CN110445186A - 一种自同步微电网控制系统及二次调频控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自同步微电网控制系统及二次调频控制方法，所述系统包括多个虚拟同步机；所述方法基于每个虚拟同步机，分别根据与所述虚拟同步机相邻的虚拟同步机计算每个虚拟同步机目标边际值及功率设定值；当所有虚拟同步机的目标边际值和功率设定值均收敛一致且满足功率平衡时，记录此时的功率设定值作为最优功率设定值并根据每个虚拟同步机最优功率设定值分别进行二次调频控制。本发明提供的技术方案通过源、荷、储虚拟同步机相邻控制器间的稀疏通信，计算得到有功参数最优参考值，实现计及综合运行成本的频率最优调节。

Description

一种自同步微电网控制系统及二次调频控制方法

技术领域

本发明涉及配电网领域，具体涉及一种自同步微电网控制系统及二次调频控制方法。

背景技术

当前快速发展的微电网技术是促进配电网负荷就地平衡、改善供电可靠性、提高可再生能源利用率的有效手段，也是实现“节能减排”目标的重要举措和解决能源短缺及环境污染问题的重要途径。目前在微电网系统中，大量分布式能源发电采用电力电子接口并网，微电网系统惯量小、抗扰动能力弱、过载能力差。同时，大部分微电网组网模式和控制策略延续了大电网的分层控制架构，采用依赖于中央控制器的集中主从控制策略，而利用下垂控制等技术实现微电网对等组网模式在国内外实际工程中鲜有成功案例。未来随着电力电子接口的分布式可再生能源高密度的接入，电网将无法避免地走向低惯量化，传统微电网的控制架构及控制策略也不利于微电网实现即插即用、系统快速组网的功能，且系统冗余度有待提高。因此，如何解决微电网传统控制架构高度集中的壁垒，以及微电网内低惯量、弱阻尼微源与负荷快速组网与高效协同等问题，是突破微电网发展瓶颈，提升微电网运行能力的关键，是实现分布式能源系统自治、自主灵活协调的重要技术之一。

为增加微电网虚拟惯性和阻尼，保证系统独立稳定运行，虚拟同步机(VirtualSynchronous Generator，VSG)技术引起广泛的关注。虚拟同步机技术可为新能源和柔性负荷接入智能电网提供统一接口和最终实现未来自主电力系统的强大潜力。多项研究指出，引入基于虚拟同步技术并网装置的微电网能够较好模拟出转动惯量，提高系统的频率稳定性。

为了提高引入基于虚拟同步技术并网装置的微电网一次调频的动态特性及稳定性，通常增加微电网系统的阻尼比，但会引起VSG出口的电压降落、稳态频率与额定频率间的偏差变大等问题，而且，现有研究的微电网调频策略通常仅考虑电源侧的调节成本，未考虑负荷参与调频的成本，系统的综合经济效益并不高。因此，需在考虑虚拟同步化微电网一次调频稳定性的基础上，对其进行二次调频，并提高频率二次调节后精准效果以及综合效益，实现有序经济调频目标。

发明内容

为解决分布式能源并网低惯量、弱阻尼的问题，本专利在传统微电网中引入虚拟同步机技术，提出一种自同步微电网控制架构，一方面可以增加系统虚拟惯量，另一方面，微电网系统中各微源与负荷间基于本地信息的自律控制可有效减小对通信的依赖程度，优化微电网系统控制架构。

在此基础上，本专利还提出应用于精细化控制的二次调频控制策略，在实现微电网频率快速恢复的同时实现全网综合效益最大化。

本发明提供的技术方案是：

一种自同步微电网控制系统，包括：多个虚拟同步机；

所述虚拟同步机用于：根据相邻虚拟同步机计算目标边际值，以及根据所述目标边际值确定各虚拟同步机功率设定值；根据所述目标边际值和功率设定值确定最优功率设定值；并根据所述最优功率设定值分别进行二次调频控制；

所述虚拟同步机包括：配备储能的分布式电源侧虚拟同步机和负荷侧虚拟同步机。

优选的，所述虚拟同步机包括边际值计算模块和功率设定值计算模块；

所述边际值计算模块用于：计算每个虚拟同步机的目标边际值；

所述功率设定值计算模块用于：计算每个虚拟同步机的功率设定值。

一种基于自同步微电网控制系统的二次调频控制方法，其特征在于，所述方法包括：

一次调频后：

S1：基于每个虚拟同步机，分别根据与所述虚拟同步机相邻的虚拟同步机计算所述虚拟同步机目标边际值；

S2：根据每个虚拟同步机的目标边际值确定所述虚拟同步机的功率设定值；

S3：当所有虚拟同步机的目标边际值收敛一致以及所有虚拟同步机的功率设定值收敛一致且满足功率平衡时，记录此时的功率设定值作为最优功率设定值，执行步骤S4，否则，重复执行步骤S1-S2；

S4：根据每个虚拟同步机最优功率设定值分别进行二次调频控制；

其中，所述虚拟同步机包括：配备储能的分布式电源侧虚拟同步机和负荷侧虚拟同步机。

优选的，所述基于每个虚拟同步机，分别根据与所述虚拟同步机相邻的虚拟同步机计算所述虚拟同步机目标边际值，包括：

分别计算每个虚拟同步机自身边际值；

基于每个虚拟同步机，根据与所述虚拟同步机相邻虚拟同步机的自身边际值，计算确定所述虚拟同步机目标边际值。

进一步的，所述每个虚拟同步机自身边际值的计算式如下：

其中，L_i[k]为k时刻虚拟同步机VSG_i的自身边际值，α_i、β_i为不同分布式电源的成本系数，λ_i、η_i为不同负荷的效益系数，P_i[k]为k时刻虚拟同步机VSG_i的功率值，VSG_G为分布式电源侧虚拟同步机集合，VSG_D为负荷侧虚拟同步机集合。

进一步的，所述虚拟同步机目标边际值的计算式如下：

其中，为k时刻虚拟同步机VSG_i的目标边际值，d_ij为虚拟同步机VSG_i与相邻虚拟同步机VSG_j间的更新权重，L_j[k]为与虚拟同步机VSG_i相邻的虚拟同步机VSG_j的k时刻自身边际值，N_i为与虚拟同步机VSG_i直接相连的邻居虚拟同步机集合，Δf_i[k]为k时刻虚拟同步机VSG_i本地频率偏差测量值，f₀为额定频率，f_i[k]为k时刻虚拟同步机VSG_i的频率，μ为反馈系数，H为系统的等效转动惯量，ΔT为周期采样时间间隔。

优选的，所述虚拟同步机的功率设定值的计算式如下：

其中，P_{set_i}[k]为k时刻虚拟同步机VSG_i的功率设定值，为k时刻虚拟同步机VSG_i的目标边际值，α_i、β_i为不同分布式电源的成本系数，λ_i、η_i为不同负荷的效益系数，VSG_G为分布式电源侧虚拟同步机集合，VSG_D为负荷侧虚拟同步机集合。

优选的，所述所有虚拟同步机目标边际值收敛一致满足下式：

其中，L^*为经过若干次迭代后所有虚拟同步机收敛的边际值，为k时刻虚拟同步机VSG_i的目标边际值，为k时刻虚拟同步机VSG_j的目标边际值，VSG_G为分布式电源侧虚拟同步机集合，VSG_D为负荷侧虚拟同步机集合。

进一步的，所述所有虚拟同步机的功率设定值收敛一致满足下式：

其中，P_{set_i}[k]为k时刻虚拟同步机VSG_i的功率设定值,P_setopi为所有虚拟同步机的最优功率设定值。

进一步的，所述功率平衡满足下式：

其中，P_D为恒定负荷功率。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供一种自同步微电网控制系统，包括：多个虚拟同步机；所述虚拟同步机用于：根据相邻虚拟同步机计算目标边际值，以及根据所述目标边际值确定各虚拟同步机功率设定值；根据所述目标边际值和功率设定值确定最优功率设定值；并根据所述最优功率设定值分别进行二次调频控制；所述虚拟同步机包括：配备储能的分布式电源侧虚拟同步机和负荷侧虚拟同步机。

本发明还提供一种基于自同步微电网控制系统的二次调频控制方法，包括：基于每个虚拟同步机，分别根据与所述虚拟同步机相邻的虚拟同步机计算所述虚拟同步机目标边际值；根据每个虚拟同步机的目标边际值确定所述虚拟同步机的功率设定值；当所有虚拟同步机的目标边际值收敛一致以及所有虚拟同步机的功率设定值收敛一致且满足功率平衡时，记录此时的功率设定值作为最优功率设定值，根据每个虚拟同步机最优功率设定值进行二次调频控制，否则，重复执行目标边际值和功率设定值的计算。

本发明提供的技术方案在微电网中引入虚拟同步机技术，增加系统虚拟惯量，同时以微电网二次调频的综合效益为目标，通过源、荷、储虚拟同步机相邻控制器间的稀疏通信，采用分布式计算得到虚拟同步变换器有功参数最优参考值，从而实现计及综合运行成本的频率最优调节。

本发明提供的技术方案通过一致性迭代寻找最优功率设定值，省略了中央控制器，提高系统运行的可靠性及灵活性，减小了控制系统的计算负担。

附图说明

图1为本发明的一种自同步微电网二次调频控制方法流程图；

图2为本发明实施例中传统微电网控制架构图；

图3为本发明实施例中自同步微电网控制架构图；

图4为本发明实施例中自同步微电网等效电路模型图；

图5为本发明实施例中自同步微电网下垂调频曲线图；

图6为本发明实施例中自同步微电网一次调频过程图；

图7为本发明实施例中自同步微电网二次调频控制策略框图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明作进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1：

本发明实施例提供一种自同步微电网控制系统，所述系统包括：多个虚拟同步机；

虚拟同步机用于：根据相邻虚拟同步机计算目标边际值，以及根据目标边际值确定各虚拟同步机功率设定值；根据目标边际值和功率设定值确定最优功率设定值；并根据最优功率设定值分别进行二次调频控制；

虚拟同步机包括：配备储能的分布式电源侧虚拟同步机和负荷侧虚拟同步机。

本专利提出一种同步微电网控制系统，自同步微电网是基于虚拟同步机技术并网逆变器、储能变流器、可控负荷等系列惯量接入终端设备和能量管理系统两层分散自律架构的微电网，其控制架构如图3所示。

自同步微电网(Virtual Synchronous Microgrid，VSM)一般由分布式电源、储能、负荷虚拟同步逆变器并联组成，以三机组典型模型为例，其等效电路模型如图4所示。

图4中，两台分布式电源虚拟同步机(VSG_G)与负荷虚拟同步机(VSG_D)共同组成自同步微电网，根据VSG一次调频特性，微电网内发用电功率及频率的关系曲线如图4所示。

从图4中可以看出，VSG_G输出功率随频率降低而增加，VSG_D则反之。因此，当VSG_G的功率设定值之和与VSG_D功率设定值不等时(即P_set1+P_set2≠|P_set3|)，系统稳态频率将偏离额定频率。另一方面，当微电网内出现功率变化时，VSG_G与VSG_D同时监测到频率变化并根据自身一次调频特性进行功率自适应调节，各自调节对应的有功功率增量，而分布式电源虚拟同步机、负荷虚拟同步机相互之间无信息交互，当VSG_G输出功率增量与VSG_D吸收功率增量不能实时匹配时，频率将继续变化，重复一次调频过程直至频率稳定，如图6所示。

从以上频率调节过程可知，当VSG_G与VSG_D参数选取不恰当时，容易引起虚拟同步化微电网的频率振荡，严重情况下可能导致分布式电源的脱网，影响微电网的安全稳定运行。为了提高一次调频的动态特性及稳定性，通常增加微电网系统的阻尼比，在VSG出口串入适量的电感或者在控制策略中引入虚拟电抗可以提高阻尼比以抑制振荡，但电感/虚拟电抗将增大VSG出口的电压降落；增大阻尼系数D_p或减小虚拟惯量J也可增大阻尼比，但是增大D_p会使稳态频率与额定频率间的偏差变大，从而不满足负荷对频率的要求，因此，在考虑虚拟同步化微电网一次调频稳定性的基础上，需对其进行二次调频。

实施例2：

本发明实施例提供的一种自同步微电网二次调频控制方法，其具体实施过程如图1所示，包括：在一次调频后执行如下步骤：

S1：基于每个虚拟同步机，分别根据与所述虚拟同步机相邻的虚拟同步机计算所述虚拟同步机目标边际值；

S2：根据每个虚拟同步机的目标边际值确定所述虚拟同步机的功率设定值；

S3：所有虚拟同步机的目标边际值收敛一致以及所有虚拟同步机的功率设定值收敛一致且满足功率平衡时，记录此时的功率设定值作为最优功率设定值，执行步骤S4，否则，重复执行步骤S1-S2；

S4：根据每个虚拟同步机最优功率设定值进行二次调频控制。

具体的，步骤S1：基于每个虚拟同步机，分别根据与所述虚拟同步机相邻的虚拟同步机计算所述虚拟同步机目标边际值，实施过程如下：

步骤S1-1：周期性采样信号驱动下各VSG采集自身的输出功率及频率，假设在第k次采样时，VSG i采集自身的输出功率P_i[k]，按照式(1)计算自身的边际值：

其中，C_i(P_i)、U_i(P_i)分别为电源侧和负荷侧第i台虚拟同步机对应电源的成本函数，α_i、β_i为不同分布式电源的成本系数，λ_i、η_i为不同负荷的效益系数，P_i[k]为k时刻虚拟同步机VSG_i的功率值，VSG_G为电源侧虚拟同步机集合，VSG_D为负荷侧虚拟同步机集合；

对于不同类型的分布式电源，如光伏电池、燃料电池和微型燃气轮机，系数α_i、β_i大小及物理意义不同。当分布式电源为内燃机型或者燃料电池时，成本系数α_i、β_i主要由燃料成本决定，当为可再生能源或者储能系统时，成本系数α_i、β_i主要由储能维护成本、变流器效率等决定。

此处的边际值，即边际成本值，指增加一单元的产量随即而产生的成本增加量。

本实施例中，成本包括发电成本和负荷利用率。发电成本指不同类型分布式电源发电所涉及消耗的资源，比如燃料发电机，发电成本为所消耗燃料成本；负荷利用率指不同类型负荷对能量的利用率。因此自身边际值(边际成本值)即指微电网系统中的分布式电源/负荷增加一单元的产量随即而产生的自身发电成本/利用率增加量。

步骤S1-2：计算过程结束后，虚拟同步机VSGi将边际值信息发送至其邻居虚拟同步机VSGj，j∈N_i，N_i为虚拟同步机VSGi的邻居编号集合(即与虚拟同步机VSGi直接相连的虚拟同步机标号集合)。虚拟同步机VSG i同时接收其邻居边际值信息，按照离散一致性算法设计迭代公式，计算k时刻的虚拟同步机VSG i的目标边际值：

其中，为k时刻虚拟同步机VSG_i的目标边际值，d_ij为虚拟同步机VSG_i与相邻虚拟同步机VSG_j间的更新权重，L_j[k]为与虚拟同步机VSG_i相邻的虚拟同步机VSG_j的k时刻自身边际值，ΔP_{VSM_i}[k]第i台虚拟同步机对全网有功功率缺额的评估，μ为反馈系数，N_i为与虚拟同步机VSG_i直接相连的邻居虚拟同步机集合；

d_ij与通信网络的拓扑结构相关，采用根据拓扑构造矩阵D的方法设计更新权重；

为了在负荷信息无需采集的情况下实现全网功率缺额预测，基于孤立微电网系统频率变化率及等效转动惯量来预测全网功率缺额，即：

Δf_i[k]＝f₀-f_i[k]，i∈VSG_G∪VSG_D

其中，f₀为额定频率，f_i[k]为k时刻虚拟同步机VSG_i的频率，H为系统的等效转动惯量，ΔT为周期采样时间间隔；

将式(2)改写成下式(4)：

其中，

μ为反馈系数，其取值影响系统等效转移矩阵的特征值的分布，μ越大，边际值收敛速度越快，但稳定性越差。

具体的，步骤S2：根据每个虚拟同步机的目标边际值确定所述虚拟同步机的功率设定值，包括：

由虚拟同步机下垂调频曲线(图5)可知，改变功率设定值可以调节其输出功率，当功率设定值满足条件时，其输出功率等于设定功率，因此设计功率设定值计算公式如下：

其中，P_{set_i}[k]为k时刻虚拟同步机VSG_i的功率设定值，为k时刻虚拟同步机VSG_i的目标边际值，α_i、β_i为不同分布式电源的成本系数，λ_i、η_i为不同负荷的效益系数，VSG_G为电源侧虚拟同步机集合，VSG_D为负荷侧虚拟同步机集合。

步骤S3：当所有虚拟同步机的目标边际值收敛一致以及所有虚拟同步机的功率设定值收敛一致且满足功率平衡时，记录此时的功率设定值作为最优功率设定值，执行步骤S4，否则，重复执行步骤S1-S2，具体包括：

步骤S3-1：重复式(1)、(4)、(5)步骤，每完成一次循环就更新一次功率设定值P_set。经过若干次一致性迭代后，各VSG的边际值将收敛于一致，功率设定值收敛于最优功率设定值P_setop，且满足功率平衡约束，即：

其中，L^*为经过若干次迭代后所有虚拟同步机收敛的边际值，为k时刻虚拟同步机VSG_i的目标边际值，为k时刻虚拟同步机VSG_j的目标边际值，VSG_G为电源侧虚拟同步机集合，VSG_D为负荷侧虚拟同步机集合，P_setopi为虚拟同步机VSG_i的最优功率设定值，P_D为恒定负荷功率。

步骤S4：根据每个虚拟同步机最优功率设定值进行二次调频控制，具体包括：

步骤S4-1：功率设定值确定后，各VSG分布式二次调频控制器用其更新下层虚拟同步机控制策略中对应控制参数，并通过其计算VSG变流器出口处指令电压d、q轴分量；

步骤S4-2：内层控制器采集逆变器输出电压、电流量，并通过电压/电流双环控制跟踪指令电压。值得注意的是，当(5)式计算获得的功率设定值超过上下限约束时，按照上下限设置功率。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种自同步微电网控制系统，其特征在于，包括：多个虚拟同步机；

所述虚拟同步机用于：根据相邻虚拟同步机计算目标边际值，以及根据所述目标边际值确定各虚拟同步机功率设定值；根据所述目标边际值和功率设定值确定最优功率设定值；并根据所述最优功率设定值分别进行二次调频控制；

所述虚拟同步机包括：配备储能的分布式电源侧虚拟同步机和负荷侧虚拟同步机。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述虚拟同步机包括边际值计算模块和功率设定值计算模块；

所述边际值计算模块用于：计算每个虚拟同步机的目标边际值；

所述功率设定值计算模块用于：计算每个虚拟同步机的功率设定值。

3.如权利要求1所述的一种基于自同步微电网控制系统的二次调频控制方法，其特征在于，所述方法包括：

一次调频后：

S1：基于每个虚拟同步机，分别根据与所述虚拟同步机相邻的虚拟同步机计算所述虚拟同步机目标边际值；

S2：根据每个虚拟同步机的目标边际值确定所述虚拟同步机的功率设定值；

S3：当所有虚拟同步机的目标边际值收敛一致以及所有虚拟同步机的功率设定值收敛一致且满足功率平衡时，记录此时的功率设定值作为最优功率设定值，执行步骤S4，否则，重复执行步骤S1-S2；

S4：根据每个虚拟同步机最优功率设定值分别进行二次调频控制；

其中，所述虚拟同步机包括：配备储能的分布式电源侧虚拟同步机和负荷侧虚拟同步机。

4.根据权利要求3所述的二次调频控制方法，其特征在于，所述基于每个虚拟同步机，分别根据与所述虚拟同步机相邻的虚拟同步机计算所述虚拟同步机目标边际值，包括：

分别计算每个虚拟同步机自身边际值；

基于每个虚拟同步机，根据与所述虚拟同步机相邻虚拟同步机的自身边际值，计算确定所述虚拟同步机目标边际值。

5.根据权利要求4所述的二次调频控制方法，其特征在于，所述每个虚拟同步机自身边际值的计算式如下：

其中，L_i[k]为k时刻虚拟同步机VSG_i的自身边际值，α_i、β_i为不同分布式电源的成本系数，λ_i、η_i为不同负荷的效益系数，P_i[k]为k时刻虚拟同步机VSG_i的功率值，VSG_G为分布式电源侧虚拟同步机集合，VSG_D为负荷侧虚拟同步机集合。

6.根据权利要求4所述的二次调频控制方法，其特征在于，所述虚拟同步机目标边际值的计算式如下：

其中，为k时刻虚拟同步机VSG_i的目标边际值，d_ij为虚拟同步机VSG_i与相邻虚拟同步机VSG_j间的更新权重，L_j[k]为与虚拟同步机VSG_i相邻的虚拟同步机VSG_j的k时刻自身边际值，N_i为与虚拟同步机VSG_i直接相连的邻居虚拟同步机集合，Δf_i[k]为k时刻虚拟同步机VSG_i本地频率偏差测量值，f₀为额定频率，f_i[k]为k时刻虚拟同步机VSG_i的频率，μ为反馈系数，H为系统的等效转动惯量，ΔT为周期采样时间间隔。

7.根据权利要求3所述的二次调频控制方法，其特征在于，所述虚拟同步机的功率设定值的计算式如下：

其中，P_{set_i}[k]为k时刻虚拟同步机VSG_i的功率设定值，为k时刻虚拟同步机VSG_i的目标边际值，α_i、β_i为不同分布式电源的成本系数，λ_i、η_i为不同负荷的效益系数，VSG_G为分布式电源侧虚拟同步机集合，VSG_D为负荷侧虚拟同步机集合。

8.根据权利要求3所述的二次调频控制方法，其特征在于，

所述所有虚拟同步机目标边际值收敛一致满足下式：

其中，L^*为经过若干次迭代后所有虚拟同步机收敛的边际值，为k时刻虚拟同步机VSG_i的目标边际值，为k时刻虚拟同步机VSG_j的目标边际值，VSG_G为分布式电源侧虚拟同步机集合，VSG_D为负荷侧虚拟同步机集合。

9.根据权利要求8所述的二次调频控制方法，其特征在于，所述所有虚拟同步机的功率设定值收敛一致满足下式：

其中，P_{set_i}[k]为k时刻虚拟同步机VSG_i的功率设定值,P_setopi为所有虚拟同步机的最优功率设定值。

10.根据权利要求9所述的二次调频控制方法，其特征在于，所述功率平衡满足下式：

其中，P_D为恒定负荷功率。