CN107093910B - 一种含小水电的新能源接入下多模式微电网控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含小水电的新能源接入下多模式微电网控制器，可以实现多种模式下的微电网控制，包括：正常并网运行模式、风险模式、孤网运行模式和孤网转并网运行模式。包含模式判别稳控模块、多模式决策控制、小水电优化控制模块、智能同期合闸模块、设备监控模块、模式判别稳控模块、通信模块。针对孤网模式下负荷需求基本得到满足且储能单元裕度充足、负荷需求小于微网电源出力、负荷需求大于微网电源出力三种状况下的控制，实现功率平衡和电压稳定；并网模式下新能源采用最大功率跟踪控制实现新能源出力最大化；孤网转并网模式采用智能同期模块对同期条件进行判断控制合闸。

Description

一种含小水电的新能源接入下多模式微电网控制器
技术领域
本发明涉及微电网控制及运行技术领域，具体的说，是一种含小水电的新能源接入下多模式微电网控制器。
背景技术
微电网作为一种新形式的电网，可以充分发挥分布式能源效能、提升用户供电可靠性、削弱分布式电源冲击，从而具有较好的经济和社会效益。与此同时，由于大量新能源接入微电网所带来的出力具有的间歇性和随机性也使得为电网的电能质量控制和控制策略相对传统电网更为复杂。所造成的新问题有：由于高渗透率的新能源接入所带来的谐波；由于间歇性所带来的过电压和过电流现象；由于有源网络所带来的功率双向流动特性等。
同时，在面对极端运行情况，如极端运行天气和自然灾害时，需要确保微电网内部重要负荷的供电和大电网的稳定。一般状况下，需要将微电网作为孤网运行状态，此时为了维持内部的功率平衡和稳定，需要根据不同的运行状态对微电网进行控制。同时，在微电网并网或切除线路并网阶段，需要通过信息采集，才能满足同期并网的要求。
微电网作为新一代电网形态，其灵活多样的运行方式和高渗透率的新能源接入，灵活模式切换的微电网控制器对于新能源的友好接入和用户电能质量保证，以及尽可能小减小微电网对系统影响具有重要意义，基于此，提出了一种含小水电的新能源接入下的多模式微电网控制器。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种含小水电的新能源接入下的多模式微电网控制器，通过不同运行状态下的微电网出力情况，对微电网进行模式判别。对于处于孤网运行方式下的微电网，根据所处的运行模式来进行控制。
为了达到上述目的，本发明提供的多模式微电网控制器包含以下模块：
1)设备监控模块：用以采集各个支路节点的电气信息，用来对微网并网分布式电源出力和负荷接线进行调整以及同期合闸的电气信息测量。
2)模式判别稳控模块：在判断处于并网或孤网模式基础上，对孤网情况按照功率缺额和仿真下的负荷电压水平制定风险等级，制定相关的负荷切除预案。
3)多模式决策控制模块：根据上述模式判别模块，对微网电源和负荷接线进行调整。当处于并网状态，按照新能源最大跟踪调整微网电源出力，通过并网点维持功率平衡；处于孤网模式下，负荷需求基本得到满足且储能单元裕度充足时，电源按照最大功率跟踪出力，利用储能单元调整维持稳定；孤网下，负荷需求较小，利用下垂控制调整微网电源出力维持平衡；孤网下，负荷需求较大，根据预定风险等级负荷切除方案进行负荷切除。
4)智能同期合闸模块：在下达并网指令后，根据并网节点间的电气测量结果来判断是否满足同期要求，得以满足时进行同期合闸并网；
5)小水电优化控制器模块：根据上级多模式微网控制器指令后，对小水电发送励磁增减信号，控制小水电的有功功率输出；通过调整发电机的滞相和进相运行状态实现电压稳定；
6)通信模块和保护模块：采用串口、以太网和CAN总线多种方式通信，通过光纤/GPRS/3G方式采集和发送数据，完成主站和子站通信；配置保护包含三段式相间过电流保护，包含相间方向元件，低电压闭锁元件，负序过电压闭锁元件等。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为所述微网控制器整体框架；
图2为所述切负荷备案形成过程流程；
图3为所述模式判别模块和多模式决策控制模块的控制流程。
具体实施方式
以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的设备监控模块用以采集各个支路节点的电气信息，用来对微网并网分布式电源出力和负荷接线进行调整以及同期合闸的电气信息测量。采集信号包括各个支路电流ii和节点电压的测量值ui、各个节点有功Pi及无功值Qi、微网频率f、外部开关量的输入遥信采集、断路器的开关状态采集。
在得到相应的节点信息和状态后，通过所述的模式判别稳控模块判断微网是否处于孤网模式，若处于孤网模式下则则根据功率的稳定状况控制负荷的切除量。根据联络线功率的缺额和负荷的重要等级，对孤网模式下的风险等级进行评价，分为不同等级的风险模式。孤网运行模式下的功率缺额△P满足：
△P＝∑PL-∑PG
为用户负荷减去微网电源出力，定义功率缺额比△P％，满足：
△P％＝△P/PLN
其中，PLN为用户负荷额定功率，通常情况下0<△P％<1，随着缺额不断增大系数上升。定义风险等级系数α1，α2…αn，满足0<α1<α2…<αn<1。通过判断△P％所属区间确定所需要切除的负荷，切除负荷的优先层次按照负荷的重要等级和尽可能少的切除馈线原则。在制定负荷切除方案后，通过调用潮流仿真软件得到的各个节点的电压水平，满足各个节点电压处于额定值90％～110％范围内，则方案可行作为负荷切除备案；若有节点超出此范围则更换切除负荷方案，直到得到满足要求的最优负荷切除方案。
若系统处于孤网运行模式下，系统所有电源的有功出力大于负荷需求且储能单元充放裕度不足，调节小水电运行状态为进相运行，小水电吸收无功功率。采用小水电运行方式调整后电压仍高于上限阈值时，则调整新能源出力，保持功率平衡。新能源脱离最大功率跟踪状态，采用下垂控制的方式来分配新能源出力，所述下垂控制的表达式如下：
Figure BDA0001289631390000031
其中，ω为角频率，ω0为额定角频率；E为输出电压，E0为额定电压；m，n分别为有功无功的下垂系数，通过该策略实现功率分配。
当处于孤网模式下且新能源出力小于负荷需求或约等于负荷需求但储能单元拥有足够充放裕度时，由储能单元稳定电压，电源保持最大功率跟踪出力。同时，调节微电网中的小水电电源出力和运行状态，确保各个节点电压有一定裕度，从而保证稳定性。
当孤网模式下，最大功率输出小远于荷需求且储能单元充放裕度不足，微网电源按照最大功率跟踪输出，调节小水电运行状态为滞相运行，小水电发出无功功率。采用小水电运行方式调整后电压仍低于下限阈值时，按照预定的风险等级的负荷切除方案备案进行负荷切除，控制微网的功率平衡和电压平衡。
当微网处于并网状态，则按照新能源最大功率跟踪出力，由公共电网维持功率平衡。当系统由孤网状态转换为并网状态或切除线路重新并网时，通过所述智能同期模块对同期条件进行判断，当并网节点满足以下要求：并网节点间电压差±10％，相角差±25°，并网系统间频率差±0.5Hz时，下发并网指令，控制合闸。
所述保护配置包含三段式相间过电流保护，包含相间方向元件，低电压闭锁元件，负序过电压闭锁元件等。在线路发生故障时，可以快速反应故障并及时断开，保证供电的可靠性。
基于上述技术方案，实施例提供的含小水电的新能源接入下多模式微电网控制器软件采用C/C++的QT库开发；所述控制器硬件采用DSP+FPGA方案，提供的通讯接口方式包括RS485/RS232；所述设备监控模块采用模拟量采集节点位置三相电压和电流数据；所述通讯方式包括串口通信、以太网和CAN总线多种方式通信，通过光纤/GPRS/3G方式采集和发送数据，完成主站和子站通信。
以上对本发明所提供的含小水电的新能源接入下多模式微电网控制器的实施方式和原理进行了阐述，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰均属于本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种含小水电的新能源接入下多模式微电网控制器，其特征在于：所述控制器可以实现多种模式下的微电网控制，包括：正常并网运行模式、风险模式、孤网运行模式和孤网转并网运行模式，所述控制器包含模式判别稳控模块、多模式决策控制、小水电优化控制模块、智能同期合闸、稳定控制、保护配置以及主站配合的功能，所述控制器包含设备监控模块、模式判别稳控模块、通信模块、协调控制模块、调度辅助决策系统，通过判断微网是否处于孤网模式，处于孤网模式下则根据功率的稳定状况控制负荷的切除量，根据联络线功率的缺额比和负荷的重要等级，对孤网模式下的风险等级进行评价，分为不同等级的风险模式，
孤网运行模式下的功率缺额△P满足：
△P＝∑PL-∑PG
∑PL为用户负荷，∑PG为微网电源出力，定义功率缺额比△P％，满足：
△P％＝△P/PLN
其中，PLN为用户负荷额定功率，风险等级系数α1，α2…αn，满足0<α1<α2…<αn<1，通过判断△P％所属区间确定所需要切除的负荷，针对不同的风险模式，按照尽可能少的切除馈线原则对负荷进行切除方案备案，通过潮流仿真得到切除负荷下的节点电压水平，若低于要求则更换切除负荷方案，直到得到最优的切除负荷方案备案；
通过判断微网所处的模式状态，对微网进行控制，当微网处于并网状态，则按照新能源最大功率跟踪出力，由公共电网维持功率平衡；当处于孤网模式下且电源源出力约等于负荷需求且储能单元拥有足够充放裕度时，由储能单元稳定电压，电源保持最大功率跟踪出力；
当孤网模式下，最大功率输出大于负荷需求且储能单元充放裕度不足，采用小水电运行方式调整后电压仍高于上限阈值时，调整微网的电源出力，脱离最大功率跟踪状态，采用下垂控制的方式来分配新能源出力，
当孤网模式下，最大功率输出小远于负荷需求且储能单元充放裕度不足，采用小水电运行方式调整后电压仍低于下限阈值时，微网电源按照最大功率跟踪输出，按照预定的风险等级的负荷切除方案备案进行负荷切除，控制微网的功率平衡和电压平衡。
2.根据权利要求1所述的含小水电的新能源接入下多模式微电网控制器，其特征在于：采集信号包括各个支路电流ii和节点电压的测量值ui、各个节点有功Pi及无功值Qi、微网频率f、外部开关量的输入遥信采集、断路器的开关状态采集。
3.根据权利要求1所述的含小水电的新能源接入下多模式微电网控制器，其特征在于：在孤网转换并网或切除后线路重新并网状态下时，对同期条件进行判断，满足同期条件时控制并网，同期条件为：并网节点间电压差±10％，相角差±25°，并网系统间频率差±0.5Hz，通过监控系统采集的并网系统数据来判断是否满足同期要求，满足情况下由调度决定是否合闸并网。
4.根据权利要求1所述的含小水电的新能源接入下多模式微电网控制器，其特征在于：在收到上级多模式微网控制器指令后，对小水电发送励磁增减信号，控制小水电的有功功率输出；通过调整发电机的滞相和进相运行状态实现电压稳定，电压下降时滞相运行增加无功出力，电压上升时进相运行吸收无功出力。
5.根据权利要求1所述的含小水电的新能源接入下多模式微电网控制器，其特征在于：采用串口、以太网和CAN总线多种方式通信，通过光纤/GPRS/3G方式采集和发送数据，完成主站和子站通信。
6.根据权利要求1所述的含小水电的新能源接入下多模式微电网控制器，其特征在于：所述保护配置包含三段式相间过电流保护，包含相间方向元件，低电压闭锁元件，负序过电压闭锁元件，确保保护的正确动作。
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