CN111181194A - 一种含分布式能源的交直流配用电系统智能协调管控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种含分布式能源的交直流配用电系统智能协调管控方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一：AC/DC互联换流器与储能装置运行数据监控：当各配用电系统运行时，由AC/DC互联换流器获取当前时间片断的交流侧频率、直流侧电压信息，储能装置获取直流侧电压信息；步骤二、求解AC/DC互联换流器的功率指令值；步骤三、计算储能装置的附加功率项；步骤四、求解储能装置的功率指令值，并引入对直流侧电压变化量的PCI调节项；步骤五、完成智能协调管控。

Description

一种含分布式能源的交直流配用电系统智能协调管控方法

技术领域

本发明涉及电力领域，尤其涉及一种对交直流配用电系统智能协调管控的方法

背景技术

地理位置相邻分布的光伏、风电、微型燃气轮机(CHP)等分布式电源与负荷通过有效组织可构成配用电系统，通过将多个配用电系统通过柔性直流跨馈线互联，可以跨越目前交流配电网馈线互联和固有结构限制，一方面能够不仅可以支撑交流系统电压，而且可以在更大的时空范围均衡不同类型配用电系统的需求波动，实现可再生能源更广范围的分散接入与波动均担；另一方面多端柔性直流构成的直流网络可以互联多个来自不同电源点的微网，相互支撑电压，可以显著提高系统故障时的可靠性和转供能力。同时可以提供可靠的直流供电以保障多类型直流负载、发电设备的接入，提高使用效率。含分布式能源的交直流配用电系统典型结构如图1所示。

系统通常包含分布式能源(如光伏、储能装置)、本地负荷，以及AC/DC互联换流器。其中，交流配用电系统接入AC/DC互联换流器的交流侧，与此同时AC/DC互联换流器的直流侧接入直流网。系统整体的运行控制依赖于大量电力电子变换器，包含承担交、直流系统之间潮流控制的AC/DC互联换流器，以及完成不同直流电压等级转换的DC/DC变换器；另外，通过与分散可控的储能装置进行协调管控，系统能够提供紧急控制、功率振荡阻尼以及动态电压互支持等丰富功能，降低严重扰动给系统带来的冲击和影响。

在系统采用对等控制时，各AC/DC互联换流器与储能装置通常采用下垂控制，其中AC/DC互联换流器利用其输出功率和交流侧频率、直流侧电压的线性关系进行交流功率-交流侧频率下垂(f-P)、以及直流功率-直流侧电压下垂(V_dc-P)的控制，来自主平衡系统功率潮流。而储能装置也可采取直流功率-直流侧电压下垂(V_dc-P)的控制来分担系统负荷。其对应的控制如图2(a)、图2(b)所示。f-P控制特性满足：

其中，f_m和f₀分别为交流侧频率的实际值和额定值；P_ac,ref和P_ac,rated分别为AC/DC互联换流器交流功率的指令值和额定值；γ_ac为交流下垂系数。

V_dc-P控制特性满足：

其中，V_dc和V_dc,rated分别为AC/DC互联换流器直流侧电压的实际值和额定值；P_dc,ref和P_dc,rated分别为AC/DC互联换流器(或储能装置)直流功率的指令值和额定值；γ_dc为对应的直流下垂系数。

在此基础上，现有文献分析了有功-频率下垂控制和有功-直流电压下垂控制间的关系，并且提出一种能够兼顾两种下垂控制特性的控制策略。这种方法将交流子网的频率和直流子网的电压进行标幺化处理，并对两者标幺值的差值进行控制来直接生成互联换流站的有功功率指令值，无需再次利用交流电压或直流电压的下垂计算。

但是目前的技术未考虑直流侧电压和交流侧频率的耦合变化关系，且缺乏与储能装置的高效协调。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明通过一种含分布式能源的交直流配用电系统智能协调管控方法，有针对性地提高AC/DC互联换流器和储能装置相互配合的管控效果，实现对扰动的快速恢复与整体效能提升。

本发明提出的一种含分布式能源的交直流配用电系统智能协调管控方法，包括如下步骤：

步骤一：AC/DC互联换流器与储能装置运行数据监控：当各配用电系统运行时，由AC/DC互联换流器获取当前时间片断的交流侧频率、直流侧电压信息，储能装置获取直流侧电压信息；

步骤二、求解AC/DC互联换流器的功率指令值；

步骤三、计算储能装置的附加功率项；

步骤四、求解储能装置的功率指令值,并引入对直流侧电压变化量的PCI调节项；

步骤五、完成智能协调管控。

所述步骤一，设定配用电系统总数量为M，每个配用电系统中均有AC/DC互联换流器，设定所有AC/DC互联换流器的对应编号依次为1,…m,…M，设定第m个配用电系统中的AC/DC互联换流器直流侧电压额定值为V_mdc,rated，直流侧电流额定值为I_mdc,rated，直流侧电容为C_m，交流侧的虚拟惯性时间常数为H_m，交流侧的转子角速度为ω_m，ω₀为角速度额定值。当交、直流两侧功率平衡时，满足：

推导可得：

式中，V_mdc为第m个AC/DC互联换流器的直流侧电压实际值。根据上式，可以获得直流侧电压和交流侧频率的耦合变化关系，在此基础上可以进一步有针对性地对AC/DC互联换流器以及储能装置进行功率调节、加快扰动下的系统稳定恢复速度。

进一步的，其中所述步骤二求解AC/DC互联换流器的功率指令值包括：

判断如果交流侧频率波动大于直流侧电压波动：则当交流侧轻载时，减小直流侧输出功率；

当交流侧重载时，增大直流侧输出功率：

其中，M为配用电系统总数量，设定V_mdc、V_mdc,rated、I_mdc,rated、C_m、H_m、ω_m为第m个配用电系统中的AC/DC互联换流器的直流侧电压实际值、直流侧电压额定值、直流侧电流额定值、直流侧电容、交流侧虚拟惯性时间常数，交流侧转子角速度；ω₀为角速度额定值；P_mref、γ_mdc、γ_mac、P_mdc,rated、P_mac,rated分别为第m个AC/DC互联换流器的功率指令值、直流下垂系数、交流下垂系数、直流功率额定值、交流功率额定值。

进一步的，所述步骤二求解AC/DC互联换流器的功率指令值还包括：

判断如果直流侧电压波动大于交流侧频率波动：则当直流侧轻载时，减小交流侧输出功率；

当直流侧重载时，增大交流侧输出功率；

其中，M为配用电系统总数量，设定V_mdc、V_mdc,rated、I_mdc,rated、C_m、H_m、ω_m为第m个配用电系统中的AC/DC互联换流器的直流侧电压实际值、直流侧电压额定值、直流侧电流额定值、直流侧电容、交流侧虚拟惯性时间常数，交流侧转子角速度。ω₀为角速度额定值；P_mref、γ_mdc、γ_mac、P_mdc,rated、P_mac,rated分别为第m个AC/DC互联换流器的功率指令值、直流下垂系数、交流下垂系数、直流功率额定值、交流功率额定值。

进一步的，不同运行情况下下垂系数的附加变化因子为:

其中，V_mdc、ω_m、H_m、ω₀、C_m、I_mdc,rated分别为第m个AC/DC互联换流器的直流侧电压实际值、交流侧的转子角速度、交流侧的虚拟惯性时间常数、角速度额定值、直流侧电容、直流侧电流额定值。

进一步的，所述步骤三中计算储能装置的附加功率项包括：

P_add＝S_bess(k₁(SOC-SOC_L)³+r_base)当SOC_LL≤SOC≤SOC_L

P_add＝S_bess(k₂(SOC-SOC_H)³+r_base)当SOC_H≤SOC≤SOC_HH

P_add＝S_bessr_base当SOC_L＜SOC＜SOC_H

P_add＝0当SOC＞SOC_HH或者SOC＜SOC_LL

即，若荷电状态小于低值SOC_L，大于最低值SOC_LL，储能装置附加功率需进行与荷电状态低值相关的附加调节；

若荷电状态大于高值SOC_H，小于最高值SOC_HH，储能装置附加功率需进行与荷电状态高值相关的附加调节；若荷电状态在正常范围内，即大于低值SOC_L，小于高值SOC_H，储能装置附加功率只需进行基准值调节；

若荷电状态超出正常范围，即大于最高值SOC_HH或者小于最低值SOC_LL，储能装置附加功率为零；

其中，P_add为储能装置的附加功率、S_bess为额定容量、k₁为附加调节比例系数1、k₂为附加调节比例系数2、r_base为附加调节系数基准值、SOC为荷电状态、SOC_LL为荷电状态最低值、SOC_L为荷电状态低值、SOC_H为荷电状态高值、SOC_HH为荷电状态最高值。

进一步的，所述步骤四求解储能装置的功率指令值包括：

所述储能装置的功率指令求解为：

当储能soc处于SOC_H≤soc≤SOC_HH之间时，且为充电状态时，其指令值数值为：

当储能soc处于SOC_H<soc≤SOC_HH之间时，且为放电状态时，其指令值数值为：

当储能soc处于SOC_LL≤SOC≤SOC_L之间时，且为充电状态时，其指令值数值为：

当储能soc处于SOC_LL≤SOC≤SOC_L之间时，且为放电状态时，其指令值数值为：

其中，P_bessref、γ_bessdc、V_bessdc、V_bessdc,rated、P_bess,rated分别为储能装置的功率指令值、直流下垂系数、直流侧电压实际值、直流侧电压额定值、功率额定值；k_bessp、k_bessi、s分别为储能装置的调节比例参数、调节积分参数、拉式运算符。

进一步的，所述步骤四中引入对直流侧电压变化量的PCI调节项为：

其中，k_bessp、k_bessi、s、ω₀、V_bessdc分别为储能装置的调节比例参数、调节积分参数、拉式运算符、角速度额定值、直流侧电压实际值。

有益效果：

在现有AC/DC互联换流器的双向下垂控制、以及储能装置下垂控制的基础上增加了AC/DC互联换流器的下垂系数的附加变化因子，以及储能装置的附加功率项，并引入对直流侧电压变化量的PCI调节项，并通过两者之间的相互配合和智能协调，能够加快对交流侧频率和直流侧电压各自变化的调节速度，实现对交直流配用电系统的智能协调管控。交直流配用电系统将成为未来配电网中的重要组网形态之一。本发明提出一种含分布式能源的交直流配用电系统智能协调管控方法，弥补现有缺陷，填补技术空白，应用前景广阔。

附图说明

图1含分布式能源的交直流配用电系统典型结构；

图2(a):为f-Pd下垂控制特性曲线；

图2(b)：为V_dc-P的下垂控制特性曲线；

图3：本发明的方法流程图。

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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

步骤一：AC/DC互联换流器与储能装置运行数据监测：当各配用电系统运行时，由AC/DC互联换流器获取当前时间片断的交流侧频率、直流侧电压信息，储能装置获取直流侧电压信息，并作为步骤二的输入。

设定配用电系统总数量为M，每个配用电系统中均有AC/DC互联换流器，设定所有AC/DC互联换流器的对应编号依次为1,…m,…M，设定第m个配用电系统中的AC/DC互联换流器直流侧电压额定值为V_mdc,rated，直流侧电流额定值为I_mdc,rated，直流侧电容为C_m，交流侧的虚拟惯性时间常数为H_m，交流侧的转子角速度为ω_m，ω₀为角速度额定值。当交、直流两侧功率平衡时，满足：

推导可得：

式中，V_mdc为第m个AC/DC互联换流器的直流侧电压实际值。根据上式，可以获得直流侧电压和交流侧频率的耦合变化关系，在此基础上可以进一步有针对性地对AC/DC互联换流器以及储能装置进行功率调节、加快扰动下的系统稳定恢复速度。

步骤二：智能协调管控：各AC/DC互联换流器与储能装置将步骤一的输出作为各自功率指令求解的输入，计算相应的输出功率，利用AC/DC互联换流器的下垂系数的附加变化因子，以及储能装置的附加功率项，以及对直流侧电压变化量的PCI调节项，实现对交直流配用电系统的智能协调管控。

其中所述步骤二：智能协调管控具体包括：

各AC/DC互联换流器的功率指令求解为：

当

当

如果

当

当

若交流侧频率波动大于直流侧电压波动：当交流侧轻载时，减小直流侧输出功率；当交流侧重载时，增大直流侧输出功率；

若直流侧电压波动大于交流侧频率波动：当直流侧轻载时，减小交流侧输出功率；当直流侧重载时，增大交流侧输出功率。

其中，M为配用电系统总数量，设定V_mdc、V_mdc,rated、I_mdc,rated、C_m、H_m、ω_m为第m个配用电系统中的AC/DC互联换流器的直流侧电压实际值、直流侧电压额定值、直流侧电流额定值、直流侧电容、交流侧虚拟惯性时间常数，交流侧转子角速度。ω₀为角速度额定值。P_mref、γ_mdc、γ_mac、P_mdc,rated、P_mac,rated分别为第m个AC/DC互联换流器的功率指令值、直流下垂系数、交流下垂系数、直流功率额定值、交流功率额定值。

不同运行情况下下垂系数的附加变化因子为:

其中，V_mdc、ω_m、H_m、ω₀、C_m、I_mdc,rated分别为第m个AC/DC互联换流器的直流侧电压实际值、交流侧的转子角速度、交流侧的虚拟惯性时间常数、角速度额定值、直流侧电容、直流侧电流额定值。

进一步的，储能装置的附加功率计算为：

P_add＝S_bess(k₁(SOC-SOC_L)³+r_base)当SOC_LL≤SOC≤SOC_L

P_add＝S_bess(k₂(SOC-SOC_H)³+r_base)当SOC_H≤SOC≤SOC_HH

P_add＝S_bessr_base当SOC_L＜SOC＜SOC_H

P_add＝0当SOC＞SOC_HH或者SOC＜SOC_LL

即，若荷电状态小于低值SOC_L，大于最低值SOC_LL，储能装置附加功率需进行与荷电状态低值相关的附加调节；

若荷电状态大于高值SOC_H，小于最高值SOC_HH，储能装置附加功率需进行与荷电状态高值相关的附加调节；若荷电状态在正常范围内，即大于低值SOC_L，小于高值SOC_H，储能装置附加功率只需进行基准值调节；

若荷电状态超出正常范围，即大于最高值SOC_HH或者小于最低值SOC_LL，储能装置附加功率为零；

其中，P_add为储能装置的附加功率、S_bess为额定容量、k₁为附加调节比例系数1、k₂为附加调节比例系数2、r_base为附加调节系数基准值、SOC为荷电状态、SOC_LL为荷电状态最低值、SOC_L为荷电状态低值、SOC_H为荷电状态高值、SOC_HH为荷电状态最高值。

进一步的，储能装置的功率指令求解为：

当储能soc处于SOC_H≤soc≤SOC_HH之间时，且为充电状态时，其指令值数值为：

当储能soc处于SOC_H<soc≤SOC_HH之间时，且为放电状态时，其指令值数值为：

当储能soc处于SOC_LL≤SOC≤SOC_L之间时，且为充电状态时，其指令值数值为：

当储能soc处于SOC_LL≤SOC≤SOC_L之间时，且为放电状态时，其指令值数值为：

其中，P_bessref、γ_bessdc、V_bessdc、V_bessdc,rated、P_bess,rated分别为储能装置的功率指令值、直流下垂系数、直流侧电压实际值、直流侧电压额定值、功率额定值；k_bessp、k_bessi、s分别为储能装置的调节比例参数、调节积分参数、拉式运算符。

进一步的，直流侧电压变化量的PCI调节项为：

其中，k_bessp、k_bessi、s、ω₀、V_bessdc分别为储能装置的调节比例参数、调节积分参数、拉式运算符、角速度额定值、直流侧电压实际值。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (7)

1.一种含分布式能源的交直流配用电系统智能协调管控方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：AC/DC互联换流器与储能装置运行数据监控：当各配用电系统运行时，由AC/DC互联换流器获取当前时间片断的交流侧频率、直流侧电压信息，储能装置获取直流侧电压信息；

步骤二、求解AC/DC互联换流器的功率指令值；

步骤三、计算储能装置的附加功率项；

步骤四、求解储能装置的功率指令值,并引入对直流侧电压变化量的PCI调节项；

步骤五、完成智能协调管控。

2.根据权利要求1所述的一种含分布式能源的交直流配用电系统智能协调管控方法，其特征在于：

其中，所述步骤二求解AC/DC互联换流器的功率指令值包括：

判断如果交流侧频率波动大于直流侧电压波动：则当交流侧轻载时，减小直流侧输出功率；

当交流侧重载时，增大直流侧输出功率：

其中，M为配用电系统总数量，设定V_mdc、V_mdc,rated、I_mdc,rated、C_m、H_m、ω_m为第m个配用电系统中的AC/DC互联换流器的直流侧电压实际值、直流侧电压额定值、直流侧电流额定值、直流侧电容、交流侧虚拟惯性时间常数，交流侧转子角速度；ω₀为角速度额定值；P_mref、γ_mdc、γ_mac、P_mdc,rated、P_mac,rated分别为第m个AC/DC互联换流器的功率指令值、直流下垂系数、交流下垂系数、直流功率额定值、交流功率额定值。

3.根据权利要求1所述的一种含分布式能源的交直流配用电系统智能协调管控方法，其特征在于：所述步骤二求解AC/DC互联换流器的功率指令值还包括：

判断如果直流侧电压波动大于交流侧频率波动：则当直流侧轻载时，减小交流侧输出功率；

当直流侧重载时，增大交流侧输出功率；

其中，M为配用电系统总数量，设定V_mdc、V_mdc,rated、I_mdc,rated、C_m、H_m、ω_m为第m个配用电系统中的AC/DC互联换流器的直流侧电压实际值、直流侧电压额定值、直流侧电流额定值、直流侧电容、交流侧虚拟惯性时间常数，交流侧转子角速度；ω₀为角速度额定值；P_mref、γ_mdc、γ_mac、P_mdc,rated、P_mac,rated分别为第m个AC/DC互联换流器的功率指令值、直流下垂系数、交流下垂系数、直流功率额定值、交流功率额定值。

4.根据权利要求2或3所述的一种含分布式能源的交直流配用电系统智能协调管控方法，其特征在于：

不同运行情况下下垂系数的附加变化因子为：

其中，V_mdc、ω_m、H_m、ω₀、C_m、I_mdc,rated分别为第m个AC/DC互联换流器的直流侧电压实际值、交流侧的转子角速度、交流侧的虚拟惯性时间常数、角速度额定值、直流侧电容、直流侧电流额定值。

5.根据权利要求1所述的一种含分布式能源的交直流配用电系统智能协调管控方法，其特征在于：所述步骤三中计算储能装置的附加功率项包括：

P_add＝S_bess(k₁(SOC-SOC_L)³+r_base) 当SOC_LL≤SOC≤SOC_L

P_add＝S_bess(k₂(SOC-SOC_H)³+r_base) 当SOC_H≤SOC≤SOC_HH

P_add＝S_bessr_base 当SOC_L＜SOC＜SOC_H

P_add＝0 当SOC＞SOC_HH或者SOC＜SOC_LL

即，若荷电状态小于低值SOC_L，大于最低值SOC_LL，储能装置附加功率需进行与荷电状态低值相关的附加调节；

若荷电状态大于高值SOC_H，小于最高值SOC_HH，储能装置附加功率需进行与荷电状态高值相关的附加调节；

若荷电状态在正常范围内，即大于低值SOC_L，小于高值SOC_H，储能装置附加功率只需进行基准值调节；

若荷电状态超出正常范围，即大于最高值SOC_HH或者小于最低值SOC_LL，储能装置附加功率为零；

其中，P_add为储能装置的附加功率、S_bess为额定容量、k₁为附加调节比例系数1、k₂为附加调节比例系数2、r_base为附加调节系数基准值、SOC为荷电状态、SOC_LL为荷电状态最低值、SOC_L为荷电状态低值、SOC_H为荷电状态高值、SOC_HH为荷电状态最高值。

6.根据权利要求1所述的一种含分布式能源的交直流配用电系统智能协调管控方法，其特征在于：所述步骤四求解储能装置的功率指令值包括：

所述储能装置的功率指令求解为：

当储能soc处于SOC_H≤soc≤SOC_HH之间时，且为充电状态时，其指令值数值为：

当储能soc处于SOC_H<soc≤SOC_HH之间时，且为放电状态时，其指令值数值为：

当储能soc处于SOC_LL≤SOC≤SOC_L之间时，且为充电状态时，其指令值数值为：

当储能soc处于SOC_LL≤SOC≤SOC_L之间时，且为放电状态时，其指令值数值为：

其中，P_bessref、γ_bessdc、V_bessdc、V_bessdc,rated、P_bess,rated分别为储能装置的功率指令值、直流下垂系数、直流侧电压实际值、直流侧电压额定值、功率额定值；k_bessp、k_bessi、s分别为储能装置的调节比例参数、调节积分参数、拉式运算符。

7.根据权利要求1所述的一种含分布式能源的交直流配用电系统智能协调管控方法，其特征在于：

所述步骤四中引入对直流侧电压变化量的PCI调节项为：

其中，k_bessp、k_bessi、s、ω₀、V_bessdc分别为储能装置的调节比例参数、调节积分参数、拉式运算符、角速度额定值、直流侧电压实际值。

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