CN111555315A - 一种光储微电网离网运行能量控制方法 - Google Patents

一种光储微电网离网运行能量控制方法 Download PDF

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CN111555315A CN202010267928.1A CN202010267928A CN111555315A CN 111555315 A CN111555315 A CN 111555315A CN 202010267928 A CN202010267928 A CN 202010267928A CN 111555315 A CN111555315 A CN 111555315A
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刘福锁
李威
许剑冰
徐高晶
李兆伟
方勇杰
段方维
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Nanjing Nari Solar Energy Technology Co ltd
State Grid Corp of China SGCC
Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种光储微电网离网运行能量控制方法，包括以下步骤：1）计算微电网系统二次调频、二次调压产生的功率调节量，维持微电网频率、电压稳定，按照先PQ源后VF源的顺序分配给各个储能单元；2）控制储能单元SOC的稳定，从能量的角度使得微电网维持设定时间范围内的离网连续运行；3）投/切光伏逆变器平衡储能单元有功功率偏差，减小二次调频需求与SOC稳定控制需求的偏差；4）再次调整储能单元出力补齐微电网系统电源和负荷之间的功率偏差。本发明提出的方法通过源/储/荷的协调控制，实现了微电网内部能量的自平衡，提高了本地负荷供电可靠性，增强了光储微电网离网安全稳定运行水平。

Description

一种光储微电网离网运行能量控制方法
技术领域
本发明涉及一种光储微电网离网运行能量控制方法，属于光储微电网技术领域。
技术背景
光储微电网作为促进光伏消纳的高级结构形式，将光伏发电单元、储能单元、本地负荷有效地组织起来。当光储微电网离网运行时，微电网系统内光伏发电具有随机性、波动性特征，负荷本身也存在一定的波动性，需要能量管理系统调度储能单元充放电功率对系统内源、荷功率差值进行调节，实现离网系统频率、电压的稳定，同时保证微电网系统微源、负荷的瞬时波动量不超过储能单元的功率调节范围。为满足光储微电网长时间离网运行需求，能量管理系统需对储能单元SOC进行稳定控制。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是：在光储微电网离网运行过程中，如何增强离网电压、频率稳定性，提高本地负荷供电可靠性，以实现光储微电网离网安全稳定运行。
本发明提出的光储微电网主要包括：储能单元、光伏发电单元、本地负荷和能量管理系统。储能单元包含PCS和光储一体机，其中PCS为VF源，光储一体机为PQ源。
本发明提供的一种光储微电网离网运行能量控制方法，包括以下步骤：
1)计算微电网系统二次调频、二次调压产生的功率调节量，维持微电网频率、电压稳定，按照先PQ源后VF源的顺序分配给各个储能单元；
2)控制储能单元SOC的稳定，从能量的角度使得微电网维持设定时间范围内的离网连续运行；
3)投/切光伏逆变器平衡储能单元有功功率偏差，减小二次调频需求与SOC稳定控制需求的偏差；
4)再次调整储能单元出力补齐微电网系统电源和负荷之间的功率偏差。
本发明所达到的有益效果：
本发明的一种光储微电网离网运行能量控制方法，针对微电网二次调频、二次调压需求，根据系统的频差与压差，计算系统所需的有功与无功调节量，按照一定的优先级按序协调调度微电网内所有储能单元，满足微电网离网下的频率与电压稳定的需求。同时，微电网储能单元SOC的稳定控制，提高了光储微电网长时间运行能力。本发明所提出的光储微电网离网运行能量控制，提高了本地负荷供电可靠性，增强了光储微电网离网安全稳定运行水平。
附图说明
图1光储微电网离网能量管理实现流程图；
图2光储微电网离网能量管理控制流程图；
图3光储微电网系统频率曲线；
图4光储微电网系统电压有效值曲线。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步详细描述：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了实施方式和操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明提出的光储微电网包括：储能单元、光伏发电单元、本地负荷和能量管理系统。储能单元包含储能逆变器PCS和光储一体机，其中储能逆变器PCS为VF源，光储一体机为PQ源。
实施例1
本发明提供的一种光储微电网离网运行能量控制方法，包括以下步骤：
1)计算微电网系统二次调频、二次调压产生的功率调节量，维持微电网频率、电压稳定，按照先PQ源后VF源的顺序分配给各个储能单元；
2)控制储能单元SOC的稳定，从能量的角度使得微电网维持设定时间范围内的离网连续运行；
3)投/切光伏逆变器平衡储能单元有功功率偏差，减小二次调频需求与SOC稳定控制需求的偏差；
4)再次调整储能单元出力补齐微电网系统电源和负荷之间的功率偏差。
在步骤1)中，在计算微电网系统二次调频、二次调压产生的功率调节量过程中，计算获取二次调频所需有功功率调节量、二次调压所需无功功率调节量，按照先光储一体机后PCS的顺序预分配给各个储能单元，满足微电网离网下的频率稳定与电压稳定的需求。参考大电网二次调频时间间隔，将控制时间间隔可设为15min。具体步骤为：
11)计算二次调频、二次调压所需有功功率调节量、无功功率调节量：
微电网的有功功率调节量、无功功率调节量根据下列公式计算得到：
△P＝P_droop×△f
△Q＝Q_droop×△V
其中，△f、△V分别为检测到的微电网频率偏差和电压偏差，P_droop为有功下垂系数，Q_droop为无功下垂系数；
12)根据未退出运行的VF源(PCS)数量更新下垂系数
考虑到系统在运行阶段可能出现VF源意外退出的情况，故在每次计算由二次调频、二次调压产生的有功功率调节量、无功功率调节量时，需对系统的下垂系数进行更新，下垂系数的计算公式如下：
P_droop＝freq_coefficient/num_PCS*num_pcs_in
Q_droop＝volt_coefficient/num_PCS*num_pcs_in
其中，freq_coefficient为有功下垂系数初始值，volt_coefficient为无功下垂系数初始值，num_PCS为微电网系统中PCS数量，num_pcs_in为实际运行的PCS数量。
13)微电网系统功率分配：
本发明以二次调频引起的有功功率分配需求为例进行说明，由二次调压引起的无功功率分配需求同理，不再赘述。
当微电网内有多个储能单元时，微电网中电源和负荷的功率差△P调节需要分配给各个储能单元，储能单元包括m台光储一体机以及n台PCS，在分配调整功率时，光储一体机的优先级高于PCS；设定各个储能单元的最大充电功率、最大放电功率分别为
Figure BDA0002440477310000041
当前各个储能单元的实时功率为
Figure BDA0002440477310000042
可以得到各个储能单元的对外交换功率可调整潜力的范围为
Figure BDA0002440477310000043
定义集合φm为所有光储一体机的集合，集合φn为所有PCS的集合，那么光储一体机可调整潜力的范围为
Figure BDA0002440477310000044
同样PCS可调整潜力的范围为
Figure BDA0002440477310000045
考虑到频繁充放电对电池性能以及寿命的影响，考虑优先级之后，对于同一类储能单元，尽可能分配其调节任务使得其充放电功率尽可能一致。
A、当微电网中电源和负荷的功率差△P调节>0时，即需要提升储能单元的充电功率或减少放电功率，具体包括以下情况：
A1、
Figure BDA0002440477310000046
即光储一体机即可满足调节需求，
剔除
Figure BDA0002440477310000051
的光储一体机(没有上调潜力)，集合φm内的光储一体机剩余m’台，设为集合φm，，则集合φm内各个光储一体机分配得到的功率调节量为：
Figure BDA0002440477310000052
Figure BDA0002440477310000053
为SOC上限值；
对于PCS，分配得到的功率调节量为：
Figure BDA0002440477310000054
A2、微电网中电源和负荷的功率差
Figure BDA0002440477310000055
即仅光储一体机不能满足调节需要，需要PCS额外补偿，
此时，所有光储一体机以最大功率充电，即集合φm内的光储一体机分配得到的功率调节量
Figure BDA0002440477310000056
为：
Figure BDA0002440477310000057
剔除
Figure BDA0002440477310000058
的PCS(没有上调潜力)，集合φn内的PCS剩余n’台，设为集合φn，，则集合φn内各个PCS分配得到的功率调节量为：
Figure BDA0002440477310000059
B、当微电网中电源和负荷的功率差△P调节≤0时，即需要减少储能单元的充电功率或增加放电功率，具体包括以下情况：
B1、微电网中电源和负荷的功率差
Figure BDA00024404773100000510
即光储一体机即可满足调节需求，
剔除
Figure BDA0002440477310000061
的光储一体机(没有下调潜力)，集合φm内的光储一体机剩余m’台，设为集合φm，，则集合φm内各个光储一体机分配得到的功率调节量为：
Figure BDA0002440477310000062
对于PCS，分配得到的功率调节量为：
Figure BDA0002440477310000063
B2、
Figure BDA0002440477310000064
即仅光储一体机不能满足调节需要，需要PCS额外补偿，
此时，所有光储一体机以最大功率放电，即集合φm内的光储一体机分配得到的功率调节量为：
Figure BDA0002440477310000065
剔除
Figure BDA0002440477310000066
的PCS(没有下调潜力)，集合φn内的PCS剩余n’台，设为集合φn，，则集合φn内各个PCS分配得到的功率调节量为：
Figure BDA0002440477310000067
实施例2
本发明提供的一种光储微电网离网运行能量控制方法，包括以下步骤：
1)计算微电网系统二次调频、二次调压产生的功率调节量，维持微电网频率、电压稳定，按照先PQ源后VF源的顺序分配给各个储能单元；
2)控制储能单元SOC的稳定，从能量的角度使得微电网维持设定时间范围内的离网连续运行；
3)投/切光伏逆变器平衡储能单元有功功率偏差，减小二次调频需求与SOC稳定控制需求的偏差；
4)再次调整储能单元出力补齐微电网系统电源和负荷之间的功率偏差。
在步骤2)中，为实现微电网内储能单元的SOC稳定控制，根据SOC处于不同区间内储能单元设定不同的交换功率目标区间，当SOC过高或者过低时按照设定的交换功率目标区间，取与上述二次调频后分配的调节量偏差值最小的值作为目标功率，使得SOC回到目标区间内，考虑到储能单元的充放电功率，将控制时间间隔设为5min。
为保证光储微电网离网模式的安全稳定运行，离网时主要由光伏逆变器提供系统运行所需功率，功率偏差值由PQ源(光储一体机)以及VF源(PCS)进行平衡；在离网运行阶段，尽可能使得PQ源以及VF源处于较高水平的SOC；功率调节时优先调节PQ源。因此，对各个储能单元不同SOC下的目标交换功率p作如下设定：
PCS(VF源)：
0.5<SOC<0.75，p＝50(希望VF源缓慢返回中高水平的SOC)
0.75<SOC<0.8，pmin<p<0.5*pmax
0.8<SOC<1，pmin<p<-50(避免VF源SOC过高)
0<SOC<0.5，50<p<pmax
光储一体机(PQ源)：
0<SOC<0.8，100<p<pmax(希望PQ源尽可能存储电量)
0.8<SOC<0.95，pmin<p<0.5*pmax
0.95<SOC<1，pmin<p<-50
p为实际输出功率,即目标交换功率，pmin为最小输出功率，pmax为最大输出功率。
当二次调频、二次调压分配的目标功率
Figure BDA0002440477310000081
不处于上述目标区间之内时，调整目标交换功率，使得目标区间内的目标功率
Figure BDA0002440477310000082
与
Figure BDA0002440477310000083
偏差值最小；此外，由于SOC范围的调整，将产生额外的功率偏差值：
Figure BDA0002440477310000084
为目标区间内的目标功率；
Figure BDA0002440477310000085
为二次调频、二次调压分配的目标功率；
ΔPSOC为
Figure BDA0002440477310000086
之差；
Figure BDA0002440477310000087
实施例3
本发明提供的一种光储微电网离网运行能量控制方法，包括以下步骤：
1)计算微电网系统二次调频、二次调压产生的功率调节量，维持微电网频率、电压稳定，按照先PQ源后VF源的顺序分配给各个储能单元；
2)控制储能单元SOC的稳定，从能量的角度使得微电网维持设定时间范围内的离网连续运行；
3)投/切光伏逆变器平衡储能单元有功功率偏差，减小二次调频需求与SOC稳定控制需求的偏差；
4)再次调整储能单元出力补齐微电网系统功率偏差。
在步骤3)中，针对光储微电网能量管理系统进行上述调整后与预分配之后的有功功率偏差值，通过部分切除或者投入光伏逆变器尽可能实现功率平衡，即选取特定的光伏逆变器进行投切，以补全有功功率偏差值，将控制时间间隔设为5min。
当△PSOC>0，需要投入额外的光伏逆变器，选取若干停机状态的光伏逆变器投入运行，使得
Figure BDA0002440477310000091
最小，
Figure BDA0002440477310000092
为光伏逆变器总输出功率；△psoc为特定SOC下的目标交换功率；
当△PSOC＜0，需要切除部分光伏逆变器，选取若干光伏逆变器进行切除，使得
Figure BDA0002440477310000093
最小，且
Figure BDA0002440477310000094
设定投/切光伏逆变器所补偿的功率偏差为△Psolar，则微电网系统剩余有功功率偏差为：
△P′＝△PSOC-△Psolar。
实施例4
本发明提供的一种光储微电网离网运行能量控制方法，包括以下步骤：
1)计算微电网系统二次调频、二次调压产生的功率调节量，维持微电网频率、电压稳定，按照先PQ源后VF源的顺序分配给各个储能单元；
2)控制储能单元SOC的稳定，从能量的角度使得微电网维持设定时间范围内的离网连续运行；
3)投/切光伏逆变器平衡储能单元有功功率偏差，减小二次调频需求与SOC稳定控制需求的偏差；
4)再次调整储能单元出力补齐微电网系统电源和负荷之间的功率偏差。
在步骤4)中，再次调节PQ源和VF源，在保证微电网在稳定运行的前提下，控制储能单元SOC稳定。针对上述投/切光伏逆变器后与预分配之后的有功功率偏差值，通过调整储能单元的充放电功率进行平衡，按照先光储一体机后PCS的顺序预分配给各个储能单元，将控制时间间隔设为5min。
具体实施步骤如1所述，将微电网系统剩余有功功率偏差△P'按照先PQ源后VF源的顺序分配给各个储能单元。
为说明本发明的正确性和可行性，对所提出的光储微电网离网运行能量管理控制策略进行了现场试验验证。
图3给出了光储微电网离网运行，能量管理系统记录的系统频率曲线，图4给出了光储微电网离网运行，能量管理系统记录的系统电压有效值曲线，试验结果显示：光储微电网离网运行时，有功无功负荷冲击下微电网频率运行范围为49.9～50.1Hz，电压运行范围为95.88％～101.47％Un，二次调频系统频率控制精度为0.1Hz，二次调压系统电压控制精度为1％Un。试验结果验证了本发明提出的光储微电网离网运行能量管理控制策略，通过源/储/荷的协调控制，实现了微电网内部能量的自平衡，提高了本地负荷供电可靠性，增强了光储微电网离网安全稳定运行水平。

Claims (8)

1.一种光储微电网离网运行能量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)计算微电网系统二次调频、二次调压产生的功率调节量，维持微电网频率、电压稳定，按照先PQ源后VF源的顺序分配给各个储能单元；
2)控制储能单元SOC的稳定，从能量的角度使得微电网维持设定时间范围内的离网连续运行；
3)投/切光伏逆变器平衡储能单元有功功率偏差，减小二次调频需求与SOC稳定控制需求的偏差；
4)再次调整储能单元出力补齐微电网系统电源和负荷之间的功率偏差。
2.根据权利要求1所述的光储微电网离网运行能量控制方法，其特征在于：在步骤1)中，具体步骤为：
11)计算二次调频所需有功功率调节量、二次调压所需无功功率调节量：
微电网的有功功率调节量、无功功率调节量根据下列公式计算得到：
ΔP＝P_droop×Δf
ΔQ＝Q_droop×ΔV
其中，Δf、ΔV分别为检测到的微电网频率偏差和电压偏差，P_droop为有功下垂系数，Q_droop为无功下垂系数；
12)根据未退出运行的VF源数量更新下垂系数，下垂系数的计算公式如下：
P_droop＝freq_coefficient/num_PCS*num_pcs_in
Q_droop＝volt_coefficient/num_PCS*num_pcs_in
其中，freq_coefficient为有功下垂系数初始值，volt_coefficient为无功下垂系数初始值，num_PCS为微电网系统中PCS数量，num_pcs_in为实际运行的PCS 数量；
13)进行微电网系统功率分配。
3.根据权利要求2所述的光储微电网离网运行能量控制方法，其特征在于：在步骤13)中，
131)二次调频引起的有功功率调节量分配：
当微电网内有多个储能单元时，微电网中电源和负荷的功率差ΔP调节需要分配给各个储能单元，储能单元包括m台光储一体机以及n台PCS，在分配调整功率时，光储一体机的优先级高于PCS；设定各个储能单元的最大充电功率、最大放电功率分别为
Figure RE-FDA0002557231110000021
当前各个储能单元的实时功率为
Figure RE-FDA0002557231110000022
可以得到各个储能单元的对外交换功率可调整潜力的范围为
Figure RE-FDA0002557231110000023
定义集合φm为所有光储一体机的集合，集合φn为所有PCS的集合，光储一体机可调整潜力的范围为
Figure RE-FDA0002557231110000024
同样PCS可调整潜力的范围为
Figure RE-FDA0002557231110000025
分以下情况：
A、当微电网中电源和负荷的功率差ΔP调节＞0时，即需要提升储能单元的充电功率或减少放电功率，具体包括：
A1、
Figure RE-FDA0002557231110000026
即光储一体机即可满足调节需求，剔除
Figure RE-FDA0002557231110000027
的光储一体机，集合φm内的光储一体机剩余m，台，设为集合φm，，则集合φm内各个光储一体机分配得到的功率调节量为：
Figure RE-FDA0002557231110000028
Figure RE-FDA0002557231110000029
为SOC上限值；
对于PCS，分配得到的功率调节量为：
Figure RE-FDA0002557231110000031
A2、微电网中电源和负荷的功率差
Figure RE-FDA0002557231110000032
即仅光储一体机不能满足调节需要，需要PCS额外补偿，
此时，所有光储一体机以最大功率充电，即集合φm内的光储一体机分配得到的功率调节量
Figure RE-FDA0002557231110000033
为：
Figure RE-FDA0002557231110000034
剔除
Figure RE-FDA0002557231110000035
的PCS(没有上调潜力)，集合φn内的PCS剩余n，台，设为集合φn，，则集合φn内各个PCS分配得到的功率调节量为：
Figure RE-FDA0002557231110000036
B、当微电网中电源和负荷的功率差ΔP调节≤0时，即需要减少储能单元的充电功率或增加放电功率，具体包括以下情况：
B1、微电网中电源和负荷的功率差
Figure RE-FDA0002557231110000037
即光储一体机即可满足调节需求，剔除
Figure RE-FDA0002557231110000038
的光储一体机，集合φm内的光储一体机剩余m’台，设为集合φm，，则集合φm内各个光储一体机分配得到的功率调节量为：
Figure RE-FDA0002557231110000039
对于PCS，分配得到的功率调节量为：
Figure RE-FDA0002557231110000041
B2、
Figure RE-FDA0002557231110000042
即仅光储一体机不能满足调节需要，需要PCS额外补偿，
此时，所有光储一体机以最大功率放电，即集合φm内的光储一体机分配得到的功率调节量为：
Figure RE-FDA0002557231110000043
剔除
Figure RE-FDA0002557231110000044
的PCS，集合φn内的PCS剩余n’台，设为集合φn，，则集合φn内各个PCS分配得到的功率调节量为：
Figure RE-FDA0002557231110000045
4.根据权利要求1所述的光储微电网离网运行能量控制方法，其特征在于,
在步骤2)中，根据SOC处于不同区间内储能单元设定不同的交换功率目标区间，当SOC过高或者过低时按照设定的交换功率目标区间，取与二次调频后分配的调节量偏差值最小的值作为目标功率，使得SOC回到目标区间内。
5.根据权利要求4所述的光储微电网离网运行能量控制方法，其特征在于：控制时间间隔为5min。
6.根据权利要求4所述的光储微电网离网运行能量控制方法，其特征在于：对各个储能单元不同SOC下的目标交换功率p作如下设定：
PCS：
0.5<SOC<0.75，p＝50
0.75<SOC<0.8，pmin<p<0.5*pmax
0.8<SOC<1，pmin<p<-50
0<SOC<0.5，50<p<pmax
光储一体机：
0<SOC<0.8，100<p<pmax
0.8<SOC<0.95，pmin<p<0.5*pmax
0.95<SOC<1，pmin<p<-50
p为实际输出功率,即目标交换功率，pmin为最小输出功率，pmax为最大输出功率。
7.根据权利要求1所述的光储微电网离网运行能量控制方法，其特征在于：在步骤3)中，当ΔPSOC＞0，选取若干停机状态的光伏逆变器投入运行，使得
Figure RE-FDA0002557231110000051
最小，
Figure RE-FDA0002557231110000052
为光伏逆变器总输出功率；
当ΔPSOC＜0，选取若干光伏逆变器进行切除，使得
Figure RE-FDA0002557231110000053
最小，且
Figure RE-FDA0002557231110000054
设定投/切光伏逆变器所补偿的功率偏差为ΔPsolar，则微电网系统剩余有功功率偏差为：
ΔP′＝ΔPSOC-ΔPsolar。
8.根据权利要求1所述的光储微电网离网运行能量控制方法，其特征在于：
在步骤4)中，再次调节PQ源和VF源，在保证微电网在稳定运行的前提下，控制储能单元SOC稳定,针对上述投/切光伏逆变器后与预分配之后的有功功率偏差值，通过调整储能单元的充放电功率进行平衡，按照先光储一体机后PCS的顺序预分配给各个储能单元。
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