CN111130138B - 一种多能互补微网离网稳定运行控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多能互补微网离网稳定运行控制方法，包括以下步骤：步骤1：检测多能互补微网离网后的运行状态，其中运行状态包括：紧急状态，非安全状态和安全状态三种；步骤2：若多能互补微网处于紧急状态或非安全状态，则先采取相应的控制策略，将其转移到安全状态，再采取优化调度策略，将其转移到优化运行状态；若多能互补微网处于安全状态，则直接采取优化调度策略，将其转移到优化运行状态。本发明能使多能互补微网离网后最终处于优化运行状态，保证了离网后重要负荷独立稳定供电。

Description

一种多能互补微网离网稳定运行控制方法及系统

技术领域

本发明涉及一种基于多能互补微网离网稳定运行控制方法及系统。

背景技术

在传统能源逐渐短缺、环境污染日益严重的情况下，新能源的开发与利用成为能源领域研究的重要内容。为了提升新能源发电的效率，微电网被提出，它可以协调大量的分布式电源与大电网之间的并离网问题，提升电力系统运行的可靠性和灵活性，以及更好的满足用户的电能质量等。在此背景下，基于多种分布式能源相互配合、多种用能形式相互结合的多能互补微网逐渐发展起来。多能互补微网比较灵活，它既可以与外部电网并行运行，可以自如地应对电网故障和停电，也可以离网独立运行。快速发展的多能互补微网也存在一定的问题和挑战，尤其是由于多能互补微网包含多种分布式能源，多种用能形式之间的耦合，所以其脱网后，控制其稳定运行更复杂，因此研究多能互补微网离网后的控制策略及电能质量提升问题，对于整个电力系统的发展具有非常重要的意义。

当多能互补微网脱离外部电网独立运行，并离网切换、新能源的接入以及负荷的波动都会引起多能互补微网状态的改变，因此研究多能互补微网离网不同运行状态之间的转移过程以及控制策略，以保证重要负荷连续不间断供电，实现多能互补微网高效经济运行有极其重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提出一种多能互补微网离网稳定运行控制方法及系统，使多能互补微网离网后最终处于优化运行状态，保证了离网后重要负荷独立稳定供电。

本发明的技术解决方案如下：

一种多能互补微网离网稳定运行控制方法，包括以下步骤：

步骤1：检测多能互补微网离网后的运行状态，其中运行状态包括：紧急状态，非安全状态和安全状态三种；

步骤2：若多能互补微网处于紧急状态或非安全状态，则先采取相应的控制策略(状态转移策略)，将其转移到安全状态，再采取优化调度策略，将其转移到优化运行状态；若多能互补微网处于安全状态，则直接采取优化调度策略，将其转移到优化运行状态。

进一步地，所述步骤1中，根据多能互补微网的运行参数，判断其离网后的运行状态，具体判断方法为：

若满足

同时满足I＞I_max或S＞S_max，则判定多能互补微网处于紧急状态；

若满足

同时满足f＜ε_f1或f＞ε_f2，且u＜δ_u1或u＞δ_u2，则判定多能互补微网处于非安全状态；

若满足

ε_f1＜f＜ε_f2和δ_u1＜u＜δ_u2，则判定多能互补微网处于安全状态；

其中，u和f分别表示电压和频率，

和

分别表示电压和频率的变化率；ε₁和ε₂分别表示电压和频率变化率的上限值；I表示线路电流，I_max表示线路电流上限值；S表示变压器视在功率，S_max表示变压器视在功率上限值；其中ε_f1和ε_f2分别表示频率的下限值和上限值；ε_u1和ε_u2分别表示电压的下限值和上限值。

进一步地，所述步骤2中，若多能互补微网处于紧急状态，则采取紧急控制策略，将其转移到安全状态；所述紧急控制策略为：分级切负荷，同时调整微源出力，使多能互补微网转移到安全状态。

进一步地，所述紧急控制策略具体为：当检测多能互补微网进入紧急状态，则根据以下步骤分级切负荷，并调整微源出力，使多能互补微网转移到安全状态：

ⅰ切除部分非重要负荷，同时增加微源的出力至最大，

ⅱ判断微源出力是否小于负荷需求，若是，则转步骤ⅲ，否则转步骤ⅳ；

ⅲ再切除部分非重要负荷，然后转步骤ⅱ；

ⅳ减小微源出力，使微源出力与负荷需求平衡，多能互补微网进入安全状态。

进一步地，所述步骤2中，若多能互补微网处于非安全状态，则采取预防控制策略，将其转移到安全状态；所述预防控制策略为：通过MPC(模型预测控制)滚动预测功率差额，根据功率差额提前调度储能以及微源的出力，使能量达到平衡，多能互补微网转移到安全状态。

进一步地，所述预防控制策略具体为：

当检测到多能互补微网进入非安全状态，首先判断多能互补微网电压或频率是否是下降；

若是，则通过MPC滚动预测功率差额，将功率差额分配给采用PQ控制策略的储能，提前增加采用PQ控制策略的储能的出力，再进一步判断采用PQ控制策略的储能的出力是否达到最大，若是，则增加微源出力，若不是，继续增加采用PQ控制策略的储能出力至最大，使多能互补微网电压和频率上升至稳定值，进入安全状态；

否则，通过MPC滚动预测功率差额，将功率差额分配给采用PQ控制策略的储能，提前减小采用PQ控制策略的储能的出力，再进一步判断采用PQ控制策略的储能的出力是否达到最小，若是，则减小微源出力，若不是，继续减小采用PQ控制策略的储能出力至最小，使多能互补微网电压和频率下降至稳定值，进入安全状态。

进一步地，所述步骤2中，优化调度策略是指：以多能互补微网发电成本最低作为目标，以多能互补微网功率平衡及电源出力为约束条件，建立目标函数；利用粒子群算法求解目标函数，得到一个最经济的调度方案，按最经济的调度方案调整微源出力。

进一步地，多能互补微网离网后，切换各储能的控制策略，一部分储能的由PQ控制策略切换到下垂控制策略，另一部分储能仍然采用PQ控制策略。

一种多能互补微网离网稳定运行控制系统，包括以下模块：

运行状态检测模块，用于执行步骤1：检测多能互补微网离网后的运行状态，其中运行状态包括：紧急状态，非安全状态和安全状态三种；

控制模块，用于执行步骤2：若多能互补微网处于紧急状态或非安全状态，则先采取相应的控制策略，将其转移到安全状态，再采取优化调度策略，将其转移到优化运行状态；若多能互补微网处于安全状态，则直接采取优化调度策略，将其转移到优化运行状态。

本发明的有益效果是：

1、本发明充分考虑了计划和非计划脱网两种情况，划分了多能互补微网离网后出现的三种运行状态，构建了不同运行状态的特征指标。

2、本发明提出的不同运行状态转移控制方法，能保证多能互补微网离网后任意状态都转移到安全状态，最后再经优化调度转移到优化运行状态，从而使得在保障重要负荷任何情况下脱网供电不中断，同时在离网后对多能互补微网进行优化调度，提高了微网离网运行经济性，增加了效益，实现了微网经济高效的运行。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为微网离网状态转移流程图。

图3为紧急控制流程图。

图4为预防控制流程图。

图5为优化调度流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步具体说明。

本发明提供了一种基于多场景的多能互补微网离网稳定运行控制方法，包括以下步骤：

实施例1：

如图1所示，本实施例中，首先，根据计划和非计划脱网两种情况，划分多能互补微网脱网发生的三种场景(进入紧急状态，非安全状态和安全状态)；

场景一：大电网突然发生故障，多能互补微网连接大电网的断路器因保护断开，多能互补微网突然脱离大电网支撑，由于能量不平衡，电压和频率波动较大，某些运行参数严重越限，且不断变化，多能互补微网进入紧急状态；

场景二：接到上级调度部门计划停电的通知，多能互补微网在停电前将储能电池充满电，燃气轮机接入多能互补微网，为计划停电做好准备，由于停电前源荷达到能量平衡，脱网后电压和频率波动较小，满足部分安全约束，多能互补微网进入非安全状态(不安全正常状态)；

场景三：接到上级调度部门计划停电的通知，计划脱网后，多能互补微网满足全部安全约束，直接进入安全状态。

然后，根据微网运行状态的特点，构建描述各运行状态的特征指标，形成步骤1中不同运行状态的识别方法。由于电压和频率(指微网母线电压和频率)是衡量微网稳定运行的重要指标，尤其是微网脱离大电网支撑后，电压和频率更容易波动，因此，本实施例中以电压和频率变化率及电压频率限值为依据，构建描述各运行状态的特征指标；

紧急状态下，某些运行参数严重越限，且不断变化，用

同时

表示，即电压或频率急速变化，其变化率已经超过限值，同时变压器或线路也可能过载，即线路(指微网母线)过电流或变压器(指微网母线与大电网之间的变压器)视在功率超过限值；其中u和f分别表示电压和频率，

分别表示电压和频率的变化率；ε₁和ε₂分别表示电压和频率变化率的上限值；I表示线路电流，I_max表示线路电流上限值；S表示变压器视在功率，S_max表示变压器视在功率上限值；

非安全状态下：电压和频率满足部分安全约束，用

同时f＜ε_f1或f＞ε_f2，且u＜δ_u1或u＞δ_u2表示，即电压和频率变化率在一定范围内，但是电压和频率越限(低于下限值或超过上限值)；其中ε_f1和ε_f2分别表示频率的下限值和上限值；ε_u1和ε_u2分别表示电压的下限值和上限值；各个限值均为经验参数；

安全状态下，电压和频率满足全部安全约束，用

ε_f1＜f＜ε_f2和δ_u1＜u＜δ_u2表示，即电压和频率变化率在一定范围内，并且电压和频率都在限值内，满足约束条件。

最后，根据各运行状态的变化特点转移与衍化规律，构建微网离网后紧急状态、非安全状态、安全状态以及优化运行状态之间的转移模型，如图2所示，并确定相应的状态转移控制策略，使多能互补微网离网后最终处于优化运行的状态。

多能互补微网在计划和非计划脱网时可能发生三种不同的场景，进入三种不同的状态，在离网后，由于微网内负荷变化或微源接入等原因，各运行状态之间也会相互转移，如图2所示：

处于安全状态的微网可能由于运行参数越限转移到非安全状态，其中运行参数越限指负荷突增或微源出力下降，导致多能互补微网能量不平衡，电压和频率满足部分安全约束；

处于非安全状态的微网可能由于大扰动转移到紧急状态，其中大扰动指负荷波动过大，导致某些运行参数严重越限，且不断变化。

多能互补微网并网时，其中所有的储能(储能装置)均采用PQ控制，多能互补微网在计划和非计划脱网后，无论发生三种哪种场景，进入哪种运行状态，均需切换储能的控制策略，一部分储能由PQ控制(恒功率控制)切换到下垂控制，另一部分储能仍然采用PQ控制。并且若多能互补微网处于紧急状态或非安全状态，则需先采取相应的控制策略将其转移到安全状态，再采取优化调度策略，将其转移到优化运行状态：

其中从紧急状态转移到安全状态采取的是紧急控制策略；

从非安全状态转移到安全转移采取的预防控制策略；

从安全状态转移到优化运行状态采取的优化调度策略；

所述储能的控制策略即储能的逆变器的控制策略。

由于多能互补微网离网运行控制的最终目标是保证重要负荷的独立稳定供电，实现园区微网高效经济运行。因此根据各运行状态的特点及转移与衍化规律，构建各状态转移控制策略，使多能互补微网离网后最终处于优化运行的状态。

其中从紧急状态转移到安全状态的紧急控制策略是：分级切负荷，同时调整微源出力，使电压和频率满足所有约束；如图3，具体表现为：当检测到进入紧急状态，由于突然脱网，微源的出力不能立即满足负荷需求，出现功率缺额，需要切除非重要负荷，先切除部分非重要负荷，同时增加微源的出力至最大，判断微源出力是否小于负荷需求，若是，则继续切除部分非重要负荷至微源出力不小于负荷需求；若不是，则减小微源出力，使微源出力与负荷需求平衡，多能互补微网进入安全状态；

其中从非安全状态转移到安全状态的预防控制策略是通过MPC(模型预测控制)滚动预测，提前调度储能以及微源(燃气轮机等微源)的出力，使能量达到平衡，电压和频率满足所有约束；如图4，具体表现为：

当检测到进入非安全状态，首先判断多能互补微网电压或频率是否是下降；

若是，通过MPC滚动预测功率差额，将功率差额分配给采用PQ控制策略的储能，提前增加采用PQ控制策略的储能的出力，再进一步判断采用PQ控制策略的储能的出力是否达到最大，若是，则增加微源(燃气轮机等微源)出力，若不是，继续增加采用PQ控制策略的储能出力至最大，使多能互补微网电压和频率上升至稳定值，进入安全状态；

否则，通过MPC滚动预测功率差额，将功率差额分配给采用PQ控制策略的储能，提前减小采用PQ控制策略的储能的出力，再进一步判断采用PQ控制策略的储能的出力是否达到最小，若是，减小微源(燃气轮机等微源)出力，若不是，继续减小采用PQ控制控制方式的储能出力至最小，使多能互补微网电压和频率下降至稳定值，进入安全状态。

其中从安全状态转移到优化运行状态的优化调度策略是通过构建目标函数(数学模型)，利用粒子群算法求解出一个最经济的调度方案，按调度方案调整微源出力，如图5，具体表现为：当检测到进入安全状态，以多能互补微网发电成本(运行成本、折旧费用、排放污染物的处理费用、设备维护费用等)，(综合效益最大化)作为目标，以多能互补微网功率平衡及电源出力为约束条件建立目标函数，利用粒子群算法求解出一个最经济的调度方案，按调度方案调整微源出力，其中多能互补微网发电成本包括运行成本、折旧费用、排放污染物的处理费用、设备维护费用等，数学模型的建立及求解可采用现有技术实现。

本方法在充分考虑多能互补微网计划和非计划脱网两种情况的基础上，构建了不同运行状态的特征指标；基于紧急状态、非安全状态、安全状态以及优化运行状态提出微网离网后运行状态转移及控制策略，使系统最终处于优化运行状态，保证了园区离网后重要负荷独立稳定供电，实现经济高效的运行。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明的具体实现不受上述具体设备的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案的各种改进或替换，或不做任何改进直接使用，都涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多能互补微网离网稳定运行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：检测多能互补微网离网后的运行状态，其中运行状态包括：紧急状态，非安全状态和安全状态三种；

步骤2：若多能互补微网处于紧急状态或非安全状态，则先采取相应的控制策略，将其转移到安全状态，再采取优化调度策略，将其转移到优化运行状态；若多能互补微网处于安全状态，则直接采取优化调度策略，将其转移到优化运行状态；

所述步骤1中，根据多能互补微网的运行参数，判断其离网后的运行状态，具体判断方法为：

若满足

或

同时满足I＞I_max或S＞S_max，则判定多能互补微网处于紧急状态；

若满足

和

同时满足f＜ε_f1或f＞ε_f2，且u＜δ_u1或u＞δ_u2，则判定多能互补微网处于非安全状态；

若满足

ε_f1＜f＜ε_f2和δ_u1＜u＜δ_u2，则判定多能互补微网处于安全状态；

其中，u和f分别表示电压和频率，

和

分别表示电压和频率的变化率；ε₁和ε₂分别表示电压和频率变化率的上限值；I表示线路电流，I_max表示线路电流上限值；S表示变压器视在功率，S_max表示变压器视在功率上限值；其中ε_f1和ε_f2分别表示频率的下限值和上限值；δ_u1和δ_u2分别表示电压的下限值和上限值。

2.根据权利要求1所述的多能互补微网离网稳定运行控制方法，其特征在于，所述步骤2中，若多能互补微网处于紧急状态，则采取紧急控制策略，将其转移到安全状态；所述紧急控制策略为：分级切负荷，同时调整微源出力，使多能互补微网转移到安全状态。

3.根据权利要求2所述的多能互补微网离网稳定运行控制方法，其特征在于，所述紧急控制策略具体为：当检测多能互补微网进入紧急状态，则根据以下步骤分级切负荷，并调整微源出力，使多能互补微网转移到安全状态：

ⅰ切除部分非重要负荷，同时增加微源的出力至最大，

ⅱ判断微源出力是否小于负荷需求，若是，则转步骤ⅲ，否则转步骤ⅳ；

ⅲ再切除部分非重要负荷，然后转步骤ⅱ；

ⅳ减小微源出力，使微源出力与负荷需求平衡，多能互补微网进入安全状态。

4.根据权利要求1所述的多能互补微网离网稳定运行控制方法，其特征在于，所述步骤2中，若多能互补微网处于非安全状态，则采取预防控制策略，将其转移到安全状态；所述预防控制策略为：通过MPC滚动预测功率差额，根据功率差额提前调度储能以及微源的出力，使能量达到平衡，多能互补微网转移到安全状态。

5.根据权利要求4所述的多能互补微网离网稳定运行控制方法，其特征在于，所述预防控制策略具体为：当检测到多能互补微网进入非安全状态，首先判断多能互补微网电压或频率是否是下降；

若是，则通过MPC滚动预测功率差额，将功率差额分配给采用PQ控制策略的储能，提前增加采用PQ控制策略的储能的出力，再进一步判断采用PQ控制策略的储能的出力是否达到最大，若是，则增加微源出力，若不是，继续增加采用PQ控制策略的储能出力至最大，使多能互补微网电压和频率上升至稳定值，进入安全状态；

否则，通过MPC滚动预测功率差额，将功率差额分配给采用PQ控制策略的储能，提前减小采用PQ控制策略的储能的出力，再进一步判断采用PQ控制策略的储能的出力是否达到最小，若是，则减小微源出力，若不是，继续减小采用PQ控制策略的储能出力至最小，使多能互补微网电压和频率下降至稳定值，进入安全状态。

6.根据权利要求1所述的多能互补微网离网稳定运行控制方法，其特征在于，所述步骤2中，优化调度策略是指：以多能互补微网发电成本最低作为目标，以多能互补微网功率平衡及电源出力为约束条件，建立目标函数；利用粒子群算法求解目标函数，得到一个最经济的调度方案，按最经济的调度方案调整微源出力。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的多能互补微网离网稳定运行控制方法，其特征在于，多能互补微网离网后，切换各储能的逆变器控制策略，一部分储能的逆变器由PQ控制策略切换到下垂控制策略，另一部分储能的逆变器仍然采用PQ控制策略。

8.一种多能互补微网离网稳定运行控制系统，其特征在于，包括以下模块：

运行状态检测模块，用于执行步骤1：检测多能互补微网离网后的运行状态，其中运行状态包括：紧急状态，非安全状态和安全状态三种；

控制模块，用于执行步骤2：若多能互补微网处于紧急状态或非安全状态，则先采取相应的控制策略，将其转移到安全状态，再采取优化调度策略，将其转移到优化运行状态；若多能互补微网处于安全状态，则直接采取优化调度策略，将其转移到优化运行状态；

根据多能互补微网的运行参数，判断其离网后的运行状态，具体判断方法为：

若满足

或

同时满足I＞I_max或S＞S_max，则判定多能互补微网处于紧急状态；

若满足

和

同时满足f＜ε_f1或f＞ε_f2，且u＜δ_u1或u＞δ_u2，则判定多能互补微网处于非安全状态；

若满足

ε_f1＜f＜ε_f2和δ_u1＜u＜δ_u2，则判定多能互补微网处于安全状态；

其中，u和f分别表示电压和频率，

和

分别表示电压和频率的变化率；ε₁和ε₂分别表示电压和频率变化率的上限值；I表示线路电流，I_max表示线路电流上限值；S表示变压器视在功率，S_max表示变压器视在功率上限值；其中ε_f1和ε_f2分别表示频率的下限值和上限值；δ_u1和δ_u2分别表示电压的下限值和上限值。

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