CN113036782B - 一种用于无储能型水电微网的平衡负载调频方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于无储能型水电微网的平衡负载调频方法，包括以下步骤：S1、投入平衡负载设备，以调节小水电微网的频率时；S2、计算平衡负载需要消耗的有功功率的值；S3、设备启动后，控制平衡电阻；S4、根据占空比控制IGBT导通与关断信号，最终使平衡电阻设备消耗功率为目标值。本发明在不配置储能设备的前提下，本发明提出的调频方法，将小型水利发电设备与平衡电阻设备以及本地用电负荷组成微网。相比储能电池，平衡电阻作为一种廉价的调频手段，可以大幅降低水电微网的改改造以及建设成本。在配电网络发生故障，在富含水力资源的山区以及偏远农村地区，仍可以从独立运行的水电微网得到电能。

Description

一种用于无储能型水电微网的平衡负载调频方法
技术领域
本发明属于微电网控制领域，具体涉及一种用于无储能型水电微网的平衡负载调频方法。
背景技术
中国的华南地区以及西南地区存在着丰富的水能资源，在这些地方存在着较多的小型的水利发电站。这些具有开发条件的水利资源往往位于较为偏偏的山区以及农村地区。由于农网建设标准与装备水平与城网存在较大差距，以及富含小水电的农村和山区往往因负荷较小切分散造成了农网线路过长、故障定位困难、检修困难等问题，综合这些因素造成了含有小型水电站的农村地区的供电可靠性较低。为提高偏远农村电网以及山区电网的供电可靠性，目前较为可行的技术方案为建立含分布式电源的微电网，在配网线路发生故障并断电后，微网可以孤网运行，持续为负荷供电。微电网在孤立运行的状态时，缺乏主电网提供的频率支撑并无法从大电网获得能量，易产生频率偏差越限的现象。
为使孤立运行的微网频率保持稳定，需要微网内部保持有功发出与有功吸收的平衡。但是当前的微网技术，如专利号CN107092975B，CN111900712A，CN111882105A，CN110880759A，CN110867888A所提出的微网方案都是含有储能的设计方案，即利用储能设备维持微网内有功平衡，从而保证微网频率稳定。储能设备的购买成本高，维护成本高，使用年限较短。在含有小水电的山区地区，往往存在改造资金不足的情况，没有足够的资金购置储能设备。因此提出一种适用于较少投资的山区水电微网的调频措施就十分必要。
发明内容
针对上述存在问题，本发明提出一种用于无储能型水电微网的平衡负载调频方法。
本发明至少通过如下技术方案之一实现。
一种用于无储能型水电微网的平衡负载调频方法，包括以下步骤：
S1、投入平衡负载设备，以调节小水电微网的频率时；
S2、计算平衡负载需要消耗的有功功率的值；
S3、设备启动后，控制平衡电阻电路；
S4、根据占空比控制电阻导通与关断信号，最终使平衡电阻电路消耗功率为目标值。
优选的，计算平衡负载需要消耗的有功功率的值的公式为：
Pba.ref＝Phy-Pload
其中，Pba.ref为平衡电阻的输出功率目标值，即可达到保证水电微网频率稳定的目标；Phy是水电机组发出的功率，Pload是负荷消耗的功率。
优选的，所述平衡电阻电路包括若干条并联的电阻支路，每条支路中有一个电阻一个IGBT为串联结构，通过分别控制各支路电阻的导通与关断时间，控制平衡电阻电路的各支路中功率电阻的投入量。
优选的，步骤S3采用三段式控制平衡电阻电路，通过分别控制三条电阻支路的导通与关断时间，控制平衡电阻电路的各支路中功率电阻的投入量。
优选的，三段式控制平衡电阻电路的功率分别设置为：设平衡电阻的额定功率为PN，第一段的电阻R1功率为
Figure BDA0003037521840000031
第二段的电阻R2功率为
Figure BDA0003037521840000032
第三段的电阻R3功率为
Figure BDA0003037521840000033
PN值设为与水电机组额定输出功率相等，令
Figure BDA0003037521840000034
优选的，令第一段、第二段、第三段的占空比分别为D1、D2和D3，若占空比为1，则在一个开关周期T内投入时间为100％T；占空比为0.5，则在一个开关周期内电阻投入时间为50％T；占空比为0，则说明在一个开关周期内电阻投入时间为0。
优选的，第一段、第二段的占空比D1、D2的取值由Pba.ref的值来确定；当Pba.ref属于(0,0.99)P0范围内时，D1取值为0，D2取值为0；当Pba.ref属于(1,1.99)P0范围内时，D1取值为0，D2取值为0.5；当Pba.ref属于(2,2.99)P0范围内时，D1取值为0，D2取值为1；当Pba.ref属于(3,3.99)P0范围内时，D1取值为0.5，D2取值为0.5；当Pba.ref属于(4,4.99)P0范围内时，D1取值为1，D2取值为0；当Pba.ref属于(5,5.99)P0范围内时，D1取值为1，D2取值为0.5；当Pba.ref属于(6,7)P0范围内时，D1取值为1，D2取值为1；
第三段的占空比的计算方式为：
令第三段支路的额定功率
Figure BDA0003037521840000035
根据平衡电阻需要消耗的功率Pba.ref计算第三段的占空比D3：
Figure BDA0003037521840000036
优选的，所述三段式控制平衡电阻电路的三条支路额定功率相等。
优选的，步骤S3采用两段式控制平衡电阻电路，通过分别控制并联的电阻支路的导通与关断时间，控制平衡电阻电路的各支路中功率电阻的投入量。
优选的，所述平衡电阻电路还包括整流桥以及滤波电路在直流侧接入功率电阻和IGBT。
与现有的技术相比，本发明的有益效果为：
在不配置储能设备的前提下，本发明提出的调频方法，将小型水利发电设备与平衡电阻电路以及本地用电负荷组成微网。相比储能电池，平衡电阻作为一种廉价的调频手段，可以大幅降低水电微网的改改造以及建设成本。在配电网络发生故障，在富含水力资源的山区以及偏远农村地区，仍可以从独立运行的水电微网得到电能。
附图说明
图1为本实施例水电微网有功功率及微网频率波形图；
图2为本实施例平衡负载在小水电微网系统应用示意图；
图3为本实施例平衡负载主电路图；
图4为本实施例第三段IGBT的开关管控制信号生成示意图；
图5为本实施例水电微网有功功率及微网频率波形图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图1所示一种用于无储能型水电微网的平衡负载调频方法，包括以下步骤：
S1、当需要平衡负载调节小水电微网的频率时，投入平衡负载设备。所述平衡负载设备指的是可实时改变内阻的设备，该设备可吸收有功功率，使得水电微网内部发电功率与用电功率平衡。
微电网能够运行成功的重要条件是在微网中的分布式电源发电容量能够满足微网中负荷的用电需求。即分布式电源出力应大于负荷用电。为满足这一条件在微电网初步的设计过程中，可以通过设置微电网的运行范围来确保分布式电源的发电容量Phydro大于最大负荷用电Pload。小水电微网运行范围如图2所示，图中虚线框内部分是微网系统的运行范围，包括小水电以及本地的用电负荷，且电源容量能够满足最大负荷需求并留有一定裕量。
当配电网线路LAB因故障或检修需要断开时，小水电微网可进入孤网运行状态，在孤网运行状态下，平衡负载可用于水电微网的调频。水电微网由断路器B3与配电网连接，平衡负载可通过小水电站内部的母线接入，水电微网内部的负荷称为水电侧负荷Pload，水电微网内部的本地负荷通过负荷母线接入微网。
保持小水电微网频率稳定需要保证机械输入功率与电磁功率保持平衡。小水电微网在孤岛状态下失去主电网支撑，其频率变化影响因素主要受微网内功率不平衡有关，即输入小水电机组的机械功率与输出的电磁功率不平衡。小水电孤岛系统频率变化的速度与小水电孤岛系统容量及惯性时间常数有关。小水电微网的频率扰动过程，如下式所示。
Figure BDA0003037521840000051
式中，J是水电机组的转动惯量；ω为转子的角速度；Pmi、Pei分别为机组i的机械功率及电磁功率；Pm1为孤岛系统所有发电机原动功率；Phy为总的电磁功率；t为孤岛持续时间；fN为系统额定频率；Shydro为水电孤岛系统容量；Hhydro为水电孤岛惯性时间常数，Δt是孤岛持续时间的微分表示，Δf指的是频率偏差，即偏离额定频率50Hz的值。
S2、计算平衡负载需要消耗的有功功率的值，计算公式为：
Pba.ref＝Phy-Pload
其中，Pba.ref为平衡负载需要消耗的有功功率的值，即可达到保证水电微网频率稳定的目标；Phy是水电机组发出的功率，Pload是负荷消耗的功率，二者均由测量得到。
水电机组的机械装置调节导叶角度来控制水流量的常规调速系统，往往会造成水轮机故障率升高，造成后期维修成本增加。对于有库容的小水电站来说，水电机组在发电状态下，单位时间内水库蓄水量损失为定值。因此，输入到水电机组的机械功率Pm为额定值是机组经济性最佳的状态。
微网在孤岛运行状态下通过平衡负载控制水电微网的频率。根据式(1)可知，小水电微网在孤岛运行状态下保持频率稳定的条件是水电微网发出的有功功率与微网内负荷消耗的有功功率实时相等。为保证孤岛微网中能量平衡，需要调节平衡负载消耗的功率Pba，达到稳定微网频率的作用。微网内的负荷有一定的随机性，Pba需要实时调节跟踪负载波动。根据计算出的Pba的值实时调节平衡电阻的输出功率，即可达到保证水电微网频率稳定的目标。
S3、设备启动后，根据收到的功率输出目标值Pba.ref计算一段、二段、三段电阻在一个开关周期内投入时间，即占空比D1、D2和D3。
如图3所示，平衡电阻回路包括整流桥以及滤波电路，在直流侧接入功率电阻和IGBT，通过IGBT的控制信号S1、信号S2、信号S3来改变导通和关断时间，即改变开关导通的占空比，来调节在功率电阻上消耗的有功功率，以实现控制平衡负载消耗有功功率的功能。这种平衡电阻的控制方式可实现对Pba的稳定、快速跟踪。
本发明中平衡电阻的额定功率为PN，平衡电阻的控制分为三段式控制，第一段的电阻R1功率为
Figure BDA0003037521840000071
第二段的电阻R2功率为
Figure BDA0003037521840000072
第三段的电阻R3功率为
Figure BDA0003037521840000073
PN值设为与水电机组额定输出功率相等。通过分别控制三个绝缘栅双极型晶体管(Insulated GateBipolar Transistor，IGBT)的导通与关断时间，控制平衡电阻的三条支路中功率电阻的投入量。
第三段的PWM占空比的分辨率是0.01，由于第三段的功率电阻为
Figure BDA0003037521840000074
所以最小调节粒度为
Figure BDA0003037521840000075
在第一条和第二条的IGBT的控制则负责较粗粒度的调节任务。第一条和第二条支路的电阻分别为R1和R2采用粗调控制，第三条支路的电阻R3采取细调方式。粗调节方式指的是IGBT的控制信号的精度不需要太高，占空比分辨率是0.5；细调方式指的是占空比分辨率为0.01。
令第三段支路的额定功率
Figure BDA0003037521840000076
根据平衡电阻需要消耗的功率Pba.ref计算占空比。
令第一段、第二段、第三段的占空比分别为D1、D2和D3，平衡电阻的三段支路的占空比取值表如表1所示。占空比为1说明在一个开关周期T内投入时间为100％T，占空比为0.5说明在一个开关周期内电阻投入时间为50％T，占空比为0则说明在一个开关周期内电阻投入时间为0。
表1三段占空比取值表
(0,0.99)P<sub>0</sub> (1,1.99)P<sub>0</sub> (2,2.99)P<sub>0</sub> (3,3.99)P<sub>0</sub> (4,4.99)P<sub>0</sub> (5,5.99)P<sub>0</sub> (6,6.99)P<sub>0</sub> 7P<sub>0</sub>
D1 0 0 0 0.5 1 1 1 1
D2 0 0.5 1 0.5 0 0.5 1 1
D3 D3 D3 D3 D3 D3 D3 D3 1
其中第三段的占空比D3的计算方法为：
Figure BDA0003037521840000081
S4、根据占空比控制IGBT导通与关断信号，最终使平衡电阻电路消耗功率为目标值，具体的：第一段和第二段为粗调节方式，占空比为0，则一个开关周期T时间内，对应的IGBT不导通。占空比为0.5，则一个开关周期T时间内，对应的IGBT在(0，0.5T)时间内导通，在(0.5T，T)时间内关断。占空比为1，则一个开关周期T时间内，对应的IGBT保持导通状态。
第三段为细调状态，计算得出D3后，将D3与三角波进行比较。计算方式为：
设整流后电压为U、第一段、第二段、第三段的占空比分别为D1、D2、D3，则得到平衡电阻的功率消耗为：
Figure BDA0003037521840000082
其中，UN、R1、R2、R3分别表示水电微网的额定电压、第一段电阻值、第二段电阻值、第三段电阻值。
当D3大于三角波时，第三段的IGBT导通；当D3小于三角波时，第三段的IGBT关断，示意图如图4所示。
为验证本发明所提平衡负载的设计方案有效性，本发明通过在PSCAD仿真平台上建立水电微网模型，模型包含2.4MW的小水电机组，具有随机波动性的本地负荷，以及平衡负载。仿真输出结果如图5所示，当本地负载在2.3-1.7MW范围内随机波动，平衡负载能够较好的跟踪本非负载变化，并实时调节消耗的有功功率。在平衡负载的调节下，水电机组的输出保持稳定，并且水电微网的频率稳定在49.98Hz-50.02Hz之间，符合微网运行的50Hz±0.5Hz的频率标准。
实施例1，假设有额定电压10kV小水电微网含2.4MW的小水电机组、具有随机波动性的本地负荷波动范围为2.3-1.8MW，现需小水电微网要孤网运行，则根据本发明的技术方案，需要以下步骤：
(1)、设置电阻串联IGBT为一条电阻支路；
(2)、将三条步骤(1)所述的电阻支路并联，组成并联电路；
(3)、将需要电阻吸收的有功功率最大值设为PN，PN＝水电容量-最大负荷值＝(2.4-1.7)MW＝0.7MW；
S4、设置三条电阻支路的额定功率分别为PN1、PN2、PN3，计算PN1＝4PN/7＝0.4MW，PN2＝2PN/7＝0.2MW，PN3＝PN/7＝0.1MW；
三条支路的电阻值分别为R1＝(10kV)2/PN1＝250Ω，R2(10kV)2/PN2＝500Ω，R3＝(10kV)2/PN3＝1000Ω。最小分辨率为0.01，则最小的功率调节幅度为0.01*PN3＝0.001MW＝1kW。
S5、使用三条电阻支路组成的平衡负载带电运行；
S6、若在孤岛运行的任意时刻t，负载值为2.038MW，计算得到平衡负载的吸收有功功率的目标值Pba.ref＝2.4-2.038＝0.362MW；
S7、根据Pba.ref＝0.362MW，可知Pba.ref/PN3＝0.36MW/0.1MW＝3.62,查表得到两条支路中IGBT的导通时间占空比D1＝0.5、D2＝0.5；
S8、根据Pba.ref＝0.36MW及D1＝0.5、D2＝0.5计算得到第三条支路占空比D3＝0.62，D3的分辨率为0.01，即精确到小数点后两位；
S9、生成三条支路中IGBT的控制信号S1、S2、S3；
S10、平衡电阻电路吸收的功率值为Pba.ref＝0.36MW，水电微网内部功率达到平衡，频率保持稳定。
实施例2：将步骤S2中三条电阻支路并联可改为由两条电阻支路并联，一条电阻支路的IGBT的导通时间占空比可采用查表得到，该电阻支路的额定功率为PN1＝PN/3＝0.467MW。一条电阻支路的IGBT的导通时间占空比可以采用计算得到，则该电阻支路的额定功率为PN2＝PN/3＝0.233MW。
实施例3：将步骤S3中设置第一条、第二条、第三条电阻支路的额定功率分别为PN1、PN2、PN3，三条支路额定功率相等则，PN1＝PN/3＝0.233MW，PN2＝PN/3＝0.233MW，PN3＝PN/3＝0.233MW。这样的设置较为简单，但是功率的最小调节幅度为则最小的功率调节幅度为0.01*PN3＝0.00233MW＝1.33kW，功率调节粒度比原方案的功率调节粒度要大，相应的调节精度会低。
实施例4：将步骤S8中D3的分辨率为0.01，改为0.001即精确到小数点后三位。根据Pba.ref＝0.36MW及D1＝0.5、D2＝0.5计算得到第三条支路占空比D3＝0.620，计算精度可以提高。
实施例5：当可变电阻有两条电阻支路时，支路1作为粗调，支路2作为细调。设置令P0＝PN/5。粗调支路的占空比为D1，调节分辨度可设置为0.1，额定功率为4P0；细调支路的占空比为D2，调节分辨度可设置为0.01，额定功率为P0。则占空比为：
表2二段占空比取值表
(0,0.99)P<sub>0</sub> (1,1.99)P<sub>0</sub> (2,2.99)P<sub>0</sub> (3,3.99)P<sub>0</sub> (4,5.00)P<sub>0</sub>
D1 0 0 0 0.5 1
D2 D2 D2 D2 D2 D2
其中第二段的占空比D2的计算方法为：
Figure BDA0003037521840000111
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (7)

1.一种用于无储能型水电微网的平衡负载设备调频方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、投入平衡负载设备，以调节水电微网的频率；
S2、计算平衡负载设备需要消耗的有功功率的值；
S3、设备启动后，采用三段式控制平衡电阻电路，通过分别控制三条支路的导通与关断时间，控制平衡电阻电路的各支路中电阻的投入量，根据收到的消耗的有功功率的值计算第一支路、第二支路、第三支路的电阻在一个开关周期内投入时间，即占空比D1、D2和D3；平衡电阻的额定功率为PN，平衡电阻的控制分为三段式控制，第一支路的电阻R1功率为
Figure FDA0004013695320000011
第二支路的电阻R2功率为
Figure FDA0004013695320000012
第三支路的电阻R3功率为
Figure FDA0004013695320000013
PN值设为与水电机组额定输出功率相等，令
Figure FDA0004013695320000014
S4、根据占空比控制电阻导通与关断信号，最终使平衡电阻电路消耗功率为目标值。
2.根据权利要求1所述的一种用于无储能型水电微网的平衡负载设备调频方法，其特征在于，计算平衡负载设备需要消耗的有功功率的值的公式为：
Pba.ref＝Phy-Pload
其中，Pba.ref为平衡电阻的输出功率目标值，即可达到保证水电微网频率稳定的目标；Phy是水电机组发出的功率，Pload是负荷消耗的功率。
3.根据权利要求2所述的一种用于无储能型水电微网的平衡负载设备调频方法，其特征在于，每条支路由一个电阻和一个IGBT构成串联结构，通过分别控制各支路电阻的导通与关断时间，控制平衡电阻电路的各支路中功率电阻的投入量。
4.根据权利要求3所述的一种用于无储能型水电微网的平衡负载设备调频方法，其特征在于，若占空比为1，则在一个开关周期T内电阻投入时间为100％T；占空比为0.5，则在一个开关周期内电阻投入时间为50％T；占空比为0，则说明在一个开关周期内电阻投入时间为0。
5.根据权利要求4所述的一种用于无储能型水电微网的平衡负载设备调频方法，其特征在于，第一支路、第二支路的占空比D1、D2的取值由Pba.ref的值来确定；当Pba.ref属于(0,0.99)P0范围内时，D1取值为0，D2取值为0；当Pba.ref属于(1,1.99)P0范围内时，D1取值为0，D2取值为0.5；当Pba.ref属于(2,2.99)P0范围内时，D1取值为0，D2取值为1；当Pba.ref属于(3,3.99)P0范围内时，D1取值为0.5，D2取值为0.5；当Pba.ref属于(4,4.99)P0范围内时，D1取值为1，D2取值为0；当Pba.ref属于(5,5.99)P0范围内时，D1取值为1，D2取值为0.5；当Pba.ref属于(6,7)P0范围内时，D1取值为1，D2取值为1；
第三支路的占空比的计算方式为：
令第三支路的额定功率
Figure FDA0004013695320000021
根据平衡电阻的输出功率目标值Pba.ref计算第三支路的占空比D3：
Figure FDA0004013695320000022
6.根据权利要求5所述的一种用于无储能型水电微网的平衡负载设备调频方法，其特征在于，所述三段式控制平衡电阻电路的三条支路额定功率相等。
7.根据权利要求1～6任一项所述的一种用于无储能型水电微网的平衡负载设备调频方法，其特征在于，所述平衡电阻电路还包括整流桥以及滤波电路，在直流侧接入功率电阻和IGBT。
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