CN110943490B - 一种基于多级控制的发电厂厂用电微电网控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多级控制的发电厂厂用电微电网控制策略，包括：一次控制、二次控制和三次控制；所述一次控制为下垂控制，设定控制时间周期为微秒级，通过调节阻抗相角对多个DG单元进行功率分配，以使微电网的电压、频率稳定；所述二次控制为无差控制，设定控制时间周期为分钟级，通过对电压和电池状态变量的控制信号进行惯性计算控制器调制，计算出补偿变量再反馈到所述一次控制中，以恢复微电网的电压、频率；所述三次控制为优化控制，设定控制时间周期为小时级，使用配电网潮流计算方法，计算出微电网的最小发电成本和最小网损，并优化微电网经济运行。本发明能够提高微电网运行稳定性和经济性。

Description

一种基于多级控制的发电厂厂用电微电网控制策略

技术领域

本发明涉及微电网技术领域，尤其涉及一种基于多级控制的发电厂厂用电微电网控制策略。

背景技术

智能微电网是将分布式发电(Distributed Generation，DG)、分布式储能(Distributed Storage，DS)、分布式负载(DispersedLoads，DL)进行系统集成的最佳方案。在大电网集中供电体制下，大型电厂通常远离负荷中心，因此需要大容量、长距离输电。但通过这些小容量的微电网就可实现在负荷端就近发电、就近储能，从而省去大量的输配电线路以及由此导致的输配电损耗。总的来说，传统的集中供电配电模式有很多缺陷：线路损耗太大导致了系统效率低，高压长距离输电线的容升效应导致了电压稳定性差，多发的单点故障以及其他偶发的网络故障导致了可靠性低。

而微电网是实现主动配电网的有效方式，能够促进分布式电源与可再生能源的大规模接入，使传统电网向智能网络过渡。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于多级控制的发电厂厂用电微电网控制策略，能够提高微电网运行稳定性和经济性。

为解决上述问题，本发明的一个实施例提供一种基于多级控制的发电厂厂用电微电网控制策略，包括一次控制、二次控制和三次控制；

所述一次控制为下垂控制，设定控制时间周期为微秒级，通过调节阻抗相角对多个DG单元进行功率分配，以使微电网的电压、频率稳定；

所述二次控制为无差控制，设定控制时间周期为分钟级，通过对电压和电池状态变量的控制信号进行惯性计算控制器调制，计算出补偿变量再反馈到所述一次控制中，以恢复微电网的电压、频率；

所述三次控制为优化控制，设定控制时间周期为小时级，使用配电网潮流计算方法，计算出微电网的最小发电成本和最小网损，并优化微电网经济运行。

进一步地，所述一次控制利用虚拟阻抗来削弱线路阻抗带来的功率分配误差，其中，PQ控制的表达式为：

Δω_i＝ω_ni-m_i(ΔP_isinθ_i-ΔQ_icosθ_i)；

v_oi＝v_ni-m_Qi(ΔP_icosθ_i+ΔQ_isinθ_i)；

θ_i为阻抗相角。

进一步地，所述二次控制具有微电网故障检测功能、微电网与大电网同步功能，并对微电网IBS和DG控制模式进行协调控制。

进一步地，配电潮流计算：

p_j≥0,q_j≥0；

s_j≤s_j,max；

其中，c_i为第i台发电机的发电成本系数，s_i为发电量，P_ij、Q_ij为线路ij中的潮流，

为节点i处的有功无功负载，p_j、q_j为节点j处发电机输出的有功无功，V_i为节点i处电压的平方，x_ij、r_ij为线路ij的阻抗，L_ij为线路ij中电流的平方，

为系统所允许的电压波动范围，

为线路中最大电流大小的平方。

本发明的另一个实施例还提供了一种适用于发电厂厂用电微电网系统的控制系统法，包括一次控制单元、二次控制单元和三次控制单元；

所述一次控制单元，用于下垂控制，设定控制时间周期为微秒级，通过调节阻抗相角对多个DG单元进行功率分配，以使微电网的电压、频率稳定；

所述二次控制单元，用于无差控制，设定控制时间周期为分钟级，通过对电压和电池状态变量的控制信号进行惯性计算控制器调制，计算出补偿变量再反馈到所述一次控制中，以恢复微电网的电压、频率；

所述三次控制单元，用于优化控制，设定控制时间周期为小时级，使用配电网潮流计算方法，计算出微电网的最小发电成本和最小网损，并优化微电网经济运行。

进一步地，所述一次控制利用虚拟阻抗来削弱线路阻抗带来的功率分配误差，其中，PQ控制的表达式为：

Δω_i＝ω_ni-m_i(ΔP_isinθ_i-ΔQ_icosθ_i)；

v_oi＝v_ni-m_Qi(ΔP_icosθ_i+ΔQ_isinθ_i)；

θ_i为阻抗相角。

进一步地，所述二次控制单元具有微电网故障检测功能、微电网与大电网同步功能，并对微电网IBS和DG控制模式进行协调控制。

进一步地，配电潮流计算：

p_j≥0,q_j≥0；

s_j≤s_j,max；

其中，c_i为第i台发电机的发电成本系数，s_i为发电量，P_ij、Q_ij为线路ij中的潮流，

为节点i处的有功无功负载，p_j、q_j为节点j处发电机输出的有功无功，V_i为节点i处电压的平方，x_ij、r_ij为线路ij的阻抗，L_ij为线路ij中电流的平方，

为系统所允许的电压波动范围，

为线路中最大电流大小的平方。

实施本发明的实施例能够提高微电网运行稳定性和经济性。

附图说明

图1是本发明的一个实施例提供的一种基于多级控制的发电厂厂用电微电网控制策略的流程示意图；

图2是本发明的一个实施例提供的6节点环形网络微电网结构示意图；

图3是本发明的一个实施例提供的6节点环形网络的微电网电压分级控制仿真模型示意图；

图4为是本发明的一个实施例提供的二次控制之后的6节点环形网络的微电网电压试验结果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

微电网主要有两种发展方向，一是将微电网与公共大电网相连；二是将多个邻近的微电网互联，形成微电网群(microgrid clusters)。因此，未来的电力网络将包含一次能源、原动机、电力电子变流器、DS装置以及本地的DL，而微电网只是其中的一部分。微电网既可独立地自主运行，也可接入大电网。可在并网模式与离网模式之间进行无缝切换是微电网的主要特征。通过微电网之间的联络线即可实现在多个微电网之间进行能量调度，以同时实现各个微电网的实时功率平衡。这种微电网之间的相互支援，起到了此消彼长的作用，减小了微电网从公共大电网上吸收的能量，进一步减少了不必要的长距离输电损耗。此外，微网是一种全新的低压配电网，其中的发电机组不仅包括小型的发电机，还包括小型的原动机，例如：光伏电池组件、小型的风力发电机、生物燃料电池等等，这些发电单元都需要AC/AC或者DC/AC变流器作为接口电路。这些电力电子接口电路的动态响应十分迅速。但与传统的同步发电机相比，电力电子变流器自身的惯量水平非常低，而充足的惯量是系统稳定性的保障，是实现各个单元之间保持稳态同步性的关键因素。

为了提升系统稳定性，本发明实施例在控制环路中引入下垂控制，通过测量有功、无功来线性地调节逆变器输出的频率、电压。经过下垂控制之后，微电网就能自动地实现功率平衡了，同时避免了交直流母线电压失稳。此外，低电压穿越、有源滤波、不间断供电、黑启动、孤岛运行，以及与主电网保持同步、有功无功潮流独立控制、系统能量优化管理等也是微电网必须具备的核心功能。

一方面，请参阅图1-4。本发明的一个实施例提供的一种基于多级控制的发电厂厂用电微电网控制策略，包括一次控制、二次控制和三次控制。

S1、所述一次控制为下垂控制，设定控制时间周期为微秒级，通过调节阻抗相角对多个DG单元进行功率分配，以使微电网的电压、频率稳定。

在具体的实施例中，一次控制采用一次下垂控制方法，频率和电压的控制都有有功和无功的参与，通过设定阻抗相角θ_i达到控制目的。

控制目标为：

其中，等式左边为有功控制，右边为无功控制。在微电网或低压配电网中，电感和电阻大小相差不大，因此，在厂用电微电网中可以化简为：

Δω_i＝ω_ni-m_i(ΔP_isinθ_i-ΔQ_icosθ_i)

v_oi＝v_ni-m_Qi(ΔP_icosθ_i+ΔQ_isinθ_i)

根据PQ控制的表达式，一次下垂控制频率和电压的控制都有有功和无功的参与，由阻抗相角θ_i决定。

在一优选实施例中，微电网中的逆变器均由基于下垂控制策略的功率外环实现，这种模式常被称为分散控制或自治控制，目的是实现多个DG单元间的功率分配，并保证系统电压、频率的稳定。

微电网孤岛运行时，没有大电网的电压频率支撑，要自治地负责系统的电压、频率调节，通常由DG完成。微电网中参与电压、频率调节和控制的多个DG具有同等地位，在下垂控制下进行负荷分配。

采用电力电子变流器的低压微电网，系统阻抗不再是电感性了，更多的是阻感性，甚至以阻性为主(R＞＞X)。此时，PQ之间存在强耦合作用，影响下垂控制的效果，可能出现振荡现象，甚至不稳定。因此，下垂控制策略必须进行改进，以适应阻性微电网的需要。

闭环控制下的微电网逆变器，其输出阻抗特性影响着功率分配算法的准确性。对逆变器输出阻抗进行合理设计即可削弱线路阻抗带来的功率分配误差。最常用的方法就是虚拟阻抗控制，例如：

DG与母线间的线路阻抗ZL＝R+jX呈阻性，将原DG等效为一个虚拟发电机Ev，通过虚拟电抗Xv连接至B点。如果Xv＞＞ZL，则虚拟发电机与母线间的阻抗将呈感性，此时若对虚拟发电机使用下垂控制，即可实现Pv和Qv的解耦控制。显然Pv＝P，因此调节虚拟发电机即可实现对DG有功功率的解耦控制。

采用上述控制策略之后，即可实现多个DG间的功率合理分配。此外，从可靠性、稳定性的角度来说，电压幅值控制也非常重要。如果缺乏无功控制，DG单元可能输出不确定的无功功率，导致母线电压振荡。

S2、所述二次控制为无差控制，设定控制时间周期为分钟级，通过对电压和电池状态变量的控制信号进行惯性计算控制器调制，计算出补偿变量再反馈到所述一次控制中，以恢复微电网的电压、频率。

在具体的实施例中，所述二次控制具有微电网故障检测功能、微电网与大电网同步功能，并对微电网IBS和DG控制模式进行协调控制。

二次控制采用一致性算法，控制目标为系统电压和电池的电量状态(SOC)，通过对电压和电池状态变量的控制信号经过惯性计算控制器调制，计算出补偿变量再反馈到一次控制中，使得电压更加接近于额定电压，让电量高的电池输出更多，电量低的电池输出较少，达到一致性控制。

以6节点环形网络的微电网电压分级控制为例，如图2-3所示，在测试中，主从控制得到较为稳定的电压，再使用基于一致性算法的PI控制器进一步提升电压控制精度。每个节点都可以和相邻节点进行双向通信。

在0.5s时，基于一致性算法的二次控制启动，用来修正主从控制的电压偏差。根据试验结果，如图4所示，可以看出在6节点网络中，每个节点的电压在一致性算法启动后都更加接近设定额定电压。

在一优选实施例中，一次控制响应快速，但却无法实现无差控制。下垂控制虽然能同时实现电压频率稳定和功率合理分配，但它是一种有差控制，负载变化前后系统的稳态电压和频率会有所变化。因此，二次控制的主要目标就是恢复微电网的电压和频率。

S3、所述三次控制为优化控制，设定控制时间周期为小时级，使用配电网潮流计算方法，计算出微电网的最小发电成本和最小网损，并优化微电网经济运行。

在具体的实施例中，计划使用配电网潮流计算火电厂的最小日发电成本，推算在微电网中运行的火电厂的最小发电成本。

配电潮流计算：

p_j≥0,q_j≥0；

s_j≤s_j,max；

其中，c_i为第i台发电机的发电成本系数，s_i为发电量，P_ij、Q_ij为线路ij中的潮流，

为节点i处的有功无功负载，p_j、q_j为节点j处发电机输出的有功无功，V_i为节点i处电压的平方，x_ij、r_ij为线路ij的阻抗，L_ij为线路ij中电流的平方，

为系统所允许的电压波动范围，

为线路中最大电流大小的平方。

在一优选实施例中，主要从安全性、经济性的角度对微电网进行能量管理与调度，通过相应的优化算法实现：1、并网运行模式下，确定微电网与大电网之间联络线输出功率参考值(作为微电网二次控制目标参考值)；2、孤岛运行模式下，调整各DG单元输出功率参考值或下垂曲线稳态参考点和分配比例系数设定等信息，实现微电网经济运行等功能。

在一优选实施例中，一个典型的微电网结构图，包含了风电、光伏、储能以及若干负载。微电网通过智能旁路开关(Intelligent BypassSwitch，IBS)并入大电网的公共连接点(Pointof Common Coupling，PCC)，系统中包含了大量的以电力电子变流器作为接口电路的DG和DS。因此，微电网中的绝大部分元件都是以电流型逆变器(Current-SourceInverters，CSI)或电压型逆变器(Voltage-SourceInverters，VSI)的形式运行。

1)CSI：DG单元经常工作在CSI模式，以实现最大功率追踪；若不需要进行最大功率追踪，那么这些发电单元也可以根据系统需要工作在VSI模式。

2)VSI：这种工作模式常用于储能装置，在孤岛运行时为微电网提供频率、电压支撑；如果有多个VSI单元并联时，就必须增加适当的控制策略，以使各个单元协调工作。

在发明的一个实施例中，微电网并网时的下垂控制的改进方面如下：1)提升DS、DG单元以及微电网的暂态响应性能；2)基于虚拟阻抗思想的谐波功率分配算法以及DG、DS热插拔技术；3)研究自适应下垂控制算法，提高系统在各种可能工况下的交互作用性能。

实施本发明的实施例，能够提高微电网运行稳定性和经济性，能够促进DG、DS更加智能地、灵活性接入微电网以及未来的智能电网，从而推动全球清洁能源大规模地应用，构建起可持续发展的清洁电力系统。

以上所述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，这些改进和变形也视为本发明的保护范围。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。

Claims (3)

1.一种基于多级控制的发电厂厂用电微电网控制策略，其特征在于，包括一次控制、二次控制和三次控制；

所述一次控制为下垂控制，设定控制时间周期为微秒级，通过调节阻抗相角对多个DG单元进行功率分配，以使微电网的电压、频率稳定，其中，所述一次控制利用虚拟阻抗来削弱线路阻抗带来的功率分配误差，其中，PQ控制的表达式为：

Δω_i＝ω_ni-m_i(ΔP_isinθ_i-ΔQ_icosθ_i)；

v_oi＝v_ni-m_Qi(ΔP_icosθ_i+ΔQ_isinθ_i)；

θ_i为阻抗相角；

所述二次控制为无差控制，设定控制时间周期为分钟级，通过对电压和电池状态变量的控制信号进行惯性计算控制器调制，计算出补偿变量再反馈到所述一次控制中，以恢复微电网的电压、频率；

所述三次控制为优化控制，设定控制时间周期为小时级，使用配电网潮流计算方法，计算出微电网的最小发电成本和最小网损，并优化微电网经济运行。

2.根据权利要求1所述的基于多级控制的发电厂厂用电微电网控制策略，其特征在于，所述二次控制具有微电网故障检测功能、微电网与大电网同步功能，并对微电网IBS和DG控制模式进行协调控制。

3.根据权利要求1所述的基于多级控制的发电厂厂用电微电网控制策略，其特征在于，配电潮流计算：

p_j≥0，q_j≥0；

s_j≤s_j，max；

其中，c_i为第i台发电机的发电成本系数，s_i为发电量，P_ij、Q_ij为线路ij中的潮流，

为节点i处的有功无功负载，p_j、q_j为节点j处发电机输出的有功无功，V_i为节点i处电压的平方，x_ij、r_ij为线路ij的阻抗，L_ij为线路ij中电流的平方，

为系统所允许的电压波动范围，

为线路中最大电流大小的平方。

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