CN114784886A - 分散式电网频率二次调节方法及系统 - Google Patents

分散式电网频率二次调节方法及系统 Download PDF

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CN114784886A CN202210413297.9A CN202210413297A CN114784886A CN 114784886 A CN114784886 A CN 114784886A CN 202210413297 A CN202210413297 A CN 202210413297A CN 114784886 A CN114784886 A CN 114784886A
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董恒
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Abstract

分散式电网频率二次调节方法及系统，涉及配电网供电技术领域，该方法通过各VSG独立采样系统频率，计算出的频率偏差送入PI控制器来获取各自的功率调节量，并与给定额定有功功率叠加后送入有功频率控制模块，从而实现多个VSG并联运行共同调节微电网频率。本发明可减小配电网的频率偏差，有效改善馈线互联过程中支撑装备电能质量。

Description

分散式电网频率二次调节方法及系统
技术领域
本发明涉及配电网供电技术领域，尤其指一种分散式电网频率二次调节方法及系统。
背景技术
根据配电网不同运行模式下在调控过程支撑装备易受到配电网电压、频率波动以及负荷变化等诸多未知因素影响而多变，这些因素不仅会影响配电网电能质量，还可能削弱支撑装备的调控效果，在所有电能质量问题中，电压谐波和频率偏差的影响尤为严重。
在一端离网模式时，支撑装备临界功率缺额即分布式电源出力与负荷功率的不平衡是导致支撑装备离网侧交流端口频率出现偏差的根本原因。当支撑装备两端离网模式时，系统内任何负荷功率的不平衡都由分布式电源和储能来维持。而支撑装备端口容量小，分布式电源出力的间歇性以及负荷的随机波动都容易造成系统频率出现较大偏差，影响配电网内一些对频率比较敏感的负荷的正常运行，也降低了配电网的电能质量。
现有研究有针对支撑装备两端离网模式提出了两种运行模式：基于恒压/恒频控制(即V/f控制)的主从控制和基于下垂控制的对等控制。V/f控制具有能稳定装备交流端口电压和频率的优点，但这种控制对系统中作为主控制单元的主电源可靠性要求较高，主电源容量也必须较大，一旦主电源出现故障，整个配电网系统就会崩溃。下垂控制通过模拟传统同步发电机(Synchronous Generator,SG)的有功频率和励磁调节外特性，来调节配电网的频率和电压，但并未模拟出传统SG的转子惯性和阻尼特性，当其接入配电网系统时，系统频率抵御负荷扰动能力较差。
基于此，以模拟传统SG转子惯性与阻尼特性的VSG技术被提出，用于提高配电网的频率稳定性。现有技术中提出了VSG技术，但作为为电流控制型VSG技术，仅将VSG等效为受控电流源。但是，这些研究多为简单的频率调节，没有充分挖掘VSG的二次调频能力，未考虑配电网频率的无差控制。在面对配电网大负荷投切等复杂运行情况时，系统频率将存在偏移越限问题。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种分散式电网频率二次调节方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案，一种分散式电网频率二次调节方法：通过各VSG独立采样系统频率，计算出的频率偏差送入控制器来获取各自的功率调节量，并与给定额定有功功率叠加后送入有功频率控制模块，从而实现多个VSG并联运行共同调节微电网频率。
优选地，所述控制器为PI控制器。
更优选地，在VSG功频控制的频率偏差反馈指令中引入PI控制，使频率恢复额定值，则有：
Figure BDA0003604601610000021
优选地，对式(1)拉普拉斯变换后由终值定理得：
Figure BDA0003604601610000022
式中，kp为PI控制器的比例系数，ki为PI控制器的积分系数，D为阻尼系数。
进一步地，当多台VSG并联时，记Di、Kdi、Pei、PNi分别表示VSG各自对应的量，记ΔPi表示VSG的PI控制器的输出，则稳态时有：
Figure BDA0003604601610000023
式中，w为VSG经过锁相环得到的系统输出角频率，稳态时由式(3)得出如下关系：
Figure BDA0003604601610000024
优选地，若各VSG额定容量关系为：
PN1:PN2:···PNn＝α1:α2:···αn (5)；
使阻尼系数D的取值与VSG自身容量PN成正比例关系，以使各VSG在参与二次调频时按照各自额定容量去分担负荷功率，则有：
Figure BDA0003604601610000025
更优选地，当多台VSG并联时，让各VSG的PI参数完全相同，同时在PI控制器的输出环节后面加一个比例环节。
更优选地，所述比例环节中的比例系数取为VSG频率偏差反馈系数Kd，Kd取为与VSG自身容量成正比例关系。
当在VSG二次调频环节后面引入频率偏差反馈系数Kd后，通过式(4)可变为：
Figure BDA0003604601610000026
另外，基于上述控制方法，本发明还提供分散式电网频率二次调节系统，其包括：
采样单元：用于通过各VSG独立采样系统频率；
计算单元：用于计算出采样数据中的频率偏差，再送入控制器来获取各自的功率调节量，然后与给定额定有功功率叠加；
控制单元：用于将多个VSG并联运行来共同调节微电网频率。
本发明的有益效果在于：通过各VSG独立采样系统频率，计算出的频率偏差送入PI控制器来获取各自的功率调节量，并与给定额定有功功率叠加后送入有功频率控制模块，从而可实现多个VSG并联运行共同调节微电网频率以及调节功率分配，以减小配电网的频率偏差，可有效改善馈线互联过程中支撑装备电能质量。
附图说明
图1为传统电力系统的一次调频原理；
图2为传统电力系统的二次调频原理；
图3为改进后的有功-频率控制框图；
图4为基于多VSG无通信的微电网系统频率二次调节的整体控制策略框图；
图5为PSCAD环境下搭建的三台VSG并联带有功负荷仿真模型；
图6为加入一次调频和二次调频环节后的微电网频率波形；
图7为有功负荷增加时微电网频率和VSG输出功率；
图8为有功负荷减小时微电网频率和VSG输出功率。
具体实施方式
下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
在本发明所提供的分散式电网频率二次调节方法中，主要包括通过各VSG独立采样系统频率，计算出的频率偏差送入控制器来获取各自的功率调节量，并与给定额定有功功率叠加后送入有功频率控制模块，从而实现多个VSG并联运行共同调节微电网频率。
为了便于本领域技术人员对上述改善频率偏差的手段进行理解，这里可以先阐述VSG的频率二次调节原理。首先，频率与功率的暂态关系为：
Figure BDA0003604601610000031
由式(8)可知，当VSG所带负荷的功率变化时，VSG输出频率呈指数规律变化，其中转动惯量J和阻尼系数D及频率偏差反馈系数Kd共同决定了频率的动态过度时间，而阻尼系数D和频率偏差反馈系数Kd决定了稳态时系统频率的偏移程度，要想减小频率的偏移程度，可以增大阻尼系数D和频率偏差反馈系数Kd，但D和Kd增加的太大不仅会影响系统的稳定性，还会加快频率的动态过渡过程，增加频率的变化速率，不利于系统频率的稳定。因此有必要借鉴电力系统中的二次调频原理使得频率恢复到额定值。
传统电力系统的一次调频原理如图1所示，其中PG为发电机的功频静态特性曲线，PL为负荷的频率静态特性曲线，初始时刻运行在交点O，当系统负荷增加ΔPL0后，负荷的频率静态特性曲线变为PL＇，由于发电机组调节系统的相对迟缓而无法适应发电机电磁功率的瞬时变化(负荷的突增)，发电机机组开始缓慢减速，释放转子动能，弥补功率缺额，系统频率开始下降。此时，发电机组的调速器开始作用，该过程称为频率的一次调整。经过一次调整后，发电机机组输出功率增大，同时负荷所需功率也因系统频率的变化而相应减少，此过程称为负荷的频率调节效应。最终经过一个调节的振荡过程，系统达到新的平衡，运行点移到O＇。
|OA|＝|OB|+|BA|＝ΔPL0
|OB|＝|B′O′|＝-KGΔf
|BA|＝|A′B′|＝KLΔf
ΔPL0＝|AO|＝|OB|+|BA|
＝-KGΔf-KLΔf
＝-(KG+KL)Δf (9)。
取频率的上升为正，KG为发电机的功频特性系数，表示频率变化时发电机输出的功率变化量，KL为负荷的频率调节效应系数，表示负荷随频率的变化程度。
传统电力系统的二次调频原理如图2所示，当系统负荷增加时，如不进行二次调整，则：
Δf'＝f0'-f0 (10)；
二次调频后则有：
Δf”＝f0”-f0
ΔPL0＝OA＝OC+CB+BA
＝ΔPG0-KGΔf”-KLΔf”
ΔPL0＝ΔPG0-(KG+KL)Δf” (11)。
由图2可知，系统负荷增量ΔPL0由三部分组成：其中ΔPG0是发电机组经过调频器调整后所得到得到的功率增量(图中OC)，称为二次调整；-KGΔf是发电机组经过调速器调整后所得到得到的功率增量(图中CB)，称为一次调整；-KDΔf是根据负荷自身的调节效应所得到的功率增量(图中BA)。
式(11)是机组进行二次调整时的功率平衡方程，该式也可以写成：
Figure BDA0003604601610000041
由式(12)可见，经过调频器的二次调整，发电机的出力增加ΔPG0，表明了负荷功率变化相同时，二次调整能减小系统的频率偏移程度。由图2中的虚线PG"可见，二次调整所增加的发电机组出力若能完全抵消负荷的功率增量，即ΔPL0-ΔPG0＝0，系统频率将维持不变(即Δf＝0)，即实现了频率的无差控制。
若借鉴电力系统中的二次调频原理来使VSG的功率变化量完全抵消负荷的变化量，可实现频率的无差控制，同时又不影响其稳定性。因此在VSG功频控制的频率偏差反馈指令中引入PI控制，使频率恢复额定值，则：
Figure BDA0003604601610000051
通过普拉斯变换得到下式：
Figure BDA0003604601610000052
由终值定理得：
Figure BDA0003604601610000053
即通过引入PI控制后实现了频率的稳态无静差，其中kp为PI控制器的比例系数，ki为PI控制器的积分系数。
具体的VSG频率二次调节的协同控制方法的原理如下：
若配电网中只有一台VSG参与二次调频，则当负荷增加时，为实现无差调频，增加的功率必然完全由该VSG承担，这样会造成单台VSG负载过重，甚至过载，而其它VSG不承担增加的负荷功率。当多台VSG共同参与二次调频，组成微电网运行时，为充分利用可再生能源，提高能源利用率，以实现微电网经济运行为目标，需对微电网中的VSG采取相关的协调控制，以保证各VSG在参与频率二次调节时，能按各自额定容量分担负荷功率。
目前系统频率的二次调节大多采用集中控制，即由微电网中央控制器采样系统频率，计算出积差后，由中央控制器通过通信系统统一将功率分配指令发送给各分布式电源，各DG根据得到的功率分配系数来调节其自身其输出功率。这种控制策略简单，且控制效果好，但依赖可靠的通讯系统。一方面，需要建设通信基站，无疑增加了电网的建设成本，运行维护也复杂；另一方面使得整个电网系统依赖于通讯，降低了整个电网系统的可靠性。因为系统正常运行对通信的准确性和可靠性要求较高，一旦通信失败，整个系统面临崩溃的风险，同时分布式电源也缺乏自主性调节输出功率的能力。考虑到整个电网的建设以及运行维护成本，针对微电网中的分布式电源，不需要微电网中央控制器下发功率分配指令的分散式控制策略更适合现有电网。因此本实施例提出一种分散式的电网频率二次调节手段，即采用各VSG独立采样系统频率的方法，不需要通信，通过计算出的频率偏差送入PI控制器来获取各自的功率调节量，提高了各分布式电源自主性调节自身输出功率的能力。
当多台VSG并联时，记Di、Kdi、Pei、PNi分别表示VSG各自对应的量，记ΔPi表示VSG的PI控制器的输出，则由式(8)得稳态时有
Figure BDA0003604601610000061
w为VSG经过锁相环得到的系统输出角频率，因此稳态时由式(3)知有如下关系成立
Figure BDA0003604601610000062
如果各VSG额定容量关系如下
PN1:PN2:···PNn＝α1:α2:···αn (5)；
为了使得各VSG在参与二次调频时，能够按照各自额定容量去分担负荷功率，阻尼系数D的取值是与VSG自身容量成正比例关系，即满足
Figure BDA0003604601610000063
则根据式(4)和(14)有
Figure BDA0003604601610000064
由式(6)知，当各VSG的二次调频PI参数不同时，由于PI积分环节的存在，各VSG二次调频环节PI控制器的输出即ΔPi没有固定的比例关系，导致稳态时各VSG输出的功率Pei也没有确定的比例关系，功率在各VSG之间的分配不确定。若让各VSG的PI参数完全相同，同时在PI控制器的输出环节后面加一个比例环节，比例系数取为VSG频率偏差反馈系数Kd，其意义类似于发电机的功频特性系数KG。为了满足各VSG输出功率成比例，Kd取值也取为与VSG自身容量成正比例关系，即满足如下关系式。
Figure BDA0003604601610000065
则由式(14)和式(15)有
Figure BDA0003604601610000066
当在VSG二次调频环节后面引入频率偏差反馈系数Kd后，式(4)变为
Figure BDA0003604601610000071
将式(15)、(16)代入到式(7)中得到
Figure BDA0003604601610000072
由式(5)和式(14)有
D1:D2:···Dn＝α1:α2:···αn (18)；
根据式(17)和(18)进而得出
Pe1:Pe2:···Pen＝α1:α2:···αn (19)；
从式(19)可以看出，各VSG在参与二次调频的同时还能按自身额定容量成比例输出功率。将原有的VSG有功频率控制框图改进后如图3所示，所提出的基于多VSG无通信的微电网系统频率二次调节的整体控制方法框图如图4所示。
按照上述的控制方法，可以实现多个VSG并联运行，共同调节微电网频率，同时又能自动根据其额定容量来分配负荷扰动功率。各分布式电源各自独立采样系统频率，通过计算出的频率偏差送入各自调频单元来获取各自的功率调节量，并与给定额定有功功率叠加后送入有功频率控制模块，从而能达到调节频率和功率分配的目的。
另外，本实施还提供一种分散式电网频率二次调节系统，其包括：
采样单元：用于通过各VSG独立采样系统频率；
计算单元：用于计算出采样数据中的频率偏差，再送入控制器来获取各自的功率调节量，然后与给定额定有功功率叠加；
控制单元：用于将多个VSG并联运行来共同调节微电网频率。
仿真分析与验证
为验证所提出的VSG二次调频和功率分配策略有效性，在PSCAD环境下搭建了三台VSG并联带有功负荷仿真模型，如图5所示，其中VSG1额定容量为30kVA，VSG2额定容量为20kVA，VSG3额定容量为10kVA，额定输出电压和频率都380V/50Hz，主要仿真参数如表1所示。
表1仿真参数
Figure BDA0003604601610000073
Figure BDA0003604601610000081
(1)加二次调频和未加二次调频时微电网频率波形
初始时刻负载功率为56kW,1s时刻突增有功负荷36kW，观察VSG未加入调频环节，加入一次调频和二次调频环节后的微电网频率波形，如图6所示。
从图6可以看出，有功负荷增加对电压基本无影响，如图6(a)所示，而对频率影响显著。从图6(b)可以看出VSG未加入调频环节时，系统频率跌落较大，当面对大负荷投切时，频率会跌落到±0.5Hz以上，不符合微电网频率要求。加入一次调频环节后，如图6(c)所示，频率偏移程度虽有减少，但属于有差调节，会影响到系统内频率敏感负荷的稳定运行。加入二次调频环节后，如图6(d)所示，频率跌落后能缓慢恢复到额定值，实现了频率的无差控制。
(2)有功负荷突增时微电网频率和VSG输出功率波形
初始时刻负载功率为56kW，1s时突增有功负荷36kW，对比在各VSG的二次调频PI参数不一致和相同的情况下，系统频率和各VSG输出功率波形，如图7所示。
图7(a)和7(b)反映的是各VSG的二次调频PI参数不一致时，系统的频率和各VSG输出功率波形。在面对有功负荷突增时，系统频率经过二次调频环节作用最终能维持到额定频率，但各VSG的输出功率并不是按各自额定容量去分担负荷功率。VSG1输出功率最大，负荷增加的功率基本上都由VSG1承担，而VSG2和VSG3输出的功率确接近，不符合微电网的整体经济运行。
图7(c)和7(d)反映的是各VSG的二次调频PI参数完全一致时，系统的频率和各VSG输出功率波形。初始时刻，VSG1输出功率为27kW,VSG2输出功率为19kW,VSG3输出功率为10kW。当负荷增加时，系统频率经过二次调频环节作用最终能维持到额定频率，稳态时，VSG1输出功率为45kW,VSG2输出功率为31kW,VSG3输出功率为16kW,接近3:2:1。可以看出各VSG在参与二次调频的同时能按照各自额定容量承担负荷功率。
(3)有功负荷突减时微电网频率和VSG输出功率波形
初始时刻负载功率为56kW，1s时突减有功负荷28kW，对比在各VSG的二次调频PI参数不一致和相同的情况下，系统频率和各VSG输出功率波形，如图8所示。
图8(a)和8(b)反映的是各VSG的二次调频PI参数不一致时，系统的频率和各VSG输出功率波形。在面对有功负荷突减时，系统频率经过二次调频环节作用最终能维持到额定频率。但各VSG的输出功率并不是按各自额定容量去分担负荷功率，VSG1额定容量最大，当负荷减小时，稳态后VSG1输出功率确减小的最大，不符合微电网的经济运行。
图8(c)和8(d)反映的是各VSG的二次调频PI参数完全一致时，系统的频率和各VSG输出功率波形。初始时刻，VSG1输出功率为27kW,VSG2输出功率为19kW,VSG3输出功率为10kW。当负荷减小时，系统频率经过二次调频环节作用最终能维持到额定频率，稳态时，VSG1输出功率为14kW,VSG2输出功率为9kW,VSG3输出功率为5kW,接近3:2:1。可以看出各VSG在参与二次调频的同时能按照各自额定容量去分担负荷功率。
上述实施方式提供的分散式电网频率二次调节方法，针对支撑装备在运行中存在的电能质量问题，重点分析了频率偏差电能质量问题的治理策略。首先提出了增强配电网频率稳定性的装备端口VSG控制策略，推导了单台VSG频率与输出功率的暂态关系式，得出了影响VSG频率暂态过程和偏移程度的因素，论证了在VSG功频控制环节中引入PI控制器可实现微电网频率的二次调节，并提出了多个VSG之间如何实现功率分配的协同控制策略，对比分析了二次调频PI控制参数是影响VSG分配负荷功率的因素，并得出了多VSG参与微电网频率二次调节和分配负荷功率的协同控制策略。所提电能质量治理策略对改善馈线互联过程中支撑装备电能质量具有重要作用。
为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.分散式电网频率二次调节方法，其特征在于：通过各VSG独立采样系统频率，计算出的频率偏差送入控制器来获取各自的功率调节量，并与给定额定有功功率叠加后送入有功频率控制模块，从而实现多个VSG并联运行共同调节微电网频率。
2.根据权利要求1所述的分散式电网频率二次调节方法，其特征在于：所述控制器为PI控制器。
3.根据权利要求2所述的分散式电网频率二次调节方法，其特征在于：在VSG功频控制的频率偏差反馈指令中引入PI控制，使频率恢复额定值，则有：
Figure FDA0003604601600000011
4.根据权利要求3所述的分散式电网频率二次调节方法，其特征在于：对式(1)拉普拉斯变换后由终值定理得：
Figure FDA0003604601600000012
式中，kp为PI控制器的比例系数，ki为PI控制器的积分系数，D为阻尼系数。
5.根据权利要求2所述的分散式电网频率二次调节方法，其特征在于：当多台VSG并联时，记Di、Kdi、Pei、PNi分别表示VSG各自对应的量，记ΔPi表示VSG的PI控制器的输出，则稳态时有：
Figure FDA0003604601600000013
式中，w为VSG经过锁相环得到的系统输出角频率，稳态时由式(3)得出如下关系：
Figure FDA0003604601600000014
6.根据权利要求5所述的分散式电网频率二次调节方法，其特征在于：若各VSG额定容量关系为：
PN1:PN2:···PNn＝α1:α2:···αn (5)；
使阻尼系数D的取值与VSG自身容量PN成正比例关系，以使各VSG在参与二次调频时按照各自额定容量去分担负荷功率，则有：
Figure FDA0003604601600000015
7.根据权利要求6所述的分散式电网频率二次调节方法，其特征在于：当多台VSG并联时，让各VSG的PI参数完全相同，同时在PI控制器的输出环节后面加一个比例环节。
8.根据权利要求7所述的分散式电网频率二次调节方法，其特征在于：所述比例环节中的比例系数取为VSG频率偏差反馈系数Kd，Kd取为与VSG自身容量成正比例关系。
9.根据权利要求8所述的分散式电网频率二次调节方法，其特征在于：当在VSG二次调频环节后面引入频率偏差反馈系数Kd后，通过式(4)可变为：
Figure FDA0003604601600000021
10.分散式电网频率二次调节系统，其特征在于，包括：
采样单元：用于通过各VSG独立采样系统频率；
计算单元：用于计算出采样数据中的频率偏差，再送入控制器来获取各自的功率调节量，然后与给定额定有功功率叠加；
控制单元：用于将多个VSG并联运行来共同调节微电网频率；
该系统采用权利要求1-9中任一项所述的分散式电网频率二次调节方法进行控制。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116488203A (zh) * 2023-06-20 2023-07-25 湖南大学 一种具有强抗扰性的微电网分布式频率二次控制方法

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CN116488203B (zh) * 2023-06-20 2023-09-22 湖南大学 一种具有强抗扰性的微电网分布式频率二次控制方法

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