CN113300408B - 微电网群同期控制方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种微电网群同期控制方法和系统，所述微电网群同期控制系统包括中央控制器，所述中央控制器被配置为：从多个微电网中的每个接收并网点的电压测量值；对所述电压测量值进行比例积分调节，并得到上一时刻的电压测量值与当前时刻的控制值之间的差分，以估计针对每个微电网的下一时刻的控制指令；以及向所述多个微电网中的至少一个微电网发送控制指令，以通过锁相控制调节所述多个微电网之间的合闸同期。能够保证所采集数据的准确性和实效性以及控制的有效性，极大限度提升了微电网群同期合闸成功率。
Description
技术领域
本公开属于微电网群控制领域，具体地讲，涉及一种基于最优状态估计和IEC61850通信方式的微电网群同期控制方法和系统。
背景技术
随着更大容量的微电网系统的发展和成熟，多个微电网之间由单个并网点发展到多个并网点。同一工业园区内的多个负荷需要建设多个微电网，多个微电网之间的并联运行可最大化利用能源，提高系统稳定性，保证供电可靠性。传统的并网合闸同期技术是基于电力系统多机并联运行的技术，在解决合闸同期的问题时，主要利用处于枢纽变电站中安装在同期并列点的准同期并列装置来判断电压幅值差、相位差和频率差，再计算同期并列的越前时间来控制合闸继电器，从而达到并列操作的目的。但传统的同期合闸控制技术主要针对的是电源频率基本不可调的大电网系统，对于电源更加灵活且包含大量电力电子装置的微电网并不适用，并且在数据处理、信息通信、控制算法等方面还存在耗时长、计算复杂等缺点。
在交流微电网中，分布式发电设备主要通过同步发电机形式或电力电子装置(变流器)接口接入。同步发电机类型的电源与传统保护装置检同期重合闸功能类似，由于发电机自身具备转动惯量和阻尼使得稳定运行中电压频率不发生突变，因此其并网可利用检同期装置实现，即检测电源侧电压与电网侧电压的幅值、频率、相位角达到并网允许的范围则可合闸并网；以电力电子装置为接口的分布式电源和储能装置与传统电网的自动准同期并列操作类似，同期并网主要是基于稳定电压源的锁相技术，采用电压控制方式实现微电网系统并网的预同步控制。但对于孤岛状态下的微电网，U/f控制模式下的储能系统、同步发电机、大量电力电子装置以及负荷同时运行，同期并网的条件更难以满足，同时数据处理和信息传递也更为复杂，时效性要求更高。
目前，微电网中采用的并网技术主要是基于传统电力系统同期并网操作的改进。公开《用于微网的从孤岛模式切换到并网模式的模式切换方法》(申请号201110382606.2)，采用的方法是在微电网并网前将所有分布式电源停机，确保不出现非同期并网，但会造成负荷短时断电影响用户；公开《一种基于相位逐步逼近的微电网同期并网方法》(申请号201510549244.X)，将微电网系统与电网系统间的相位差作为同期判别依据，并采用设定步长调节的方法对微电网侧的电压相位进行调节，但没有对电压幅值的同期调节进行考虑；公开《一种微电网平滑同期并网控制方法》(申请号201410057243.9)公开的微电网并网方法中，公开了一种单相/三相自适应的同期并网检测和调节方法，通过自动幅值补偿、自动相角补偿的方式进行同期调节，但此同期调节所需时间较长；公开《一种微电网群同期合闸并网的控制方法》(申请号201610580848.5)，主要基于电力电子接口控制的逆变器控制并网频率，但其考虑的微电网群并网仅指包含多个小微电网的大型微电网并入电力系统，仅考虑一个并网点，并未研究多个微电网群并网的情况。
大多数现有的微电网同期并网技术的研究内容主要集中在如何对微电网侧的电压幅值、频率和相位进行稳定精确的控制调节，以及对同期合闸判定算法的更新。但计算和控制精准的前提是保证所使用数据的准确性，同时保证系统通信的时效性。对此，目前使用的方式在于提高传感器精度或数据传输质量，通过不间断多次采集来提高数据准确性。而对于多个微电网群的同期并网，现有技术也仅按既定顺序逐个系统逐步并网，效率较低同时也不能够保证系统稳定性。本公开针对微电网群同期时的数据采集以及多个微电网群(多个并网点)同期并网问题，在数据处理算法和通信控制方面进行了优化和创新。
发明内容
提供本发明内容是为了以简化的形式介绍所选择的构思，并将在下面的具体实施方式中进一步描述这些构思。本发明内容无意确定所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也无意用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
本公开以断路器上下口电压幅值、频率和相角作为判断依据，根据同期控制点两端的电压估算结果，对微电网内的分布式电源(主要是电压频率支撑电源)采用快速比例积分进行实时功率调节。在缩短同期时间的同时实现同期条件的准确判断，使合闸对两端微电网的冲击较小，提高同期成功率。其中，本公开的电压估算建立同期控制的差分方程模型以及最优估计模型，采用最优状态估计对同期需要的状态量进行最优值的获取，极大限度提升同期准确性，从而减少同期合闸的系统冲击，提升系统同期的暂态和动态稳定性。本公开建立了针对单个微电网的同期条件边界模型，进而建立多个微电网群的同期条件边界模型，能够准确判别同期顺序，做到稳定同期的同时提高同期效率，避免出现微电网群内的分布式电源同期不能被调节(备用容量不足)而破坏系统稳定性。
根据本公开的一方面，提供一种微电网群同期控制系统，微电网群可包括多个微电网，所述系统包括中央控制器，所述中央控制器被配置为：从多个微电网中的每个接收并网点的电压测量值；对所述电压测量值进行比例积分调节，并得到上一时刻的电压测量值与当前时刻的控制值之间的差分，以估计针对每个微电网的下一时刻的控制指令；以及向所述多个微电网中的至少一个微电网发送控制指令，以通过锁相控制调节所述多个微电网之间的合闸同期。
所述电压测量值可以以每个采样周期的时间驱动的方式被发送；并且所述控制指令的发送时间间隔可从最小时间间隔增大至心跳时间间隔。
所述中央控制器还可被配置为：通过IEC 61850标准中的SV协议从每个微电网接收电压测量值；通过IEC 61850标准中的GOOSE协议向所述至少一个微电网发送控制指令，并且针对通过SV/GOOSE协议传输的每一帧数据执行单独校验。
所述中央控制器还可被配置为：对所述并网点两侧的电压测量值进行最优状态估计，使得控制指令的误差最小。
所述中央控制器还可被配置为：将对所述差分进行累加求和得到的测量误差累计确定为服从高斯分布。
所述中央控制器还可被配置为：利用上一电压周期的电压测量值的协方差对每个电压测量值进行实时校验。
所述中央控制器还可被配置为：通过对电压测量值进行Park变换成为旋转直角坐标系并进行正交变换得到离散的电压值直轴分量和交轴分量，并作为比例积分调节的输入值。
所述中央控制器还可被配置为：根据所述多个微电网中的每个的容量确定所述多个微电网的调节顺序，并基于当前运行电压参数状态下的裕度确定需要被调节的微电网的同期调节边界。
所述中央控制器还可被配置为：将容量较小的微电网选择为同期先被调节的目标，并且当电压调节参数超过微电网的同期调节边界时改变调节目标。
根据本公开的另一方面，提供一种微电网群同期控制方法，微电网群可包括多个微电网，所述方法包括：从多个微电网中的每个微电网接收并网点的电压测量值；对所述电压测量值进行比例积分调节，得到上一时刻的电压测量值与当前时刻的控制值之间的差分，以用于估计下一时刻的控制指令；以及向所述多个微电网中的至少一个微电网发送控制指令，以通过锁相控制调节所述多个微电网之间的合闸同期。
所述电压测量值可以以每个采样周期的时间驱动的方式被发送；并且所述控制指令的发送时间间隔可从最小时间间隔增大至心跳时间间隔。
所述方法还可包括：过IEC 61850标准中的SV协议从每个微电网接收所述电压测量值，并且通过IEC 61850标准中的GOOSE协议向至少一个微电网发送控制指令；针对通过SV/GOOSE协议传输的每一帧数据执行单独校验。
所述方法还可包括：对所述并网点两侧的电压测量值进行最优状态估计，使得控制指令的误差最小。
所述方法还可包括：将对所述差分进行累加求和得到的测量误差累计确定为服从高斯分布。
所述方法还可包括：利用上一电压周期的电压测量值的协方差对每个电压测量值进行实时校验。
所述方法还可包括：通过对电压测量值进行Park变换成为旋转直角坐标系并进行正交变换得到离散的电压值直轴分量和交轴分量，并作为比例积分调节的输入值。
所述方法还可包括：根据所述多个微电网中的每个的容量选择所述多个微电网的调节顺序，并基于当前运行电压参数状态下的裕度确定需要被调节的微电网的同期调节边界。
所述方法还可包括：将容量较小的微电网选择为同期先被调节的目标，并且当电压调节参数超过微电网的同期调节边界时改变调节目标。
根据本公开的另一方面，提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当所述计算机程序在被处理器执行时实现上述微电网群同期控制方法。
根据本公开的另一方面，提供一种计算机设备，所述计算机设备包括：处理器；存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现上述微电网群同期控制方法。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述，本公开的以上和其它方面、特征和优点将被更清楚地理解，在附图中：
图1是未施加同期控制的断路器两端的单相电压曲线图；
图2是无电压状态估计的同期控制的断路器两端的单相电压曲线图；
图3是基于就地直采直控的同期控制方式的两个微电网的拓扑图；
图4是采用IEC 61850协议的同期控制方式的拓扑图；
图5是传统模式下的多个微电网的同期控制的拓扑图；
图6是根据本公开的同期控制系统的拓扑图；
图7是根据本公开的同期控制系统的框图；
图8是根据本公开的三相同步锁相环原理的框图；
图9是根据本公开的锁相环输出的电压幅值(Vd)曲线图；
图10是根据本公开的锁相环输出的角频率(ω)曲线图；
图11是根据本公开的锁相环输出的电压相角(θ)曲线图；
图12是根据本公开的PI调节器原理的框图；
图13是根据本公开的采用PI调节器进行电压幅值控制的框图；
图14是根据本公开的采用PI调节器进行相角控制的框图；
图15是根据本公开的采用PI调节器进行角频率控制的框图；
图16是根据本公开的有功功率调节的电压动态曲线图；
图17是根据本公开的电压随着有功功率和无功功率变化的函数图；
图18是根据本公开的电压随着有功功率和无功功率变化的函数图；
图19是根据本公开的电压随着有功功率和无功功率变化的函数图；
图20是根据本公开的同期控制系统采用IEC 61850通信的架构图；
图21是根据本公开的GOOSE报文发送过程的示意图；以及
图22是根据本公开的微电网群同期控制方法的流程图。
具体实施方式
提供以下具体实施方式以帮助读者获得对在此描述的方法、设备和/或系统的全面理解。然而，对于本领域普通技术人员在此描述的方法、设备和/或系统的各种改变、变型和等同物将是显而易见的。例如，在此描述的操作的顺序仅仅是示例，并且不限于在此阐述的顺序，而是除了必须以特定顺序发生的操作之外，可做出对于本领域普通技术人员将显而易见的改变。此外，为了提高清楚性和简洁性，可省略对于本领域普通技术人员将公知的特征和结构的描述。在此描述的特征可以以不同的形式实施，并且将不被解释为局限于在此描述的示例。更确切地说，已经提供在此描述的示例使得本公开将是彻底的和完整的，并且将向本领域普通技术人员充分地传达本公开的范围。
下面是本公开中使用的一些技术术语的定义：
微电网(microgrid)：具有明确电气边界的多个分布式能源和负载互联，为单一可控的系统，既可以运行在并网模式也可以运行在孤岛模式(参照IEC 60050-617:2017中的描述“Group of interconnected loads and distributed energy resources withdefined electrical boundaries forming a local electric power system atdistribution voltage levels,that acts as a single controllable entity and isable to operate in either grid-connected or island mode”)。
同期(synchronization)：发电机和电网连接时，在同一时期内，要求发电机发出的电压、频率、相位和电网一致。
孤岛(island)：电力系统中与其余部分断开，但仍有电的部分。
暂态扰动(transient disturbance)：由微电网中发电设备投切、负荷启停、微电网非计划孤岛或故障引起的瞬间剧烈的电压和电流变化，其特征是波动幅度大且相位变化明显，持续时间为0-50ms(参照IEC TS 62898-3-1:2020中的描述“Sudden and severevoltage and current changes in a microgrid caused by switching of generationor load,unintentional islanding or faults,characterized by large magnitudeand phase changes and continuing for a period of 0ms to 50ms”)。
动态扰动(dynamic disturbance)：由可再生能源的高渗透比和间歇性、非线性负荷、微电网计划性孤岛以及可再生能源输出功率波动和电网侧故障引起的微电网电压、电流的一系列变化，持续时间为50ms～2s(参照IEC TS62898-3-1:2020中的描述“Series ofvoltage and current changes in a microgrid caused by output of renewableenergy sources reaching a sufficiently high proportion,non-linear loads,intentional islanding,intermittency and output power fluctuation of renewableenergy resources and grid side faults,which continue for a period of 50ms to2s”)。
SV(Sampled Value)：采样值，也称SMV(Sampled Measured Value)。
GOOSE：通用面向对象变电站事件(Generic Object Oriented SubstationEvents)。
最优状态估计(optimal state estimation)：在某一确定的估计准则条件下，按照某种统计意义，使估计状态达到最优。
电压幅值(voltage amplitude)：在一个周期内，交流电瞬时出现的最大绝对值，也是一个电压正弦波中，波峰到波谷距离的一半。
电压频率(frequency of voltage)：电压矢量在单位时间内完成周期性变化的次数。
电压相角(phase angle of voltage)：又称相位角，指电压矢量随时间(或空间位置)作正弦或余弦变化时，决定其在任一时刻(或位置)状态的一个数值。
现有的同期技术基于就地设置的测量和控制设备对需要同期合闸的断路器端口两端进行电压检测，并基于电压幅值、频率和相角进行同期判断，但同期的时间较长，且难以严格判断同期条件，对断路器断口两端的电网冲击很大，严重情况下导致同期失败。
图1是未施加同期控制的断路器两端的单相电压曲线图。图2是无电压状态估计的同期控制的断路器两端的单相电压曲线图。参照图1，在未施加同期控制策略的情况下，断路器断口两端电压无法快速满足同期条件。即使在偶然条件下满足同期要求也只是暂时存在，无法作为同期合闸的必要条件。在此情况下，虽然系统中的控制器根据通信上传的数据计算得到的同期控制点两端电压符合同期合闸条件并对同期控制点发出了合闸指令，但由于电压数值采集或者通信传输过程中会出现偏差，因此各种误差叠加后经过锁相环(锁相环也会出现误差)计算出来的相角存在误差。参照图2，此时经过同期PI调节器调节的实际电压相角的误差值记为θerr和θ′err。实际最大误差可能是θerr+θ′err，此误差是断口两侧采集和计算误差的叠加，并且这个误差可能满足式1：
|θerr+θ′err|＞θref (1)
其中，θref表示同期条件允许的断口两侧电压的相角差的最大值。此时，系统实际上并未满足同期条件，控制器发出合闸指令后，微电网之间会出现较大的冲击电流以及电压动态不稳定，严重情况下会导致同期失败而影响系统安全稳定运行。
可见，现有的并网同期技术无法满足微电网或微电网群的精确同期控制的要求。首先，微电网发电单元和储能系统一般通过电力电子设备连接，电源抗冲击能力较弱，最多过载两倍的额定电流。传统的同期技术易造成系统电流过大而提前保护；其次，微电网系统大部分惯性较弱，暂态稳定能力及动态稳定能力较弱，系统同期的暂态过程和动态过程很可能导致同期失败；并且，微电网孤岛运行系统容量较小且备用容量不足，以至于系统微小的扰动也会引起微电网动态响应时间长，电压动态振荡幅度大。
当两个孤岛运行的微电网需要同期并联运行时，首先要考虑以哪个微电网作为参考，其次考虑满足同期的绝对条件等，现有的同期技术还不能够很好的解决这些问题。同时，现有的就地放置的同期控制器通常接收上级控制指示进行同期合闸，但是针对多个微电网构成的微电网群进行的同期控制涉及多个同期控制点并且同期控制点与同期控制器距离较远，直接采集电压数据和直接控制开关分合不仅无法满足远距离要求，也无法满足时间要求。此外，现有技术无法实现自动同期、自动判别同期最优顺序，因此需要在一个同期控制系统中对所有系统运行状态进行计算，以实现快速通信解决远距离信息传送的问题。
此外，微电网群涉及到多个同期控制点，同期控制点与同期控制器距离较远，直接采集电压数据和直接控制开关分合这种方式无法满足远距离要求。本公开采用IEC 61850的SV和GOOSE通信方式，对开关状态和电压实时值进行采集并对同期断路器进行实时遥控，这种通信控制方式可解决远程通信和多个同期控制点的问题。
本公开的同期控制系统采集同期控制点的状态信息和同期控制点处断路器断口两侧的电压实时数据。由于同期过程需要严格同步，因此采用对时服务器的B码对时。对于多个微电网之间的同期或者同期控制点离同期核心设备较远的情况，采用光纤通信保证采样信号的实时性和不失真，并采用IEC 61850通信方式进行电压数据实时发送以及开关信号实时反馈以及遥控。
图3是基于就地直采直控的同期控制方式的两个微电网的拓扑图。参照图3，工业园区内的典型微电网1可包括三个分布式电源DER1、DER2和DER3以及负荷Load，但不限于此。运行为U/f模式的分布式电源DER1作为微电网系统中的主支撑电源并且能够保证微电网1孤岛运行的稳定性，可以是储能系统、微型燃气轮机、柴油机等稳定微型电源；分布式电源DER2和分布式电源DER3作为微电网系统中的PQ电源，可以是波动性、间歇性的发电电源，例如，风力发电和光伏发电；负荷Load可以是工业园区10kV用电负荷。微电网2可包括与微电网1相同或相似的三个分布式电源DER1、DER2和DER3以及负荷Load。运行为U/f模式的分布式电源DER1作为微电网系统中的主支撑电源并且能够保证微电网1孤岛运行的稳定性，可以是储能系统、微型燃气轮机、柴油机等稳定微型电源；分布式电源DER2和分布式电源DER3作为微电网系统中的PQ电源，可以是波动性、间歇性发电电源，例如，风力发电和光伏发电；负荷为工业园区内另一10kV负荷。
同期控制点可以是两个微电网之间需要并联运行或解列运行时的断路器。当微电网1与微电网2均独立运行时，微电网1可能出现分布式电源发电功率超过负荷功率而需要进行功率限制的情况，微电网2可能出现分布式电源发电功率不足以支撑工业负荷的情况。因此，有必要将两个微电网并联运行，以提高能源利用率并保障负荷用电。同时，当微电网1或微电网2中某一线路出现故障时，有必要将微电网之间的同期控制点解列，以最大限度保障系统供电可靠性和冗余性且最大限度降低经济损失。
并联运行的多个微电网的联络线一般为阻性。因此，微电网1和微电网2之间的同期在于两个微电网母线电压之间的同期。假设微电网1的母线上三相电压为Vabc，微电网2的母线上三相电压为V′abc。通过锁相环对两条母线电压进行锁相计算，可以得到两条母线上电压幅值、电压相角和频率。微电网1的母线电压三要素分别为Vm、θ和ω，其中Vm为微电网1母线电压幅值，θ为微电网1母线电压相角，ω为微电网1的母线电压角频率。微电网2的母线电压三要素分别为V′m、θ′和ω′，其中V′m为微电网2母线电压幅值，θ′为微电网2母线电压相角，ω′为微电网2母线电压角频率，满足同期合闸的条件如下：
|Vm-V′m|≤Vref (2)
|θ-θ′|≤θref (3)
|ω-ω′|≤ωref (4)
在上式2至式4中，Vref表示同期条件允许的两条母线电压差的最大值，θref表示同期条件允许的两条母线相角差的最大值，ωref表示同期条件允许的两条母线角频率差的最大值。实际中，这些阈值可根据标准或微电网实际运行情况被预先设置。
就地设置的采集设备(可以是诸如电压互感器或分压器等的电压传感器)和控制设备(例如，控制器)的直采直控的同期方式通过二次电气线直接对两个微电网母线的电压参数进行采集，采样值直接发送到同期控制器，同期控制器采用二次电气线对继电器进行开入开出控制，实现同期控制点处的同期合闸。但这种方式中，一个同期装置只能对应一个同期控制点，而且两个微电网距离较远时会出现电压采集数据信号减弱、控制信号失真的现象。
本公开的优选实施例
图4是采用IEC 61850协议的同期控制方式的拓扑图。在此，将省略对附图中相同或相似部分的重复描述，并且将仅描述差异。参照图4，在根据本公开的微电网群同期控制系统中，两个微电网母线之间的电压通过采集设备进行实时数据获取，采集到的的电压测量值通过滤波并按照IEC 61850通信方式进行组帧。同期控制器通过IEC 61850通信方式从每个微电网的采集设备接收并网点的电压测量值(电压测量值以每个采样周期的时间驱动的方式被发送)；基于电压测量值来估计针对每个微电网的下一时刻的控制指令；并且通过IEC 61850通信方式向需要调节的微电网发送控制指令(控制指令的发送时间间隔从最小时间间隔增大至心跳时间间隔)，以通过锁相控制调节所述多个微电网之间的合闸同期。
图5是传统模式下的多个微电网的同期控制的拓扑图。图6是根据本公开的同期控制系统的拓扑图。
参照图5，传统模式当需要四个微电网之间并联运行时则需要三个同期控制装置联合工作，三个同期控制装置均采用直接采集直接控制的方式进行。这种同期的方法中必须提前约定好同期顺序，导致同期效率低下且同期过程无法保证并联同期以后系统的稳定性和经济性。例如，微电网1和微电网2之间的同期完成，系统会进入新的稳定区间，有可能在进入新的稳定区间之前发生暂态不稳定或者动态不稳定问题导致系统再次解列，同期合闸操作失败。
参照图6，针对多个微电网孤岛运行情况下的同期问题，根据本公开的实施例，微电网群的同期控制系统中仅设置一个同期中央控制器，可提高经济型并且可以以最优的时间和最小的冲击电流完成多个微电网之间的同步并机，确保微电网孤岛运行下经济性和稳定性。多个微电网的同期控制系统还采用IEC 61850通信以及远距离光纤传输方式确保通信实时性以及信号不失真。
根据本公开的实施例，电压测量值和电流测量值的实时采集数据通过就地数据采集设备进行直接采集，保证了数据实时性。直接采集的电压和电流模拟量数据无法进行远距离传送，因此需要就地数据采集设备能够将模拟量转数字量来进行IEC 61850的SV通信，数字量按照IEC 61850的通信协议进行组帧。就地采集设备将采集到的信息通过通信网络(例如，光纤或无线通信)发送至同期中央控制器，保证上送至同期中央控制器的信号的实时性且信号不失真。此外，就地数据采集设备能够采集同期断路器的开关状态并且直接控制断路器，断路器状态采集可通过IEC 61850的GOOSE通信方式由通信网络上送至同期中央控制器。同期中央控制器将同期控制信号以IEC 61850的GOOSE通信方式通过光纤发送到就地控制器，以直接控制断路器。
图7是根据本公开的同期控制系统的框图。参照图7，同期中央控制器承担了输入信息的解码功能以及后续IEC 61850编码功能，同期中央控制器对上送的状态信息进行最优估计，得到实际运行的最优值以提升系统的能控性。最优估计获取测量点的电压幅值、相位和频率；根据实时电压估计值进行锁相；根据计算获取的电压幅值、相位以及频率进行同期比较算法并采用PI调节分别对电压幅值、相位和频率进行快速调节以实现同期合闸操作。
图8是根据本公开的三相同步锁相环原理的框图。参照图8，电网正常运行时为三相平衡状态，在此采用三相同步锁相技术。通过对电压测量值进行Park变换成为旋转直角坐标系并进行正交变换得到离散的电压值直轴分量和交轴分量，并作为比例积分调节的输入值。锁相环输入为三相电压实时采样值，通过对电压测量值进行Park变换成为旋转直角坐标系并进行正交变换得到离散的电压值直轴分量和交轴分量，并作为比例积分调节的输入值，即，利用Park变换将测量值Vabc的三相电压矢量由自然坐标系变换至dq同步旋转坐标系，其中d轴分量含有电压幅值信息，q轴分量具有电压相位信息和频率信息。q轴分量为0时Vd即表示电压幅值，故将实际电压q轴分量以0作为参考并将其与0值的偏差输入PI调节器模块，把调节结果与电网原有频率ω0叠加得到角频率ω*，对ω*进行积分运算可获得电压相位角。该锁相方法在正常电网环境下可高精度快速锁相。
图9是根据本公开的锁相环输出的电压幅值(Vd)曲线图。图10是根据本公开的锁相环输出的角频率(ω)曲线图。图11是根据本公开的锁相环输出的电压相角(θ)曲线图。
锁相过程中，输出的Vd、ω*和θ即为上述同期三要素Vm、θ和ω。根据上述原理将三相同步锁相环的算法和模型在典型的微电网模型中进行测试，对微电网母线上abc三相电压进行采样，经此三相同步锁相环可精确快速地得到所需状态量。锁相结果如图9至图11所示，可得到短时间内逐步调节至各状态量达到稳定的调节过程，其中锁相的响应时间及精确程度是通过调节PI调节器参数来控制的。
根据本公开的实施例，同期中央控制器执行锁相环的锁相过程以及对分布式电源电压幅值、频率和相位调节过程均使用快速比例积分调节(PI调节)。PI调节器是线性控制器，根据给定值与实际输出值得到控制差分，将差分的比例积分通过线性组合得到控制量对被控对象进行控制。其中，比例参数Kp控制的是偏差调节的响应速度，通常随着值的加大系统响应的速度会加快，但是当增加到一定程度系统会变得不稳定。积分调节的主要作用是消除系统稳态误差、提高无误差度，积分参数Ki值越大积分作用越弱，反之越强。闭环系统的超调量越小，系统的响应速度也会变慢。
图12是根据本公开的PI调节器原理的框图。参照图12，用于采集同期控制点的电压电流及开关实时状态的数据采集设备采集同期控制点以及微电网系统的必要状态信号，该状态还可根据系统模型计算得到。
图13是根据本公开的采用PI调节器进行电压幅值控制的框图。图14是根据本公开的采用PI调节器进行相角控制的框图。图15是根据本公开的采用PI调节器进行角频率控制的框图。
控制器中的PI调节器对所述电压测量值进行比例积分调节，得到上一时刻的电压测量值与当前时刻的控制值之间的差分，以用于估计下一时刻的控制指令。根据电压幅值控制框图建立同期电压幅值的计算数学模型如下：
Vref-[(Vn-1-Vn)·Kvp+(Vn-1-Vn)·Kvi/s]＝Vn (5)
上式5中，在线性系统或者局部线性计算可以认为Vref是定值。Kvp表示电压幅值控制的比例系数，Kvi表示电压幅值控制的积分系数，Vn表示控制器计算后的输出值，Vn-1表示电压幅值状态值反馈。对上式5进行重新变换，将积分项与其余项分开写出可得到如下：
(Vn-Vn-1)·Kvi/s＝Vn-Vref+(Vn-1-Vn)·Kvp (6)
将上式6变换成差分形式，如果用Tsample表示实际系统采样周期，得到离散化模型如下：
通过差分方程可知积分项实际上表示计算过程中的误差累计。本公开近似认为状态量服从高斯分布，同样可认为误差累积服从高斯分布，因为实际计算和理论仿真的结果也可表明误差与高斯白噪声相似。因此上述控制系统模型可以表述如下：
并且做如下整理和设定可得：
由于对差分进行累加求和得到的测量误差累计服从高斯分布，在此可通过累加消除误差。则电压幅值控制系统的模型重新表达如下：
V(n)＝A·V(n-1)+B·u(n)+ω(n) (10)
本公开将最优状态估计运用到中压微电网群之间的同期控制中，对同期并网点两侧的电压测量进行最优状态估计，得到较为准确的电压值以用于控制指令，使得控制指令的误差最小。在没有较为准确的电压输入的情况下，同期需要的电压幅值、相位和频率可能因为测量误差、计算误差或通信质量的影响没有达到同期合闸条件，导致同期合闸联络母线上产生较大的冲击电流进而导致同期合闸失败。
本公开根据同期控制的数学模型对同期控制点两端电压数据进行最优状态估计，以确保获取的下一时刻的状态信息的误差最小，在此，误差的大小可通过采样周期内的测量值的协方差来表征。由于模型所需的输入数据通过采样点计算得到，因此模型是离散化的数学模型，将微电网电压的数学模型离散化得到最优状态估计的离散化数学模型如下：
y(t)＝A·y(t-1)+B·u(t)+ω(t) (11)
在此模型中，y(t)表示当前时刻的状态值，在此可表征当前时刻的电压幅值、相角或频率。y(t-1)表示上一个时刻的状态值，在此可表征上一采样时刻得到的电压幅值、相角或频率。u(t)表示系统的控制作用，在此可表征同期的控制作用。w(t)表示计算等过程出现的误差，在此认为该误差服从高斯分布，误差的协方差为Σ0，均值为μ0。A和B分别表示控制系统参数。根据本公开，还可利用上一电压周期的电压测量值的协方差对每个电压测量值进行实时校验。
同期控制点两端的电压相关数据还可通过传感器测量，离散化的测量系统可以表述如下：
x(t)＝C·y(t)+v(t) (12)
上式中，x(t)表示当前采样时刻的电压幅值、相角或频率的测量值，v(t)表示测量系统的误差，同样可认为测量误差服从高斯分布，并且测量误差的协方差为Σ1，均值为μ1。
为了得到系统的最优估计值，利用计算过程的数学模型预测系统的下一状态。如果当前时刻为t，则基于上一个时刻状态可预测得到当前时刻的状态，表达式如下：
y<t|t-1>＝A·y<t-1|t-1>+B·u<t> (13)
上式中，y<t|t-1>表示根据上一状态预测得到的结果，y<t-1|t-1>表示上一时刻的最优值，u<t>表示控制系统的控制作用。由于y<t-1|t-1>表示上一状态的概率分布最优值(加权最优情况下的概率分布期望值)，因此基于上一时刻重现的当前时刻的估计值y<t|t-1>同样服从类似的概率分布，当前时刻的估计值y<t|t-1>的协方差计算如下(详细可参考随机过程)：
∑<t|t-1>＝A·∑<t-1|t-1>·A′+∑0 (14)
上式中，Σ<t|t-1>表示前时刻的估计值y<t|t-1>的协方差，Σ<t-1|t-1>表示上一时刻的y<t-1|t-1>的协方差。由此得到当前状态的估计值，并结合观测值可得到现阶段状态的最优估计值y<t|t>，表述如下：
y<t|t>＝y<t|t-1>+KG·(x<t>-C·y<t|t-1>) (15)
最优估计值中KG表示增益系数，其反映测量值和计算值之间的可信度，增益系数的计算如下：
综上，计算当前状态的协方差如下：
∑<t|t>＝(E-KG·C)·∑<t|t-1> (17)
其中，E表示单位矩阵。
本公开的另一方面还提出建立单个微电网的同期条件边界模型，并据此建立多个微电网的同期条件边界模型，以实现在同期操作之前对同期调节的分布式电源是否具有备用容量和同期后的潮流分布是否超限进行判断。
不同于高压输电网，微电网属于低压系统，其电压值和频率与有功和无功分量都有耦合关系导致系统无法完全解耦。例如，在一些低压微电网系统中，电压可与有功分量相关，频率与无功分量相关。为了将三种情况都进行考虑，本公开建立电压值和频率分别与有功分量和无功分量之间的函数关系：
传统电力系统中有针对发电机的单位功率调节的概念，因此在微电网中引入下垂系数的概念。下垂系数表示母线电压值和频率随着功率变化的梯度。考虑下垂系数的关系函数式如下：
系统容量边界条件如下：
上式中，U1表示微电网1的母线电压值，F1表示微电网1母线电压频率，P1表示微电网1的电压频率支撑电源能够承受有功功率，Q1表示微电网1的电压频率支撑电源能够承受的无功功率，S1表示微电网1的电压频率支撑电源视在功率，其最大值不能超过该分布式电源的最大容量，必须注意到下式不成立：
图16是根据本公开的有功功率调节的电压动态曲线图。参照图16，示出了同期控制点两侧孤岛运行的微电网的频率电压特性，在此考虑低压系统及微电网系统中的电压值和有功分量线性相关，频率和无功分量线性相关的情况。在图16中，曲线1表示微电网1的输出功率与电压值的关系，曲线2表示微电网2的输出功率与电压值的关系。微电网1运行在C点，对应的系统频率为U1；微电网2运行在A点，对应的系统频率为U2。从两个微电网的运行特点来看，微电网1对应的容量较大。同期控制的可将容量较小的微电网作为同期控制的被调节项，而微电网容量较大的作为同期控制的参考项。因此需要将微电网2的电压值调节到U1，从一次调频曲线变化可知，微电网2的运行曲线从点A到点B，从曲线2变换成曲线3。虽然此时功率没有发生变化，但两个微电网系统并联瞬间会出现暂态冲击功率，造成瞬间功率增加，可能在合闸的瞬间微电网2功率超过最大值导致同期失败。因此，在此电压点进行同期操作有较大的失败风险，可以以该点作为临界点。
本公开根据微电网群系统的各个微电网容量进行同期基准值的选择，根据电压值和频率与功率的函数关系得到当前运行状态下各个微电网的调节裕度并确定同期边界条件，用于确定同期频率点和电压值点以及相位点。此外，考虑低压系统中的传输线路阻抗和感抗，电压与有功功率和无功功率都相关，频率与有功功率和无功功率也相关。根据经验值可做如下修正：
上式中，m1表示电压值相对于有功分量下垂系数，a1、a2、a3表示电压值与无功分量之间的拟合关系系数。n1表示频率相对于无功分量的下垂系数，b1、b2、b3表示频率与有功分量之间的拟合关系系数。这些系数可通过实际测量和计算得到。通过计算得到两个微电网的下垂系数对应曲线，在此仅分析电压值特性的分析方法，此方法还可用于频率特性的分析。
图17是根据本公开的电压随着有功功率和无功功率变化的函数图。图18是根据本公开的电压随着有功功率和无功功率变化的函数图。图19是根据本公开的电压随着有功功率和无功功率变化的函数图。
根据前述的二维函数曲线，参照图18，系统同期控制的最佳同期功率区域在交合区域附近，如果两个将同期合闸并网的微电网运行都运行在交合区域中，则可直接对容量小的微电网发出同期控制指令，使其跟随容量较大的微电网。参照图19，系统容量较大的微电网运行在功率极限附近(如果储能作为主支撑电源则存在吸收和发出最大功率点两种情况)，由于同期瞬间的冲击可能造成大容量微电网过流而导致同期失败，因此不能直接控制小容量微电网的同期跟随大容量微电网的方式。这种情况下需要同期控制器对大容量微电网系统的分布式电源或者可调节负荷进行合理调节。将大容量微电网的运行点调节回到交合区域中，保证同期瞬间两个系统容量裕度以使得确保同期稳定。因此，可根据多个微电网中的每个的容量选择多个微电网的调节顺序，并基于当前运行电压参数状态下的裕度确定需要被调节的微电网的同期调节边界。例如，可将容量较小的微电网选择为同期先被调节的目标，并且当电压调节参数超过微电网的同期调节边界时改变调节目标。
图20是根据本公开的同期控制系统采用IEC 61850通信的架构图。图21是根据本公开的GOOSE报文发送过程的示意图。
系统中的控制显示界面可由SCADA系统提供，并与中央控制器通信。IEC 61850中的SV(Sampled Value)和GOOSE(面向通用对象的变电站事件，Generic Object OrientedSubstation Events)是IEC 61850标准中实时性要求比较高的两种通信协议。IEC 61850通信方式将用于微电网群同期的中央控制器通过SV网络与每个微电网的测量单元MU(就地装置)连接并通过GOOSE网络与每个微电网的控制器(就地装置)连接。本公开采用IEC 61850通信方式中的SV/GOOSE报文格式进行数据交互，以形成高速通信的以太网控制和通信的环形网络架构。采用环形网络而不采用控制中心与微电网设备之间点对点的通信架构，是考虑到系统布线的复杂度和各个微电网间数据交互的实时性。IEC 61850标准下的SV/GOOSE报文采用发布者/订阅者的通信结构。
SV/GOOSE报文是时间驱动的通信方式，即每隔预定时间发送一次采样值。当网络原因导致报文传输丢失时，发布者(微电网就地装置中的电压和电流传感器以及开关量、状态信息等)并不受影响，会继续采集最新的电压和电流以及开关量状态信息等。SV报文是时间驱动的通信方式，可以以预定时间间隔发送采样值，并且预定时间间隔可与采样的时间间隔相同。例如，微电网的电压测量值以每个采样周期的时间驱动的方式被发送。GOOSE报文的发送过程参照图21，其中T0是心跳时间，每隔T0时间发送当前状态，故称为心跳报文。各个微电网就地装置的GOOSE数据中任一成员的数据值发生变化则发送所有数据，然后间隔T1时间发送第二帧及第三帧，间隔T2时间发送第四帧，间隔T3时间发送第五帧，后续报文的发送时间间隔逐渐增加，直到最后报文间隔恢复为心跳时间，即，控制指令的发送时间间隔从间隔T1增大至心跳时间间隔T0。T0可设置为5000ms，T1可设置为2ms，T2看设置为2倍的T1，T3设置为2倍的T2。
图22是根据本公开的微电网群同期控制方法的流程图。
参照图22，在操作221，处理从多个微电网中的每个微电网接收并网点的电压测量值，其中，所述电压测量值以每个采样周期的时间驱动来被发送；在操作222，处理基于所述电压测量值估计针对每个微电网的下一时刻的控制指令；以及在操作223，处理向所述多个微电网中的至少一个微电网发送控制指令，以通过锁相控制调节所述多个微电网之间的合闸同期，其中，所述控制指令的发送时间间隔从最小时间间隔增大至心跳时间间隔。
本公开还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质存储有当被处理器执行时使得处理器执行根据本公开的微电网群同期控制方法的计算机程序。该计算机可读记录介质是可存储由计算机系统读出的数据的任意数据存储装置。计算机可读记录介质的示例包括：只读存储器、随机存取存储器、只读光盘、磁带、软盘、光数据存储装置和载波(诸如经有线或无线传输路径通过互联网的数据传输)。
本公开还提供一种计算机设备。该计算机设备包括处理器和存储器。存储器用于存储计算机程序。所述计算机程序被处理器执行使得处理器执行根据本公开的微电网群同期控制方法的计算机程序。
本公开中采用IEC 61850的SV和GOOSE通信方式对电压实时采样并发送控制指令，并应用高精度锁相环计算电压的幅值、频率和相位，在具有多个同期控制点的微电网群中仍能够保证所采集数据的准确性和实效性和控制的有效性。
在运行有大量电力电子设备的微电网群系统中利用了更加精准快速的比例积分调节，对微电网内部分布式电源进行功率调控，降低调节难度的同时也进一步保证了同期判别的准确性。
对于传感器测量或信号传输的误差、延迟等问题，采用最优估计模型对同期控制的状态量进行最优值估计，保证同期控制指令最接近系统实际运行情态，极大限度提升了微电网群同期合闸成功率。
对于多个微电网的同期控制，建立多个微电网的同期条件边界模型，准确判断微电网群中的各微电网的同期边界条件，实现系统稳定、快速同期合闸，提高同期效率。
虽然本公开包括具体示例，但是对于本领域普通技术人员将明显的是，在不脱离权利要求及它们的等同物的精神和范围的情况下，可在这些示例中做出形式上和细节上的各种改变。在此描述的示例将仅被认为是描述性含义，而非出于限制的目的。在每个示例中的特征或方面的描述将被认为可适用于其他示例中的类似的特征或方面。如果按照不同的顺序执行描述的技术，和/或如果按照不同的方式组合描述的系统、架构、装置或者电路中的组件和/或通过其他组件或者它们的等同物替换或者补充描述的系统、架构、装置或者电路中的组件，则可获得适当的结果。因此，本公开的范围不由具体实施方式限定，而是由权利要求及它们的等同物限定，在权利要求及它们的等同物的范围内的所有变型将被解释为包含于本公开中。
Claims (18)
1.一种微电网群同期控制系统，所述微电网群包括多个微电网，其特征在于，所述系统包括中央控制器，所述中央控制器被配置为：
从多个微电网中的每个接收并网点的电压测量值；
对所述电压测量值进行比例积分调节，并得到上一时刻的电压测量值与当前时刻的控制值之间的差分，以估计针对每个微电网的下一时刻的控制指令；以及
向所述多个微电网中的至少一个微电网发送控制指令，以通过锁相控制调节所述多个微电网之间的合闸同期，
其中，所述中央控制器还被配置为：对所述并网点两侧的电压测量值进行最优状态估计，使得控制指令的误差最小。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电压测量值以每个采样周期的时间驱动的方式被发送；并且
其中，所述控制指令的发送时间间隔从最小时间间隔增大至心跳时间间隔。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述中央控制器还被配置为：通过IEC 61850标准中的SV协议从每个微电网接收电压测量值；通过IEC 61850标准中的GOOSE协议向所述至少一个微电网发送控制指令，并且针对通过SV/GOOSE协议传输的每一帧数据执行单独校验。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述中央控制器还被配置为：将对所述差分进行累加求和得到的测量误差累计确定为服从高斯分布。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述中央控制器还被配置为：利用上一电压周期的电压测量值的协方差对每个电压测量值进行实时校验。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述中央控制器还被配置为：通过对电压测量值进行Park变换成为旋转直角坐标系并进行正交变换得到离散的电压值直轴分量和交轴分量，并作为比例积分调节的输入值。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述中央控制器还被配置为：根据所述多个微电网中的每个的容量确定所述多个微电网的调节顺序，并基于当前运行电压参数状态下的裕度确定需要被调节的微电网的同期调节边界。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述中央控制器还被配置为：将容量较小的微电网选择为同期先被调节的目标，并且当电压调节参数超过微电网的同期调节边界时改变调节目标。
9.一种微电网群同期控制方法，所述微电网群包括多个微电网，其特征在于，所述方法包括：
从多个微电网中的每个微电网接收并网点的电压测量值；
对所述电压测量值进行比例积分调节，得到上一时刻的电压测量值与当前时刻的控制值之间的差分，以用于估计下一时刻的控制指令；以及
向所述多个微电网中的至少一个微电网发送控制指令，以通过锁相控制调节所述多个微电网之间的合闸同期，
其中，所述方法还包括：对所述并网点两侧的电压测量值进行最优状态估计，使得所述控制指令的误差最小。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述电压测量值以每个采样周期的时间驱动来被发送；并且
其中，所述控制指令的发送时间间隔从最小时间间隔增大至心跳时间间隔。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述方法还包括：过IEC 61850标准中的SV协议从每个微电网接收所述电压测量值，并且通过IEC 61850标准中的GOOSE协议向至少一个微电网发送控制指令；
针对通过SV/GOOSE协议传输的每一帧数据执行单独校验。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述方法还包括：将对所述差分进行累加求和得到的测量误差累计确定为服从高斯分布。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述方法还包括：利用上一电压周期的电压测量值的协方差对每个电压测量值进行实时校验。
14.根据权利要求9所述的方法，其中，所述方法还包括：通过对电压测量值进行Park变换成为旋转直角坐标系并进行正交变换得到离散的电压值直轴分量和交轴分量，并作为比例积分调节的输入值。
15.根据权利要求9所述的方法，其中，所述方法还包括：根据所述多个微电网中的每个的容量选择所述多个微电网的调节顺序，并基于当前运行电压参数状态下的裕度确定需要被调节的微电网的同期调节边界。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述方法还包括：将容量较小的微电网选择为同期先被调节的目标，并且当电压调节参数超过微电网的同期调节边界时改变调节目标。
17.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，当所述计算机程序在被处理器执行时实现如权利要求9至16中任意一项所述的微电网群同期控制方法。
18.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括：
处理器；
存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求9至16中任意一项所述的微电网群同期控制方法。
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