CN108197788B - 一种对等控制模式下微电网电压频率偏差估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对等控制模式下微电网电压频率偏差估计方法，首先获取电源规划数据、系统运行预测数据、系统的运行控制参数、微电网安全运行时频率和电压的稳定运行范围，计算对等控制下频率和电压的偏差，针对不同场景下功率波动进行微电网频率和电压偏差的估算，得到功率波动下频率和电压的偏差值，采用微电网稳定裕度分析模型，计算微电网当前状态下的频率和电压的稳定裕度，如果稳定裕度超过微电网的运行标准，说明电压、频率越限，需要修改运行参数，提高稳定性；如果稳定裕度没有越限，则用来衡量当前的运行状态。本发明能为微电网的稳定性分析和控制策略设计提供数据支撑和实践意义，应用范围较为广泛，实用性和适用性较强。

Description

一种对等控制模式下微电网电压频率偏差估计方法

技术领域

本发明属于微电网系统中运行控制技术领域，具体涉及一种对等控制模式下微电网电压频率偏差估计的工程化方法。

背景技术

随着当今世界对于能源供给和电能供应质量、安全以及可靠性的要求越来越高，繁杂的大电力系统由于自身的不足已经难以满足日益增长的要求。分布式发电技术，尤其以微电网为代表形式，正在日趋走向成熟。微电网要自行实现控制和管理，就必须采用合理的控制策略，核心是保持电压和频率的稳定，从而保证微电网的高效稳定运行。出于工程运用的需求，提出一种对等控制模式下的新型微电网电压频率偏差估计方法，用来进行微电网稳定性分析和控制策略设计。

为了保证微电网在并网、孤岛情况下的稳定、可靠运行及过渡过程的平滑切换，需要结合各类电源的特征和逆变器控制方式，设计合理有效的微电网协调控制策略。孤岛时微电网采用的控制策略有两种：主从控制与对等控制。主从控制下，主控单元为整个微电网提供电压和频率支撑，微电网的电压和频率保持不变；对等控制下，当出现有、无功功率波动时，各分布式电源通过下垂控制策略完成功率平衡控制，将会导致微电网的电压和频率发生变化。处于对等控制下的微电网若由并网向孤岛转换或在孤岛状态下发生源荷故障时，都会带来有、无功功率的波动，控制电压频率在限制范围内是维持微电网稳定运行的必要条件。通常并离网的平滑切换等典型场景都在暂态层面进行分析，一般不在微电网初期规划中进行，但在工程问题中，有时需要对电压频率的偏差进行简单估计，从而对微电网的运行控制参数，如电源容量、调节速率、下垂系数等进行修正，给出更合理的微电网规划方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种对等控制模式下微电网电压频率偏差估计方法，针对工程中实际微电网的运行控制问题，从稳态角度出发，提出一种对等模式下的新型微电网电压频率偏差估计的工程化方法，解决实际工程中微电网的运行控制问题，为微电网稳定性分析和控制策略设计提供数据支撑和实践意义。

本发明采用以下技术方案：

一种对等控制模式下微电网电压频率偏差估计方法，首先获取电源规划数据、系统运行预测数据、系统的运行控制参数、微电网安全运行时频率和电压的稳定运行范围，计算对等控制下频率和电压的偏差，针对不同场景下功率波动进行微电网频率和电压偏差的估算，得到功率波动下频率和电压的偏差值，采用微电网稳定裕度分析模型，计算微电网当前状态下的频率和电压的稳定裕度，如果稳定裕度超过微电网的运行标准，说明电压、频率越限，需要修改运行参数，提高稳定性；如果稳定裕度没有越限，则用来衡量当前的运行状态。

具体的，包括以下步骤：

S1、分别获取参与调节的电源数量m、电源出力分布P_G、Q_G在每一个时段的值；以及电源所在电压等级j、典型场景下若干个PCC点交换的有功功率P_c、无功功率Q_c和对应场景下的负荷量P_Lc、Q_Lc；频率特性下垂参数K_pf；负荷频率静态特性参数K_Lf；电压特性下垂参数K_pv；负荷电压静态特性参数K_Lv、微电网安全运行时频率[f_min，f_max]和电压[U_min，U_max]；

S2、对等模式控制下，各微电源均采用Droop控制方式，通过解耦有功―频率与无功―电压之间的下垂特性曲线进行系统电压和频率控制，在多个场景下进行频率偏差Δf和电压偏差ΔU的估算；

S3、根据步骤S2的频率偏差Δf和电压偏差ΔU计算微电网下一时段的频率估计值f₁和电压估计值U₁，建立微电网电压、频率稳定裕度分析模型，得出相应的稳定裕度。

进一步的，步骤S2中，将PCC点交换的有功功率P_c、单个电源最大出力P_Gmax、最大失负荷量P_Lcmax分别作为有功功率波动值ΔP，在对等控制下，有功功率波动值ΔP引起的频率偏差Δf计算如下：

其中，K_pfi为第i台参与调节电源的频率特性下垂参数，K_Lf为负荷频率静态特性参数，m为采用Droop控制的电源个数。

进一步的，步骤S2中，将PCC点交换的无功功率Q_c、单个电源最大无功出力Q_Gmax、最大失负荷无功量Q_Lcmax分别作为无功功率波动值ΔQ，在无功功率波动值ΔQ的作用下微电网系统产生的电压偏差ΔU计算如下：

其中，K_pveqi为换算后的第i台参与调节电源的电压特性下垂参数，K_Lv为负荷电压静态特性参数，m为采用Droop控制的电源个数。

进一步的，K_pveqi具体计算如下：

其中，K_pv为电压特性下垂参数，U_j为第j个电压等级的电压有名值，U₁为PCC点电压有名值。

进一步的，步骤S3中，当微电网下一段的频率估计值f₁处于微电网的频率稳定范围[f_min，f_max]内时，系统频率向下稳定裕度D_f,down和系统频率向上稳定裕度D_f,up具体计算如下：

D_f,down＝f₁-f_min

D_f,up＝f_max-f₁

其中，f_min为频率运行上限，f_max为频率运行下限。

进一步的，微电网下一时段的频率估计值f₁为：

f₁＝f₀-Δf

其中，f₀为微电网当前频率。

进一步的，步骤S3中，当微电网下一段的电压估计值U₁处于微电网的电压稳定范围[U_min，U_max]内时，电压向下稳定裕度D_U,down和电压的上稳定裕度D_U,down计算如下：

其中，U_min为电压上限，U_max为电压下限，U_N为电压基准值。

进一步的，微电网下一时段的电压估计值U₁为：

U₁＝U₀-ΔU

其中，U₀为微电网当前的电压。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本专利提出了一种对等控制模式下微电网电压频率偏差估计方法，首先获取电源规划数据、系统运行预测数据、系统的运行控制参数、微电网安全运行时频率和电压的稳定运行范围，计算对等控制下频率和电压的偏差，针对不同场景下功率波动进行微电网频率和电压偏差的估算，得到功率波动下频率和电压的偏差值，采用微电网稳定裕度分析模型，计算微电网当前状态下的频率和电压的稳定裕度，通过仿照大电网中一次调频的思路，综合考虑了与频率电压相关的下垂参数和负荷静态系数的影响，既保证了估算结果的合理性和正确性，又大大简化了估算的复杂程度，能够应用在如微电网由并网模式向孤岛模式切换、孤岛运行时某个电源故障或发生失负荷状况等，只要微电网采用对等控制，均可用本方法进行频率电压估算，针对面向工程需求的微电网运行控制问题，补充了现有微电网规划领域运行控制的空缺，为实际工程中维持微电网高效稳定运行提供了新的思路和技术路线。

进一步的，采用下垂控制，根据无功功率的波动值计算系统所产生的电压偏差，能够快速跟踪微电网的实时无功功率波动，跟踪系统电压偏差，从而防止系统崩溃，保证微电网系统的电能质量。

进一步的，结合微电网运行标准，创造性的建立了微电网电压、频率稳定裕度分析模型，定量的给出了当前运行状态与稳定边界的差距，便于清晰直观的分析微电网系统的稳定性，如果电压、频率稳定裕度分析模型的估算结果显示电压或频率越限，说明需要修正参数，直到整个系统具有一定程度的稳定裕度，从而保证微电网的安全可靠运行，这一模型的建立和运用对微电网的运行控制参数要求具有指导意义。

综上所述，本发明针对工程中实际微电网的运行控制问题，提出一种简单有效的频率电压偏差估计方法，能为微电网的稳定性分析和控制策略设计提供数据支撑和实践意义，应用范围较为广泛，实用性和适用性较强。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为下垂控制的原理图，其中，(a)为有功～频率下垂特性曲线图，(b)为电压～无功下垂特性曲线图；

图2为本发明的具体实现流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种对等控制模式下微电网电压频率偏差估计方法，从电网规划部门获得电源规划数据、系统运行预测数据、系统的运行控制参数、微电网的频率和电压稳定运行范围；计算功率波动下频率和电压的偏差值；采用微电网稳定裕度分析模型，计算微电网当前状态下的频率和电压的稳定裕度，得到电压、频率稳定裕度后，如果稳定裕度(包括向上稳定裕度和向下稳定裕度)超过微电网的运行标准，说明电压、频率越限，需要修改运行参数，提高稳定性；如果稳定裕度没有越限，则可以用来衡量当前的运行状态，向上和向下的稳定裕度越接近，说明稳定性越好，微网能承担的负荷波动越大。本发明能解决实际工程中微电网的运行控制问题，为微电网稳定性分析和控制策略设计提供数据支撑和实践意义。

请参阅图2，本发明一种对等控制模式下微电网电压频率偏差估计方法，建立了微电网电压、频率稳定裕度分析模型，具体包括以下步骤：

S1、从电网规划部门获得电源规划数据、系统运行预测数据、系统的运行控制参数、微电网安全运行时频率和电压的上下限；

电源规划数据包括：参与调节的电源的数量m、出力分布P_G、Q_G在每一个时段的值；

以及电源所在的电压等级j。

系统运行预测数据包括：典型场景下若干个PCC点交换的有功功率P_c、无功功率Q_c和对应场景下的负荷量P_Lc、Q_Lc。

系统的运行控制参数包括：频率特性下垂参数K_pf；负荷频率静态特性参数K_Lf；电压特性下垂参数K_pv；负荷电压静态特性参数K_Lv。

微电网采用对等控制策略时，微电网安全运行时频率上下限[f_min，f_max]和电压上下限[U_min，U_max]，当频率与电压均在安全运行范围内时，认为微电网能够稳定运行，需要得到具体的阈值以便后续计算。

S2、对等模式控制下，各微电源均采用Droop控制方式与传统电力系统的频率一次调整类似，通过解耦有功―频率与无功―电压之间的下垂特性曲线进行系统电压和频率控制，在多个场景下进行频率电压偏差估算，具体步骤如下：

S201、由于整个微电网系统的标准频率只有一个，我国为50Hz，用类似一次调频的方法，请参阅图1(a)所示，根据有功～频率下垂特性曲线，频率偏差Δf与有功功率偏差ΔP的关系如下：

式中，K_pf为某参与调节电源的频率特性下垂参数。

在工程中，将PCC点交换的有功功率P_c、单个电源最大出力P_Gmax、最大失负荷量P_Lcmax分别作为有功功率波动值，计算微电网系统的频率偏差，衡量微电网的频率稳定性。

将有功功率波动值记为ΔP，设采用Droop控制的电源个数为m，则在对等控制下，ΔP引起的频率偏差为：

式中，K_pfi为第i台参与调节电源的频率特性下垂参数，K_Lf为负荷频率静态特性参数。

需要注意的是，ΔP取值可为P_c、P_Gmax、-P_Lcmax等，只要微电网处于对等控制下，任意原因引起的有功功率波动导致的频率偏差均可用上述方法估算。

S202、电压偏差估计与频率略有不同，参与调节的电源不在同一电压等级上，所以需要将电压特性下垂参数按电压等级的不同全部归算至PCC点，计算电压偏差。

请参阅图1(b)，根据微电网中的电压-无功下垂特性，电压偏差ΔU与无功功率偏差ΔQ的关系如下：

式中，K_pv为某参与调节电源的电压特性下垂参数。

在工程中，将PCC点交换的无功功率Q_c、单个电源最大无功出力Q_Gmax、最大失负荷无功量Q_Lcmax分别作为无功功率波动值ΔQ，估算系统电压偏差，衡量微电网的电压稳定性。由于参与调节的电源不都在同一电压等级上，所以采用将电压特性下垂参数按电压等级的不同全部归算至PCC点的方法来估算电压偏差。

设微电网网架共有n个电压等级，设PCC点所在电压等级为1，则处于第j个电压等级的某微电源换算后的电压特性下垂参数为：

式中，K_pv为电压特性下垂参数，U_j为第j个电压等级的电压有名值，U₁为PCC点电压有名值。

对等控制下，综合考虑无功―电压下垂特性和负荷静态特性，在ΔQ的作用下微电网系统产生的换算后的电压偏差为：

式中，K_pveqi为换算后的第i台参与调节电源的电压特性下垂参数，K_Lv为负荷电压静态特性参数。

与频率估算方法类似，当微电网处于对等控制下，任意原因引起的无功功率波动产生的电压偏差均可用上述方法估算。

S3、由步骤S2所得的频率电压偏差计算微电网下一时段的频率电压估计值，建立微电网电压、频率稳定裕度分析模型，得出相应的稳定裕度，具体步骤如下：

S301、由步骤S201计算微电网下一时段的频率估计值，由频率运行上下限得出频率的向下、向上稳定裕度。

设微电网当前的频率大小为f₀，当出现ΔP的有功功率波动时，可得微电网下一时段的频率估计值f₁为：

f₁＝f₀-Δf

设频率的上、下限分别为f_min、f_max，则微电网的频率稳定范围为[f_min，f_max]。

当微电网的频率f₁处于该范围内，f₁距离频率运行上限、下限的距离为系统频率的向下稳定裕度D_f,down、向上稳定裕度D_f,up，具体表示如下：

D_f,down＝f₁-f_min

D_f,up＝f_max-f₁。

S302、由步骤S202计算微电网下一时段的电压估计值，由电压运行上下限得出电压的向下、向上稳定裕度。

设微电网当前的电压大小为U₀，当出现ΔQ的无功功率波动时，可得微电网下一时段的电压估计值U₁为：

U₁＝U₀-ΔU

与频率稳定裕度的计算方法不同，由于微电网运行标准中，电压偏差多以百分数衡量，则定义微电网电压U₁与电压上、下限的距离和电压基准值的比值为电压的向上、向下稳定裕度，用于对微电网系统进行稳定性分析。

根据步骤S1中微电网的电压稳定范围[U_min，U_max]，当微电网的电压估计值U₁处于该范围内时，定义U₁与电压上、下限的距离和电压基准值U_N的比值为电压的向下稳定裕度D_U,down、向上稳定裕度D_U,down，其数学表达式如下：

本发明是针对工程中实际微电网的运行控制问题，从稳态角度出发，在大电网一次调频的基础上，提出的一种对等模式下的微电网电压频率偏差估计方法，通过建立微电网电压、频率稳定裕度分析模型，综合考虑了与频率电压相关的下垂参数和负荷静态系数的影响，既保证了估算结果的合理性和正确性，又大大简化了估算的复杂程度。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种对等控制模式下微电网电压频率偏差估计方法，其特征在于，首先获取电源规划数据、系统运行预测数据、系统的运行控制参数、微电网安全运行时频率和电压的稳定运行范围，计算对等控制下频率和电压的偏差，针对不同场景下功率波动进行微电网频率和电压偏差的估算，得到功率波动下频率和电压的偏差值，采用微电网稳定裕度分析模型，计算微电网当前状态下的频率和电压的稳定裕度，如果稳定裕度超过微电网的运行标准，说明电压、频率越限，需要修改运行参数，提高稳定性；如果稳定裕度没有越限，则用来衡量当前的运行状态；包括以下步骤：

S1、分别获取参与调节的电源数量m、电源出力分布P_G、Q_G在每一个时段的值；以及电源所在电压等级j、典型场景下若干个PCC点交换的有功功率P_c、无功功率Q_c和对应场景下的负荷量P_Lc、Q_Lc；频率特性下垂参数K_pf；负荷频率静态特性参数K_Lf；电压特性下垂参数K_pv；负荷电压静态特性参数K_Lv、微电网安全运行时频率范围[f_min，f_max]和电压范围[U_min，U_max]；

S2、对等模式控制下，各微电源均采用Droop控制方式，通过解耦有功―频率与无功―电压之间的下垂特性曲线进行系统电压和频率控制，在多个场景下进行频率偏差Δf和电压偏差ΔU的估算，将PCC点交换的有功功率P_c、单个电源最大出力P_Gmax、最大失负荷量P_Lcmax分别作为有功功率波动值ΔP，在对等控制下，有功功率波动值ΔP引起的频率偏差Δf计算如下：

其中，K_pfi为第i台参与调节电源的频率特性下垂参数，K_Lf为负荷频率静态特性参数，m为采用Droop控制的电源个数；

将PCC点交换的无功功率Q_c、单个电源最大无功出力Q_Gmax、最大失负荷无功量Q_Lcmax分别作为无功功率波动值ΔQ，在无功功率波动值ΔQ的作用下微电网系统产生的电压偏差ΔU计算如下：

其中，K_pveqi为换算后的第i台参与调节电源的电压特性下垂参数，K_Lv为负荷电压静态特性参数，m为采用Droop控制的电源个数；

S3、根据步骤S2的频率偏差Δf和电压偏差ΔU计算微电网下一时段的频率估计值f₁和电压估计值U₁，建立微电网电压、频率稳定裕度分析模型，得出相应的稳定裕度；

微电网下一时段的频率估计值f₁为：

f₁＝f₀-Δf

其中，f₀为微电网当前频率；

当微电网下一段的频率估计值f₁处于微电网的频率稳定范围[f_min，f_max]内时，系统频率向下稳定裕度D_f,down和系统频率向上稳定裕度D_f,up具体计算如下：

D_f,down＝f₁-f_min

D_f,up＝f_max-f₁

其中，f_min为频率运行上限，f_max为频率运行下限；

微电网下一时段的电压估计值U₁为：

U₁＝U₀-ΔU

其中，U₀为微电网当前的电压；当微电网下一段的电压估计值U₁处于微电网的电压稳定范围[U_min，U_max]内时，电压向下稳定裕度D_U,down和电压的上稳定裕度D_U,down计算如下：

其中，U_min为电压上限，U_max为电压下限，U_N为电压基准值。

2.根据权利要求1所述的一种对等控制模式下微电网电压频率偏差估计方法，其特征在于，步骤S2中，K_pveqi具体计算如下：

其中，K_pv为电压特性下垂参数，U_j为第j个电压等级的电压有名值，U₁为PCC点电压有名值。

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