CN108599255A - 一种考虑电-气互联的微电网协调控制方法 - Google Patents

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李玉平
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Abstract

本发明公开一种考虑电‑气互联的微电网协调控制方法，通过对微型燃气轮机发电系统和电转气系统进行协调控制，使微电网和天然气网之间可以形成优势互补，有利于实现可再生能源发电的就地消纳，有助于增强微电网运行的灵活性，提高了能源利用效率和系统可靠性；控制储能系统与微型燃气轮机发电系统和电转气系统进行配合，有利于发挥各自的性能优势，可以弥补微型燃气轮机发电系统和电转气系统动态性能的不足，同时能够降低微电网孤岛运行对储能容量的要求；本发明的考虑电‑气互联的微电网协调控制方法，易于实现，具有广阔的应用前景。

Description

一种考虑电-气互联的微电网协调控制方法
技术领域
本发明属于综合能源系统控制技术领域，具体涉及一种考虑电-气互联的微电网协调控制方法。
背景技术
分布式发电具有间歇性、波动性和随机性等特点，大规模接入以后会对电力系统的稳定运行构成严峻挑战，为此人们提出了“微电网”的概念。微电网能够实现分布式电源的有效集成，具有自我控制、保护和管理能力，因此世界各国先后针对微电网展开了深入研究、示范和应用。
近年来，随着微型燃气轮机发电技术和电转气技术的快速发展，电力系统和天然气系统之间的耦合变得越来越紧密，电-气互联综合能源系统在国内外获得了广泛关注。然而，国内外针对电-气互联综合能源系统的研究尚处于起步阶段，并且已有的研究成果重点集中于对源端能源系统的研究，针对受端能源系统中的电力网络和天然气网络，研究如何通过系统之间的协调配合以实现不同能源形式的紧密互动和优势互补，目前还很少涉及。
因此，对受端能源系统中微电网与天然气网络互连后的运行和控制问题开展研究很有必要，对于促进能源的高效利用、提高能源系统的安全性和可靠性具有重要意义。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种考虑电-气互联的微电网协调控制方法，解决了电-气互联条件下微电网的协调控制问题，对于促进能源的高效利用、提高能源系统的安全性和可靠性具有重要意义。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：一种考虑电-气互联的微电网协调控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：采集微电网PCC并网开关信息，判断微电网当前运行于并网模式还是孤岛模式，当检测到PCC并网开关处于闭合状态时，判定微电网运行于并网模式；当检测到PCC并网开关处于断开状态时，判定微电网运行于孤岛模式；
步骤二：如果微电网当前运行于并网模式，微型燃气轮机发电系统和电转气系统均退出运行，分布式电源运行于最大功率点跟踪控制模式，微电网的电压和频率由配电网提供支撑，分布式电源与负载之间的不平衡功率由配电网进行调节，不足的部分由配电网补偿，富余的部分由配电网吸收；
判断储能系统的SOC是否在规定的上下限范围内，如不是，则进行相应调节使其在规定的上下限范围内；
步骤三：如果微电网运行于孤岛模式，首先判断微电网中分布式电源输出有功功率PDG和负荷有功功率PLoad之间的相对大小，设置功率阈值δP；
如果PDG>PLoad+δP，控制微型燃气轮机发电系统退出运行，分布式电源运行于最大功率点跟踪控制模式，电转气系统投入运行，储能系统投入运行对微电网中的高频功率波动进行动态调节；
如果PLoad>PDG+δP，电转气系统退出运行，分布式电源运行于最大功率点跟踪控制模式，微型燃气轮机发电系统投入运行，储能系统投入运行对微电网中的高频功率波动进行动态调节；
如果-δP≤PDG-PLoad≤δP，保持微电网现有工作模式不变。
前述的一种考虑电-气互联的微电网协调控制方法，其特征在于：所述考虑电-气互联的微电网包括分布式电源、储能系统、微型燃气轮机发电系统、电转气系统、负载，微电网通过微电网与配电网的连接处的PCC并网开关和升压变压器接入配电网，微电网中微型燃气轮机发电系统和电转气系统分别与天然气网络相连。
前述的一种考虑电-气互联的微电网协调控制方法，其特征在于：所述步骤二中，判断储能系统的SOC是否在规定的上下限范围内，如不是，则进行相应调节使其在规定的上下限范围内，具体步骤为：
检测储能系统SOC值，当储能系统SOC<SOCmin时，其中SOCmin为设定的储能系统SOC下限，储能系统运行于充电模式，当储能系统SOC＝0.5时，储能系统停止充电，转为待机运行模式；当储能系统SOC>SOCmax时，其中SOCmax为设定的储能系统SOC上限，储能系统运行于放电模式，当储能系统SOC＝0.5时，储能系统停止放电，转为待机运行模式；当储能系统SOCmin≤SOC≤SOCmax时，储能系统运行于待机模式。
前述的一种考虑电-气互联的微电网协调控制方法，其特征在于：所述步骤三中，储能系统投入运行，对微电网中的高频功率波动进行动态调节，具体过程为：
储能系统采用功率指令控制模式，首先计算微电网电源输出功率和负载功率之间的差值，然后利用高通滤波算法提取差值的高频分量，最后储能系统对提取的高频分量进行跟踪补偿。
前述的一种考虑电-气互联的微电网协调控制方法，其特征在于：所述步骤三中，电转气系统投入运行，采用V/f控制模式，即恒压恒频控制模式。
前述的一种考虑电-气互联的微电网协调控制方法，其特征在于：所述步骤三中，微型燃气轮机发电系统投入运行，采用V/f控制模式，即恒压恒频控制模式。
本发明具有的有益效果：通过对微型燃气轮机发电系统和电转气系统进行协调控制，使微电网和天然气网之间可以形成优势互补，有利于实现可再生能源发电的就地消纳，有助于增强微电网运行的灵活性，提高了能源利用效率和系统可靠性；控制储能系统与微型燃气轮机发电系统和电转气系统进行配合，有利于发挥各自的性能优势，可以弥补微型燃气轮机发电系统和电转气系统动态性能的不足，同时能够降低微电网孤岛运行对储能容量的要求；本发明的考虑电-气互联的微电网协调控制方法，易于实现，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明的考虑电-气互联的微电网等效示意图；
图2是本发明的考虑电-气互联的微电网协调控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，考虑电-气互联的微电网包括分布式电源、储能系统、微型燃气轮机发电系统、电转气系统、负载，微电网通过微电网与配电网的连接处的PCC并网开关和升压变压器接入配电网，微电网中微型燃气轮机发电系统和电转气系统分别与天然气网络相连；其中，微型燃气轮机发电系统利用天然气网络中的天然气发电，实现能量从天然气网向微电网的流动，电转气系统利用微电网中的电能进行电解水和甲烷化反应产生人造天然气，实现能量从微电网向天然气网的流动。
如图2所示，一种考虑电-气互联的微电网协调控制方法，包括以下步骤：
步骤一：采集微电网PCC并网开关信息，判断微电网当前运行于并网模式还是孤岛模式，当检测到PCC并网开关处于闭合状态时，判定微电网运行于并网模式；当检测到PCC并网开关处于断开状态时，判定微电网运行于孤岛模式；
步骤二：如果微电网当前运行于并网模式，考虑到能量在电网和天然气网之间相互转换时的损耗较大，为保证系统运行的经济性，微型燃气轮机发电系统和电转气系统均退出运行，断开微电网与天然气网之间的连接。分布式电源运行于最大功率点跟踪控制模式，最大化输出可再生能源；微电网的电压和频率由配电网提供支撑，分布式电源与负载之间的不平衡功率由配电网进行调节，不足的部分由配电网补偿，富余的部分由配电网吸收。
微电网并网运行时，储能系统虽然不参与微电网调节，但是需要判断储能系统的SOC(剩余电量)是否在规定的上下限范围内，并进行相应调节，具体的判断及调节过程为：检测储能系统SOC值；当储能系统SOC<SOCmin时，其中SOCmin为设定的储能系统SOC下限，储能系统运行于充电模式，当储能系统SOC＝0.5时，储能系统停止充电，转为待机运行模式；当储能系统SOC>SOCmax时，其中SOCmax为设定的储能系统SOC上限，储能系统运行于放电模式，当储能系统SOC＝0.5时，储能系统停止放电，转为待机运行模式；当储能系统SOCmin≤SOC≤SOCmax时，储能系统运行于待机模式。通过以上调节，可以使储能系统的SOC值始终处于合理范围内，在微电网转为孤岛运行后，储能系统具有足够的充、放电调节容量，有能力对微电网功率波动进行调节。
步骤三：如果微电网运行于孤岛模式，首先判断微电网中分布式电源输出有功功率PDG和负荷有功功率PLoad之间的相对大小，为了防止微电网运行方式频繁进行切换，设置功率阈值δP；
如果PDG>PLoad+δP，分布式电源输出有功功率大于负载有功功率，此时微电网中可再生能源发电出现过剩，因此微型燃气轮机发电系统退出运行，不再输出电能。分布式电源运行于最大功率点跟踪控制模式，最大化输出可再生能源。为了平衡微电网中的有功功率，电转气系统投入运行，采用V/f控制(恒压恒频控制)模式，吸收分布式电源发出的多余电能，将其转化为天然气，储存于天然气网络中。此时，由电转气系统对微电网的电压和频率进行调节，为了防止电转气系统频繁改变运行状态而影响设备使用寿命，储能系统投入运行，对微电网交流母线上的高频功率波动进行动态调节，与电转气系统形成配合，共同维持微电网稳定运行。储能系统采用功率指令控制模式，首先计算微电网电转气系统输出功率和负载功率之间的差值，然后利用高通滤波算法提取差值的高频分量，最后储能系统对提取的高频分量进行跟踪补偿。
储能系统的经过一段时间运行，如果检测到其SOC<SOCmin，储能系统通过充电进行SOC调节；如果检测到SOC>SOCmax，储能系统通过放电进行SOC调节。
如果PLoad>PDG+δP，分布式电源输出有功功率小于负载有功功率，此时可再生能源发电不足以提供微电网中负载所需电能，因此电转气系统退出运行，不再消耗电能。分布式电源运行于最大功率点跟踪控制模式，最大化输出可再生能源。为了平衡微电网中的有功功率，微型燃气轮机发电系统投入运行，采用V/f控制(恒压恒频控制)模式，利用天然气发电，补偿分布式电源出力的不足。此时，由微型燃气轮机发电系统对微电网的电压和频率进行调节，由于微型燃气轮机发电系统的动态响应速度较慢，储能系统投入运行，对微电网中的高频功率波动进行动态调节，与微型燃气轮机发电系统形成配合，共同维持微电网稳定运行。储能系统采用功率指令控制模式，首先计算微电网微型燃气轮机发电系统输出功率和负载功率之间的差值，然后利用高通滤波算法提取差值的高频分量，最后储能系统对提取的高频分量进行跟踪补偿。
储能系统的经过一段时间运行，如果储能系统SOC<SOCmin，储能系统通过充电进行SOC调节；如果储能系统SOC>SOCmax，储能系统通过放电进行SOC调节。
如果-δP≤PDG-PLoad≤δP，分布式电源输出有功功率与负载有功功率比较接近，微电网内有功功率基本平衡，因此只需保持微电网现有工作模式不变，当检测到微电网状态发生变化时再采取相应的控制措施。
本发明的一种考虑电-气互联的微电网协调控制方法，具有下列优点：
1)利用微型燃气轮机发电系统和电转气系统之间的协调控制，使微电网能够与天然气网形成优势互补，当微电网运行于孤岛模式时，如果分布式电源输出电能过剩，仍然能够通过电转气系统实现就地消纳，如果分布式电源输出电能不足，仍然能够通过微型燃气轮机发电系统进行补充，保证微电网在孤岛状态下仍然能够长期稳定运行，提高了系统运行的灵活性和可靠性；
2)保证微型燃气轮机发电系统和电转气系统同一时刻最多只有一个系统投入运行，避免能量在系统之间循环，产生不必要的损耗；
3)储能系统与微型燃气轮机发电系统和电转气系统进行协调控制，有利于发挥各系统本身的性能优势，可以弥补微型燃气轮机发电系统和电转气系统动态性能的不足，有利于提高微电网的动态调节能力，同时能够降低微电网孤岛运行时对储能容量的要求，节省了储能成本；
4)原理简单、易于实现，具有广阔的应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种考虑电-气互联的微电网协调控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：采集微电网PCC并网开关信息，判断微电网当前运行于并网模式还是孤岛模式，当检测到PCC并网开关处于闭合状态时，判定微电网运行于并网模式；当检测到PCC并网开关处于断开状态时，判定微电网运行于孤岛模式；
步骤二：如果微电网当前运行于并网模式，微型燃气轮机发电系统和电转气系统均退出运行，分布式电源运行于最大功率点跟踪控制模式，微电网的电压和频率由配电网提供支撑，分布式电源与负载之间的不平衡功率由配电网进行调节，不足的部分由配电网补偿，富余的部分由配电网吸收；
判断储能系统的SOC是否在规定的上下限范围内，如不是，则进行相应调节使其在规定的上下限范围内；
步骤三：如果微电网运行于孤岛模式，首先判断微电网中分布式电源输出有功功率PDG和负荷有功功率PLoad之间的相对大小，设置功率阈值δP；
如果PDG>PLoad+δP，控制微型燃气轮机发电系统退出运行，分布式电源运行于最大功率点跟踪控制模式，电转气系统投入运行，储能系统投入运行对微电网中的高频功率波动进行动态调节；
如果PLoad>PDG+δP，电转气系统退出运行，分布式电源运行于最大功率点跟踪控制模式，微型燃气轮机发电系统投入运行，储能系统投入运行对微电网中的高频功率波动进行动态调节；
如果-δP≤PDG-PLoad≤δP，保持微电网现有工作模式不变。
2.根据权利要求1所述的一种考虑电-气互联的微电网协调控制方法，其特征在于：所述考虑电-气互联的微电网包括分布式电源、储能系统、微型燃气轮机发电系统、电转气系统、负载，微电网通过微电网与配电网的连接处的PCC并网开关和升压变压器接入配电网，微电网中微型燃气轮机发电系统和电转气系统分别与天然气网络相连。
3.根据权利要求1所述的一种考虑电-气互联的微电网协调控制方法，其特征在于：所述步骤二中，判断储能系统的SOC是否在规定的上下限范围内，如不是，则进行相应调节使其在规定的上下限范围内，具体步骤为：
检测储能系统SOC值，当储能系统SOC<SOCmin时，其中SOCmin为设定的储能系统SOC下限，储能系统运行于充电模式，当储能系统SOC＝0.5时，储能系统停止充电，转为待机运行模式；当储能系统SOC>SOCmax时，其中SOCmax为设定的储能系统SOC上限，储能系统运行于放电模式，当储能系统SOC＝0.5时，储能系统停止放电，转为待机运行模式；当储能系统SOCmin≤SOC≤SOCmax时，储能系统运行于待机模式。
4.根据权利要求1所述的一种考虑电-气互联的微电网协调控制方法，其特征在于：所述步骤三中，储能系统投入运行，对微电网中的高频功率波动进行动态调节，具体过程为：
储能系统采用功率指令控制模式，首先计算微电网电源输出功率和负载功率之间的差值，然后利用高通滤波算法提取差值的高频分量，最后储能系统对提取的高频分量进行跟踪补偿。
5.根据权利要求1所述的一种考虑电-气互联的微电网协调控制方法，其特征在于：所述步骤三中，电转气系统投入运行，采用V/f控制模式，即恒压恒频控制模式。
6.根据权利要求1所述的一种考虑电-气互联的微电网协调控制方法，其特征在于：所述步骤三中，微型燃气轮机发电系统投入运行，采用V/f控制模式，即恒压恒频控制模式。
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