CN109066775A - 一种并网型微电网协调控制系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的一种并网型微电网协调控制系统，包括：电网协调控制器；微电网中，各储能单元和各可再生电源分别通过一个供电开关连接微网母线，微网母线下联的每一条支路上均设有一个支路出线断路器；微电网中每一个负荷均串联有一个负荷开关；微网母线还通过并网开关接入系统电网；各供电开关、各负荷开关、各支路出线断路器和并网开关分别分别配置有一个远程终端设备；电网协调控制器分别连接各储能单元、各可再生电源和各远程终端设备。本发明适用于并网型微电网，能够维持非计划性并离网切换过程中的稳定性，适合实际工程应用。
Description
技术领域
本发明涉及智能电网技术领域，尤其涉及一种并网型微电网协调控制系统及其方法.
背景技术
微电网分为并网型和独立型，可实现自我控制和自治管理。并网型微电网通常与外部电网联网运行，以提高微电网系统的经济效益；并网型微电网的储能变流器(PCS)在并网状态往往采用PQ控制(有功无功控制)，满足功率的快速精准控制；在离网状态往往采用下垂控制，维持系统的电压频率。在系统发生故障时，并网型微电网自动离网，保证网内重要负荷不间断供电；当系统恢复供电时，需要再次并网运行。
微电网正常运行时，微电网协调控制器(MGCC)需要根据微电网并离网状态来给出不同的策略，然而并网点开关在分合过程中的位置丢失以及并网点开关控制回路断线，都会对微电网控制策略产生重要影响。
当系统发生故障时，微电网需要快速离网，分并网点开关和PCS由PQ模式切换为下垂应同时进行，然后由于开关分闸的一致性较差，分闸时间不固定；若并网点开关先分开，则会存在离网PQ模式，易导致系统崩溃；若先切换至下垂再分开关，则会引入并网VF的冲击；但是后者一般不会导致系统崩溃。因此，需要测量开关分闸时间，同时，常规的测量开关分闸时间采用发分闸指令到接收开关分位信号，存在开关接点动作时间的误差，故无法准确测量。
当故障发生在微电网区内时，对应出线保护动作切除故障，由于微电网馈线下游往往配置负荷开关，故需要隔离故障区域负荷开关，恢复该馈线其它区域供电；常规方案会在出线断路器处配置重合闸，并要求在重合闸动作时间内隔离故障，重合闸时间设置过小则会导致重合失败，设置过大则导致该馈线其它区域停电时间延长。
当系统恢复供电时，需要微电网自动并网，对于多PCS的微电网，如何协调各PCS同步调节系统的电压频率，对微电网成功并网影响较大。传统的依靠PCS采集并网点电压频率差进行闭环控制的方法无法同步各PCS输出，故不适用于多PCS并网场合。
中国专利申请号CN201710283888.8，申请日2017年4月26日，发明名称为一种基于混合控制策略的无缝切换控制系统及方法，本发明公开了一种基于混合控制策略的无缝切换控制系统及方法，本发明可以实现并网运行转孤岛运行时逆变器自动由电流源控制切换为基于下垂控制的电压源控制，提高了并网到孤岛模式的转换过程中的负载电压质量。从逆变器分为两类，其中第一类基于传统的PQ控制控制为电流源，将其命名为从逆变器-类型1；另一类基于PQ控制以及下垂控制，将其命名为从逆变器-类型2。在孤岛发生后，从逆变器-类型2从PQ控制转换为下垂控制，以电压源模式运行，可实现快速通讯线的功率均分。从逆变器-类型2在转换为下垂控制后可看作主逆变器，起到维持电网电压幅值和频率稳定的作用。该方法采用硬接线方式进行并离网切换，无法适应多主PCS的应用场合，同时，未能考虑开关分闸延时对控制的影响。
中国专利申请号CN201510051047.5，申请日2015年1月30日，发明名称为一种微电网系统和储能变流器并网/离网无缝切换方法，公开了一种微电网系统和储能变流器并网/离网无缝切换方法，该微电网系统包括：参与并联组网的多台储能变流器，连接微电网母线和交流母线的受控开关，以及分别与所述受控开关和所述参与并联组网的多台储能变流器连接通讯的主机控制器，其中：所述主机控制器用于在检测到电网断电或故障时，控制所述参与并联组网的多台储能变流器同步进行V/F控制，并控制所述受控开关断开；以及在检测到电网来电后，控制所述参与并联组网的多台储能变流器同步进行PQ控制，并控制所述受控开关闭合，以在满足微电网系统容量需求的前提下，实现储能变流器在并网/离网之间的无缝切换。该发明未能考虑故障离网后微电网系统的稳定性，可能导致微电网离网失败。
综上所述，需要提出一种新的并网型微电网协调控制方法，能够在维持系统稳定性的前提下提高经济效益。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种并网型微电网协调控制系统。
本发明提出的一种并网型微电网协调控制系统，包括：电网协调控制器；
微电网中，各储能单元和各可再生电源分别通过一个供电开关连接微网母线，微网母线下联的每一条支路上均设有一个支路出线断路器；微电网中每一个负荷均串联有一个负荷开关；微网母线还通过并网开关接入系统电网；
各供电开关、各负荷开关、各支路出线断路器和并网开关分别分别配置有一个远程终端设备，其中，对应并网开关的远程终端设备作为并网点RTU，并网点RTU用于采集流过并网点的功率和并网开关两侧的电压、频率和相位；
电网协调控制器分别连接各储能单元、各可再生电源和各远程终端设备，用于获取各储能单元的储能电荷值和储能输出功率以及可再生电源输出功率，用于通过远程终端设备获取对应的各开关位置以及并网开关两侧的电压、频率和相位，并用于获取各远程终端设备故障信号和故障方向；
电网协调控制器还用于根据其获取的数据判断微电网的运行状态，并结合故障信号控制微电网并网或者离网；
微电网并网状态下，各储能单元采用PQ控制；微电网离网状态下，各储能单元采用下垂控制。
优选地，储能单元、可再生电源、远程终端设备均采用GOOSE与电网协调控制器通讯。
优选地，可再生电源包括风力发电和/或光伏发电。
一种并网型微电网协调控制方法，微电网并网状态下，微电网协调控制器实时检测系统电网的故障情况，根据微电网内部所有远程终端设备提供的故障信号及故障方向定位故障区域；
如果故障区域位于微电网以外，微电网协调控制器采用自适应延时法切换储能单元中储能变流器的控制模式，并根据系统的频率偏差调整可再生电源输出功率或者精确切负荷；
如果故障区域位于负荷开关下游，微电网协调控制器进行故障隔离恢复控制；进行故障隔离恢复控制的方法为：当定位到故障区域位于某负荷开关下游时，分该负荷开关，经过延时后合该支路断路器。
微电网离网运行状态下，则实时监测并网开关两侧的电压，当系统电网恢复供电，则结合微电网协调控制器、储能变流器和并网开关配置的远程终端设备进行同期并网控制。
优选地，判断微电网当前处于并网状态或者离网状态的方法为：
收集并网逻辑条件和离网逻辑条件，并网逻辑条件为：并网开关合位，且并网开关两侧电压差小于预设的无压门槛；或者，并网开关曾经合位，当前合位分位均为0，且维持该状态的时间小于最大开关分合时间T；
离网逻辑条件为：并网开关合位分位均为1；或者，并网开关合位分位均为0，且维持该状态的时间大于最大开关分合时间T；
当微电网满足任一个并网逻辑条件，则判断微电网处于并网状态；
当微电网满足任一个离网逻辑条件，则判断微电网处于离网状态。
优选地，定位故障区域的方法为：根据所有微电网内部各远程终端设备提供的开关位置信息，结合图论的方法计算各负荷开关对应的下游区域，并时刻监测微电网内部的开关变位情况，若存在变位，则重新计算；若某一开关信号不上送时，则分别计算该开关在分位和合位时各负荷开关对应的下游区域，若结果一致则可以忽略该开关；否则发报警信号，闭锁故障定位功能；
通过并网点RTU的故障方向信号来判断故障位于微电网区内还是区外；若位于微电网区内，则根据各远程终端设备的故障方向定位故障区域，并结合正常情况下计算的各负荷开关对应的下游区域来定位该故障区域位于哪个负荷开关下游。
优选地，采用自适应延时法切换储能单元中储能变流器的控制模式的具体方式为：接收到并网开关配置的远程终端设备保护动作信号后，经过分闸时间T4延时再向储能变流器发模式切换指令；
分闸时间T4通过以下方法获得：
微电网控制器记忆每次从发出分闸指令到检测到并网点RTU的无流信号的时间T1以及从发出分闸指令到监测到开关分位信号的时间T2，然后选择T1、T2中的最小值作为本次分开关的时间T3；
删除大于预设上限值的T3，然后比较各次分开关的时间T3，取其中最大的T3作为并网点开关的分闸时间T4；
并将该分闸时间T4断电保存；对于首次使用，分闸时间T4取默认值。
优选地，通过GOOSE或者硬接点向储能变流器发模式切换。
优选地，根据系统的频率偏差控制可再生电源输出功率或者精确切负荷的方法为：
根据储能变流器下垂系数以及当前的频率偏差计算功率缺额，具体如下式：
式中，n为储能变流器台数，k为储能变流器下垂斜率，fdbh为上死区频率，fdbl为下死区频率，P1是缺额功率；
P1为正，表示系统电源欠缺，则将负荷按照重要性排序，在排序靠后的负荷中寻找跟P1最接近的负荷，并切除该负荷；
P1为负，表示系统电源充裕，则限制可再生电源出力；进一步地，限制可再生电源出力时优先选择限制光伏功率。
优选地，结合微电网协调控制器、储能变流器和并网开关配置的远程终端设备进行同期并网控制的方法为：微电网协调控制器通过检测系统三相电压的正序分量来判断系统是否恢复供电；若恢复供电后，向并网点RTU发同期合闸信号，触发并网点RTU进行同期合闸，并向电网协调控制器转发并网开关两侧的电压差、频率差和相位差，电网协调控制器根据电压频率的偏差情况，按照预设周期T0周期性向所有的储能变流器发电压调节值Δustep和频率调节值Δfstep。
本发明提出的一种并网型微电网协调方法中，采用开关位置、电流和电压差综合判断并离网状态，避免开关位置判断错误对微电网控制产生的影响，提高了微电网控制系统的稳定性；采用自适应延时法确定开关分闸时间，有效缩短了并离网过程中的暂态波动过程，提高非计划性离网的稳定性；采用基于图论的方法识别系统拓扑，能够减缓远程终端设备故障给故障定位产生的影响，实现了微电网区内负荷开关下游故障时的故障隔离及恢复；并采用电网协调控制器、并网点RTU、储能变流器协调配合的方法，基于GOOSE传输信息降低通信延时，提高多储能变流器并网控制的稳定性。本发明适用于并网型微电网，能够维持非计划性并离网切换过程中的稳定性，适合实际工程应用。
本发明适用于并网型微电网，能够维持非计划性并离网切换过程中的稳定性，适合实际工程应用。
附图说明
图1为本发明提出的一种并网型微电网协调控制系统结构图；
图2为本发明提出的一种并网型微电网协调控制方法流程图；
图3为同期并网控制的各设备功能分配示意图。
具体实施方式
参照图1，本发明提出的一种并网型微电网协调控制系统，其特征在于，包括：电网协调控制器。
微电网中，各储能单元和各可再生电源(RE)分别通过一个供电开关连接微网母线，微网母线下联的每一条支路上均设有一个支路出线断路器。微电网中每一个负荷均串联有一个负荷开关。微网母线还通过并网开关接入系统电网。可再生电源包括风力发电和/或光伏发电，还可能包括其他间歇性电源。
各供电开关、各负荷开关、各支路出线断路器和并网开关分别分别配置有一个远程终端设备(RTU)，其中，对应并网开关的远程终端设备作为并网点RTU(远程终端设备)，并网点RTU用于采集流过并网点的功率和并网开关两侧的电压、频率和相位。
电网协调控制器分别连接各储能单元、各可再生电源和各远程终端设备，用于获取各储能单元的储能电荷值和储能输出功率以及可再生电源输出功率，用于通过远程终端设备获取对应的各开关位置以及并网开关两侧的电压、频率和相位，并用于获取各远程终端设备故障信号和故障方向。具体的，储能单元、可再生电源、远程终端设备均采用GOOSE(面向通用对象的变电站事件)与电网协调控制器通讯。具体的，本实施方式中，并网点RTU通过与并网开关串联的电流互感器(CT)采集经过并网开关的电流，并通过并联在并网开关两侧电压互感器(PT)采集并网开关两侧的电压。
该微电网可以运行在并网状态和离网状态，电网协调控制器还用于根据其获取的数据判断微电网的运行状态，并结合故障信号控制微电网并网或者离网。
微电网并网状态下，各储能单元采用PQ控制。微电网离网状态下，各储能单元采用下垂控制。
上述系统采用的并网型微电网协调控制方法，包括：
(1)微电网协调控制器综合判断微电网的并、离网运行状态，方法为采用开关位置、电流和电压差综合判断。
具体的，本实施方式中，判断微电网当前处于并网状态或者离网状态的方法如下：
收集并网逻辑条件和离网逻辑条件，并网逻辑条件为：并网开关合位，且并网开关两侧电压差小于预设的无压门槛；或者，并网开关曾经合位，当前合位分位均为0，且维持该状态的时间小于最大开关分合时间T；
离网逻辑条件为：并网开关合位分位均为1；或者，并网开关合位分位均为0，且维持该状态的时间大于最大开关分合时间T；
当微电网满足任一个并网逻辑条件，则判断微电网处于并网状态；
当微电网满足任一个离网逻辑条件，则判断微电网处于离网状态。
如此，结合并网逻辑条件和离网逻辑条件，本实施方式中，采用开关位置、电流和电压差综合判断微电网的并、离网运行状态，能够区分开关在变位过程产生的开关位置丢失和开关控制回路断线，避免了开关位置判断错误对微电网控制产生的影响，提高了微电网控制系统的稳定性。
(2)、微电网并网状态下，微电网协调控制器实时检测系统电网的故障情况，根据微电网内部所有远程终端设备提供的故障信号及故障方向定位故障区域。
定位故障区域的方法为：在正常运行时，根据所有微电网内部各远程终端设备提供的开关位置信息，结合图论的方法计算各负荷开关对应的下游区域，并时刻监测微电网内部的开关变位情况，若存在变位，则重新计算；若某一开关信号不上送时，则分别计算该开关在分位和合位时各负荷开关对应的下游区域，若结果一致则可以忽略该开关；否则发报警信号，闭锁故障定位功能；
通过并网点RTU的故障方向信号来判断故障位于微电网区内还是区外；若位于微电网区内，则根据各远程终端设备的故障方向定位故障区域，并结合正常情况下计算的各负荷开关对应的下游区域来定位该故障区域位于哪个负荷开关下游。
如此，本实施方式中，采用基于图论的方法识别系统拓扑，能够减缓远程终端设备故障给故障定位产生的影响，实现了微电网区内负荷开关下游故障时的故障隔离及恢复。
(3)、如果故障区域位于微电网以外，微电网协调控制器采用自适应延时法切换储能单元中储能变流器的控制模式，并根据系统的频率偏差调整可再生电源输出功率或者精确切负荷。
具体的，本实施方式中，采用自适应延时法切换储能单元中储能变流器的控制模式的具体方式为：接收到并网开关配置的远程终端设备保护动作信号后，经过分闸时间T4延时再向储能变流器发模式切换指令。具体的，本实施方式中，通过GOOSE或者硬接点向储能变流器发模式切换。
如此，通过采用自适应延时法确定开关分闸时间，有效缩短了并离网过程中的暂态波动过程，提高非计划性离网的稳定性。
本实施方式中，分闸时间T4通过以下方法获得：
微电网控制器记忆每次从发出分闸指令到检测到并网点RTU的无流信号的时间T1以及从发出分闸指令到监测到开关分位信号的时间T2，然后选择T1、T2中的最小值作为本次分开关的时间T3；
删除大于预设上限值的T3，然后比较各次分开关的时间T3，取其中最大的T3作为并网点开关的分闸时间T4；
并将该分闸时间T4断电保存；对于首次使用，分闸时间T4取默认值，默认值为预设的定值。
本实施方式中，当故障区域位于微电网以外，微电网协调控制器采用自适应延时法切换储能单元中储能变流器的控制模式，将微电网切换到离网状态，然后根据系统的频率偏差调整可再生电源输出功率或者精确切负荷。
具体的，根据系统的频率偏差控制可再生电源输出功率或者精确切负荷的方法为：
根据储能变流器下垂系数以及当前的频率偏差计算功率缺额，具体如下式：
式中，n为储能变流器台数，k为储能变流器下垂斜率，fdbh为上死区频率，fdbl为下死区频率，P1是缺额功率；
P1为正，表示系统电源欠缺，则将负荷按照重要性排序，在排序靠后的负荷中寻找跟P1最接近的负荷，并切除该负荷；
P1为负，表示系统电源充裕，则限制可再生电源出力；进一步地，限制可再生电源出力时优先选择限制光伏功率。
(4)、如果故障区域位于负荷开关下游，微电网协调控制器进行故障隔离恢复控制。进行故障隔离恢复控制的方法为：当定位到故障区域位于某负荷开关下游时，分该负荷开关，经过延时后合该支路断路器，如此，可以快速准确的恢复该支路下非故障区域供电，避免支路断路器重合于故障。
(5)、微电网离网运行状态下，则实时监测并网开关两侧的电压，当系统电网恢复供电，则结合微电网协调控制器、储能变流器和并网开关配置的远程终端设备进行同期并网控制。
具体的，结合微电网协调控制器、储能变流器和并网开关配置的远程终端设备进行同期并网控制的方法为：微电网协调控制器通过检测系统三相电压的正序分量来判断系统是否恢复供电；若恢复供电后，向并网点RTU发同期合闸信号，触发并网点RTU进行同期合闸，并向电网协调控制器转发并网开关两侧的电压差、频率差和相位差，电网协调控制器根据电压频率的偏差情况，按照预设周期T0周期性向所有的储能变流器发电压调节值Δustep和频率调节值Δfstep。本实施方式中，为了防止过调，Δustep、Δfstep不宜设置得过大。
本实施方式中，采用电网协调控制器、并网点RTU、储能变流器协调配合的方法，基于GOOSE传输信息降低通信延时，提高多储能变流器并网控制的稳定性。
以上所述，仅为本发明涉及的较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种并网型微电网协调控制系统，其特征在于，包括：电网协调控制器；
微电网中，各储能单元和各可再生电源分别通过一个供电开关连接微网母线，微网母线下联的每一条支路上均设有一个支路出线断路器；微电网中每一个负荷均串联有一个负荷开关；微网母线还通过并网开关接入系统电网；
各供电开关、各负荷开关、各支路出线断路器和并网开关分别分别配置有一个远程终端设备，其中，对应并网开关的远程终端设备作为并网点RTU，并网点RTU用于采集流过并网点的功率和并网开关两侧的电压、频率和相位；
电网协调控制器分别连接各储能单元、各可再生电源和各远程终端设备，用于获取各储能单元的储能电荷值和储能输出功率以及可再生电源输出功率，用于通过远程终端设备获取对应的各开关位置以及并网开关两侧的电压、频率和相位，并用于获取各远程终端设备故障信号和故障方向；
电网协调控制器还用于根据其获取的数据判断微电网的运行状态，并结合故障信号控制微电网并网或者离网；
微电网并网状态下，各储能单元采用PQ控制；微电网离网状态下，各储能单元采用下垂控制。
2.如权利要求1所述的并网型微电网协调控制系统，其特征在于，储能单元、可再生电源、远程终端设备均采用GOOSE与电网协调控制器通讯。
3.如权利要求1所述的并网型微电网协调控制系统，其特征在于，可再生电源包括风力发电和/或光伏发电。
4.一种采用如权利要求1所述系统的并网型微电网协调控制方法，其特征在于，微电网并网状态下，微电网协调控制器实时检测系统电网的故障情况，根据微电网内部所有远程终端设备提供的故障信号及故障方向定位故障区域；
如果故障区域位于微电网以外，微电网协调控制器采用自适应延时法切换储能单元中储能变流器的控制模式，并根据系统的频率偏差调整可再生电源输出功率或者精确切负荷；
如果故障区域位于负荷开关下游，微电网协调控制器进行故障隔离恢复控制；进行故障隔离恢复控制的方法为：当定位到故障区域位于某负荷开关下游时，分该负荷开关，经过延时后合该支路断路器。
微电网离网运行状态下，则实时监测并网开关两侧的电压，当系统电网恢复供电，则结合微电网协调控制器、储能变流器和并网开关配置的远程终端设备进行同期并网控制。
5.如权利要求4所述的并网型微电网协调控制方法，其特征在于，判断微电网当前处于并网状态或者离网状态的方法为：
收集并网逻辑条件和离网逻辑条件，并网逻辑条件为：并网开关合位，且并网开关两侧电压差小于预设的无压门槛；或者，并网开关曾经合位，当前合位分位均为0，且维持该状态的时间小于最大开关分合时间T；
离网逻辑条件为：并网开关合位分位均为1；或者，并网开关合位分位均为0，且维持该状态的时间大于最大开关分合时间T；
当微电网满足任一个并网逻辑条件，则判断微电网处于并网状态；
当微电网满足任一个离网逻辑条件，则判断微电网处于离网状态。
6.如权利要求4所述的并网型微电网协调控制方法，其特征在于，定位故障区域的方法为：根据所有微电网内部各远程终端设备提供的开关位置信息，结合图论的方法计算各负荷开关对应的下游区域，并时刻监测微电网内部的开关变位情况，若存在变位，则重新计算；若某一开关信号不上送时，则分别计算该开关在分位和合位时各负荷开关对应的下游区域，若结果一致则可以忽略该开关；否则发报警信号，闭锁故障定位功能；
通过并网点RTU的故障方向信号来判断故障位于微电网区内还是区外；若位于微电网区内，则根据各远程终端设备的故障方向定位故障区域，并结合正常情况下计算的各负荷开关对应的下游区域来定位该故障区域位于哪个负荷开关下游。
7.如权利要求4所述的并网型微电网协调控制方法，其特征在于，采用自适应延时法切换储能单元中储能变流器的控制模式的具体方式为：接收到并网开关配置的远程终端设备保护动作信号后，经过分闸时间T4延时再向储能变流器发模式切换指令；
分闸时间T4通过以下方法获得：
微电网控制器记忆每次从发出分闸指令到检测到并网点RTU的无流信号的时间T1以及从发出分闸指令到监测到开关分位信号的时间T2，然后选择T1、T2中的最小值作为本次分开关的时间T3；
删除大于预设上限值的T3，然后比较各次分开关的时间T3，取其中最大的T3作为并网点开关的分闸时间T4；
并将该分闸时间T4断电保存；对于首次使用，分闸时间T4取默认值。
8.如权利要求7所述的并网型微电网协调控制方法，其特征在于，通过GOOSE或者硬接点向储能变流器发模式切换。
9.如权利要求4或7或8所述的并网型微电网协调控制方法，其特征在于，根据系统的频率偏差控制可再生电源输出功率或者精确切负荷的方法为：
根据储能变流器下垂系数以及当前的频率偏差计算功率缺额，具体如下式：
式中，n为储能变流器台数，k为储能变流器下垂斜率，fdbh为上死区频率，fdbl为下死区频率，P1是缺额功率；
P1为正，表示系统电源欠缺，则将负荷按照重要性排序，在排序靠后的负荷中寻找跟P1最接近的负荷，并切除该负荷；
P1为负，表示系统电源充裕，则限制可再生电源出力；进一步地，限制可再生电源出力时优先选择限制光伏功率。
10.如权利要求4所述的并网型微电网协调控制方法，其特征在于，结合微电网协调控制器、储能变流器和并网开关配置的远程终端设备进行同期并网控制的方法为：微电网协调控制器通过检测系统三相电压的正序分量来判断系统是否恢复供电；若恢复供电后，向并网点RTU发同期合闸信号，触发并网点RTU进行同期合闸，并向电网协调控制器转发并网开关两侧的电压差、频率差和相位差，电网协调控制器根据电压频率的偏差情况，按照预设周期T0周期性向所有的储能变流器发电压调节值Δustep和频率调节值Δfstep。
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