CN112332458A - 一种风火储微电网双层主从控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风火储微电网双层主从控制系统，涉及微电网信息技术领域，包括第一断路器、高压外层控制系统和通信控制系统，高压外层控制系统包括火电厂、火电厂整流器、火电厂逆变器、第一变压器、第二断路器以及低压内层控制系统；低压内层控制系统包括储能装置逆变器、储能装置、风电场逆变器、风电场整流器及多个风电场；低压内层控制系统称为风储微电网系统；本发明能够实现微电网系统在并网、孤岛及火电厂故障等不同运行模式下可靠稳定控制的目的。

Description

一种风火储微电网双层主从控制系统

技术领域

本发明涉及微电网信息技术领域，特别是一种风火储微电网双层主从控制系统。

背景技术

进入21世纪以来，随着煤炭、石油、天然气等不可再生能源的过度开发与利用，造成了严重的环境污染和能源危机，为解决由此引发的一系列问题，越来越多的科研组织和研究机构将目光投向了可再生能源的开发与利用。风能以其环保、无污染和总量大等优点，受到了广泛关注。对于靠近负荷中心的小规模风电场可以采用就地消纳的措施，但远离负荷中心的大规模风电场就需要采用高压远距离输电以及并网输电等措施，这些大大增加了风电场的控制难度。同时风电场一旦出现故障，易对大电网产生影响，造成巨大的经济损失。

由于风力发电易受地域，气候和季节等因素的影响，风电场的输出功率具有很大的波动性。针对这一情况，现有的风电场输电系统常以风火打捆输电的形式来进行，即在风电场周围建立一个火电厂，风电与火电先行并网后再输送到大电网。但在一些远离煤矿基地的风电场(如海上风电场等)周围建立火电厂，存在成本昂贵，维护困难等问题。同时火电厂一旦出现故障停止运行，对风电场和大电网都会造成影响，可靠性较低。

在电力系统中，通常把1KV以下称为低压，1KV以上35KV以下称为中压，35KV以上称为高压。针对低压微电网输电系统，阻抗损耗一直是一个无法忽视的问题，同时在低压微电网系统中，受到阻抗的影响，大多控制方法的灵敏性和鲁棒性往往不尽人意。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种风火储微电网双层主从控制系统，实现微电网系统在并网、孤岛及火电厂故障等不同运行模式下可靠稳定控制的目的。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种风火储微电网双层主从控制系统，包括第一断路器、高压外层控制系统和通信控制系统，其中，

高压外层控制系统包括火电厂、火电厂整流器、火电厂逆变器、第一变压器、第二断路器以及低压内层控制系统；低压内层控制系统包括储能装置逆变器、储能装置、风电场逆变器、风电场整流器及多个风电场；

低压内层控制系统称为风储微电网系统；其中，

外部的大电网与第一断路器的一端连接，第一断路器的另一端与第一变压器、火电厂逆变器分别连接，第一变压器与第二断路器的一端连接，第二断路器的另一端与储能装置逆变器、风电场逆变器分别连接，储能装置逆变器与储能装置连接，火电厂逆变器、火电厂整流器、火电厂依次顺序连接，风电场逆变器与风电场整流器连接，风电场整流器与多个风电场分别连接，通信控制系统与大电网、火电厂逆变器、风电场逆变器、储能装置逆变器分别连接；

在并网运行模式下，风火储微电网双层主从控制系统中的所有断路器均闭合，风火储微电网双层主从控制系统与大电网并网运行，火电厂逆变器、储能装置逆变器和风电场逆变器均采用恒功率控制；此时，风火储微电网双层主从控制系统内各部分电压、电流、相位、频率、有功功率和无功功率均由大电网控制，通信控制系统用于采集大电网及风火储微电网双层主从控制系统各部分线路的电压、电流、相位、频率、有功功率和无功功率流动信息，并将这些信息传递给火电厂逆变器、储能装置逆变器和风电场逆变器，实现微电网系统并网模式下的可靠稳定运行；

在孤岛运行且火电厂非故障运行模式下，风火储微电网双层主从控制系统与大电网相连接的公共耦合点处的第一断路器断开，第二断路器闭合，风火储微电网双层主从控制系统进入由火电厂逆变器作为主控制器的孤岛运行模式，火电厂逆变器采用恒压恒频控制，为风火储微电网双层主从控制系统提供参考电压和频率信息；储能装置逆变器和风电场逆变器作为风火储微电网双层主从控制系统的从控制器，采用恒功率控制；通信控制系统将风火储微电网双层主从控制系统各部分线路的电压、电流、相位、频率、有功功率和无功功率流动信息传递给储能装置逆变器和风电场逆变器，实现微电网系统孤岛模式下的可靠稳定运行；

在孤岛运行且火电厂故障运行模式下，风火储微电网双层主从控制系统与大电网相连接的公共耦合点处的第一断路器断开，且在风火储微电网双层主从控制系统内部，第二断路器断开，风储微电网系统转为独立的孤岛运行模式；在此种情况下，风储微电网构成的系统为低压微电网系统，储能装置逆变器作为主控制器，采用恒压恒频控制，为风储微电网系统提供参考电压和频率信息；风电场逆变器则采用低压条件下的有功电压/无功相角P-V/Q-δ下垂控制；通信控制系统将风储微电网系统各部分线路的电压、电流、相位、频率、有功功率和无功功率流动信息传递给风电场逆变器，实现微电网系统孤岛模式下的可靠稳定运行。

作为本发明所述的一种风火储微电网双层主从控制系统进一步优化方案，在有功电压/无功相角P-V/Q-δ下垂控制中，风电场逆变器的电路模型直流一侧，参数包括直流线电压U_dc和直流线路等效电阻R；风电场逆变器的电路模型交流一侧，参数包括交流线电压U_ac、交流线路等效阻抗Zi∠θi和交流侧电压U_i以及交流侧电压的相角δ，Zi表示等效阻抗的值，θi表示等效阻抗的相角；此时，流过风电场逆变器的有功功率P和无功功率Q由下式得出：

针对低压状态下风电场逆变器的改进下垂控制特性如下：

δ＝δ^*+k_q(Q-Q^*)

其中，k_p和k_q是有功功率和无功功率的下垂系数，

和δ^*是电压和相角的参考值，P^*和Q^*是有功功率和无功功率的参考值。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)采用双层主从控制系统结构，能够很好的实现风火储微电网系统在并网、孤岛及火电厂故障等多种不同运行模式下的可靠稳定控制。

(2)针对低压微电网系统阻抗较大难以忽略的特性，对传统的下垂控制进行了改进，设计了针对低压微电网系统的有功电压/无功相角P-V/Q-δ下垂控制。

(3)采用了有线通信与无线通信相结合的通信控制方式，更好的实现了风电场与大电网、火电厂和储能装置之间的安全可靠通信，同时也使得整个微电网系统的监管与控制更加快速方便。此外，该控制系统的设计，对未来微电网系统的建设与管理具有良好的启发与借鉴意义。

附图说明

图1是风火储微电网系统双层主从控制结构拓扑图。

图2是风力发电机通信控制系统结构图。

图3是操作人员监管控制台示意图。

图4是风火储微电网系统双层主从控制运行流程图。

图5是改进有功电压/无功相角P-V/Q-δ下垂控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

一种风火储微电网双层主从控制系统在结构上主要包括高压外层控制系统和低压内层控制系统，主要考虑三种运行模式：1.并网运行模式，2.孤岛运行且火电厂非故障运行模式，3.孤岛运行且火电厂故障运行模式(极端恶劣条件)。在系统搭建时，首先由多个连片集中的风电场先行并网连接，再接着与储能装置和火电厂依次并网连接，最后与大电网进行并网连接。这样在建造储能装置和火电厂时，就能够在风电场并网线路的末端靠近大电网的一侧进行建造，从而降低了环境因素的影响，节约了系统成本。

在并网运行模式下，所有断路器均闭合，风火储微电网系统与大电网并网运行，火电厂逆变器、储能装置逆变器和风电场逆变器均采用PQ控制。此时，风火储微电网系统内各部分电压、电流、相位、频率、有功功率和无功功率均由大电网控制，通信控制系统采集大电网及微电网各部分线路的电压、电流、相位、频率、有功功率和无功功率流动信息，传递给火电厂逆变器，储能装置逆变器和风电场逆变器，从而实现微电网系统并网模式下的可靠稳定运行。

在孤岛运行且火电厂非故障运行模式下，风火储微电网系统与大电网相连接的公共耦合点断路器1(也是指第一断路器)断开，微电网系统进入由火电厂逆变器作为主控制器的孤岛运行模式，火电厂逆变器采用V/F控制，为微电网系统提供参考电压和频率信息。储能装置逆变器和风电场逆变器作为整个微电网系统的从控制器，采用PQ控制。火电厂逆变器通过通信控制系统将控制信息传递给储能装置逆变器和风电场逆变器，实现微电网系统孤岛模式下的可靠稳定运行。

在孤岛运行且火电厂故障运行模式下，风火储微电网系统与大电网相连接的公共耦合点断路器1断开，且在风火储微电网系统内部，风储微电网系统与火电厂相连接的断路器2(也是指第二断路器)断开，风储微电网系统转为独立的孤岛运行模式。在此种情况下，风储微电网构成的系统为低压微电网系统，储能装置逆变器作为主控制器，采用V/F控制，为微电网系统提供参考电压和频率信息。风电场逆变器则采用低压条件下的P-V/Q-δ下垂控制。储能装置逆变器通过通信控制系统将控制信息传递给风电场逆变器，实现微电网系统孤岛模式下的可靠稳定运行。

针对孤岛运行且火电厂故障运行模式下的低压风储微电网系统中风电场逆变器的改进下垂控制，其主要考虑到低压条件下，线路阻抗较大，已不能忽略，故在低压逆变器线路模型中增加了线路等效阻抗Zi∠θi这一影响因素，将传统的P-f/Q-V下垂控制改进为P-V/Q-δ下垂控制，控制原理如图5所示。

PQ控制，即恒功率控制；V/F控制，即恒压恒频控制；P-f/Q-V下垂控制，即频率有功/电压无功下垂控制；P-V/Q-δ下垂控制，即电压有功/相角无功下垂控制。

在有功电压/无功相角P-V/Q-δ下垂控制中，风电场逆变器的电路模型直流一侧，参数包括直流线电压U_dc和直流线路等效电阻R；风电场逆变器的电路模型交流一侧，参数包括交流线电压U_ac、交流线路等效阻抗Zi∠θi和交流侧电压U_i以及交流侧电压的相角δ，Zi表示等效阻抗的值，θi表示等效阻抗的相角，∠是角的符号；此时，流过风电场逆变器的有功功率P和无功功率Q由下式得出：

针对低压状态下风电场逆变器的改进下垂控制特性如下：

δ＝δ^*+k_q(Q-Q^*)

其中，k_p和k_q是有功功率和无功功率的下垂系数，

和δ^*是电压和相角的参考值，P^*和Q^*是有功功率和无功功率的参考值。

图2是风力发电机通信控制系统结构图。针对通信控制系统，主要由各逆变器控制器和风力发电机常用控制设备组成，此外还包含了有线通信设备和无线通信设备，整个微电网系统采用有线通信和无线通信相结合的通信控制方式。有线通信主要负责微电网各系统之间逆变器的通信联系，以及风电场各风机之间的通信联系；无线通信主要负责微电网各系统运行情况与操作人员控制台之间的远距离通信联系，同时也可作为有线通信故障时系统的备用通信控制方式。二者结合，能够实现对风火储微电网系统的安全可靠控制。控制设备和通信设备通过导线连接到同一接地装置，提高了整个通信控制系统的防雷性能。

另外，随着新一代网络通信技术的不断普及和提高，无线通信和有线通信相结合的通信控制方式，将会大幅度提高通信系统的实时性和可靠性。将这一技术与传统的微电网主从控制方式相结合，再考虑到火电厂故障情况及风电场孤岛低压模式下的系统特性，发明了一种风火储微电网双层主从控制系统。

本发明的一种实施例如下：

如图1所示，一种风火储微电网双层主从控制系统，包括第一断路器、高压外层控制系统和通信控制系统，其中，

高压外层控制系统包括火电厂、火电厂整流器、火电厂逆变器、第一变压器、第二断路器以及低压内层控制系统；低压内层控制系统包括储能装置逆变器、储能装置、风电场逆变器、风电场整流器及多个风电场；

低压内层控制系统称为风储微电网系统；其中，

外部的大电网与第一断路器的一端连接，第一断路器的另一端与第一变压器、火电厂逆变器分别连接，第一变压器与第二断路器的一端连接，第二断路器的另一端与储能装置逆变器、风电场逆变器分别连接，储能装置逆变器与储能装置连接，火电厂逆变器、火电厂整流器、火电厂依次顺序连接，风电场逆变器与风电场整流器连接，风电场整流器与多个风电场分别连接，通信控制系统与大电网、火电厂逆变器、风电场逆变器、储能装置逆变器分别连接。

1.首先，根据风火储微电网系统的结构拓扑图来检查微电网各部分的连接情况及设备的完整性等。在微电网系统启动后，通信控制系统会首先采集系统各部分的运行情况，判断整个系统所处的运行模式，并将系统运行情况通过无线通信的方式传输给操作人员控制台，以便于操作人员及时了解并掌握微电网各部分系统的运行情况。图3是操作人员监管控制台示意图。

2.当通信控制系统确定了整个微电网系统的运行情况以后，有以下三种运行模式，图4是风火储微电网系统双层主从控制运行流程图：

2.1微电网系统处于并网运行模式

在并网运行模式下，风火储微电网双层主从控制系统中的所有断路器均闭合，风火储微电网双层主从控制系统与大电网并网运行，火电厂逆变器、储能装置逆变器和风电场逆变器均采用恒功率控制；此时，风火储微电网双层主从控制系统内各部分电压、电流、相位、频率、有功功率和无功功率均由大电网控制，通信控制系统用于采集大电网及风火储微电网双层主从控制系统各部分线路的电压、电流、相位、频率、有功功率和无功功率流动信息，并将这些信息传递给火电厂逆变器、储能装置逆变器和风电场逆变器，实现微电网系统并网模式下的可靠稳定运行。

2.2微电网系统处于孤岛运行且火电厂非故障运行模式

在孤岛运行且火电厂非故障运行模式下，风火储微电网双层主从控制系统与大电网相连接的公共耦合点处的第一断路器断开，第二断路器闭合，风火储微电网双层主从控制系统进入由火电厂逆变器作为主控制器的孤岛运行模式，火电厂逆变器采用恒压恒频控制，为风火储微电网双层主从控制系统提供参考电压和频率信息；参考电压和频率信息会先传给通信控制系统，然后通过通信控制系统传递给储能装置逆变器和风电场逆变器；储能装置逆变器和风电场逆变器作为风火储微电网双层主从控制系统的从控制器，采用恒功率控制；通信控制系统将风火储微电网双层主从控制系统各部分线路的电压、电流、相位、频率、有功功率和无功功率流动信息传递给储能装置逆变器和风电场逆变器，实现微电网系统孤岛模式下的可靠稳定运行。

2.3微电网系统处于孤岛运行且火电厂故障运行模式

在孤岛运行且火电厂故障运行模式下，风火储微电网双层主从控制系统与大电网相连接的公共耦合点处的第一断路器断开，且在风火储微电网双层主从控制系统内部，第二断路器断开，风储微电网系统转为独立的孤岛运行模式；在此种情况下，风储微电网构成的系统为低压微电网系统，储能装置逆变器作为主控制器，采用恒压恒频控制，为风储微电网系统提供参考电压和频率信息；参考电压和频率信息会先传给通信控制系统，然后通过通信控制系统传递给风电场逆变器；风电场逆变器则采用低压条件下的有功电压/无功相角P-V/Q-δ下垂控制；通信控制系统将风储微电网系统各部分线路的电压、电流、相位、频率、有功功率和无功功率流动信息传递给风电场逆变器，实现微电网系统孤岛模式下的可靠稳定运行。

火电厂整流器将火电厂发出的交流电整流为直流电；风电场整流器将风电场发出的交流电整流为直流电；第一变压器在高压外层和低压内层之间进行升降压，从而保证电压在外层均为高压，在内层均为低压。关于逆变器模块的信号输入输出，输入信号均为各逆变器输出侧电路参数及通信控制系统所传来的其他逆变器的电路参数，输出信号则为各逆变器自身工作状态的改变。

3.在微电网系统处于并网运行模式或孤岛运行且火电厂非故障运行模式时，通信控制系统会根据微电网系统和大电网的功率交换及储能装置的荷电状态来判断，对储能装置进行充放电；而在微电网系统处于孤岛运行且火电厂故障运行模式时，储能装置逆变器作为主控制器，此时储能装置只能运行于放电状态。

4.在微电网系统运行过程中，通信控制系统会通过有线通信和无线通信相结合的通信控制方式，根据大电网、火电厂、储能装置和各风电场的运行状态信息，对各控制器进行调节，来控制微电网系统内部的功率流动，同时，将微电网各部分的实时运行状态反馈到操作人员监管控制台。

5.在无线通信技术的支持下，操作人员监管控制台会实时显示微电网系统的运行状态。操作人员可以根据控制台显示的信息，对微电网系统内部的功率流动进行控制，并及时的把故障的风力发电机或已经停机的火电厂等从微电网系统中切除出去。同时，操作人员监管控制台所显示的微电网系统各部分运行情况，也能够很好的帮助操作人员及时诊断出微电网系统中故障点的位置，方便维修人员的检修维护等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种风火储微电网双层主从控制系统，其特征在于，包括第一断路器、高压外层控制系统和通信控制系统，其中，

高压外层控制系统包括火电厂、火电厂整流器、火电厂逆变器、第一变压器、第二断路器以及低压内层控制系统；低压内层控制系统包括储能装置逆变器、储能装置、风电场逆变器、风电场整流器及多个风电场；

低压内层控制系统称为风储微电网系统；其中，

外部的大电网与第一断路器的一端连接，第一断路器的另一端与第一变压器、火电厂逆变器分别连接，第一变压器与第二断路器的一端连接，第二断路器的另一端与储能装置逆变器、风电场逆变器分别连接，储能装置逆变器与储能装置连接，火电厂逆变器、火电厂整流器、火电厂依次顺序连接，风电场逆变器与风电场整流器连接，风电场整流器与多个风电场分别连接，通信控制系统与大电网、火电厂逆变器、风电场逆变器、储能装置逆变器分别连接；

在并网运行模式下，风火储微电网双层主从控制系统中的所有断路器均闭合，风火储微电网双层主从控制系统与大电网并网运行，火电厂逆变器、储能装置逆变器和风电场逆变器均采用恒功率控制；此时，风火储微电网双层主从控制系统内各部分电压、电流、相位、频率、有功功率和无功功率均由大电网控制，通信控制系统用于采集大电网及风火储微电网双层主从控制系统各部分线路的电压、电流、相位、频率、有功功率和无功功率流动信息，并将这些信息传递给火电厂逆变器、储能装置逆变器和风电场逆变器，实现微电网系统并网模式下的可靠稳定运行；

在孤岛运行且火电厂非故障运行模式下，风火储微电网双层主从控制系统与大电网相连接的公共耦合点处的第一断路器断开，第二断路器闭合，风火储微电网双层主从控制系统进入由火电厂逆变器作为主控制器的孤岛运行模式，火电厂逆变器采用恒压恒频控制，为风火储微电网双层主从控制系统提供参考电压和频率信息；储能装置逆变器和风电场逆变器作为风火储微电网双层主从控制系统的从控制器，采用恒功率控制；通信控制系统将风火储微电网双层主从控制系统各部分线路的电压、电流、相位、频率、有功功率和无功功率流动信息传递给储能装置逆变器和风电场逆变器，实现微电网系统孤岛模式下的可靠稳定运行；

在孤岛运行且火电厂故障运行模式下，风火储微电网双层主从控制系统与大电网相连接的公共耦合点处的第一断路器断开，且在风火储微电网双层主从控制系统内部，第二断路器断开，风储微电网系统转为独立的孤岛运行模式；在此种情况下，风储微电网构成的系统为低压微电网系统，储能装置逆变器作为主控制器，采用恒压恒频控制，为风储微电网系统提供参考电压和频率信息；风电场逆变器则采用低压条件下的有功电压/无功相角P-V/Q-δ下垂控制；通信控制系统将风储微电网系统各部分线路的电压、电流、相位、频率、有功功率和无功功率流动信息传递给风电场逆变器，实现微电网系统孤岛模式下的可靠稳定运行。

2.根据权利要求1所述的一种风火储微电网双层主从控制系统，其特征在于，在有功电压/无功相角P-V/Q-δ下垂控制中，风电场逆变器的电路模型直流一侧，参数包括直流线电压U_dc和直流线路等效电阻R；风电场逆变器的电路模型交流一侧，参数包括交流线电压U_ac、交流线路等效阻抗Zi∠θi和交流侧电压U_i以及交流侧电压的相角δ，Zi表示等效阻抗的值，θi表示等效阻抗的相角；此时，流过风电场逆变器的有功功率P和无功功率Q由下式得出：

针对低压状态下风电场逆变器的改进下垂控制特性如下：

δ＝δ^*+k_q(Q-Q^*)

其中，k_p和k_q是有功功率和无功功率的下垂系数，

和δ^*是电压和相角的参考值，P^*和Q^*是有功功率和无功功率的参考值。

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