CN112542843B - 一种独立型微电网快速调频方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种独立型微电网快速调频方法，主要有：根据在线储能的下垂系数和额定容量计算独立型微电网运行频率区间；计及二次调频影响，通过微网协调控制器在线动态划分频率分区；在分区结果的基础上实施快速频率控制策略这三个步骤。本发明基于对微电网内PQ源快速调节潜力的挖掘，计及二次调频给频率控制带来的影响，提出了一种快速调频方法，在百毫秒内完成功率目标值的调节，辅助主电源进行紧急调频，使得主电源电流控制环快速退出饱和状态，提高了暂态频率稳定性。

Description

一种独立型微电网快速调频方法

技术领域

本发明涉及的是发生基于大扰动情况下的独立性微电网快速调频方法,属于分布式发电与微电网领域。

背景技术

独立型微电网不依赖于外部大电网，具有可再生能源就地发电、就地消纳的优点，可以有效解决高、海、边、无等地区供电问题。然而独立型微电网缺少大电网提供的频率、电压支撑，加之系统惯性弱、功率波动性强、负荷与电源的双重波动加剧了微电网调频的压力，频率稳定控制更加困难。微电网频率稳定按照遭遇扰动的程度一般可分为小扰动和大扰动。微电网系统发生大扰动后，出现较大的有功功率不平衡，系统频率能够保持或恢复到允许范围内的能力称为暂态频率稳定。

微电网控制模式分为对等控制、主从控制和分层控制。对等控制有利于分布式电源(DG)即插即用，每个DG根据接入点电压和频率的就地信息进行下垂控制，共同支撑系统的频率电压稳定，但是由于多DG下垂并联控制策略存在功率分配不均、环流、震荡等问题，应用还十分困难，因此目前工程上一般应用主从控制或分层控制模式。独立型微电网主从控制或分层控制一般采用一个或少量几个DG或储能作为主控电源承担微电网调频调压角色，遭遇大扰动时，可能存在调频容量不足，进而引起系统频率失稳的问题，研究独立型微电网暂态频率稳定控制具有重要意义。

出现大扰动导致微电网内功率严重不平衡时，常见的控制手段是采取低频减载和高频切机紧急措施，忽略了微电网内PQ源的快速调节能力，导致过多的负荷或电源被切除，此外关于低频减载和高频切机的频率整定均未考虑独立型微电网频率运行范围受二次调频的影响。因此亟待采用一种新的微电网快速调频方法，基于对微电网内PQ源快速调节潜力的挖掘，并考虑二次调频给控制带来的影响，提出一种快速调频方法来应对大干扰情形下的暂态稳定问题。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种独立型微电网快速调频方法，针对出现大扰动导致微电网内功率严重不平衡时，计及二次调频影响，并基于对微电网内PQ源快速调节潜力的挖掘，提高暂态频率稳定性。

为了实现上述目的，本申请采用的技术方案是：一种独立型微电网快速调频方法，步骤如下：

步骤1:根据储能的最大允许放电功率、最大允许充电功率以及主电源有功-频率下垂系数计算独立型微电网在主电源一/二次调频作用下未失稳时的频率运行区间；

步骤2:根据所述频率运行区间和设定的频率安全裕度，在线动态划分频率分区；

步骤3:根据步骤2中的频率分区，判断当前频率所处频率区域，根据频率区域的不同实施频率控制策略。

进一步地，所述独立型微电网在主电源一/二次调频作用下未失稳时的频率运行区间计算公式如下：

其中：

[f₁，f₂]为独立型微电网在主电源一/二次调频作用下未失稳时的频率运行区间；

K_p为采用VF下垂控制的主电源有功-频率下垂系数；

f_n为额定频率；

P₀为额定频率f_n下对应的参考有功功率；

P_{dischrg_max}为储能最大允许放电功率；

P_{chrg_max}为最大允许充电功率。

进一步地，所述频率分区包括：安全稳定区、紧急区、崩溃区。

进一步地，所述在线动态划分频率分区过程如下：

步骤21：计算安全稳定区的临界点f₃和f₄

其中：

[f₁，f₂]为独立型微电网在主电源一/二次调频作用下未失稳时的频率运行区间；

Δf_safe1和Δf_safe2代表频率安全裕度；

步骤22：根据频率运行区间[f₁，f₂]、安全稳定区的临界点f₃和f₄、分布式电源运行频率上限f_{clps_h}和下限f_{clps_l}对独立微电网进行调频分区，分别为安全稳定区、紧急区、崩溃区；

其中，频率在[f₃，f₄]时定义为安全稳定区；

频率在区间[f₁，f₃)或(f₄，f₂]时认为主电源处于接近饱和限流状态或已在饱和限流状态，频率在区间(f₂，f_{clps_h})或(f_{clps_l}，f₁)时认为主电源下垂控制失效，均为不安全状态，统一定义为紧急区；

当系统频率大于f_{clps_h}或小于f_{clps_l}时，分布式电源主动解列，微电网系统全部失电，定义为崩溃区。

进一步地，所述根据频率区域的不同实施频率控制策略具体为：若频率进入安全区，则不对储能、分布式电源或负荷进行控制；若频率进入紧急区，则立即调节PQ储能或光伏有功。

进一步地，所述频率进入紧急区，则立即调节PQ储能或光伏有，具体为：

1)若当前频率高于安全稳定区上限值，则采用PI算法控制PQ储能逐步减少放电功率或增加充电功率，直到当前频率低于安全稳定区上限值；

如果PQ储能功率到达充电功率上限值，当前频率仍然高于安全稳定区上限值，则采用PI算法逐步减小光伏发电功率，直到当前频率低于安全稳定区上限值；

2)若当前频率低于安全稳定区下限值，控制PQ储能逐步增加放电功率或减小充电功率，直到当前频率高于安全稳定区下限值；

如果PQ储能功率到达放电功率上限，则进行轮次切负荷控制，直到当前频率高于安全稳定区下限值。

有益效果：本发明根据主从控制下的独立型微电网大扰动暂态频率特征，基于对微电网内PQ源快速调节潜力的挖掘，计及二次调频给频率控制带来的影响，提出了一种独立型微电网的快速调频方法。该方法计及二次调频参考功率值并在线动态并划分频率分区，采用微网协调控制器快速调节PQ储能和光伏功率，在百毫秒内完成功率目标值的调节，辅助主电源进行紧急调频，使得主电源电流控制环快速退出饱和状态，提高了微网系统暂态频率稳定性。

附图说明

图1是本申请实施例提供的一种独立型微电网快速调频方法示意图。

图2是本申请的典型独立型微电网系统结构；

图3是本申请中典型微电网内的主电源调频曲线图；

图4是本申请对独立微电网调频分区展示图；

图5是本申请的微电网RTDS硬件在环试验平台；

图6是本申请的考虑二次调频影响下的调频方法试验波形比较图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本申请实施例提供的一种独立型微电网快速调频方法包括如下步骤：

S1:根据储能的最大允许放电功率、最大允许充电功率以及主电源有功-频率下垂系数计算独立型微电网在主电源一/二次调频作用下未失稳时的频率运行区间。

S2:根据所述频率运行区间和设定的频率安全裕度，在线动态划分频率分区。

S3:根据步骤S2中的频率分区，判断当前频率所处频率区域，根据频率区域的不同实施频率控制策略。

以图2所示的光储独立型微电网典型结构为研究对象，其中储能1作为主电源采用VF下垂控制，有功-频率下垂系数定为K_p；储能2、光伏1、光伏2采用PQ控制.

针对该典型微电网，主电源储能1作用下的一/二次调频曲线如图3所示。图中P_{dischrg_max}为储能最大允许放电功率、P_{chrg_max}为最大允许充电功率、P₀为额定功率f_n下对应的参考有功功率(以下称“参考功率”)，P_0max和P_0min为P₀的上限和下限。

根据主电源储能1作用下的一/二次调频曲线，独立型微电网在主电源一/二次调频作用下未失稳时的频率运行范围[f₁，f₂]，具体关系如下：

微电网运行频率范围[f₁，f₂]与K_p、P_{dischrg_max}、P_{chrg_max}、P₀有关，实际运行中K_p一般是预先固定的，P_{dischrg_max}、P_{chrg_max}与储能电池和变流器功率有关，通常也是固定的，而P₀由上层能量管理系统设定，往往随着运行工况作动态调整，因此[f₁，f₂]区间随二次调频给定的参考功率变化而变化。

如果功率扰动值大于主电源最大可调节功率，主电源一次调频后电流控制环将进入饱和限流状态，输出功率达到或超过最大允许充放电值，频率运行在[f₁，f₂]边界，接下来主电源可能出现过流保护跳闸，也可能与其他电源之间失去稳定。

如图4所示，将独立微电网进行调频分区，分别为安全稳定区、紧急区、崩溃区，具体划分标准如下：

1)频率在[f₃，f₄]时认为安全稳定，定义为安全稳定区，其中f₃、f₄取值如下：

其中Δf_safe1和Δf_safe2代表频率安全裕度。

2)频率在区间[f₁，f₃)或(f₄，f₂]时认为主电源处于接近饱和限流状态或已在饱和限流状态，频率在区间(f₂，f_{clps_h})或(f_{clps_l}，f₁)时认为主电源下垂控制失效，均为不安全状态，统一定义为紧急区，其中f_{clps_h}和f_{clps_l}是DG运行频率上限和下限；

3)当系统频率大于f_{clps_h}或小于f_{clps_l}时，DG主动解列，微电网系统全部失电，定义为崩溃区。

根据频率区域的不同实施频率控制策略具体为：若当前频率进入安全区，则不对储能、分布式电源或负荷进行控制；若当前频率进入紧急区，则立即调节PQ储能或光伏有功。若频率进入紧急区，微网协调控制器则立即调节PQ储能或光伏有功，具体步骤如下：

1)若f＞f₄，采用PI算法控制PQ储能逐步减少放电功率或增加充电功率，直到f≤f₄。如果PQ储能功率到达充电功率上限，仍然f＞f₄，则采用PI算法逐步减小光伏发电功率，直到f≤f₄；

2)若f＜f₃，控制PQ储能逐步增加放电功率或减小充电功率，直到f≥f₃。如果PQ储能功率到达放电功率上限，则进行轮次切负荷控制，直到f≥f₃。

下面结合图5、图6结合具体系统介绍本申请的独立型微电网快速频率控制方法。

1、针对大扰动下的暂态频率控制问题，采用图5硬件在环试验方案搭建了由实时数字仿真器(RTDS)与储能变流器控制器、光伏逆变器控制器、微网协调控制器组成的微电网试验平台。系统一次结构及光伏、储能、负荷额定容量仍如图1所示。主电源储能1具备500ms短时1.1倍过载能力，下垂系数K_p＝0.5×10-2Hz/kW，P_{dischrg_max}、P_{chrg_max}均为200kW，频率安全裕度Δf_safe1＝0.2Hz,Δf_safe2＝0.2Hz，二次调频功率P₀＝60kW。

2.为了与传统低频减载作对比，设定传统低频减载定值为49.2Hz，延时0.3s跳负荷1，延时0.6s跳负荷2；快速调频策略中低频调频门槛值为f₃，延时0.3s跳负荷1，延时0.6s跳负荷2。而低频调频门槛值为f₃的计算公式如下：

根据以上公式计算f₁＝49.3Hz，f₂＝51.3Hz，f₃＝49.5Hz，f₄＝51.1Hz。将独立微电网进行调频分区，分别为安全稳定区、紧急区、崩溃区，具体划分标准如下：

1)频率在[f₃，f₄]时认为安全稳定，定义为安全稳定区；

2)频率在区间(f₂，f_{clps_h})或(f_{clps_l}，f₁)时认为主电源下垂控制失效，均为不安全状态，统一定义为紧急区；

3)当系统频率大于f_{clps_h}或小于f_{clps_l}时，DG主动解列，微电网系统全部失电，定义为崩溃区。

3.若频率进入紧急区，微网协调控制器则立即调节PQ储能或光伏有功，具体步骤如下：

1)若f＞f₄，采用PI算法控制PQ储能逐步减少放电功率或增加充电功率，直到f≤f₄。如果PQ储能功率到达充电功率上限，仍然f＞f₄，则采用PI算法逐步减小光伏发电功率，直到f≤f₄；

2)若f＜f₃，控制PQ储能逐步增加放电功率或减小充电功率，直到f≥f₃。如果PQ储能功率到达放电功率上限，则进行轮次切负荷控制，直到f≥f₃。

以独立型微电网发生大电源跳闸导致系统有功严重不足为例，图6为计及二次调频作用，采用本发明方法与传统低频减载的试验波形，其中0.5s前微电网频率运行在50Hz，光伏1投入，发电功率200kW，负荷1、2、3均投入，共280kW，储能220kW恒功率放电，储能1放电功率约60kW。

如图6所示，t₀＝0.5s时光伏1跳闸后，系统频率迅速跌落至49.25Hz，高于低频减载定值49.2Hz，传统低频减载不动作，储能1持续处于控制电流环饱和限流状态，t₁＝1.03s时过流跳闸，微电网失去主电源，系统崩溃。而快速调频方法根据二次调频参考功率值计算紧急区的边界值，得到低频调频动作门槛为49.5Hz，因此t₀＝0.5s时光伏1跳闸后，PQ储能和减载均能正确动作，最终频率稳定在49.7Hz。

上述试验结果表明，当投入二次调频后，发生功率扰动导致有功功率严重不足时，系统频率跌落可能会引起传统低频减载拒动。同样，当功率过剩，频率上升也可能会引起传统高频切机拒动。而本发明的快速调频方法计及二次调频参考功率值的影响，自动调整动作门槛，能有效适应二次调频带来的频率运行范围影响。

本发明针对大扰动下的暂态频率控制问题，基于对微电网内PQ源快速调节潜力的挖掘，并考虑二次调频给控制带来的影响，通过微网协调控制器在线动态划分频率分区并快速调节恒功率控制电源输出功率，辅助主电源进行紧急调频，有效提高系统暂态频率稳定性。

Claims (5)

1.一种独立型微电网快速调频方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1:根据储能的最大允许放电功率、最大允许充电功率以及主电源有功-频率下垂系数计算独立型微电网在主电源一/二次调频作用下未失稳时的频率运行区间；所述独立型微电网在主电源一/二次调频作用下未失稳时的频率运行区间计算公式如下：

其中：

[f₁，f₂]为独立型微电网在主电源一/二次调频作用下未失稳时的频率运行区间；

K_p为采用VF下垂控制的主电源有功-频率下垂系数；

f_n为额定频率；

P₀为额定频率f_n下对应的参考有功功率；

P_{dischrg_max}为储能最大允许放电功率；

P_{chrg_max}为最大允许充电功率；

步骤2:根据所述频率运行区间和设定的频率安全裕度，在线动态划分频率分区；

步骤3:根据步骤2中的频率分区，判断当前频率所处频率区域，根据频率区域的不同实施频率控制策略。

2.根据权利要求1所述的一种独立型微电网快速调频方法，其特征在于，所述频率分区包括：安全稳定区、紧急区、崩溃区。

3.根据权利要求1所述的一种独立型微电网快速调频方法，其特征在于，所述在线动态划分频率分区过程如下：

步骤21：计算安全稳定区的临界点f₃和f₄

其中：

[f₁，f₂]为独立型微电网在主电源一/二次调频作用下未失稳时的频率运行区间；

Δf_safe1和Δf_safe2代表频率安全裕度；

步骤22：根据频率运行区间[f₁，f₂]、安全稳定区的临界点f₃和f₄、分布式电源运行频率上限f_{clps_h}和下限f_{clps_l}对独立微电网进行调频分区，分别为安全稳定区、紧急区、崩溃区；

其中，频率在[f₃，f₄]时定义为安全稳定区；

频率在区间[f₁，f₃)或(f₄，f₂]时认为主电源处于接近饱和限流状态或已在饱和限流状态，频率在区间(f₂，f_{clps_h})或(f_{clps_l}，f₁)时认为主电源下垂控制失效，均为不安全状态，统一定义为紧急区；

当系统频率大于f_{clps_h}或小于f_{clps_l}时，分布式电源主动解列，微电网系统全部失电，定义为崩溃区。

4.根据权利要求2所述的一种独立型微电网快速调频方法，其特征在于，所述根据频率区域的不同实施频率控制策略具体为：若频率进入安全区，则不对储能、分布式电源或负荷进行控制；若频率进入紧急区，则立即调节PQ储能或光伏有功。

5.根据权利要求4所述的一种独立型微电网快速调频方法，其特征在于，所述频率进入紧急区，则立即调节PQ储能或光伏有，具体为：

1)若当前频率高于安全稳定区上限值，则采用PI算法控制PQ储能逐步减少放电功率或增加充电功率，直到当前频率低于安全稳定区上限值；

如果PQ储能功率到达充电功率上限值，当前频率仍然高于安全稳定区上限值，则采用PI算法逐步减小光伏发电功率，直到当前频率低于安全稳定区上限值；

2)若当前频率低于安全稳定区下限值，控制PQ储能逐步增加放电功率或减小充电功率，直到当前频率高于安全稳定区下限值；

如果PQ储能功率到达放电功率上限，则进行轮次切负荷控制，直到当前频率高于安全稳定区下限值。

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