CN111987723B - 一种微电网运行控制方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种微电网运行控制方法，包括：含小水电、风、光、储等多种形式的分布式电源的微电网，当主网系统故障时，微电网控制系统断开并网开关，隔离故障点，切换至孤岛模式运行；孤岛模式下以水电机组作为微电网内主调频、调压电源，支撑微电网频率和电压，各分布式电源快速参与频率一次调节，协同支撑微电网频率和电压稳定；微电网能量管理系统通过负荷分级控制和储能精准出力调节，恢复频率和电压至正常范围。本申请解决了含小水电的微电网系统孤岛模式下的多源协调控制问题，充分挖掘了传统水电机组的调频、调压能力，保证了微电网的频率和电压稳定。本申请尤其适用于水电资源丰富的偏远地区供电场景，可显著提升负荷供电可靠水平。

Description

一种微电网运行控制方法
技术领域
本申请涉及微电网运行控制技术领域，尤其涉及一种微电网运行控制方法。
背景技术
随着分布式发电所占比重的增加，微电网受到了广泛的关注。微电网是指由分布式电源、储能设备、能量变换装置、相关负荷和监控、保护装置汇聚成的小型发电系统，使一种能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，其中储能设备包括多个储能单元，每个储能单元包括一个储能元件和一个PCS(即储能DC/DC变流器)。
微电网具有并网和孤岛两种运行模式，其中孤岛模式是指微电网不与大电网并联运行，此时如果分布式电源所提供的功率不能满足负荷的功率需求，储能设备放电，为负荷提供功率；如果分布式电源所提供的功率大于负荷的功率需求，则对储能单元进行充电。
实际运行中，当大电网发生故障迫使微电网孤岛运行时，由于失去了大电网的支撑，突然地孤岛模式会导致微电网自身系统严重不平衡，加上分布式电源出力的波动性和间歇性，进一步加剧了微电网运行的不稳定性。
目前，传统微电网孤岛模式下频率调整的方法有主从控制、对等控制等，两者对分布式电源的控制方式不同，都能实现频率和电压的调节。然而，主从控制需要选择一个或多个微电源作为主控制单元，在微电网从并网模式转向孤岛模式时，向微电网系统提供电压和频率支撑，该方法存在对主控制单元和通信线路依赖较强、模式切换容易失败的问题；对等控制方法中所有的微电源都处于同等地位，不依赖于某个主控制单元及通信线路，该方法有利于微电源的即插即用以及微电网系统的扩展，但是没有考虑到频率和电压的恢复问题，是有差调频。
发明内容
为了解决含小水电站的微电网系统孤岛模式下的多源协调控制问题，本申请提供一种微电网运行控制方法，保证了微电网的频率和电压稳定，可应用用于水电资源丰富的偏远地区供电场景，显著提升偏远地区负荷供电可靠水平。
为达到上述目的，本申请提供了一种微电网运行控制方法，包括如下步骤：
步骤S100，当主网故障时，含小水电以及风、光、储中的一种或多种形式的分布式电源的微电网控制系统根据电网系统保护动作情况判断是否断开并网开关，隔离故障点，如果故障为永久故障，或电网系统的保护装置切除了并网线路相应断路器(与预设的保护定值和方案相对应)微电网控制系统断开并网开关，切换至孤岛模式运行。
步骤S200，判断实时频率f是否低于设定阈值f2，若实时频率f低于设定阈值f2即f＜f2时，则微电网控制系统进行分级切除负荷。
步骤S300，判断实时频率f是否低于设定阈值f3，若实时频率f低于设定阈值f2即f＜f3时，则微电网控制系统控制分布式电源最大功率输出和进行分级切除负荷Pn。
其中，分级切除负荷包括：
设定的频率阈值f3包括(f3-1，f3-2，…，f3-n)，n为设定的负荷级数，负荷从不重要到重要划分为(P1，P2，…，Pn)，频率f低于f3-1，切除P1，低于f3-2，切除P2，…，Pn；
步骤S400，孤岛模式下以水电机组作为微电实时主调频、调压电源，支撑微电网频率和电压，各分布式电源快速参与一次频率调节，协同支撑微电网频率稳定。
其中，一次调频包括为：
(1)分布式电源监测各自接入点的实时频率f；
(2)当实时频率f高于设定第一阈值f1即f＞f1时，分布式电源采用下垂控制，根据设定的下垂曲线自动限制出力，限制出力的顺序为：
①保持小水电出力不变、优先限制间歇式分布式电源出力；
②若实时频率f＞fmax时，利用储能装置吸收功率同时限制水电机组出力；
其中，fmax为频率设定最高上限阈值；
③当实时频率f低于设定第二阈值f2，其中，f1＞f2，进行分级切除负荷，间歇式分布式电源按最优出力控制运行；
其中，所述最优出力方式为：微电网内分布式电源余留容量P的旋转备用；
本申请中，分布式电源采用下垂控制包括：监测分布式电源输出有功功率P、无功功率Q；计算所述有功功率P与分布式电源额定有功功率P0的差值，乘以下垂系数kp，得到kp(P-P0)，分布式电源输出额定角频率ω0减去kp(P-P0)，获得分布式电源角频率指令值ω；计算无功功率Q与分布式电源额定无功功率Q0的差值，乘以下垂系数kq，得到kq(Q-Q0)，分布式电源输出额定电压幅值U0减去kq(Q-Q0)，获得分布式电源电压幅值指令值U；计算分布式电源输出电压指令值Uref＝Usinωt；
本申请中，下垂控制方法原理：
ω0、U0分别为分布式电源输出额定角频率、额定电压幅值，kp、kq分别为P/f、Q/U下垂系数，f为分布式电源输出频率，P、Q分别为分布式电源输出有功功率、无功功率，P0、Q0分别为分布式电源额定有功功率、无功功率，ω、U分别为分布式电源角频率、电压幅值指令值，Uref为分布式电源输出电压指令值，uabc、iabc分别为分布式电源输出电压、电流瞬时值。
采集分布式电源的输出电压、电流瞬时值uabc、iabc，计算分布式电源输出有功功率P、无功功率Q；计算所述有功功率P与分布式电源额定有功功率P0的差值，乘以下垂系数kp，得到kp(P-P0)，分布式电源输出额定角频率ω0减去kp(P-P0)，获得分布式电源角频率指令值ω；计算无功功率Q与分布式电源额定无功功率Q0的差值，乘以下垂系数kq，得到kq(Q-Q0)，分布式电源输出额定电压幅值U0减去kq(Q-Q0)，获得分布式电源电压幅值指令值U；计算分布式电源输出电压指令值Uref＝Usinωt。
(3)当实时频率f低于设定第二阈值f2，其中，f2<f1，进行分级切除负荷，间歇式分布式电源按最优出力控制运行，所述最优出力方式为微电网内分布式电源余留容量P的旋转备用，监测并网点潮流大小和方向，本实施例中，可设阈值f1为50.2Hz，阈值f2为49.8Hz；
(4)间歇式分布式电源根据并网点潮流大小和方向，调整间歇式分布式电源发电出力的模式，具体包括，当并网点潮流为负方向时，间歇式分布式电源发电出力模式为最大发电控制；当并网点潮流为正方向时，所述最优发电模式为牺牲间歇式分布式电源的发电效率，使间歇式分布式电源运行在不满额状态下，留有旋转备用P，容量P由下式计算：其中，Pi为并网点潮流有功，Pj为非间歇式发电出力备用；
(5)间歇式分布式电源按最大出力控制，连续可控分布式电源根据设定的下垂曲线自动增大出力，这里光伏、风电发电模式不在最大发电控制模式，牺牲部分发电效率，预留一定的发电裕度，留作旋转备用；
(6)当f在[f1，f2]范围内，间歇式分布式电源按最大出力控制，连续可控分布式电源保持故障前出力。
步骤S500，微电网控制系统在一次调频的基础上，根据频率的变化，优先调整分布式电源出力，其次调整水电机组出力，以水电机组为主调频，控制分布式电源进行二次调频。
其中，二次调频包括：微电网能量管理系统对系统频率与额定频率的偏差进行PI控制，控制器输出叠加到分布式电源控制功率指令，作为二次调节信号。
步骤S600，在二次调频的基础上开展电压偏差的调整，主要调节小水电机组进相或迟相运行模式、储能装置、间歇式分布式电源出力，此时，因调节有功量引起的无功变化为：
式中，Q为并网点无功功率，ΔPi为第i个间歇式分布式电源有功调节量，Ri、Xi分别为第i个间歇式分布式电源至并网点的阻抗，若此时ΔQ不为零，则继续调整储能进行无功调节。
步骤S700，将储能配置在最重要负荷接入点，当微电网系统严重失衡和实时频率f＜fmin时，需要切除最重要负荷时，由储能带最重要负荷脱离微电网，作为UPS给最重要负荷供电，形成局部独立供电系统，其中，fmin为频率设定最低下限阈值。
本申请的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
(1)本申请中，微电网单回接入主网，网内包含小水电站和风、光、储等多种形式分布式电源，主网故障时，微电网断开并网开关隔离故障点，并切换至孤岛模式运行，孤岛模式以水电机组作为网内主电源支撑微电网频率和电压，各分布式电源快速参与频率一次调节，协同支撑微电网频率和电压稳定，微电网能量管理系统通过负荷分级控制，恢复频率和电压至正常范围，解决了含小水电站的微电网系统孤岛模式下的多源协调控制问题，保证了微电网的频率和电压稳定。本申请尤其适用于水电资源丰富的偏远地区供电场景，显著提升负荷供电可靠水平；
(2)本申请中，微电网从切至离网运行到频率稳定的动态过程中，负荷重新分配过程水电站和分布式电源均为对等控制，无需协调控制器参与功率调度，可靠性高，运行简单；
(3)系统稳定后，微电网能量管理系统可对储能等连续可控分布式电源出力进行二次调节，频率控制精度高。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请微电网运行控制方法的流程图；
图2为下垂控制原理图；
图3为频率分级响应示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本申请进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本申请的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本申请的概念。
图1为本申请微电网运行控制方法的流程图，图3为频率分级响应示意图，应当说明，频率分级响应为微电网控制器根据设定的不同频率调整阈值进行出力调整和负荷分级切除，以保证微电网频率尽快恢复至标准值，保证微电网的稳定运行。
如图1和图3所示，本申请的微电网运行控制方法包括以下步骤：
步骤S100，当主网故障时，含小水电以及风、光、储中的一种或多种形式的分布式电源的微电网控制系统根据电网系统保护动作情况判断是否断开并网开关，隔离故障点，如果故障为永久故障，或电网系统的保护装置切除了并网线路相应断路器(与预设的保护定值和方案相对应)微电网控制系统断开并网开关，切换至孤岛模式运行。
步骤S200，判断实时频率f是否低于设定阈值f2，若实时频率f低于设定阈值f2即f＜f2时，则微电网控制系统进行分级切除负荷。
步骤S300，判断实时频率f是否低于设定阈值f3，若实时频率f低于设定阈值f2即f＜f3时，则微电网控制系统控制分布式电源最大功率输出和进行分级切除负荷Pn。
其中，分级切除负荷包括：
设定的频率阈值f3包括(f3-1，f3-2，…，f3-n)，n为设定的负荷级数，负荷从不重要到重要划分为(P1，P2，…，Pn)，频率f低于f3-1，切除P1，低于f3-2，切除P2，…，Pn；
步骤S400，孤岛模式下以水电机组作为微电实时主调频、调压电源，支撑微电网频率和电压，各分布式电源快速参与一次频率调节，协同支撑微电网频率稳定。
其中，一次调频包括为：
(1)分布式电源监测各自接入点的实时频率f；
(2)当实时频率f高于设定第一阈值f1即f＞f1时，分布式电源采用下垂控制，根据设定的下垂曲线自动限制出力，限制出力的顺序为：
①保持小水电出力不变、优先限制间歇式分布式电源出力；
②若实时频率f＞fmax时，利用储能装置吸收功率同时限制水电机组出力；其中，fmax为频率设定最高上限阈值；
③当实时频率f低于设定第二阈值f2，其中，f1＞f2，进行分级切除负荷，间歇式分布式电源按最优出力控制运行；
其中，所述最优出力方式为：微电网内分布式电源余留容量P的旋转备用；
本申请中，分布式电源采用下垂控制包括：监测分布式电源输出有功功率P、无功功率Q；计算所述有功功率P与分布式电源额定有功功率P0的差值，乘以下垂系数kp，得到kp(P-P0)，分布式电源输出额定角频率ω0减去kp(P-P0)，获得分布式电源角频率指令值ω；计算无功功率Q与分布式电源额定无功功率Q0的差值，乘以下垂系数kq，得到kq(Q-Q0)，分布式电源输出额定电压幅值U0减去kq(Q-Q0)，获得分布式电源电压幅值指令值U；计算分布式电源输出电压指令值Uref＝Usinωt；
本申请中，分布式电源采用下垂控制方法，有功-频率满足图2所示下垂特性：ω-ω0＝-kp(P-P0)。
下垂控制方法原理如图2所示，ω0、U0分别为分布式电源输出额定角频率、额定电压幅值，kp、kq分别为P/f、Q/U下垂系数，f为分布式电源输出频率，P、Q分别为分布式电源输出有功功率、无功功率，P0、Q0分别为分布式电源额定有功功率、无功功率，ω、U分别为分布式电源角频率、电压幅值指令值，Uref为分布式电源输出电压指令值，uabc、iabc分别为分布式电源输出电压、电流瞬时值。
采集分布式电源的输出电压、电流瞬时值uabc、iabc，计算分布式电源输出有功功率P、无功功率Q；计算所述有功功率P与分布式电源额定有功功率P0的差值，乘以下垂系数kp，得到kp(P-P0)，分布式电源输出额定角频率ω0减去kp(P-P0)，获得分布式电源角频率指令值ω；计算无功功率Q与分布式电源额定无功功率Q0的差值，乘以下垂系数kq，得到kq(Q-Q0)，分布式电源输出额定电压幅值U0减去kq(Q-Q0)，获得分布式电源电压幅值指令值U；计算分布式电源输出电压指令值Uref＝Usinωt。
(3)当实时频率f低于设定第二阈值f2，其中，f2<f1，进行分级切除负荷，间歇式分布式电源按最优出力控制运行，所述最优出力方式为微电网内分布式电源余留容量P的旋转备用，监测并网点潮流大小和方向，本实施例中，可设阈值f1为50.2Hz，阈值f2为49.8Hz；
(4)间歇式分布式电源根据并网点潮流大小和方向，调整间歇式分布式电源发电出力的模式，具体包括，当并网点潮流为负方向时，间歇式分布式电源发电出力模式为最大发电控制；当并网点潮流为正方向时，所述最优发电模式为牺牲间歇式分布式电源的发电效率，使间歇式分布式电源运行在不满额状态下，留有旋转备用P，容量P由下式计算：其中，Pi为并网点潮流有功，Pj为非间歇式发电出力备用；
(5)间歇式分布式电源按最大出力控制，连续可控分布式电源根据设定的下垂曲线自动增大出力，这里光伏、风电发电模式不在最大发电控制模式，牺牲部分发电效率，预留一定的发电裕度，留作旋转备用；
(6)当f在[f1，f2]范围内，间歇式分布式电源按最大出力控制，连续可控分布式电源保持故障前出力。
步骤S500，微电网控制系统在一次调频的基础上，根据频率的变化，优先调整分布式电源出力，其次调整水电机组出力，以水电机组为主调频，控制分布式电源进行二次调频。
其中，二次调频包括：微电网能量管理系统对系统频率与额定频率的偏差进行PI控制，控制器输出叠加到分布式电源控制功率指令，作为二次调节信号。
步骤S600，在二次调频的基础上开展电压偏差的调整，主要调节小水电机组进相或迟相运行模式、储能装置、间歇式分布式电源出力，此时，因调节有功量引起的无功变化为：
式中，Q为并网点无功功率，ΔPi为第i个间歇式分布式电源有功调节量，Ri、Xi分别为第i个间歇式分布式电源至并网点的阻抗，若此时ΔQ不为零，则继续调整储能进行无功调节。
步骤S700，将储能配置在最重要负荷接入点，当微电网系统严重失衡和实时频率f＜fmin时，需要切除最重要负荷时，由储能带最重要负荷脱离微电网，作为UPS给最重要负荷供电，形成局部独立供电系统，其中，fmin为频率设定最低下限阈值。
本申请提供一种微电网运行控制方法，包括：微电网单回接入主网，网内包含小水电站和风、光、储等多种形式分布式电源，主网故障时，微电网断开并网开关隔离故障点，并切换至孤岛模式运行，孤岛模式以水电机组作为网内主电源支撑微电网频率和电压，各分布式电源快速参与频率一次调节，协同支撑微电网频率和电压稳定，微电网能量管理系统通过负荷分级控制和储能精准出力调节，恢复频率和电压至正常范围，解决了含小水电站的微电网系统孤岛模式下的多源协调控制问题，保证了微电网的频率和电压稳定。本申请尤其适用于水电资源丰富的偏远地区供电场景，显著提升负荷供电可靠水平。
以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (3)

1.一种微电网运行控制方法，其特征在于，包括：
步骤S100，当主网故障时，含小水电以及风、光、储中的一种或多种形式的分布式电源的微电网控制系统根据电网系统保护动作情况判断是否断开并网开关，隔离故障点，如果故障为永久故障，或电网系统的保护装置切除了并网线路相应断路器，微电网控制系统断开并网开关，切换至孤岛运行模式运行；
步骤S200，判断实时频率f是否低于设定阈值f2，若实时频率f低于设定阈值f2即f＜f2时，则微电网控制系统进行分级切除负荷；
步骤S300，判断实时频率f是否低于设定阈值f3，若实时频率f低于设定阈值f3即f＜f3时，则微电网控制系统控制分布式电源最大功率输出和进行分级切除负荷Pn；
其中，分级切除负荷包括：
设定的频率阈值f3包括(f3-1，f3-2，…，f3-n)，n为设定的负荷级数，负荷从不重要到重要划分为(P1，P2，…，Pn)，频率f低于f3-1，切除P1，低于f3-2，切除P2，…，Pn；
步骤S400，孤岛模式下以水电机组作为微电网内主调频、调压电源，支撑微电网频率和电压，各分布式电源快速参与频率一次调节，协同支撑微电网频率稳定，
其中，一次调频包括：
分布式电源监测各自接入点的实时频率f，
当实时频率f高于设定第一阈值f1即f＞f1时，分布式电源采用下垂控制，根据设定的下垂曲线自动限制分布式电源出力，限制出力的顺序为：
①保持小水电出力不变、优先限制间歇式分布式电源出力；
②若实时频率f＞fmax，利用储能装置吸收功率同时限制水电机组出力；其中，fmax为频率设定最大上限阈值；
③当实时频率f低于设定第二阈值f2，其中，f1＞f2，进行分级切除负荷，间歇式分布式电源按最优出力控制运行；
其中，所述最优出力方式为：微电网内分布式电源余留容量P的旋转备用；
监测并网点潮流大小和方向，间歇式分布式电源根据并网点潮流大小和方向，调整间歇式分布式电源发电出力的模式，具体包括，当并网点潮流为负方向时，间歇式分布式电源发电出力模式为最大发电控制；
当并网点潮流为正方向时，所述最优发电模式为牺牲间歇式分布式电源的发电效率，使间歇式分布式电源运行在不满额状态下，留有旋转备用P，容量P由下式计算：其中，Pi为并网点潮流有功，Pj为非间歇式发电出力备用；
间歇式分布式电源按最大出力控制，连续可控分布式电源根据设定的下垂曲线自动增大出力；
当f在[f1，f2]范围内，间歇式分布式电源按最大出力控制，连续可控分布式电源保持故障前出力；
步骤S500，微电网控制系统在一次调频的基础上，根据频率的变化，优先调整分布式电源出力，其次调整水电机组出力，以水电机组为主调频，控制分布式电源进行二次调频，
其中，二次调频包括：
微电网能量管理系统对系统频率与额定频率的偏差进行PI控制，控制器输出叠加到分布式电源控制功率指令，作为二次调节信号；
步骤S600，在二次调频的基础上开展电压偏差的调整，主要调节小水电机组进相或迟相运行模式、储能装置、间歇式分布式电源出力，此时，因调节有功量引起的无功变化为：
式中，Q为并网点无功功率，ΔPi为第i个间歇式分布式电源有功调节量，Ri、Xi分别为第i个间歇式分布式电源至并网点的阻抗，若此时ΔQ不为零，则继续调整储能进行无功调节；
步骤S700，将储能配置在最重要负荷接入点，当微电网系统严重失衡和实时频率f＜fmin时，需要切除最重要负荷时，由储能带最重要负荷脱离微电网，作为UPS给最重要负荷供电，形成局部独立供电系统，其中，fmin为频率设定最小下限阈值。
2.根据权利要求1所述的微电网运行控制方法，其特征在于，所述分布式电源采用下垂控制包括：监测分布式电源输出有功功率P、无功功率Q；计算所述有功功率P与分布式电源额定有功功率P0的差值，乘以下垂系数kp，得到kp(P-P0)，分布式电源输出额定角频率ω0减去kp(P-P0)，获得分布式电源角频率指令值ω；计算无功功率Q与分布式电源额定无功功率Q0的差值，乘以下垂系数kq，得到kq(Q-Q0)，分布式电源输出额定电压幅值U0减去kq(Q-Q0)，获得分布式电源电压幅值指令值U；计算分布式电源输出电压指令值Uref＝Usinωt。
3.根据权利要求1所述的微电网运行控制方法，其特征在于，所述分级切除负荷包括：设定的频率阈值f3包括(f3-1，f3-2，…，f3-n)，n为设定的负荷级数，负荷从不重要到重要划分为(P1，P2，…，Pn)，频率f低于f3-1，切除P1，低于f3-2，切除P2，…，Pn。
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