CN107480837A - 一种基于gps同步定频的孤岛运行微电网协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于GPS同步定频的孤岛运行微电网协调控制方法，解决了频率稳定与电压稳定交互影响的问题，其步骤如下：步骤1，根据最大允许电压、额定工作电压及最大限流点制定可调电源的静态下垂曲线；步骤2，基于一阶动态特性建立电流输出响应控制器；步骤3，以提高系统阻尼比及功率合理分配为目标，建立典型场景下垂系数优化查询库，进行下垂系数动态优化；步骤4，确定当前运行场景的可调电源输出；步骤5，建立有功功率与无功功率联合优化模型，并采用牛顿法进行多目标求解；步骤6，确定最优的功率及电压电流输出。本发明实现了微电网的同步定频、微电网的电压稳定与优化控制、就地的电压控制与功率分配和微网的高效优化运行。

Description

一种基于GPS同步定频的孤岛运行微电网协调控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于GPS同步定频的孤岛运行微电网协调控制方法，属于电力系统控制领域。

背景技术

微电网是分布式可再生能源高效利用的有效方式，微电网与大电网相结合是未来电力系统的发展方向。在大电网故障时微电网以孤岛方式运行，可以保证用户的可靠供电。微网孤岛运行时由于脱离了大电网，因此如何对频率与电压进行有效的控制保证微网稳定运行成为亟待解决的关键技术问题。

目前微网的控制大多采用与大电网相同的策略，如采用主从控制或者对等控制对频率与电压分别进行控制，采用主从控制的独立运行微网中，由主控电源为系统提供电压和频率支撑，控制方法比较简单，但要求主控电源的容量足够大，能够支撑起微网的频率与电压；一旦主控电源因故障等原因退出运行，整个微网将失去频率与电压支撑，无法维持正常运行。对等控制能够实现分布式电源的即插即用，成为目前研究的热点，其基本原理是根据接入点的就地电压与系统频率信息，模拟大电网的有功功率/频率(P/f)和无功功率/电压(Q/U)的下垂特性控制逆变器的输出功率，将系统频率与电压维持一个合适的范围内。但该方法存在着大电网固有的频率稳定与电压稳定相互影响的问题，

目前微电网的控制主要模拟大电网的控制策略，即对频率与电压分别进行控制，由于缺乏统一的时间参考无法获取电气量的相位信息，如需对相位进行控制则需通过频率进行调节，因此导致存在着频率稳定与电压稳定交互影响的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于GPS同步定频的孤岛运行微电网协调控制方法，其能够解决频率稳定与电压稳定的交互影响的问题。

本发明解决其技术问题采取的技术方案是：

一方面，本发明实施例提供的一种基于GPS同步定频的孤岛运行微电网协调控制方法，它包括以下步骤：

步骤1，根据最大允许电压、额定工作电压及最大限流点制定可调电源的静态下垂曲线；

步骤2，基于一阶动态特性建立电流输出响应控制器；

步骤3，以提高系统阻尼比及功率合理分配为目标，建立典型场景下垂系数优化查询库，进行下垂系数动态优化；

步骤4，确定当前运行场景的可调电源输出；

步骤5，建立有功功率与无功功率联合优化模型，并采用牛顿法进行多目标求解；

步骤6，确定最优的功率及电压电流输出。

作为本实施例一种可能的实现方式，在步骤1中，下垂系数的制定过程具体包括以下步骤：

a)静态特性设计：下垂曲线根据正常运行时的静态特性制定，采用三点式分段方式，即空载电势点(对应与横轴的交点)，额定工作点(对应额定电压与额定电流)以及最大限流点(对应最低允许电压以及最大输出电流)；

b)动态特性设计：针对分布式电源以及负荷的波动性问题，考虑可调电压功率分摊和系统的小扰动稳定性，建立多场景目标函数：

式中,n＝1......p表示微网有p个运行场景，P_i表示第i个可调电源的有功功率标幺值，1-P_i即表示与额定功率的差值，G表示可调节电源个数，ξ*为给定的系统阻尼比，ξ_Ki为小于ξ*的特征值阻尼比，下标Ki表示该阻尼比受下垂系数的影响；α、β为权重系数；

c)跟踪特性设计：下垂曲线输出电流控制指令后，为防止电流指令的突变带来的振荡，采用一阶惯性环节进行控制，一方面通过T的选取增加系统惯性，另一方面实现电流输出指令的无超调动态响应；

d)大扰动动态特性设计：当微网故障或大负荷投切等引起系统发生大扰动时，在逆变器输出限流时，下垂控制的调压特性应固定在电压下限。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述电流输出响应控制器采用外闭环和内闭环相结合的双闭环控制策略，外闭环控制策略采用电流-电压下垂控制特性，进行电压稳定控制以及可调分布式电源之间的功率分配，即 I＝I_max-KU(标幺值下)，U为逆变器并网点的电压，U₀为逆变器并网点最大允许电压，K为下垂系数，I_max为逆变器输出电流幅值指令；内闭环控制策略采用电流控制，电流幅值参考信号由外环给出，电流相位参考信号由GPS同步发生装置给出，实现电流全局同步。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述步骤3的具体过程为：通过建立典型场景下垂系数的优化结果数据集，结合当前运行场景进行查询进行优化下垂系数，使可调电源在线快速自适应下垂控制，保证系统稳定性。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述步骤5的具体过程包括以下步骤：

A)建立计及机组发电费用最小、网损最小、电压偏差最小和无功补偿容量最小的多目标有功功率与无功功率联合优化模型；

min F＝min[f₁,f₂,f₃,f₄]

F为目标函数，表示微网系统运行的费用、网络损耗、电压偏差和无功补偿容量；f₁、f₂、f₃和f₄分别表示发电费用、网络损耗、电压偏差和无功补偿容量；P_Gi为第i台分布式电源有功出力；a_i、b_i和c_i分别为费用系数；G_k(i,j)为第k条支路上节点i、j之间的电导；B_ij、θ_ij分别为节点i、j之间的电纳和电压表相角差；V_Ni为第i个节点的额定电压，Vi为第i个节点的运行电压；Q_SCi表示静态无功补偿容量，Q_DCi示动态无功补偿容量；Pi、Qi分别为节点i的注入有功、无功功率；NG、Nk、N、NC分别为分布式电源数、系统支路数、系统节点数，无功补偿节点数；和V_i,min、V_i,max为分布式电源出力最大、最小限和节点电压上、下限；

B)采用牛顿法进行多目标优化模型求解，得到最优的微网运行优化方案。

另一方面，本发明实施例提供的另一种基于GPS同步定频的孤岛运行微电网协调控制方法，它包括以下过程：

装置级的就地控制过程，用于进行就地装置的即插即用；

系统级的协调控制过程，用于进行孤岛运行微电网全局优化。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述装置级的就地控制过程包括以下步骤：

步骤1，根据最大允许电压、额定工作电压及最大限流点制定可调电源的静态下垂曲线；

步骤2，基于一阶动态特性建立电流输出响应控制器；

步骤3，以提高系统阻尼比及功率合理分配为目标，建立典型场景下垂系数优化查询库，进行下垂系数动态优化；

作为本实施例一种可能的实现方式，所述系统级的协调控制过程包括以下步骤：

步骤4，确定当前运行场景的可调电源输出；

步骤5，建立有功功率与无功功率联合优化模型，并采用牛顿法进行多目标求解；

步骤6，确定最优的功率及电压电流输出。

本发明实施例的技术方案可以具有的有益效果如下：

本发明的实施例技术方案提供了一种基于GPS同步定频的孤岛运行微电网协调控制方法，它主要包括用于实现就地装置的即插即用的装置级就地控制过程和用于实现孤岛运行微电网全局优化的系统级协调控制过程两个过程，利用电力电子逆变装置频率与相位独立受控的特点，将逆变器输出频率固定为50赫兹，不再对频率进行控制，利用卫星授时信号(GPS)提供统一电流相位信号，实现了微电网的同步定频，解决了频率稳定与电压稳定的交互影响问题。采用分层协调控制策略实现微电网的电压稳定与优化控制，对可调节电源(如蓄电池)采用电流-电压下垂控制特性实现就地的电压控制与功率分配，系统级控制(EMS)对所有分布式电源进行协调控制，实现了微网的高效优化运行。

与现有技术相比较，本发明的实施例技术方案具有以下特点：

(1)采用双闭环控制，外环利用电流-电压下垂控制特性输出电流指令，进一步利用一阶惯性环节实现电流指令的无超调动态响应，内环基于GPS形成的相位信号实现电流快速跟踪。

(2)外环下垂控制静态特性设计采用三点式分段方式，即空载电势点(对应与横轴的交点)，额定工作点(对应额定电压与额定电流)以及最大限流点 (对应最低允许电压以及最大输出电流)。

(3)外环下垂控制动态特性设计考虑可调电压功率分摊和系统的小扰动稳定性，建立多场景目标函数，通过建立典型场景下垂系数的优化结果数据集，结合当前运行场景进行查询实现可调电源在线快速自适应下垂控制，保证系统稳定性。

(4)系统级控制采用计及机组发电费用最小、网损最小、电压偏差最小和无功补偿容量最小的多目标有功功率与无功功率联合优化，采用牛顿法进行快速求解确定最终的优化结果。

附图说明

图1是根据一示例性实施例示出的一种基于GPS同步定频的孤岛运行微电网协调控制方法的流程图；

图2是根据一示例性实施例示出的一种基于GPS同步定频的孤岛运行微电网协调控制的原理图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

图1是根据一示例性实施例示出的一种基于GPS同步定频的孤岛运行微电网协调控制方法的流程图。如图1所示，该实施例的一种基于GPS同步定频的孤岛运行微电网协调控制方法，它可以包括以下步骤：

步骤1，根据最大允许电压、额定工作电压及最大限流点制定可调电源的静态下垂曲线；

步骤2，基于一阶动态特性建立电流输出响应控制器；

步骤3，以提高系统阻尼比及功率合理分配为目标，建立典型场景下垂系数优化查询库，进行下垂系数动态优化；

步骤4，确定当前运行场景的可调电源输出；

步骤5，建立有功功率与无功功率联合优化模型，并采用牛顿法进行多目标求解；

步骤6，确定最优的功率及电压电流输出。

在一种可能的实现方式中，在步骤1中，下垂系数的制定过程具体包括以下步骤：

a)静态特性设计：下垂曲线根据正常运行时的静态特性制定，采用三点式分段方式，即空载电势点(对应与横轴的交点)，额定工作点(对应额定电压与额定电流)以及最大限流点(对应最低允许电压以及最大输出电流)；

b)动态特性设计：针对分布式电源以及负荷的波动性问题，考虑可调电压功率分摊和系统的小扰动稳定性，建立多场景目标函数：

式中,n＝1......p表示微网有p个运行场景，P_i表示第i个可调电源的有功功率标幺值，1-P_i即表示与额定功率的差值，G表示可调节电源个数，ξ*为给定的系统阻尼比，ξ_Ki为小于ξ*的特征值阻尼比，下标Ki表示该阻尼比受下垂系数的影响；α、β为权重系数；

c)跟踪特性设计：下垂曲线输出电流控制指令后，为防止电流指令的突变带来的振荡，采用一阶惯性环节进行控制，一方面通过T的选取增加系统惯性，另一方面实现电流输出指令的无超调动态响应；

d)大扰动动态特性设计：当微网故障或大负荷投切等引起系统发生大扰动时，在逆变器输出限流时，下垂控制的调压特性应固定在电压下限。

在一种可能的实现方式中，所述电流输出响应控制器采用外闭环和内闭环相结合的双闭环控制策略，外闭环控制策略采用电流-电压下垂控制特性，进行电压稳定控制以及可调分布式电源之间的功率分配，即I＝I_max-KU(标幺值下)，U为逆变器并网点的电压，U₀为逆变器并网点最大允许电压，K为下垂系数，I_max为逆变器输出电流幅值指令；内闭环控制策略采用电流控制，电流幅值参考信号由外环给出，电流相位参考信号由GPS同步发生装置给出，实现电流全局同步。

在一种可能的实现方式中，所述步骤3的具体过程为：通过建立典型场景下垂系数的优化结果数据集，结合当前运行场景进行查询进行优化下垂系数，使可调电源在线快速自适应下垂控制，保证系统稳定性。

在一种可能的实现方式中，所述步骤5的具体过程包括以下步骤：

A)建立计及机组发电费用最小、网损最小、电压偏差最小和无功补偿容量最小的多目标有功功率与无功功率联合优化模型；

min F＝min[f₁,f₂,f₃,f₄]

F为目标函数，表示微网系统运行的费用、网络损耗、电压偏差和无功补偿容量；f₁、f₂、f₃和f₄分别表示发电费用、网络损耗、电压偏差和无功补偿容量；P_Gi为第i台分布式电源有功出力；a_i、b_i和c_i分别为费用系数；G_k(i,j)为第k条支路上节点i、j之间的电导；B_ij、θ_ij分别为节点i、j之间的电纳和电压表相角差；V_Ni为第i个节点的额定电压，Vi为第i个节点的运行电压；Q_SCi表示静态无功补偿容量，Q_DCi示动态无功补偿容量；Pi、Qi分别为节点i的注入有功、无功功率；NG、Nk、N、NC分别为分布式电源数、系统支路数、系统节点数，无功补偿节点数；和V_i,min、V_i,max为分布式电源出力最大、最小限和节点电压上、下限；

B)采用牛顿法进行多目标优化模型求解，得到最优的微网运行优化方案。

图2是根据一示例性实施例示出的一种基于GPS同步定频的孤岛运行微电网协调控制的原理图。如图2所示，该实施例的一种基于GPS同步定频的孤岛运行微电网协调控制方法，它包括以下过程：

一、装置级的就地控制过程

该过程用于进行就地装置的即插即用。

该过程采用双闭环控制策略，外环采用电流-电压下垂控制特性，实现电压稳定控制以及可调分布式电源之间的功率分配，即I＝I_max-KU(标幺值下)， U₀为逆变器并网点最大允许电压，K为下垂系数，I_max为逆变器输出电流幅值指令，内环采用电流控制，电流幅值参考信号由外环给出，电流相位参考信号由GPS同步发生装置给出，实现电流全局同步。图2中，I_st表示下垂控制输出的本地电流幅值指令，I*为经过电压电流跟踪控制器后的电流幅值参考信号。

该控制策略中下垂系数的制定较为关键，采用静态设计与动态设计相结合的方法，具体包含以下步骤：

a)静态特性设计：下垂曲线根据正常运行时的静态特性制定，采用三点式分段方式，即空载电势点(对应与横轴的交点)，额定工作点(对应额定电压与额定电流)以及最大限流点(对应最低允许电压以及最大输出电流)。

b)动态特性设计：针对分布式电源以及负荷的波动性问题，考虑可调电压功率分摊和系统的小扰动稳定性，建立多场景目标函数：

式中,n＝1......p表示微网有p个运行场景，P_i表示第i个可调电源的有功功率标幺值，1-P_i即表示与额定功率的差值，G表示可调节电源个数，ξ*为给定的系统阻尼比，ξ_Ki为小于ξ*的特征值阻尼比，下标Ki表示该阻尼比受下垂系数的影响。α、β为权重系数，下垂系数动态优化应以系统稳定为第一因素，因此在权重系数的选择上β应该取值大一些，其运行约束条件考虑电压运行上下限，可调电源容量上限等基本约束。通过建立典型场景下垂系数的优化结果数据集，结合当前运行场景进行查询便可实现可调电源在线快速自适应下垂控制，保证了系统稳定性。

c)跟踪特性设计：下垂曲线输出电流控制指令后，为防止电流指令的突变带来的振荡，采用一阶惯性环节进行控制，一方面通过T的选取增加系统惯性，另一方面实现电流输出指令的无超调动态响应。

d)大扰动动态特性设计：当微网故障或大负荷投切等引起系统发生大扰动时，在逆变器输出限流时，下垂控制的调压特性应固定在电压下限。此时维持微网的电压稳定需要借助二次调压措施，采用就地低压减载以及备用容量投入使发电功率与负荷功率平衡。

二、系统级的协调控制过程

该过程用于进行孤岛运行微电网全局优化。

建立计及机组发电费用最小、网损最小、电压偏差最小和无功补偿容量最小的多目标有功功率与无功功率联合优化模型。

min F＝min[f₁,f₂,f₃,f₄]

F为目标函数，表示微网系统运行的费用、网络损耗、电压偏差和无功补偿容量；f₁，f₂，f₃，f₄分别表示发电费用、网络损耗、电压偏差和无功补偿容量；P_Gi为第i台分布式电源有功出力；a_i，b_i，c_i分别为费用系数；G_k(i,j)为第k条支路上节点i、j之间的电导；B_ij、θ_ij分别为节点i、j之间的电纳和电压表相角差；V_Ni为第i个节点的额定电压，Vi为第i个节点的运行电压； Q_SCi表示静态无功补偿容量，Q_DCi示动态无功补偿容量；Pi、Qi分别为节点i 的注入有功、无功功率；NG、Nk、N、NC分别为分布式电源数、系统支路数、系统节点数，无功补偿节点数；和V_i,min、V_i,max为分布式电源出力最大、最小限和节点电压上、下限。

采用牛顿法进行多目标优化模型求解，实现快速在线求解，得到最优的微网运行优化方案，保证了微网的稳定高效运行。

本发明利用了电力电子逆变装置频率与相位独立受控的特点，将逆变器输出频率固定为50赫兹，不再对频率进行控制，利用卫星授时信号(GPS)提供统一电流相位信号，实现了微电网的同步定频，解决了频率稳定与电压稳定的交互影响问题。采用分层协调控制策略实现微电网的电压稳定与优化控制，对可调节电源(如蓄电池) 采用电流-电压下垂控制特性实现就地的电压控制与功率分配，系统级控制(EMS)对所有分布式电源进行协调控制，实现了微网的高效优化运行。

以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于GPS同步定频的孤岛运行微电网协调控制方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1，根据最大允许电压、额定工作电压及最大限流点制定可调电源的静态下垂曲线；

步骤2，基于一阶动态特性建立电流输出响应控制器；

步骤3，以提高系统阻尼比及功率合理分配为目标，建立典型场景下垂系数优化查询库，进行下垂系数动态优化；

步骤4，确定当前运行场景的可调电源输出；

步骤5，建立有功功率与无功功率联合优化模型，并采用牛顿法进行多目标求解；

步骤6，确定最优的功率及电压电流输出。

2.如权利要求1所述的一种基于GPS同步定频的孤岛运行微电网协调控制方法，其特征是，在步骤1中，下垂系数的制定过程具体包括以下步骤：

a)静态特性设计：下垂曲线根据正常运行时的静态特性制定，采用三点式分段方式，即空载电势点、额定工作点以及最大限流点；

b)动态特性设计：针对分布式电源以及负荷的波动性问题，考虑可调电压功率分摊和系统的小扰动稳定性，建立多场景目标函数：

式中,n＝1......p表示微网有p个运行场景，P_i表示第i个可调电源的有功功率标幺值，1-P_i即表示与额定功率的差值，G表示可调节电源个数，ξ*为给定的系统阻尼比，ξ_Ki为小于ξ*的特征值阻尼比，下标Ki表示该阻尼比受下垂系数的影响；α、β为权重系数；

c)跟踪特性设计：下垂曲线输出电流控制指令后，为防止电流指令的突变带来的振荡，采用一阶惯性环节进行控制，一方面通过T的选取增加系统惯性，另一方面实现电流输出指令的无超调动态响应；

d)大扰动动态特性设计：当微网故障或大负荷投切等引起系统发生大扰动时，在逆变器输出限流时，下垂控制的调压特性应固定在电压下限。

3.如权利要求1所述的一种基于GPS同步定频的孤岛运行微电网协调控制方法，其特征是，所述电流输出响应控制器采用外闭环和内闭环相结合的双闭环控制策略，外闭环控制策略采用电流-电压下垂控制特性，进行电压稳定控制以及可调分布式电源之间的功率分配，即I＝I_max-KU，U为逆变器并网点的电压，U₀为逆变器并网点最大允许电压，K为下垂系数，I_max为逆变器输出电流幅值指令；内闭环控制策略采用电流控制，电流幅值参考信号由外环给出，电流相位参考信号由GPS同步发生装置给出，实现电流全局同步。

4.如权利要求1所述的一种基于GPS同步定频的孤岛运行微电网协调控制方法，其特征是，所述步骤3的具体过程为：通过建立典型场景下垂系数的优化结果数据集，结合当前运行场景进行查询进行优化下垂系数，使可调电源在线快速自适应下垂控制，保证系统稳定性。

5.如权利要求1至4任意一项所述的一种基于GPS同步定频的孤岛运行微电网协调控制方法，其特征是，所述步骤5的具体过程包括以下步骤：

A)建立计及机组发电费用最小、网损最小、电压偏差最小和无功补偿容量最小的多目标有功功率与无功功率联合优化模型；

min F＝min[f₁,f₂,f₃,f₄]

F为目标函数，表示微网系统运行的费用、网络损耗、电压偏差和无功补偿容量；f₁、f₂、f₃和f₄分别表示发电费用、网络损耗、电压偏差和无功补偿容量；P_Gi为第i台分布式电源有功出力；a_i、b_i和c_i分别为费用系数；G_k(i,j)为第k条支路上节点i、j之间的电导；B_ij、θ_ij分别为节点i、j之间的电纳和电压表相角差；V_Ni为第i个节点的额定电压，Vi为第i个节点的运行电压；Q_SCi表示静态无功补偿容量，Q_DCi示动态无功补偿容量；Pi、Qi分别为节点i的注入有功、无功功率；NG、Nk、N、NC分别为分布式电源数、系统支路数、系统节点数，无功补偿节点数；和V_i,min、V_i,max为分布式电源出力最大、最小限和节点电压上、下限；

B)采用牛顿法进行多目标优化模型求解，得到最优的微网运行优化方案。

6.一种基于GPS同步定频的孤岛运行微电网协调控制方法，其特征是，包括以下过程：

装置级的就地控制过程，用于进行就地装置的即插即用；

系统级的协调控制过程，用于进行孤岛运行微电网全局优化。

7.如权利要求6所述的一种基于GPS同步定频的孤岛运行微电网协调控制方法，其特征是，所述装置级的就地控制过程包括以下步骤：

步骤1，根据最大允许电压、额定工作电压及最大限流点制定可调电源的静态下垂曲线；

步骤2，基于一阶动态特性建立电流输出响应控制器；

步骤3，以提高系统阻尼比及功率合理分配为目标，建立典型场景下垂系数优化查询库，进行下垂系数动态优化。

8.如权利要求6或7所述的一种基于GPS同步定频的孤岛运行微电网协调控制方法，其特征是，所述系统级的协调控制过程包括以下步骤：

步骤4，确定当前运行场景的可调电源输出；

步骤5，建立有功功率与无功功率联合优化模型，并采用牛顿法进行多目标求解；

步骤6，确定最优的功率及电压电流输出。