CN110429615A - 风储交流微电网自动功率平衡控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风储交流微电网自动功率平衡控制方法及系统，包括：储能系统根据SoC的大小调整与之相连的交流母线的频率；风力发电系统通过测量与之相连的网侧母线上的电压频率f_m调整其有功出力，实现风场从属控制；设定负荷优先级，当母线频率从额定频率f₀不断降低时，按照优先级由低到高的顺序依次切除负荷；当母线频率升高时，按照优先级由高到低的顺序投入负荷；实现负荷从属控制。本发明控制方法可以自动实现交流微电网的功率平衡，同时有效避免了储能系统的过度充电与放电。

Description

风储交流微电网自动功率平衡控制方法及系统

技术领域

本发明风储交流微电网功率平衡技术领域，尤其涉及一种风储交流微电网自动功率平衡 控制方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

风储交流微电网主要包含风力发电设备、储能系统和交流负荷，是一种小型的发配电系 统。微电网有并网和离网两种运行方式，并可以在两种运行方式间无缝切换。在离网运行模 式下，微电网需要平衡发电、储能和负荷间功率交换，使得微电网的频率维持稳定。

近年来，风力发电技术以其清洁、可再生、装机规模灵活等优势在世界范围内迅速发展。 目前，中国已成为全球风电装机规模和增长速度最快的国家。风力发电技术在创造了大量经 济效益和环境效益的同时，也给电网带来了承受风速随机性引入的功率波动的要求。风储交 流微电网离网运行时，只有风机向微网注入功率，必须依靠储能系统(EnergyStorage System， ESS)保持微网发出功率与消纳功率的平衡。

此外，交流微网还需要储能系统建立稳定的电压和频率。对于风储交流微电网，一种简 单的控制策略是仅由ESS补偿风机和负荷间的不平衡功率，但这种方法非常容易使ESS过度 充电或过度放电，使ESS的使用寿命大大降低。另一种策略是在ESS过度充放电时切出系统， 起到保护ESS的作用。但是，不平衡功率会引起微电网频率的改变，当频率变化超过一定范 围后，发电和负荷中的电力设备将会受损。因此，需要建立发电、储能和负荷间的协同功率 调控机制，确保微网频率稳定，同时保护ESS不发生过度充放电。

发明人发现，现有技术采用集中控制结构实现了功率的协同控制，在这种控制方式下， 系统中所有测量单元的信息都被传入中央处理器，经处理器计算后再将指令传回各个控制器。 集中控制结构下可以很容易设计算法实现协调控制。然而，受通讯传输容量及可靠性的限制， 这种结构不适用于分布式元件较多的微电网。

为了提高系统的可靠性和可扩展性，需要设计自动功率控制策略。下垂控制利用频率偏 差自动确定功率输出，是常用的协同控制策略。但是，传统的下垂控制方法是一种局部控制 算法，忽略了ESS和风力发电设备功率调节方式的差异。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种风储交流微电网自动功率平衡控制方法及系统，可 以高效利用风能，同时避免ESS发生过度充放电。

在一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种风储交流微电网自动功率平衡控制方法，包括：

储能系统根据SoC的大小调整与之相连的交流母线的频率；

风力发电系统通过测量与之相连的网侧母线上的电压频率f_m调整其有功出力，实现风场 从属控制；

设定负荷优先级，当网侧母线频率从额定频率f₀不断降低时，按照优先级由低到高的顺序 依次切除负荷；当网侧母线频率升高时，按照优先级由高到低的顺序投入负荷；实现负荷从 属控制。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种风储交流微电网自动功率平衡控制系统，包括：

储能系统，被配置为根据SoC的大小调整与之相连的交流母线的频率；

风力发电系统，被配置为通过测量与之相连的网侧母线上的电压频率f_m调整其有功出力， 实现风场从属控制；

用于设定负荷优先级的装置；

用于当网侧母线频率从额定频率f₀不断降低时，按照优先级由低到高的顺序依次切除负荷 的装置；

用于当网侧母线频率升高时，按照优先级由高到低的顺序投入负荷的装置。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机 可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的风储交流微电网 自动功率平衡控制方法。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加 载并执行上述的风储交流微电网自动功率平衡控制方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

储能系统可以根据电池组的充电状态主动改变微电网频率，当负荷轻载时，由风机主动 降功率，放弃部分风能，使得电池不易过冲；当负荷重载时，主动切负荷，使得电池不易过 度放电。

暂态数值仿真说明了该控制方法可以自动实现交流微电网的功率平衡，同时有效避免了 储能系统的过度充电与放电。

附图说明

图1为本发明实施例一中风储交流微电网结构图；

图2为本发明实施例一中储能系统结构图；

图3为本发明实施例一中双馈式感应风力机控制框图；

图4为本发明实施例一中风机运行特性示意图；

图5为本发明实施例一中电网频率控制算法示意图；

图6为本发明实施例一中基于主从控制的微电网协调运行示意图；

图7(a)-(d)分别为本发明实施例一中负荷轻载下本实施例方法与传统控制策略下的 微电网动态过程比较示意图；

图8(a)-(d)分别为本发明实施例一中负荷重载下本实施例方法与传统控制策略下的 微电网动态过程比较示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指 明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解 的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申 请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图 包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其 指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

在一个或多个实施方式中，公开了一种风储交流微电网自动功率平衡控制方法，该方法 原理简单，实施便利，可以高效利用风能，同时避免ESS发生过度充放电。所述方法包括以 下步骤：

储能系统根据SoC的大小调整与之相连的交流母线的频率；

风力发电系统通过测量与之相连的网侧母线上的电压频率f_m调整其有功出力，实现风场 从属控制；

设定负荷优先级，当网侧母线频率从额定频率f₀不断降低时，按照优先级由低到高的顺序 依次切除负荷；当网侧母线频率升高时，按照优先级由高到低的顺序投入负荷；实现负荷从 属控制。

下面对本实施例方法的实现过程详细介绍如下：

1系统描述

图1是一个典型的交流微电网结构图。两个风力发电场和三个分布式交流负荷由辐射状 的微电网连接起来，电池组由双向的AC/DC换流器与微电网相连，为微电网建立稳定的交流 电压，并补偿电网中的不平衡功率。

1.1储能系统

如图2所示，储能系统由电池组、双向AC/DC换流器和滤波器组成，通过对双向AC/DC 换流器施加双闭环控制使电池组能为微电网建立稳定的电压和频率。双闭环控制由外环电压 控制(Voltage Control，VC)和内环电流控制(Current Control，CC)构成。图2中用V_be ^*和 I_be ^*分别表示母线电压和电流的参考值，用V_be和I_be分别表示交流母线电压和流经母线电流的 实际值。频率参考值f_g由电网频率控制单元根据电池组的充电状态(State ofCharge，SoC) 给出。

本实施例采用较为简单的安培计数法计算电池组的充电状态：

式中，SoC₀表示电池组初始的充电状态，η_bat表示电池组的充放电效率，i_bat和C_bat分别 表示电池组电流和电池组容量。

1.2风力发电系统

变速风机由于在风速波动下可大范围调速，提高了运行效率，成为主流风机。本实施例 以双馈感应风力机(Doubly Fed Induction Generator，DFIG)为例，建立风力发电系统的模型。 如图3所示，DFIG的有功出力由最大功率点跟踪(Maximum Power PointTracking)算法和 桨距角控制决定。风机侧和网侧的换流器均采用基于dq解耦的双闭环控制^[13]，并采用经典的 脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation)。图3中有*号上标的均表示参考值，ω_r和ω_r ^*分别为 风机转子转速的实际值和参考值，ω_g为网侧频率，V_DC和V_g分别为换流器直流侧电压和网侧 电压，P_g、Q_g、P_W和Q_W分别为转子侧和风机的有功和无功功率，I_rd、I_rq、I_gd和Q_gq分别为 转子侧换流器和网侧换流器的d轴和q轴电流。

风机转速的动态过程由转子方程决定：

式中，H是DFIG的惯量常数，P_wind和P_W ^*分别是风机捕获的风能和有功出力的参考值。 通常，为了使风机尽可能多地捕获风能，MPPT算法根据风机转子转速ω_r计算最佳有功出力P_MPPT，并作为风机出力的参考值：

风机捕获的风能P_wind可以按照下式计算：

式中，ρ是空气密度，R是转子叶片半径，v_w是风速，C_p是功率系数，λ是叶尖速比，k是齿轮箱传动比，ω_t是风机转速，θ是桨距角。通常，桨距角控制仅在检测到转子转速过高时启动，通过增大桨距角，将转子转速限制在极限范围内。当P_wind小于风机设计功率时，桨距角θ被设为0。这时，功率系数仅是叶尖速比λ的函数，并达到在该叶尖速比下的最大值C_pmax。

如图4所示，此时风机运行在给定风速v_w下的最优转子转速点A。如图4中的B点和C点所示，如果转子转速与最优转子转速ω_A有任何偏差，风机捕获的风能都会降低。

2自动功率平衡控制

微电网中各个元件的自动功率平衡控制通过利用微电网母线频率信号实现。具体而言， 微电网的母线频率由储能系统主控制确定，使其能够反映电池组的充电状态，因此，储能系 统主控制也称为电网频率控制。同时，风场和分布式负荷分别根据微电网频率调整发出和消 耗的功率。

2.1储能系统主控制

为了使微网频率能够反映电池组的充电状态，双向AC/DC换流器根据SoC的大小调整 与之相连的交流母线的频率。当SoC属于安全区间(SoC_d,SoC_u)时，微电网频率应该保持恒 定，其额定值记为f₀。当SoC属于危险范围(SoC过大或过小)时，双向AC/DC换流器应通过调整微电网的频率，使风场和负荷感知到ESS的状态，以调整有功出力或消耗。

如图5所示，SoC危险状态下的电网频率控制可以分为高SoC控制和低SoC控制模式。 高SoC模式用于微电网持续产生过量的风能时协调ESS和风场出力的关系。

当电池组的SoC高于上限阈值SoC_u时，ESS主控制以k₁的斜率线性增大双向AC/DC换流器双环控制的频率参考值，从而减小微电网的频率。

类似地，低SoC控制模式用于风场和ESS无法持续支持重载负荷的情况，当SoC低于下 限阈值SoC_d时，ESS以k₂的斜率减小微网频率的参考值。

ESS对微网频率的调控算法可以用下式表示：

式中，斜率k₁和k₂按照下式计算：

式中，f_max和f_min分别是母线频率的最大值和最小值，由微电网的运行标准确定。当母线 频率达到最小值f_min时，说明SoC已经低于最低值SoC₀，电池组没有足够的能量储备支持微 电网的稳定运行，整个微电网将被迫停运。

2.2风场从属控制

ESS确定微电网频率后，风场可以通过测量与之相连的网侧母线上的电压频率f_m调整其 有功出力。当f_m低于或等于额定频率f₀时，风场运行在最大功率点，尽可能地捕获风能。当 f_m高于f₀时，风场主动减小出力来限制SoC的上升，防止电池组过充。此外，转子转速方程(2) 会再次平衡，风机运行在新的稳态运行点，新的微电网稳态频率为f_e。

风场从属控制按照下式给定风场出力：

式中，k₃为风场出力线性控制的斜率：

式中，f_max为微电网频率最大值、P_MPPT为MPPT算法根据风机转子转速ω_r计算出的最佳 有功出力，P_W ^*为风机有功出力的参考值。

由式(8)可以看出，风场从属控制按照微电网频率的不同，有两种控制模式。为了保证风 场出力在两种模式间能平稳转移，当f_m>f₀时，公式(8)中的P_MPPT取f_m＝f₀时风机的最大功率 点。

2.3负荷从属控制

除了发电系统，负荷侧的管理策略在微电网功率供需平衡中起重要作用。为了便于负荷 管理，根据负荷在微电网中的重要程度，引入优先级的概念，负荷越重要，赋予的优先级越 高。重要性较低的负荷可以在微电网能量储备不足时切除，防止储能过度消耗引起的整个系 统的停运。在负荷从属控制模式下，当母线频率从额定频率f₀不断降低时，按照优先级由低 到高的顺序依次切除负荷。相似地，当系统频率恢复升高时，按照优先级由高到低的顺序投 入负荷。

如图6所示，微电网中的负荷被分为两个优先级，Load₁的优先级低于Load₂。当SoC低 于SoC_d时，ESS主控制开始减小系统频率，微电网频率减小到f_off1和f_off2时，分别切除Load₁和Load₂，限制电池组过度放电。当SoC逐渐上升时，微电网频率相应增大，负荷Load₂和Load₁依次在微网频率等于f_on2和f_on1时投入。为了防止负荷在阈值处反复投切，负荷控制被赋予了图6中的继电特性。

整个微电网的主从控制策略如图6所示，可以看出，通过储能系统主动改变微电网的频 率，风场和负荷就可以感知ESS的状态，从而做出调整使SoC尽量维持在安全范围内。

3仿真验证

为了验证所提功率自动平衡控制策略的有效性，在DIgSILENT/PowerFactory中搭建了图 1所示的风储交流微电网，微网的主要参数如表1所示。

表1测试风储交流微电网系统的主要参数

风速由电脑随机模拟，平均值为11.5m/s。三个分布式负荷的优先级为：负荷1和负荷2 为一级负荷，负荷3为二级负荷。为了验证所提控制策略的有效性，设计了负荷轻载和负荷 重载两种场景，并与传统的交流微电网定频率，仅由ESS补偿不平衡功率的控制方法进行比 较。

3.1负荷轻载

负荷轻载场景下，负荷1和负荷2吸收的功率分别为0.2MW和0.3MW，负荷3吸收功率为0.8MW。采用所提控制策略和传统控制策略下微电网动态过程如图7所示。

由图7(a)可以看出，传统控制策略下风场始终运行在最大功率点，在负荷轻载场景下， 电池组不断储存风场多发的功率(图7(b))，其充电状态持续上升。在图7(d)中，SoC在180s 后超过了90％，电池组处于过度充电状态。而在文本提出的自动功率平衡控制策略下，当SoC 高于70％时，储能系统开始提高交流微网频率(图7(c))，风场感受到了频率变化从而主动减 少出力(图7(a))。相应的，图7(c)中电池组充电功率较传统控制模型下的充电功率有所下降， 甚至在190s以后功率有负值，说明了电池组释放部分储存的能量。如图7(d)所示，自动功率 平衡控制下SoC稳定在90％以下，有效避免了轻载情况下电池组的过充。

3.2负荷重载

负荷重载场景下，负荷1和负荷2吸收的功率均为0.6MW，负荷3吸收功率为1.6MW。图8为自动功率平衡控制策略和传统控制策略下微电网的动态过程。

由图8(a)可以看出，由于负荷重载下微网有功功率不足，传统的控制策略和所提控制策 略均使风场运行在最大功率点，最大限度地输出有功功率。但在传统的控制模式下，电池组 一直放电(图8(b))。如图8(d)所示，SoC在230s时为14％，如果持续重载运行，SoC将达到 最小值10％，引起整个微网的停运。而在本文提出的自动功率平衡控制模式下，当电池组SoC 低于30％时，储能系统开始减小交流微网频率(图8(c))。当微网频率小于低频减载阈值时， 第一级负荷(负荷1和负荷2)就会被切除。图8(b)中，199s切除一级负荷后，电池组的充 电功率激增，进入充电状态。因此，图8(d)中SoC增大，且维持在20％以上，有效避免了电 池组过度放电，同时增加了微电网运行的可靠性。

实施例二

在一个或多个实施方式中，公开了一种风储交流微电网自动功率平衡控制系统，包括：

储能系统，被配置为根据SoC的大小调整与之相连的交流母线的频率；

风力发电系统，被配置为通过测量与之相连的网侧母线上的电压频率f_m调整其有功出力， 实现风场从属控制；

用于设定负荷优先级的装置；

用于当网侧母线频率从额定频率f₀不断降低时，按照优先级由低到高的顺序依次切除负荷 的装置；

用于当网侧母线频率升高时，按照优先级由高到低的顺序投入负荷的装置。

实施例三

在一个或多个实施方式中，公开了一种终端设备，包括服务器，所述服务器包括存储器、 处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实 现实施例一中的风储交流微电网自动功率平衡控制方法。为了简洁，在此不再赘述。

应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理 器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的 一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。

在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形 式的指令完成。

结合实施例一中的方法步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬 件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只 读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于 存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里 不再详细描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够 以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来 执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来 使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限 制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付 出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种风储交流微电网自动功率平衡控制方法，其特征在于，包括：

储能系统根据SoC的大小调整与之相连的交流母线的频率；

风力发电系统通过测量与之相连的网侧母线上的电压频率f_m调整其有功出力，实现风场从属控制；

设定负荷优先级，当网侧母线频率从额定频率f₀不断降低时，按照优先级由低到高的顺序依次切除负荷；当网侧母线频率升高时，按照优先级由高到低的顺序投入负荷；实现负荷从属控制。

2.如权利要求1所述的一种风储交流微电网自动功率平衡控制方法，其特征在于，储能系统根据SoC的大小调整与之相连的交流母线的频率，具体为：

其中，SoC_u为储能系统SoC安全区间的上限，SoC_d为储能系统SoC安全区间的下限，SoC₀为储能系统SoC最低值，SoC为当前电池组的SoC值；f₀为微电网频率额定值，f^*为调整后的交流母线频率；f_max和f_min分别是交流母线频率的最大值和最小值。

3.如权利要求1所述的一种风储交流微电网自动功率平衡控制方法，其特征在于，风力发电系统通过测量与之相连的网侧母线上的电压频率f_m调整其有功出力，具体为：

当网侧母线的电压频率f_m低于或等于额定频率f₀时，风场运行在最大功率点，尽可能地捕获风能；

当网侧母线的电压频率f_m高于额定频率f₀时，风场主动减小出力来限制储能系统SoC的上升，防止电池组过充。

4.如权利要求1所述的一种风储交流微电网自动功率平衡控制方法，其特征在于，风场从属控制按照下式给定风场出力：

其中，f_m为网侧母线的电压频率，f₀为微电网频率额定值，

k₃为风场出力线性控制的斜率，f_max为微电网频率最大值、P_MPPT为MPPT算法根据风机转子转速ω_r计算出的最佳有功出力，P_W ^*为风机有功出力的参考值。

5.如权利要求1所述的一种风储交流微电网自动功率平衡控制方法，其特征在于，储能系统计算电池组的充电状态的方法具体为：

其中，SoC₀表示电池组初始的充电状态，η_bat表示电池组的充放电效率，i_bat和C_bat分别表示电池组电流和电池组容量。

6.如权利要求1所述的一种风储交流微电网自动功率平衡控制方法，其特征在于，风机捕获的风能P_wind具体为：

其中，ρ是空气密度，R是转子叶片半径，v_w是风速，C_p是功率系数，λ是叶尖速比，k是齿轮箱传动比，ω_t是风机转速，θ是桨距角。

7.一种风储交流微电网自动功率平衡控制系统，其特征在于，包括：

储能系统，被配置为根据SoC的大小调整与之相连的交流母线的频率；

风力发电系统，被配置为通过测量与之相连的网侧母线上的电压频率f_m调整其有功出力，实现风场从属控制；

用于设定负荷优先级的装置；

用于当网侧母线频率从额定频率f₀不断降低时，按照优先级由低到高的顺序依次切除负荷的装置；

用于当网侧母线频率升高时，按照优先级由高到低的顺序投入负荷的装置。

8.一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-5任一项所述的风储交流微电网自动功率平衡控制方法。

9.一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，其特征在于，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-5任一项所述的风储交流微电网自动功率平衡控制方法。