CN115549133A - 微电网及其控制方法 - Google Patents

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CN115549133A CN202110733507.8A CN202110733507A CN115549133A CN 115549133 A CN115549133 A CN 115549133A CN 202110733507 A CN202110733507 A CN 202110733507A CN 115549133 A CN115549133 A CN 115549133A
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Abstract

本公开提供一种微电网及其控制方法。所述微电网包括：第一储能系统，被配置为满足微电网中低频波动的功率需求；第二储能系统，被配置为满足微电网中高频波动的功率需求；以及控制器，被配置为：响应于微电网的系统频率中存在瞬态变化量，使得第二储能系统的输出功率补偿第一储能系统的瞬态功率波动。

Description

微电网及其控制方法
技术领域
本公开涉及微电网领域，具体地涉及一种微电网及其控制方法。
背景技术
由于风力发电机、光伏发电组件等分布式电源功率的波动性，离网型微电网通常配置储能系统以维持微电网系统内功率平衡并保持母线电压稳定。微电网的储能系统一般采用化学电池(锂电池、铅炭电池、钒液流电池等)和储能变流器(PCS)组合的形式。在离网型微电网系统中，风力发电机和光伏发电组件工作于PQ模式以实现对风光资源的最大功率跟踪；储能系统工作于电压源模式以建立微电网母线电压并维持微电网系统内的功率平衡。当微电网系统包含多个储能系统时，PCS常选择对等控制方式，常见的对等控制实现方式为下垂控制，各个PCS根据各自的下垂系数输出相应功率。
微电网的储能系统承担的功率是分布式电源的发电功率和负荷的消耗功率之间的差值，由于分布式电源和负荷的功率时刻波动，因此储能系统提供的功率是变化量。这种功率变化量具有高频波动和低频波动相叠加的性质，高频波动来源于风速、光照强度、负荷投切的瞬态响应等；低频波动来源于负荷的功率增减、分布式电源的工作条件转换等因素。现有技术一般不考虑这种功率的波动性质导致的储能系统高频率的充放电。然而，化学电池频繁充放电将损害电池寿命。一些方案中采用单独的装置对功率波动性质进行分析，然后将分析得到的高频功率分量和低频功率分量发送给不同类型的储能系统，但由于装置计算和通讯的延时导致额外的装置成本增加和电能质量的下降，且这种控制方式下的储能系统大多工作于PQ模式，不能为微电网系统提供电压支撑。
发明内容
根据本公开的微电网解决由于分布式电源功率波动及负荷投切等工况引发的化学电池频繁地大功率充放电进而影响电池寿命的问题。通过由超级电容提供微电网高频功率差额并且由化学电池提供低频功率差额，可提高化学电池的使用寿命，可避免额外设置功率监测装置和通讯装置，同时PCS之间可自动分配功率而无需相互通讯或与第三方通讯。
本公开的一方面提供一种微电网，所述微电网可包括：第一储能系统，被配置为满足微电网中低频波动的功率需求；第二储能系统，被配置为满足微电网中高频波动的功率需求；以及控制器，被配置为：响应于微电网的系统频率中存在瞬态变化量，使得第二储能系统的输出功率补偿第一储能系统的瞬态功率波动。
所述控制器还可被配置为：根据所述系统频率的低通滤波与所述系统频率之间的偏差而得到所述瞬态变化量，基于所述瞬态变化量控制所述第二储能系统的功率输出，以补偿第一储能系统的瞬态功率波动。
所述控制器还可被配置为：基于所述第二储能系统的荷电状态，通过PI调节来控制所述第二储能系统的荷电状态恢复到稳态设定值。
所述第一储能系统可包括第一储能变流器和第一储能部分，所述第二储能系统可包括第二储能变流器和第二储能部分，所述第一储能部分的能量密度大于所述第二储能部分的能量密度，所述第二储能部分的功率密度大于所述第一储能部分的功率密度。所述第一储能变流器和所述第二储能变流器采用虚拟同步机控制，所述第一储能系统和所述第二储能系统在虚拟同步机中的虚拟惯量的比值大于等于0.2且小于等于1。
本公开的另一方面提供一种微电网的控制方法，所述微电网可包括：第一储能系统，被配置为满足低频波动的功率需求；以及第二储能系统，被配置为满足高频波动的功率需求。所述控制方法包括：响应于微电网的系统频率中存在瞬态变化量，使得第二储能系统的输出功率补偿第一储能系统的瞬态功率波动。
所述控制方法还可包括：根据所述系统频率的低通滤波与所述系统频率之间的偏差而得到所述瞬态变化量，基于所述瞬态变化量控制所述第二储能系统的功率输出，以补偿第一储能系统的瞬态功率波动。
所述控制方法还可包括：基于所述第二储能系统的荷电状态，通过PI调节来控制所述第二储能系统的荷电状态恢复到稳态设定值。
所述第一储能系统可包括第一储能变流器和第一储能部分，所述第二储能系统可包括第二储能变流器和第二储能部分，所述第一储能部分的能量密度大于所述第二储能部分的能量密度，所述第二储能部分的功率密度大于所述第一储能部分的功率密度。所述第一储能变流器和所述第二储能变流器可采用虚拟同步机控制，所述第一储能系统和所述第二储能系统在虚拟同步机中的虚拟惯量的比值大于等于0.2且小于等于1。
本公开的另一方面提供本公开的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，其特征在于，当所述计算机程序在被处理器执行时实现如上所述的微电网的控制方法。
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，实现如上所述的微电网的控制方法。
附图说明
根据以下结合附图和具体实施方式，本公开的以上和其它方面、特征和优点将更清楚地理解，在附图中：
图1是微电网拓扑结构的示意图；
图2是光伏电站的发电功率波动的曲线图；
图3是根据本公开的实施例的微电网拓扑结构的示意图；
图4是根据本公开的实施例的第一储能系统的PCS控制策略的框图；
图5是根据本公开的实施例的第二储能系统的PCS控制策略的框图；
图6是根据微电网下垂控制策略的母线频率波动曲线图；
图7是根据本公开的实施例的微电网虚拟同步机策略的母线频率波动曲线图；以及
图8是根据本公开的实施例的微电网虚拟同步机策略的暂态功率分配的曲线图。
具体实施方式
提供以下具体实施方式以帮助获得对在此所描述的方法、设备和/或系统的全面理解。然而，在理解本申请的公开内容之后，在此描述的方法、设备和/或系统的各种变型、修改及等同物将是显而易见的。例如，在此所描述的操作的顺序仅仅是示例，其并不限于在此所阐述的顺序，而是除了必须以特定顺序发生的操作之外，可做出在理解本申请的公开内容之后将是显而易见的改变。此外，为了提高清楚性和简洁性，可省略本领域中已知的特征的描述。为了使本领域技术人员能够更好的理解本公开，下面结合附图对本公开的具体实施例进行详细描述。
技术术语定义
微电网：主要由分布式电源、用电负荷、监控系统、保护系统和自动化系统等组成(必要时含储能装置)的能够基本实现内部电力平衡的小型供电网络。
虚拟同步机(VSG)：基于虚拟同步发电机技术的装置，其具有与常规的同步发电机组相似的运行机理及外特性。
储能变流器(Power Conversion System，PCS)：在电化学储能系统中连接于电池系统与电网(和/或负荷)之间以实现电能双向转换的变流器。
荷电状态(State of Charge，SOC)：指储能元件的剩余电量与相同条件下额定容量的比值。
图1是微电网拓扑结构的示意图。
参照图1，在典型的离网型微电网拓扑结构中，T1～T4表示变压器，S1～S4表示开关，Load表示负荷，分布式电源DG1和DG2可包括风力发电机和光伏发电组件，储能系统(Power Storage System)PSS包括连接到微电网的储能变流器PCS和储能部分，储能部分经由储能变流器连接到微电网。储能部分可以是例如锂电池的化学电池。
在微电网系统中，分布式电源DG1和DG2作为功率源向系统提供电能，Load消耗电能。当分布式电源DG1和DG2发出的功率为P1且Load消耗的功率为P2时，储能系统PSS做为电压源，负责平抑系统内功率缺口。当储能系统PSS向微电网系统提供的功率为P3时，微电网系统内的功率平衡，且满足下式(1)：
P3＝P2-P1 (1)
当负荷消耗的功率大于分布式电源提供的功率(P2>P1)时(即，P3>0)，储能系统PSS向微电网系统提供电能；当负荷消耗的功率小于分布式电源提供的功率(P2<P1)时(即，P3<0)，储能系统PSS从微电网系统吸收电能。
图2是光伏电站的发电功率波动的曲线图。
参照图2，示出一天范围内光伏发电功率的波动，可见其发电功率存在以天为单位的基波频率波动，同时在发电功率的基波频率上还叠加短时的高频瞬态波动。由于风速和光照强度变化等因素导致分布式电源提供的功率时刻变化，并且负荷的投切、及工况变化导致消耗的功率也时刻变化，因此储能系统PSS中的化学电池一直在动态地调节输出功率值。一般锂离子电池储存的能量密度高，但循环寿命仅为3000～5000次，这样的工作状态将损害电池寿命。而超级电容的短时功率输出密度，循环寿命可达到百万次，但储存的能量密度低。因此，本公开提出配置超级电容来平抑部分高频瞬态波动使化学电池主要承担低频功率波动。
图3是根据本公开的实施例的微电网拓扑结构的示意图。
参照图3，根据本公开的实施例的微电网包括第一储能系统和第二储能系统以及控制器(未示出)。在离网型微电网拓扑结构中，T1～T5表示变压器，S1～S5表示断路器，Load表示负荷，DG1和DG2表示分布式电源。
第一储能系统PSS1包括连接到微电网的第一储能变流器PCS1和第一储能部分(第一储能部分经由第一储能变流器PCS1连接到连接到微电网)，并且被配置为满足微电网中低频波动的功率需求；第二储能系统PSS2包括连接到微电网的第二储能变流器PCS2和第二储能部分(第二储能部分经由第二储能变流器PCS2连接到微电网)，并且被配置为满足微电网中高频波动的功率需求。根据本公开的实施例，第一储能系统PSS1的能量密度大于第二储能系统PSS2的能量密度，第二储能系统PSS2的功率密度大于第一储能系统PSS1的功率密度，例如，第一储能系统PSS1的第一储能部分可采用锂电池，第二储能系统PSS2的第二储能部分可采用超级电容。
根据本公开的实施例的离网型微电网中，当DG1和DG2发出的功率为P1s且Load消耗的功率为P2s时，第一储能系统PSS1和第二储能系统PSS2做为电压源，负责平抑系统内功率缺口。当第一储能系统PSS1向微电网系统提供的功率为P3s且第二储能系统PSS2向微电网系统提供的功率为P4s时，微电网系统内的功率平衡，且满足下式(2)：
ΔP＝P3s+P4s＝P2s-P1s (2)
其中，ΔP表示分布式电源和负荷之间功率差额。由于功率差额实时变化，因此第一储能系统PSS1和第二储能系统PSS2提供的功率也实时变化。ΔP可叠加有高频分量和低频分量。高频分量可表征快速变化的功率差额，如投切负荷、光照和风速短时变化等因素引起的瞬态变化量。低频分量可表征时间相对较长的功率差额，如阴天、负荷减少等的负荷、光照和风速稳态长时变化引起的功率变化量。
本公开的实施例在PCS的控制策略中加入虚拟同步机技术，使得在分布式电源及负荷的功率波动情况下，微电网交流母线的频率波动平缓。微电网的控制器采用虚拟同步机控制策略来控制第一储能系统PSS1的第一储能变流器PCS1和第二储能系统PSS2的第二储能变流器PCS2，响应于微电网的系统频率中存在瞬态变化量，通过调节第二储能系统PSS2中的超级电容的PCS控制参数使得第二储能系统PSS2中的超级电容的输出功率补偿第一储能系统PSS1的瞬态功率波动。超级电容可被配置为分担功率波动中的高频分量的绝大部分，但不分担功率波动中的低频分量。
图4是根据本公开的实施例的第一储能系统PSS1的PCS控制策略的框图。
参照图4，第一储能系统PSS1的PCS控制框图中，功率环控制策略模拟同步发电机特性，加入了转子运动方程和调速器方程。在此PCS在模拟调速器方程中省略转矩响应的延时环节，避免调速器无法及时调节输出转矩，可较快输出转矩功率指令。转子运动方程中JLi为虚拟转动惯量、DLi为虚拟阻尼系数。KωLi为调速器的有功-频率下垂系数。
图5是根据本公开的实施例的第二储能系统PSS2的PCS控制策略的框图。
参照图5，根据本公开的实施例的第二储能系统PSS2的PCS控制策略的框图具有与第一储能系统PSS1的功率环相似的转子运动方程。然而，根据本公开的实施例的第二储能系统PSS2仅被配置为响应瞬态功率波动，而不响应系统功率的稳态变化。此外，在系统功率无瞬态波动时，第二储能系统PSS2的储能部分的SOC应能够自动恢复到SOC稳态设定值，以确保在下一次瞬态功率波动之前，恢复到足够的响应容量。
根据本公开的实施例的第二储能系统PSS2的PCS控制策略的功率环的指令功率Pref由两部分组成。指令功率Pref同时跟随超级电容的SOC和微电网的系统频率ωs，因此指令功率Pref表示为SOC支路和ωs支路的叠加。SOC支路通过PI调节来调节转子运动方程的功率指令值，且保证无功率波动工况下第二储能系统的SOC值恢复到参考值，其输出的PSOC能够确保第二储能系统PSS2的SOC恢复到SOC设定值。ωs支路只在系统功率存在瞬态变化量时(此时ωs给定值和反馈值不等)输出Pω，在稳态时(此时ωs给定值和反馈值相等)输出指令Pω为0。在图5中，ω0是微电网系统的额定角频率(例如，可以是2×π×50)，ωs是微电网系统实际角频率，SOCref是第二储能系统PSS2的SOC稳态设定值，KSOC是第二储能系统PSS2的调速器的有功-SOC下垂系数，ρ是第二储能系统PSS2的功率环两支路权重系数，Qref是无功参考值，在此可设为0。
可通过建立小信号状态方程求解出使系统稳定的参数范围。在实际调试过程中可通过修改J(虚拟惯量参数)来调节功率波动的瞬间响应能力，在系统的稳定范围内J参数越大则储能系统的响应功率越大。根据本公开的实施例，取决于储能容量配比、系统稳定性范围，第一储能系统PSS1和第二储能系统PSS2在虚拟同步机中的虚拟惯量J的比值可大于等于0.2且小于等于1，可选地，第一储能系统PSS1和第二储能系统PSS2在虚拟同步机中的虚拟惯量J的比值可大于等于0.5且小于等于1。此外，在实际调试过程中SOC支路的PI调节系数决定第二储能系统的SOC恢复到稳态设定值的速度。
根据本公开的实施例提供一种微电网的控制方法。控制方法可包括响应于微电网的系统频率中存在瞬态变化量，使得第二储能系统PSS2的输出功率补偿第一储能系统PSS1的瞬时功率波动。所述瞬态变化量可根据系统频率ωs的低通滤波信号与系统频率ωs的原始信号之间的偏差得到，基于所述瞬时变化量控制第二储能系统PSS2的功率输出，以补偿第一储能系统PSS1的瞬时功率波动。
图6是根据微电网下垂控制策略的母线频率波动曲线图。图7是根据本公开的实施例的微电网虚拟同步机策略的母线频率波动曲线图。
参照图6和图7，在时刻65s后向微电网系统中投入200kW负荷，传统下垂控制策略中母线频率瞬间下降。而采用虚拟同步机控制策略可平抑母线频率波动，有助于系统稳定。
图8是根据本公开的实施例的微电网虚拟同步机策略的暂态功率分配的曲线图。
参照图8，根据本公开的实施例的微电网系统中包括两类储能系统。第一储能系统PSS1采用锂电池，具有较小虚拟惯量常数。第二储能系统PSS2采用超级电容，具有较大时间惯量常数。第二储能系统PSS2的时间惯量常数大于第一储能系统PSS1的虚拟惯量常数。微电网系统在时刻340s之前无负荷功率波动。微电网系统在时刻340s投入100kW阻性负荷，超级电容输出87kW瞬态功率，然后功率逐渐减小。锂电池输出13kW瞬态功率，然后功率逐渐增大，经过大约40s时间，超级电容输出功率减小为0，锂电池输出功率达到100kW。可见，在微电网系统内功率突变的瞬间，不同虚拟惯量的PCS分配的功率不同，据此增大超级电容的虚拟惯量常数可增加超级电容输出功率。
由于超级电容是功率型储能元件，其短时输出功率大但储存能量小，因此在功率调节过程中需要考虑SOC。在虚拟同步机控制算法中引入SOC控制，使超级电容在响应瞬态功率波动后，输出功率逐渐减小，最终SOC恢复到参考值，输出功率降为0。
根据本公开的实施例，微电网的储能系统采用VSG技术可平缓母线频率波动，并且超级电容与化学电池的组合由超级电容提供微电网高频功率差额并且由化学电池提供低频功率差额，发挥了超级电容循环充放电寿命长的优点，避免了化学电池频繁充放电从而延长化学电池的寿命。同时，可避免额外设置功率监测装置和通讯装置，PCS之间可自动分配功率而无需相互通讯或与第三方通讯。
根据本公开的示例性实施例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的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)。
根据本公开的示例性实施例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的控制方法的计算机程序。
上面对本公开的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本公开的原理和精神的情况下，可对这些实施例进行修改和变型，这些修改和变型也应在本公开权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种微电网，其特征在于，所述微电网包括：
第一储能系统，被配置为满足微电网中低频波动的功率需求；
第二储能系统，被配置为满足微电网中高频波动的功率需求；以及
控制器，被配置为：响应于微电网的系统频率中存在瞬态变化量，使得第二储能系统的输出功率补偿第一储能系统的瞬态功率波动。
2.根据权利要求1所述的微电网，其中，所述控制器还被配置为：
根据所述系统频率的低通滤波与所述系统频率之间的偏差而得到所述瞬态变化量，基于所述瞬态变化量控制所述第二储能系统的功率输出，以补偿第一储能系统的瞬态功率波动。
3.根据权利要求1所述的微电网，其中，所述控制器还被配置为：
基于所述第二储能系统的荷电状态，通过PI调节来控制所述第二储能系统的荷电状态恢复到稳态设定值。
4.根据权利要求1-3中的任意一项所述的微电网，其中，所述第一储能系统包括第一储能变流器和第一储能部分，所述第二储能系统包括第二储能变流器和第二储能部分，所述第一储能部分的能量密度大于所述第二储能部分的能量密度，所述第二储能部分的功率密度大于所述第一储能部分的功率密度，
其中，所述第一储能变流器和所述第二储能变流器采用虚拟同步机控制，所述第一储能系统和所述第二储能系统在虚拟同步机中的虚拟惯量的比值大于等于0.2且小于等于1。
5.一种微电网的控制方法，其特征在于，所述微电网包括：第一储能系统，被配置为满足低频波动的功率需求；以及第二储能系统，被配置为满足高频波动的功率需求；
所述控制方法包括：响应于微电网的系统频率中存在瞬态变化量，使得第二储能系统的输出功率补偿第一储能系统的瞬态功率波动。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其中，所述控制方法还包括：
根据所述系统频率的低通滤波与所述系统频率之间的偏差而得到所述瞬态变化量，基于所述瞬态变化量控制所述第二储能系统的功率输出，以补偿第一储能系统的瞬态功率波动。
7.根据权利要求5所述的控制方法，其中，所述控制方法还包括：
基于所述第二储能系统的荷电状态，通过PI调节来来控制所述第二储能系统的荷电状态恢复到稳态设定值。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其中，所述第一储能系统包括第一储能变流器和第一储能部分，所述第二储能系统包括第二储能变流器和第二储能部分，所述第一储能部分的能量密度大于所述第二储能部分的能量密度，所述第二储能部分的功率密度大于所述第一储能部分的功率密度，
其中，所述第一储能变流器和所述第二储能变流器采用虚拟同步机控制，所述第一储能系统和所述第二储能系统在虚拟同步机中的虚拟惯量的比值大于等于0.2且小于等于1。
9.一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5至8中任意一项所述的微电网的控制方法。
10.一种计算机设备，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5至8中任意一项所述的微电网的控制方法。
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