CN110718933A - 一种多层次协调的风储孤网系统功率平衡控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明是一种多层次协调的风储孤网系统功率平衡控制策略,属于电网运行与控制技术领域。包括以下步骤：步骤1建立多层次协调的风储孤网系统控制框架；步骤2建立上层中心协调控制智能体控制模型；步骤3建立分散控制智能体控制模型；步骤4建立风储孤网协调控制策略的Matlab/Simulink平台；步骤5对多层次协调的风储孤网系统控制策略的有效性进行仿真分析，验证多层次协调的风储孤网系统控制策略能够实现风储孤网系统的稳定运行。本发明采用的多层次协调的风储孤网系统功率平衡控制策略，能够实现风储孤网系统中各单元的协调控制，实现了风储孤网系统功率平衡，为风储孤网系统的稳定运行提供技术依据和实用方法。

Description

一种多层次协调的风储孤网系统功率平衡控制策略

技术领域

本发明涉及一种风储孤网系统的协调控制方法，具体涉及一种多层次协调的风储孤网系统功率平衡控制策略。

背景技术

在分布式能源发电中，风力发电是技术最成熟、最具备开发条件、发展前景良好的项目，自20世纪90年代以来，风电的年增长率一直保持了两位数的百分比水平。然而，受大电网接纳能力的限制，风电大规模接入电网过程中存在的“并网难”和“弃风”等问题成为制约风电发展的重大难题。风电分散接入微电网和就地利用为新能源的应用开辟了新的途径。随着储能装置成本的降低和技术的成熟，风储联合发电技术逐步受到广泛重视。

目前国内外对风储系统联合运行的研究主要集中在风储联合并网运行方面，对风储孤网系统的研究相对较少。风储孤网运行是微电网从并网状态转向孤岛运行状态的基础，也是孤立微电网稳定运行的关键。风储孤网系统稳定运行的核心技术在于风机出力、风机及储能逆变器、储能充/放电转换三者之间的协调控制策略。储能单元在风电孤网运行过程的不同阶段中分别承担风机启动电源、平抑风速变化、调节小系统频率、电压波动、空载设备充电无功平衡、负荷投切震荡、风功率波动平抑等需求。

目前国内外对风储系统联合运行的研究主要集中在并网位置、运行成本、稳定运行及不同故障特性的控制策略等方面，而对风储孤网系统的研究相对较少。有专家对风储等孤立微电网的运行方式和协调控制策略进行研究，提出了上层广域功率平衡控制和下层储能V/f控制策略，储能设备通过V/f控制策略实时检测电网电压和频率偏差并生成有功和无功电流指令控制储能系统进行功率补偿，从而实现风储等孤立微电网的协调与稳定运行，但未涉及DC/DC变流器双向控制模块；还有专家提出了多智能体的分布式电源并/离网协调控制策略，通过引入多智能体技术可实现分布式电源并/离网的协调控制，但上述研究中分布式电源均等效为恒压直流源且储能单元模型过于简单。

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述问题,提出了一种多层次协调的风储孤网系统功率平衡控制策略。风力发电系统与储能单元之间稳定运行的协调控制策略存在一定的复杂性，其表现为：一方面，协调控制策略需要适应多种运行工况的变动，如储能自启动状态、风储系统并入负荷状态等，运行工况不同，要求储能控制提供的功率特性也不同；另一方面，储能系统需要响应和平抑风储系统各种扰动，如风速的变化、风机运行状况的改变、孤立系统负荷的变化等。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述问题，出了一种多层次协调的风储孤网系统功率平衡控制策略。本发明采用的这种协调控制方法，主要针对功率不平衡运行工况，转换控制模式，能够更有效和可靠的进行风储孤网系统的协调控制，为风储孤网系统协调控制提供技术依据和实用方法。

本文提出得一种多层次协调的风储孤网系统功率平衡控制策略得基本思想是：针对功率不平衡运行工况，转换控制模式，通过上层集中协调控制和下层分散协调控制，实现风储孤网系统实时功率平衡，故障下紧急功率控制和稳定运行状态下的能量优化等多级功率平衡控制。

本发明采用的技术方案是：

一种多层次协调的风储孤网系统功率平衡控制策略，是指在风电机组和储能装置组成的孤立供电系统中，针对功率不平衡运行工况，转换控制模式，通过上层集中协调控制和下层分散协调控制，实现风储孤网系统实时功率平衡，故障下紧急功率控制和稳定运行状态下的能量优化等多级功率平衡控制，从而实现风储孤网系统的协调控制和稳定运行；包括以下步骤：

步骤1)建立多层次协调的风储孤网系统控制框架；

(1)建立两层智能控制体模型实现风储孤网系统协调控制：上层为中心协调控制智能体、下层为单元分散控制智能体。

(2)上层协调控制智能体通过通信模块及历史数据等信息，对微电网整体运行状态进行分析，并确定风储孤网系统的控制模式。

(3)下层单元分散控制智能体是通过在风力发电系统、储能单元的逆变器及负荷端加装局部控制器来实现的。

步骤2)建立上层中心协调控制智能体控制模型

(1)上层中心协调控制智能体通过通信模块及历史数据等信息，对微电网整体运行状态进行分析，并确定风储孤网系统的控制模式；

(2)在系统平稳运行的状态下，根据各储能单元的运行状态，确定各储能单元的控制模式，并通过通信模块把控制指令下发到储能单元智能体；

(3)在系统遇到紧急情况，发生较大功率缺额，此时进入紧急功率控制模式，紧急功率平衡控制数学模型：

式中：ΔP——系统协调有功功率平衡的过程中所需要的有功差值，其值等于风储系统中所有电源功率、所有储能功率与所有负荷功率之差；ΔP_Si——使系统恢复功率平衡需要调整的储能输出功率，ΔP_Wi——使系统恢复功率平衡需要调整的切机功率，ΔP_Di——使系统恢复功率平衡需要调整的切负荷功率，在这里，它们是控制变量；f_Si、f_Wi、f_Di——成本函数，分别与上述功率调整相对应；

(4)上层中心协调控制智能体进行周期性的系统能量优化计算，周期性能量优化控制数学模型：

式中：P_D——系统在该优化时段的负荷值；ΔP_L——系统的网络损耗；P_Si——储能输出功率，P_Wi——风力发电输出功率，P_Ti——其它为电源(如光伏发电)输出功率；C_Si、C_Ti——成本函数，分别与上述电源输出功率相对应。

步骤3、建立分散控制智能体控制模型

(1)风力发电系统分散控制智能体。直驱式风力发电系统由风机、永磁发电机、变流器和相应的控制系统组成，其功率传输主要依靠全功率变流器的控制。风力发电系统分散控制智能体设计在网侧逆变器接口，以实现风力发电系统功率和电压的输出监测及采样、风电机组的并网离网操作；

(2)储能单元分散控制智能体。储能系统中，双向DC/DC变流器对直流电压进行变换，保证功率的传输；储能逆变器控制储能系统的充放电功率，并维持并网点交流电压。储能单元分散控制智能体设计在储能逆变器接口，用来进行测量值采样，储能系统功率和电压的控制。

(3)负荷单元分散控制智能体。负荷单元分散控制智能体负责对负荷功率、负荷母线电压进行监测和采样，与上层协调智能体和周边智能体进行通信，并在系统紧急状态下响应上层智能体指令，实施切负荷操作；

步骤4、建立风储孤网协调控制策略的Matlab/Simulink平台；

步骤5、对多层次协调的风储孤网系统控制策略的有效性进行仿真分析，验证多层次协调的风储孤网系统控制策略能够实现风储孤网系统的稳定运行。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.本基于多层次协调的风储孤网系统功率平衡控制策略，通过建立两层智能控制体模型实现基于多智能体技术的风储孤网系统协调控制：上层中心协调控制智能体、下层为单元分散控制智能体。通过上层中心协调控制智能体与下层为单元分散控制智能体的交互及应答过程实现风储孤网系统的功率平衡控制，从而保证风储孤网系统的协调稳定运行。

2.本方法便于商业化开发。随着风储孤网系统应用的增多，该系统的协调控制方法的开发必然具有较大需求，本发明具有较好的商业开发前景。

附图说明

图1是风储孤网系统的结构框图。

图2是多层次协调的风储孤网系统功率控制模型图。

图3是上层协调控制智能体和下层单元分散控制智能体交互过程模型图。

图4是多层次协调的风储孤网系统协调应答控制过程模型。

图5a是切负荷运行状态下风电机组有功功率仿真曲线图。

图5b是切负荷运行状态下交流母线负荷有功功率仿真曲线图。

图5c是切负荷运行状态下储能逆变器有功功率仿真曲线图。

图5d是切负荷运行状态下系统频率仿真曲线图。

图5e是单相故障状态下风电机组有功功率仿真曲线图。

图5f是单相故障状态下交流母线负荷有功功率仿真曲线图。

图5g是单相故障状态下储能逆变器有功功率仿真曲线图。

图5h是单相故障状态下系统频率仿真曲线图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进一步说明。

在风电机组和储能装置组成的孤立电网供电系统中，通过建立两层智能控制体模型实现基于多智能体技术的风储孤网系统协调控制：上层中心协调控制智能体、下层为单元分散控制智能体。下层单元智能体分散控制与上层中心智能体或相邻下层分散智能体进行通信，实施协调控制。上层协调控制智能体通过历史数据信息，系统监测信息和与各智能体通信信息，进行决策判断和决策策略的分析和计算，并向协调控制指令模块发布动作执行命令，并通过通讯通道将指令发送至下层单元分散控制智能体。

一种多层次协调的风储孤网系统功率平衡控制策略，是指在风电机组和储能装置组成的孤立供电系统中，针对功率不平衡运行工况，转换控制模式，通过上层集中协调控制和下层分散协调控制，实现风储孤网系统实时功率平衡，故障下紧急功率控制和稳定运行状态下的能量优化等多级功率平衡控制，从而实现风储孤网系统的协调控制和稳定运行；包括以下步骤：

步骤1、建立多层次协调的风储孤网系统控制框架；

(1)建立两层智能控制体模型实现风储孤网系统协调控制：上层为中心协调控制智能体、下层为单元分散控制智能体；

(2)上层协调控制智能体通过通信模块及历史数据等信息，对微电网整体运行状态进行分析，并确定风储孤网系统的控制模式；

(3)下层单元分散控制智能体是通过在风力发电系统、储能单元的逆变器及负荷端加装局部控制器来实现的；

步骤2、建立上层中心协调控制智能体控制模型

(1)上层中心协调控制智能体通过通信模块及历史数据等信息，对微电网整体运行状态进行分析，并确定风储孤网系统的控制模式；

(2)在系统平稳运行的状态下，根据各储能单元的运行状态，确定各储能单元的控制模式，并通过通信模块把控制指令下发到储能单元智能体；

(3)在系统遇到紧急情况，发生较大功率缺额，此时进入紧急功率控制模式，紧急功率平衡控制数学模型：

式中：ΔP——系统协调有功功率平衡的过程中所需要的有功差值，其值等于风储系统中所有电源功率、所有储能功率与所有负荷功率之差；ΔP_Si——使系统恢复功率平衡需要调整的储能输出功率，ΔP_Wi——使系统恢复功率平衡需要调整的切机功率，ΔP_Di——使系统恢复功率平衡需要调整的切负荷功率，在这里，它们是控制变量；f_Si、f_Wi、f_Di——成本函数，分别与上述功率调整相对应；

(4)上层中心协调控制智能体进行周期性的系统能量优化计算，周期性能量优化控制数学模型：

式中：P_D——系统在该优化时段的负荷值；ΔP_L——系统的网络损耗；P_Si——储能输出功率，P_Wi——风力发电输出功率，P_Ti——其它为电源(如光伏发电)输出功率；C_Si、C_Ti——成本函数，分别与上述电源输出功率相对应；

步骤3、建立分散控制智能体控制模型

(1)风力发电系统分散控制智能体。直驱式风力发电系统由风机、永磁发电机、变流器和相应的控制系统组成，其功率传输主要依靠全功率变流器的控制。风力发电系统分散控制智能体设计在网侧逆变器接口，以实现风力发电系统功率和电压的输出监测及采样、风电机组的并网离网操作；

(2)储能单元分散控制智能体。储能系统中，双向DC/DC变流器对直流电压进行变换，保证功率的传输；储能逆变器控制储能系统的充放电功率，并维持并网点交流电压。储能单元分散控制智能体设计在储能逆变器接口，用来进行测量值采样，储能系统功率和电压的控制。

(3)负荷单元分散控制智能体。负荷单元分散控制智能体负责对负荷功率、负荷母线电压进行监测和采样，与上层协调智能体和周边智能体进行通信，并在系统紧急状态下响应上层智能体指令，实施切负荷操作；

步骤4、建立风储孤网协调控制策略的Matlab/Simulink平台；

步骤5、对多层次协调的风储孤网系统控制策略的有效性进行仿真分析，验证多层次协调的风储孤网系统控制策略能够实现风储孤网系统的稳定运行。

优选的，风储孤网系统是指由风电机组和储能系统组成的独立的交流供电系统。

优选的，建立两层智能控制体模型实现风储孤网系统协调控制是指上层协调控制智能体和下层单元分散控制智能体之间存在交互行为，且上层协调控制智能体和下层单元分散控制智能体之间的交互行为是通过直接作用实现的，下层单元分散控制智能体与上层协调控制智能体之间以及下层单元体之间的交互行为是通过间接作用实现。

优选的，上层协调控制智能体通过通信模块及历史数据等信息是指风电机组输出的有功功率、风储孤网系统的负荷功率、交流母线电压、频率等电网计算和控制所需要的参数。

优选的，对微电网整体运行状态进行分析，并确定风储孤网系统的控制模式是指对于储能单元而言，存在两种控制模式，固定功率控制模式和调频控制模式，在储能单元不具备调频能力的条件下，将转入固定功率控制模式，并由具备调频能力的储能单元承担系统调频任务。

图1是风储孤网系统的结构框图。

风储孤网系统的系统构成主要包括：风力发电系统、储能单元和负载等。在风储孤网系统中，储能单元的接入能够为解决由风电功率波动与负荷扰动所引起的系统频率及电压稳定性等问题提供了一种有效的方式。

图2是多层次协调的风储孤网系统功率控制模型图。

多层次协调的风储孤网系统功率控制是通过各智能体的自主行为以及各单元智能体之间的协调、控制和调度等来实现系统功能的智能控制方法。基于多层次协调的风储孤网系统功率控制的诸多优点，将其应用于风储孤网系统的协调控制中不仅可以解决系统中各控制单元间的协调控制，还可以实现风储孤网系统不同层级间的功率协调控制。

图3是上层协调控制智能体和下层单元分散控制智能体交互过程模型图。

通过建立两层智能控制体模型实现基于多智能体技术的风储孤网系统协调控制：上层中心协调控制智能体、下层为单元分散控制智能体。下层单元智能体分散控制是通过在风力发电系统、储能单元的逆变器及负荷端加局部装控制器来实现的。下层单元智能体分散控制主要功能是感知系统中风力发电单元、储能单元等各单元的运行状态，并对功率和电压等局部指标进行控制，同时与上层中心智能体或相邻下层分散智能体进行通信，实施协调控制。上层协调控制智能体通过历史数据信息，系统监测信息和与各智能体通信信息，进行决策判断和决策策略的分析和计算，并向协调控制指令模块发布考虑到了动作执行命令，并通过通讯通道将指令发送至下层单元分散控制智能体。在风储孤网系统中，上层协调控制智能体和下层单元分散控制智能体之间存在交互行为，且上层协调控制智能体和下层单元分散控制智能体之间的交互行为是通过直接作用实现的，下层单元分散控制智能体与上层协调控制智能体之间以及下层单元体之间的交互行为是通过间接作用实现。

图4是多层次协调的风储孤网系统协调应答控制过程模型。

基于多智能体技术的风储孤网系统的协调应答控制过程是基于通信通道及微电网运行状态监测实现的。在基于多智能体技术的风储孤网系统中，下层分散控制单元智能体由反应层和协商层组成，反应层和协商层既能够实现下层单元与外部环境的感知与交互，也能够实现风储孤网系统中各单元智能体的控制，实现对小范围功率波动和频率变化的就地功率控制。分散控制智能体还能够根据数据信息，对控制单元的状态进行分析，并根据自身的运输约束，来决定本地的控制模式。对于储能单元而言，存在两种控制模式，固定功率控制模式和调频控制模式，在该单元不具备调频能力的条件下，将转入固定功率控制模式，并把控制信息发布到上层协调控制体。

上层协调控制智能体通过通信模块及历史数据等信息，对微电网整体运行状态进行分析，并确定风储孤网系统的控制模式。在系统平稳运行的状态下，需要根据各储能单元的运行状态，确定各处能单元的控制模式，并通过通信模块把控制指令下发到储能单元智能体；在系统遇到紧急情况，外界条件发生较大变化，或系统滋生出现跳机跳负荷等情况下，系统发生较大功率缺额，此时进入紧急功率控制模式，上层协调控制体将统筹考虑所有储能功率、切机或切负荷等措施，确保系统功率平衡，并把动作信号直接发送到各运行单元；上层中心协调控制智能体还需要进行周期性的系统能量优化计算，并把优化结果以动作命令的形式下达给各功率可控单元。动作逻辑环节可以确保分散智能控制体和上层中心智能控制体间的控制。

如图5a、图5b、图5c、图5d、图5e、图5f、图5g、图5h所示。

本发明的额定风速下系统切负荷运行和交流母线侧设置瞬间单相接地故障；设额定风速为12m/s，风机输出额定有功功率为25kW，交流母线侧的负载有功功率为30kW，蓄电池荷电状态的初始值为80％，仿真时间为2s。

在其他条件不变的情况下，在1.0s之前，风电机组输出有功功率为25kW，而负载有功功率为30kW在1.0s时，风储孤网系统切负荷运行，负载有功功率变为20kW，而风电机组输出有功功率仍为25kW。在切负荷运行后，下层分散控制智能体将系统电压和功率的波动信号通过通讯模块上传至上层协调控制智能体，上层协调控制智能体通过有功功率协调控制指令和电压稳定性运行指标分别生成充放电触发信号以及维持系统电压稳定运行指令，并通过通讯通道将指令发布给下层分散控制智能体。下层分散控制智能体在接受到上层协调控制智能体的指令后，风电机组多输出的5kW有功功率荷被蓄电池吸收，蓄电池处于充电状态。

在1s之前，系统处于稳定运行状态。由于在1秒时刻系统A相发生单相接地故障，在持续时间0.05秒内，交流负荷母线输出三相电压中A相电压为0V，交流负载侧三相电流中各相电流变化较大，产生较大的暂态电流，系统的有功功率、电压、频率在故障期间均处于波动状态。交流母线侧A相发生单相接地故障前及故障恢复后，交流侧输出的频率、电压以及电流变化情况分别如图所示，各智能体迅速响应，协同工作，平抑功率和电压波动。在故障清除后，系统能够快速恢复至稳定运行状态，储能单元响应灵敏。

Claims (5)

1.一种多层次协调的风储孤网系统功率平衡控制策略，其特征在于，在风电机组和储能装置组成的孤立供电系统中，针对功率不平衡运行工况，转换控制模式，通过上层集中协调控制和下层分散协调控制，实现风储孤网系统实时功率平衡，故障下紧急功率控制和稳定运行状态下的能量优化等多级功率平衡控制，从而实现风储孤网系统的协调控制和稳定运行；包括以下步骤：

步骤1、建立多层次协调的风储孤网系统控制框架；

(1)建立两层智能控制体模型实现风储孤网系统协调控制：上层为中心协调控制智能体、下层为单元分散控制智能体；

(2)上层协调控制智能体通过通信模块及历史数据信息，对微电网整体运行状态进行分析，并确定风储孤网系统的控制模式；

(3)下层单元分散控制智能体是通过在风力发电系统、储能单元的逆变器及负荷端加装局部控制器来实现的；

步骤2、建立上层中心协调控制智能体控制模型；

(1)上层中心协调控制智能体通过通信模块及历史数据信息，对微电网整体运行状态进行分析，并确定风储孤网系统的控制模式；

(2)在系统平稳运行的状态下，根据各储能单元的运行状态，确定各储能单元的控制模式，并通过通信模块把控制指令下发到储能单元智能体；

(3)在系统遇到紧急情况，发生较大功率缺额，此时进入紧急功率控制模式，紧急功率平衡控制数学模型：

式中：ΔP——系统协调有功功率平衡的过程中所需要的有功差值，其值等于风储系统中所有电源功率、所有储能功率与所有负荷功率之差；ΔP_Si——使系统恢复功率平衡需要调整的储能输出功率，ΔP_Wi——使系统恢复功率平衡需要调整的切机功率，ΔP_Di——使系统恢复功率平衡需要调整的切负荷功率，在这里，它们是控制变量；f_Si、f_Wi、f_Di——成本函数，分别与上述功率调整相对应；

(4)上层中心协调控制智能体进行周期性的系统能量优化计算，周期性能量优化控制数学模型：

式中：P_D——系统在该优化时段的负荷值；ΔP_L——系统的网络损耗；P_Si——储能输出功率，P_Wi——风力发电输出功率，P_Ti——其它为电源输出功率；C_Si、C_Ti——成本函数，分别与上述电源输出功率相对应；

步骤3、建立分散控制智能体控制模型；

(1)风力发电系统分散控制智能体；直驱式风力发电系统由风机、永磁发电机、变流器和相应的控制系统组成，其功率传输主要依靠全功率变流器的控制；风力发电系统分散控制智能体设计在网侧逆变器接口，以实现风力发电系统功率和电压的输出监测及采样、风电机组的并网离网操作；

(2)储能单元分散控制智能体；储能系统中，双向DC/DC变流器对直流电压进行变换，保证功率的传输；储能逆变器控制储能系统的充放电功率，并维持并网点交流电压；储能单元分散控制智能体设计在储能逆变器接口，用来进行测量值采样，储能系统功率和电压的控制；

(3)负荷单元分散控制智能体；负荷单元分散控制智能体负责对负荷功率、负荷母线电压进行监测和采样，与上层协调智能体和周边智能体进行通信，并在系统紧急状态下响应上层智能体指令，实施切负荷操作；

步骤4、建立风储孤网协调控制策略的Matlab/Simulink平台；

步骤5、对多层次协调的风储孤网系统控制策略的有效性进行仿真分析，验证多层次协调的风储孤网系统控制策略能够实现风储孤网系统的稳定运行。

2.根据权利要求1所述的一种多层次协调的风储孤网系统功率平衡控制策略，其特征在于：风储孤网系统是指由风电机组和储能系统组成的独立的交流供电系统。

3.根据权利要求1所述的一种多层次协调的风储孤网系统功率平衡控制策略，其特征在于：建立两层智能控制体模型实现风储孤网系统协调控制是指上层协调控制智能体和下层单元分散控制智能体之间存在交互行为，且上层协调控制智能体和下层单元分散控制智能体之间的交互行为是通过直接作用实现的，下层单元分散控制智能体与上层协调控制智能体之间以及下层单元体之间的交互行为是通过间接作用实现。

4.根据权利要求1所述的一种多层次协调的风储孤网系统功率平衡控制策略，其特征在于：上层协调控制智能体通过通信模块及历史数据等信息是指风电机组输出的有功功率、风储孤网系统的负荷功率、交流母线电压、频率等电网计算和控制所需要的参数。

5.根据权利要求1所述的一种多层次协调的风储孤网系统功率平衡控制策略，其特征在于：对微电网整体运行状态进行分析，并确定风储孤网系统的控制模式是指对于储能单元而言，存在两种控制模式，固定功率控制模式和调频控制模式，在储能单元不具备调频能力的条件下，将转入固定功率控制模式，并由具备调频能力的储能单元承担系统调频任务。

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