验平台。此外，CERTS也详细的阐述了微电网的主要思想和关键技术。微电网将发电机、负荷及控制装置等有效结合，重新组成一个小型的发配电系统，既可以连接电网并网运行又可以脱离电网孤岛运行。相比于传统电网，微电网具有诸多优势，如控制策略丰富、运行方式灵活等。
目前，集中控制和分散控制是微电网采用的两种主要控制方式，集中控制通常需要建立庞大的通信网络以满足中央控制器和各发电机本地控制器信息交互的要求，并且任意节点故障容易导致全网性故障。相比集中控制，分散控制利用电力系统的天然耦合特性，不需要通信，仅利用本地信息即可实现微电网控制，可靠性更高。
发明内容
为提高灾害条件下城市配电网应急供电的能力，本发明提供一种由移动应急电源组成的应急微电网的分散分层控制方法，其在灾害导致城市配电网大面积停电后，对城市配电网进行区域划分，利用移动应急电源组成应急微电网为某一区域的重要负荷应急供电；并且可使移动应急电源在不借助中央控制器和集中通信系统的情况下，参与系统二次调频和调压，并且能够按其容量等比例分摊有功负荷。
本发明采用的技术方案如下：由移动应急电源组成的应急微电网的分散分层控制方法，其包括：
1)在灾害导致配电网大面积停电后，对城市配电网进行区域划分，利用移动应急电源组成应急微电网为某一区域的重要负荷应急供电；
2)通过频率分散分层控制得到应急微电网目标频率firef，然后根据目标频率firef，利用调速器调节汽轮机的转速，进而改变移动应急电源输出的有功功率，完成对系统频率的调节；
3)通过电压分散分层控制得到目标电压Viref，然后根据目标电压Viref，利用励磁系统调节励磁电压，从而控制移动应急电源机端电压在允许范围内。
进一步地，步骤2)中的移动应急电源目标频率firef通过以下公式得到：
firef＝fpri(Pi)+fsec(α,firef)/(1+T1s)，
其中，fpri(Pi)、fsec(α,firef)分别为通过频率一次控制方法、频率二次控制方法得到的频率；s表示复频域中的复变量，i为移动应急电源的序数，α为频率二次控制方法的增益系数，Pi为第i台移动应急电源输出的有功功率，T1为频率二次控制中低通滤波器的时间常数。
频率二次控制中低通滤波器的设计是为了实现与频率一次控制在时间尺度上的解耦，使整个控制系统保留一次线性控制良好的动态特性，同时避免一次、二次控制同时动作可能引起的系统稳定性问题。
更进一步地，所述的频率一次控制方法采用以下公式表示的线性频率下垂控制方法：
fpri(Pi)＝fmax-miPi，
其中，fmax和fmin分别为应急微电网频率的上限和下限，Pi和Pimax分别为移动应急电源输出的有功功率和输出有功功率最大值。
更进一步地，所述的频率二次控制方法采用以下公式：
fsec(α,firef)＝α(f0-firef)，
其中，α为频率二次控制方法的增益系数，f0和firef分别为移动应急电源额定频率和目标频率。频率二次控制的作用是通过选择合适的α值，使系统频率维持在允许的范围内。
进一步地，步骤3)中的移动应急电源目标电压Viref通过以下公式得到：
Viref＝Vpri(Qi)+Vsec(β,Viref)/(1+T2s)，
其中，Vpri(Qi)、Vsec(β,Viref)分别为通过电压一次控制方法、电压二次控制方法得到的电压；s表示复频域中的复变量，i为移动应急电源的序数，β为电压二次控制方法的增益系数，Qi为第i台移动应急电源输出的无功功率，T2为电压二次控制中低通滤波器的时间常数。
更进一步地，所述的电压一次控制方法采用以下公式表示的线性电压下垂控制方法：
Vpri(Qi)＝Vmax-niQi，
其中，Vmax和Vmin分别为移动应急电源机端电压的上限和下限，Qi和Qimax分别为第i台移动应急电源的输出无功功率和输出无功功率最大值。
更进一步地，所述的电压二次控制方法采用以下公式：
Vsec(β,Viref)＝β(V0-Viref)，
其中，V0为额定电压，Viref是目标电压，β为电压二次控制方法的增益系数。
本发明具有的有益效果是：
本发明能够提高城市电网遭遇极端灾害导致配电网大面积停电后的应急供电的能力，并且本发明所述的控制方法不需要借助中央控制器和通信网络，仅利用本地信息即可实现系统频率、电压的二次调节，能够使移动应急电源按其容量等比例分摊有功负荷，使应急微电网稳定裕度最大，同时实现了移动应急电源的即插即用，提高了应急微电网运行的灵活性，此外，还具有良好的稳态和动态性能。
本发明适用于冰灾、台风、战争等灾害导致城市配电网大面积停电后的应急供电，并且也可进一步推广应用于以逆变器为接口的分布式电源的控制。
附图说明
图1为本发明的控制系统图。
图2为本发明应用例的仿真验证中移动应急电源组网供电模型图。
图3为本发明应用例仿真验证中移动应急微电网频率变化曲线。
图4为本发明应用例仿真验证中移动应急电源机端电压变化曲线。
图5为本发明应用例仿真验证中移动应急电源稳定运行时输出的有功功率。
图6为本发明应用例仿真验证中移动应急电源稳定运行时输出的无功功率。
具体实施方式
下面结合说明书附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
本发明包括以下部分：
1)在灾害导致电网崩溃后，对城市配电网进行区域划分，利用移动应急电源组成应急微电网为某一区域的重要负荷应急供电；
2)通过频率分散分层控制得到应急微电网目标频率firef，然后根据目标频率firef，利用调速器调节汽轮机的转速，进而改变移动应急电源输出的有功功率，完成对系统频率的调节；
3)通过电压分散分层控制得到目标电压Viref，然后根据目标电压Viref，利用励磁系统调节励磁电压，从而控制移动应急电源机端电压在允许范围内。
如图1所示，所述的第2)部分中的移动应急电源目标频率firef采用以下公式得到：
firef＝fpri(Pi)+fsec(α,firef)/(1+T1s)，
其中，fpri(Pi)、fsec(α,firef)分别为通过频率一次控制方法(DFPC,DecentralizedFrequencyPrimary Control)、频率二次控制方法(DFSC,DecentralizedFrequencySecondary Control)得到的频率；s表示复频域中的复变量，i为移动应急电源的序数，α为频率二次控制的增益系数，Pi为第i台移动应急电源输出的有功功率，T1为频率二次控制中低通滤波器的时间常数。
频率二次控制中低通滤波器的设计是为了实现与一次控制在时间尺度上的解耦，使整个控制系统(见图1)保留一次线性控制良好的动态特性，同时避免一次、二次控制同时动作可能引起的系统不稳定问题。
所述的频率一次控制方法采用如下公式所示的线性频率下垂控制方法：
fpri(Pi)＝fmax-miPi，
其中，fmax和fmin分别为应急微电网频率的上限和下限，Pi和Pimax分别为移动应急电源输出的有功功率和输出有功功率最大值。
所述的频率二次控制方法采用以下公式表示：
fsec(α,firef)＝α(f0-firef)，
其中，α为频率二次控制方法的增益系数，f0和fi分别为移动应急电源额定频率和目标频率。频率二次控制的作用是通过选择合适的α，使系统频率维持在允许的范围内。
所述的第3)部分中的移动应急电源目标电压Viref通过以下公式得到：
Viref＝Vpri(Qi)+Vsec(β,Viref)/(1+T2s)，
其中，Vpri(Qi)、Vsec(β,Viref)分别为通过电压一次控制方法(DVPC,DecentralizedVoltagePrimary Control)、电压二次控制方法(DVSC,DecentralizedVoltageSecondary Control)得到的电压；s表示复频域中的复变量，i为移动应急电源的序数，β为电压二次控制方法的增益系数，Qi为第i台移动应急电源输出的无功功率，T2为电压二次控制中低通滤波器的时间常数。
所述的电压一次控制方法采用如下公式所示的线性电压下垂控制方法：
Vpri(Qi)＝Vmax-niQi，
其中，Vmax和Vmin分别为移动应急电源机端电压的上限和下限，Qi和Qimax分别为第i台移动应急电源输出的无功功率和输出的无功功率最大值。
所述的电压二次控制方法采用以下公式：
Vsec(β,Viref)＝β(V0-Viref)，
其中，V0为额定电压，Viref是目标电压，β为增益系数。
本发明的应用例如下：
假设灾害导致城市配电网大面积停电后，配电网区域划分的一个小区域如图2所示，由4台移动应急电源组成应急微电网对其中的重要负荷进行应急供电仿真测试。算例参数如表1所示。
表1应用例仿真系统主要参数
| 系统参数 | 值 |
| 应急电源1(G<sub>1</sub>)容量/MW | 1 |
| 应急电源2(G<sub>2</sub>)容量/MW | 0.7 |
| 应急电源3(G<sub>3</sub>)容量/MW | 0.8 |
| 应急电源4(G<sub>4</sub>)容量/MW | 0.9 |
| 负荷L<sub>1</sub>/MW | 0.4+j0.2 |
| 负荷L<sub>2</sub>/MW | 0.3+j0.05 |
| 负荷L<sub>3</sub>/MW | 0.2+j0.1 |
| 负荷L<sub>4</sub>/MW | 0.3+j0.1 |
| 负荷L<sub>5</sub>/MW | 0.3+j0.2 |
| 负荷L<sub>6</sub>/MW | 0.4+j0.3 |
| f<sub>max</sub> | 50.5Hz |
| f<sub>min</sub> | 49.5Hz |
| V<sub>max</sub> | 1.125 |
| V<sub>min</sub> | 0.875 |
| α,β | 20 |
| T<sub>1</sub>、T<sub>2</sub>/s | 1 |
系统初始负荷如表1所示，应用例考虑以下4种情况：
第30s时，在节点6处，投入0.5MW有功负荷；第40s时，在节点6处，切除0.5MW有功负荷；第50s时，在节点6处，投入0.5MVar无功负荷；第60s时，在节点6处，切除0.5MVar无功负荷。
图3-图6为仿真测试结果。图3为应急微电网频率变化情况，图4为移动应急电源机端电压变化曲线，图5为移动应急电源输出的有功功率，图6为移动应急电源输出的无功功率。
从图3和图4中可以看出，应急微电网频率和移动应急电源机端电压最大偏差分别发生在有功负荷投切和无功负荷投切时，但很快恢复到稳态，且稳态时频率偏差小于0.025Hz，机端电压偏差小于0.625％。从图5中可以看出，应急电源输出有功功率(标幺值，以各移动应急电源的容量为基准)相等，即移动应急电源能够按其容量等比例分配有功负荷。
因此，本发明能够应用于灾害导致电网崩溃后城市配电网的应急供电，并且本发明不需要微电网中央控制器和通信系统，仅利用本地信息即可实现应急微电网的二次频率、电压调节功能，又能够协调各移动应急电源按其容量等比例分配有功负荷，使微电网稳定裕度最大，还保持了一次线性下垂控制策略良好的动态特性。此外，移动应急电源具备即插即用功能，提高了灾害条件下应急微电网运行的灵活性，有利于应对灾害条件下的各种紧急情况，具有突出显著的技术效果。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.由移动应急电源组成的应急微电网的分散分层控制方法，其包括：
1)在灾害导致配电网大面积停电后，对城市配电网进行区域划分，利用移动应急电源组成应急微电网为某一区域的重要负荷应急供电；
2)通过频率分散分层控制得到应急微电网目标频率firef，然后根据目标频率firef，利用调速器调节汽轮机的转速，进而改变移动应急电源输出的有功功率，完成对系统频率的调节；
3)通过电压分散分层控制得到目标电压Viref，然后根据目标电压Viref，利用励磁系统调节励磁电压，从而控制移动应急电源机端电压在允许范围内。
2.根据权利要求1所述的分散分层控制方法，其特征在于：步骤2)中的移动应急电源目标频率firef通过以下公式得到：
firef＝fpri(Pi)+fsec(α,firef)/(1+T1s)，
其中，fpri(Pi)、fsec(α,firef)分别为通过频率一次控制方法、频率二次控制方法得到的频率；s表示复频域中的复变量，i为移动应急电源的序数，α为频率二次控制方法的增益系数，Pi为第i台移动应急电源输出的有功功率，T1为频率二次控制中低通滤波器的时间常数。
3.根据权利要求2所述的分散分层控制方法，其特征在于：所述的频率一次控制方法采用以下公式表示的线性频率下垂控制方法：
fpri(Pi)＝fmax-miPi，
其中，fmax和fmin分别为应急微电网频率的上限和下限，Pi和Pimax分别为第i台移动应急电源输出的有功功率和输出有功功率最大值。
4.根据权利要求2所述的分散分层控制方法，其特征在于：所述的频率二次控制方法采用以下公式：
fsec(α,firef)＝α(f0-firef)，
其中，α为频率二次控制方法的增益系数，f0和firef分别为移动应急电源额定频率和目标频率。
5.根据权利要求1所述的分散分层控制方法，其特征在于：步骤3)中的移动应急电源目标电压Viref通过以下公式得到：
Viref＝Vpri(Qi)+Vsec(β,Viref)/(1+T2s)，
其中，Vpri(Qi)、Vsec(β,Viref)分别为通过电压一次控制方法、电压二次控制方法得到的电压；s表示复频域中的复变量，i为移动应急电源的序数，β为电压二次控制方法的增益系数，Qi为第i台移动应急电源输出的无功功率，T2为电压二次控制中低通滤波器的时间常数。
6.根据权利要求5所述的分散分层控制方法，其特征在于：所述的电压一次控制方法采用以下公式表示的线性电压下垂控制方法：
Vpri(Qi)＝Vmax-niQi，
其中，Vmax和Vmin分别为移动应急电源机端电压的上限和下限，Qi和Qimax分别为第i台移动应急电源的输出无功功率和输出无功功率最大值。
7.根据权利要求5所述的分散分层控制方法，其特征在于：所述的电压二次控制方法采用以下公式：
Vsec(β,Viref)＝β(V0-Viref)，
其中，V0为额定电压，Viref是目标电压，β为电压二次控制方法的增益系数。
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN106786808A (zh) | 2017-05-31 |
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Address after: Hangzhou City, Zhejiang province 310008 Shangcheng District South Road No. 1 building, clear water complex Applicant after: National Institute of economic and technology research, Zhejiang Electric Power Co., Ltd. Applicant after: State Grid Corporation of China Address before: Hangzhou City, Zhejiang province 310008 Shangcheng District South Road No. 1 building, clear water complex Applicant before: State Grid Zhejiang Electric Power Company Economic Technical Institute Applicant before: State Grid Corporation of China |
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