CN117277403A - 一种微电网孤岛控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种微电网孤岛控制方法，是基于一种微电网孤岛控制系统提供的控制方法，所述的微电网孤岛控制系统包括至少三个用户群，每个用户群设置有分布式发电单元、蓄电池储能单元和负载单元，本方法可协调源‑荷‑储三者之间的能量流动关系，在微电网由并网模式切换到孤岛模式过程中，应对联络线功率缺额问题，通过改变微电源出力、修正蓄电池储能单元充放电策略及执行必要的负荷削减决策等方式，进行逐步地功率调节，使网内设备能够无缝延续脱网前的电压状态，保证了网内用户的不间断用电需求。本发明能够在微电网切换过程中，通过改变微电源出力和修正蓄电池储能单元充、放电策略及执行必要的负荷单元削减策略等方式，进行逐步地调节功率，使网内设备能够无缝延续脱网前的电压状态。

Description

一种微电网孤岛控制方法
技术领域
本发明属于分布式发电与微电网技术领域，特别涉及一种微电网孤岛控制方法。
背景技术
新能源发电技术主要以微电网的形式呈现。不同于传统电网大规模、集中管理的调度方式，微电网发电强调“因地制宜”和“就地消纳”的能力。微电网由微电源、蓄电池储能单元、负荷单元、保护装置、监控设备等构成，其通过公共连接点(Point of CommonCoupling,PCC)处开关与大电网连接，具有并网模式和离网(孤岛)模式两种运行方式。并网运行时，微电网可看作是一个可控电源，受大电网的电力调度为其削峰填谷或提供冷热备用等多种形式的能源；孤岛运行时，微电网可看作是一个小型电力系统，自给自足完成对网内用户的不间断供电业务。微电网是否具备两种模式之间的平滑切换能力是评估其供电可靠性的重要指标，对微电网发电技术应用的广泛推广具有重要意义。
基于不同的控制结构下的微电网，并网转孤岛的控制策略可归纳为三类。第一类基于微电网的主从控制结构，该结构下的微电网在模式切换时，主电源逆变器必须同步完成从PQ控制向V/f控制方式的转换，以维持孤岛模式下电压和频率的稳定。但主电源逆变器控制方式从电流型控制(并网模式)到电压型控制(孤岛模式)的硬切换给负荷单元带来了较大的冲击。第二类基于微电网的对等控制结构，该结构中的微电源逆变器多采用下垂(Droop)控制。因其具有电压源的特性，可独立运行于并网和孤岛模式，在一定程度上避免了因模式切换带来的暂态冲击。然而，上述两类控制策略的侧重点为对单一控制器的改进或算法的优化，其控制效果受限于相应微电源逆变器的调节容量。
发明内容
鉴于背景技术所存在的技术问题，本发明所提供的一种微电网孤岛控制方法，本发明能够在微电网切换过程中，通过改变微电源出力和修正蓄电池储能单元充、放电策略及执行必要的负荷单元削减策略等方式，进行逐步地调节功率，使网内设备能够无缝延续脱网前的电压状态。
为了解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案来实现：
一种微电网孤岛控制方法，是基于一种微电网孤岛控制系统提供的控制方法，所述的微电网孤岛控制系统包括至少三个用户群，每个用户群设置有分布式发电单元、蓄电池储能单元和负载单元，多个用户群构成了微电网系统；分布式发电单元、蓄电池储能单元和负载单元汇集到一条交流母线处形成辐射状网络结构；分布式发电单元包括光伏发电组件和风力发电设备，微电网系统电源类型包括光伏发电组件、风力发电机和蓄电池储能单元；当某条交流线路或其连接的元件发生故障时，由断路器保护装置直接断开公共连接点处连接，微电网进入孤岛运行模式；微电网孤岛控制方法包括以下步骤：
步骤1：并网模式的微电网收到离网指令，由微电网中央控制器记录此时外部电网电压的相位和幅值，微电网孤岛控制系统快速调节联络线功率趋近于0；
步骤2：检测微电网内蓄电池储能单元的当前能量状态是否满足计划孤岛条件：即；考虑到蓄电池储能单元的长期耗损对使用寿命的影响，设定当蓄电池储能单元时进入浮充状态；若微电网中某一蓄电池储能单元SOC未达到指定值，则继续对蓄电池储能单元充电；若蓄电池储能单元SOC满足指定值，则判定微电网做好了计划孤岛的前期准备，进入步骤3。
步骤3：微电网孤岛控制系统主动切断与大电网的连接，主控制装置同步切换微电源的控制方式；基于V/f控制的主电源为微电网提供电压和频率的支撑，其它微电源仍采用PQ控制方式不变；
步骤4：微电网孤岛控制系统判断此时网内所有微电源发电总量与总负荷需求功率的大小关系，若功率关系式满足，则说明发电功率足以满足网内负荷需求；
进行发电盈余量是否为蓄电池储能单元进行充电的判断：判断多余发电量与蓄电池储能单元的剩余容量的大小关系，即是否成立；若满足则为蓄电池储能单元充电，反之，调整微电源的出力负荷需求相匹配，避免能量的浪费；若功率关系式满足，则说明孤岛微电网内微电源的发电能力不足，需要执行负荷削减策略平衡功率供给关系。
步骤5：微电网孤岛控制系统根据微电网实际运行情况计算切负荷总量，切除负荷前需要权衡负荷特征信息之间的差异。负荷削减策略的目的是维持网内发电侧和需求侧动态平衡，要求保证微电网运行经济性的同时减小计划孤岛对网内用户电能质量影响。
步骤6：微电网孤岛控制系统重新评估网内功率平衡关系；若，返回步骤4并及时调整微电源的出力。否则，返回步骤5。
优选地，蓄电池储能单元采用PQ-Vf双模式逆变器；PQ-Vf双模式逆变器通过接收来自静态开关STS闭合或断开的状态量指令来改变控制方式；微电网并网运行时STS闭合，控制开关1至开关4接收“1”的数字信号，此时主电源处于PQ控制模式；由电网的三相瞬时值电流iabc与三相瞬时值电压uabc经派克变换后得到的dq轴分量idq和udq，然后合成大电网的瞬时功率Pin和Qin，其作为PQ控制的输入量分别与给定的参考信号Pref和Qref做差，随后分别进入有功和无功功率控制单元进行PI控制，最后输出参考信号i_(dref)和i_(qref)；当检测到孤岛事件发生后，STS断开并发送“0”的数字信号，控制开关1至开关4全部指向“0”处；此时，系统频率fin与参考频率fref做差，误差值经频率控制单元形成有功功率参考值Pref；同理，在电压控制单元经PI控制后得到无功功率的参考值Qref；最后经有功、无功功率控制单元后形成V/f控制的输出参考信号i_(dref)和i_(qref)，其输送给逆变器作为内环控制的电流参考值。
优选地，微电网孤岛控制系统采用以下多种供电方式：
供电方式一：当微电网系统的电源类型仅为单一形式，即单电源供电方式：
1)有光无风时，光伏发电组件优先给负荷单元供电，满足负载单元需求后将剩余的能量提供给蓄电池储能单元；
2)有风无光时，风力发电机优先给负荷单元供电，满足负荷单元需求后将剩余的能量提供给蓄电池储能单元；
3)无光无风时，风力发电机和光伏发电组件都不能工作，由蓄电池储能单元向负荷单元供电，能量只流向负荷单元；
供电方式二：当微电网系统的电源类型具有两种形式，即双电源联合供电方式：
1)有光无风时，若光伏发电组件功率不足以满足负荷单元需求，则调动蓄电池储能单元进行功率补充，负荷单元所需电能由光伏发电组件和蓄电池储能单元联合提供。
2)有风无光时，若风力发电机功率不足以满足负荷单元需求，则调动蓄电池储能单元进行功率补充，负荷单元所需电能由风力发电机和蓄电池储能单元联合提供。
3)有风有光时，即能量有盈余的情况，此时微电源优先给负荷单元供电，多余能量为蓄电池储能单元充电，能量由风力发电机和光伏发电组件联合提供，流向负荷单元和蓄电池储能单元两处；
供电方式三：当微电网系统的电源类型具有三种形式，即三电源联合供电方式：
1)当负荷单元功率需求很大，风力发电机、光伏发电组件均能正常工作，蓄电池储能单元电量未达放电下限时会出现三电源联合供电的情况；此时，能量由风力发电机、光伏发电组件和蓄电池储能单元提供并流向负荷单元。三电源联合供电的情况比较极端，如微电源发电功率不足或负荷单元功率陡升时可能会出现这类情况。
2)微电网进行并网转孤岛模式切换时，要求其切换过程平滑且迅速，网内设备能够无缝延续脱网前的电压状态。所述微电网孤岛控制系统具备平滑切换的能力。
本发明可达到以下有益效果：
1、本发明在微电网由并网模式换到孤岛模式过程中，通过改变微电源出力和修正蓄电池储能单元充、放电策略及执行必要的负荷单元削减策略，进行逐步地功率调节，使网内设备能够无缝延续脱网前的电压状态，保证了网内用户的不间断用电需求。
2、本发明充分考虑了孤岛运行方式下的风光储微电网内源-荷-储之间的能量流动关系，并划分为三种不同的供电方式以实现微电网内发电侧和需求侧的功率平衡。
3、本发明有利于微电网的设计、控制、维护和扩容，微电网的供电可靠性较高，具有推广价值。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1是微电网孤岛控制系统流程图；
图2是微电网孤岛控制系统的结构示意图；
图3是微电网孤岛控制系统主电源控制器电路图；
图4是微电网孤岛切换期间联络线交互功率；
图5是微电网孤岛切换期间主电源逆变器端口输出电压；
图6是微电网孤岛切换期间蓄电池储能单元输出功率；
图7是微电网孤岛切换期间风力发电机输出功率；
图8是微电网孤岛切换期间光伏发电组件输出功率。
具体实施方式
优选的方案如图1至图8所示，一种微电网孤岛控制方法，是基于一种微电网孤岛控制系统提供的控制方法，所述的微电网孤岛控制系统包括至少三个用户群，每个用户群设置有分布式发电单元、蓄电池储能单元和负载单元，多个用户群构成了微电网系统；分布式发电单元、蓄电池储能单元和负载单元汇集到一条交流母线处形成辐射状网络结构；分布式发电单元包括光伏发电组件和风力发电设备，微电网系统电源类型包括光伏发电组件、风力发电机和蓄电池储能单元；当某条交流线路或其连接的元件发生故障时，由断路器保护装置直接断开公共连接点处连接，微电网进入孤岛运行模式；由微电网中央控制器(Microgrid Central Controller,MGCC)统一发送控制指令。当并网模式的微电网收到转孤岛运行指令时，MGCC记录此时大电网电压的相位和幅值，调节联络线功率趋近于0，并检测微电网内蓄电池储能单元的当前能量状态是否满足计划孤岛条件。微电网主动切断与大电网的连接，主控制装置同步切换微电源的控制方式。基于V/f控制的主电源为微电网提供电压和频率的支撑，其它微电源仍采用PQ控制方式不变。
微电网孤岛控制方法包括以下步骤：
步骤1：并网模式的微电网收到离网指令，由微电网中央控制器记录此时外部电网电压的相位和幅值，微电网孤岛控制系统快速调节联络线功率趋近于0；
步骤2：检测微电网内蓄电池储能单元的当前能量状态是否满足计划孤岛条件：即；考虑到蓄电池储能单元的长期耗损对使用寿命的影响，设定当蓄电池储能单元时进入浮充状态；若微电网中某一蓄电池储能单元SOC未达到指定值，则继续对蓄电池储能单元充电；若蓄电池储能单元SOC满足指定值，则判定微电网做好了计划孤岛的前期准备，进入步骤3。
步骤3：微电网孤岛控制系统主动切断与大电网的连接，主控制装置同步切换微电源的控制方式；基于V/f控制的主电源为微电网提供电压和频率的支撑，其它微电源仍采用PQ控制方式不变；
主控制装置具备PQ控制和V/f控制两种控制结构以分别工作于微电网的并网和孤岛模式。
步骤4：微电网孤岛控制系统判断此时网内所有微电源发电总量与总负荷需求功率的大小关系，若功率关系式满足，则说明发电功率足以满足网内负荷需求；
进行发电盈余量是否为蓄电池储能单元进行充电的判断：判断多余发电量与蓄电池储能单元的剩余容量的大小关系，即是否成立；若满足则为蓄电池储能单元充电，反之，调整微电源的出力负荷需求相匹配，避免能量的浪费；若功率关系式满足，则说明孤岛微电网内微电源的发电能力不足，需要执行负荷削减策略平衡功率供给关系。
步骤5：微电网孤岛控制系统根据微电网实际运行情况计算切负荷总量，切除负荷前需要权衡负荷特征信息之间的差异。负荷削减策略的目的是维持网内发电侧和需求侧动态平衡，要求保证微电网运行经济性的同时减小计划孤岛对网内用户电能质量影响。
步骤6：微电网孤岛控制系统重新评估网内功率平衡关系；若，返回步骤4并及时调整微电源的出力。否则，返回步骤5。
优选地，蓄电池储能单元采用PQ-Vf双模式逆变器；PQ-Vf双模式逆变器通过接收来自静态开关STS闭合或断开的状态量指令来改变控制方式；微电网并网运行时STS闭合，控制开关1至开关4接收“1”的数字信号，此时主电源处于PQ控制模式；由电网的三相瞬时值电流iabc与三相瞬时值电压uabc经派克变换后得到的dq轴分量idq和udq，然后合成大电网的瞬时功率Pin和Qin，其作为PQ控制的输入量分别与给定的参考信号Pref和Qref做差，随后分别进入有功和无功功率控制单元进行PI控制，最后输出参考信号i_(dref)和i_(qref)；当检测到孤岛事件发生后，STS断开并发送“0”的数字信号，控制开关1至开关4全部指向“0”处；此时，系统频率fin与参考频率fref做差，误差值经频率控制单元形成有功功率参考值Pref；同理，在电压控制单元经PI控制后得到无功功率的参考值Qref；最后经有功、无功功率控制单元后形成V/f控制的输出参考信号i_(dref)和i_(qref)，其输送给逆变器作为内环控制的电流参考值。
优选地，微电网孤岛控制系统采用以下多种供电方式：
供电方式一：当微电网系统的电源类型仅为单一形式，即单电源供电方式：
1)有光无风时，光伏发电组件优先给负荷单元供电，满足负载单元需求后将剩余的能量提供给蓄电池储能单元；
2)有风无光时，风力发电机优先给负荷单元供电，满足负荷单元需求后将剩余的能量提供给蓄电池储能单元；
3)无光无风时，风力发电机和光伏发电组件都不能工作，由蓄电池储能单元向负荷单元供电，能量只流向负荷单元；
供电方式二：当微电网系统的电源类型具有两种形式，即双电源联合供电方式：
1)有光无风时，若光伏发电组件功率不足以满足负荷单元需求，则调动蓄电池储能单元进行功率补充，负荷单元所需电能由光伏发电组件和蓄电池储能单元联合提供。
2)有风无光时，若风力发电机功率不足以满足负荷单元需求，则调动蓄电池储能单元进行功率补充，负荷单元所需电能由风力发电机和蓄电池储能单元联合提供。
3)有风有光时，即能量有盈余的情况，此时微电源优先给负荷单元供电，多余能量为蓄电池储能单元充电，能量由风力发电机和光伏发电组件联合提供，流向负荷单元和蓄电池储能单元两处；
供电方式三：当微电网系统的电源类型具有三种形式，即三电源联合供电方式：
1)当负荷单元功率需求很大，风力发电机、光伏发电组件均能正常工作，蓄电池储能单元电量未达放电下限时会出现三电源联合供电的情况；此时，能量由风力发电机、光伏发电组件和蓄电池储能单元提供并流向负荷单元。三电源联合供电的情况比较极端，如微电源发电功率不足或负荷单元功率陡升时可能会出现这类情况。
2)微电网进行并网转孤岛模式切换时，要求其切换过程平滑且迅速，网内设备能够无缝延续脱网前的电压状态。所述微电网孤岛控制系统具备平滑切换的能力。
实施例1：
以某微电网采用本发明进行孤岛运行模式的切换为例，本发明基于修改的IEEE-37节点在DIgSILENT平台中搭建了含风、光、储的微电网系统。
表1微电网的源-荷-储配置参数
设定微电网原先运行于并网模式，联络线上有功功率的交互数值为16.2kW。在t＝0.1s时微电网收到调度中心的离网指令，即刻起微电网内发电单元多余发电量全部流向蓄电池储能单元，使联络线上传输功率逐渐降为0。当t＝1s时，按照既定计划，PCC处开关断开，微电网由并网模式切换为孤岛模式，参照图4所示。
由于提前完成了联络线功率调节任务，在PCC处开关断开的瞬间，主电源同步从PQ控制切换为V/f控制方式，其逆变器端口输出电压的波动较小，参照图5所示。
蓄电池储能单元功率原先为负值，即处于充电模式，在达到充电上限(设定值为95％)后停止吸收功率，即不充电也不放电。在t＝1s时，受微电网运行模式切换的影响，输出功率出现短暂波动，随后以额定功率放电，参照图6所示。
微电网内风力发电机、光伏发电组件的输出功率不稳定，且作为从电源，对其在并网和孤岛模式下均采用PQ控制方式最大化功率输出。设定风力发电机、光伏发电组件分别以18kW、20kW的恒定功率输出，微电网运行模式的切换对其出力影响较小，输出功率呈现小幅波动。风力发电机的输出功率参照图7所示，光伏发电组件的输出功率参照图8所示。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种微电网孤岛控制方法，其特征在于：是基于一种微电网孤岛控制系统提供的控制方法，所述的微电网孤岛控制系统包括至少三个用户群，每个用户群设置有分布式发电单元、蓄电池储能单元和负载单元，多个用户群构成了微电网系统；分布式发电单元、蓄电池储能单元和负载单元汇集到一条交流母线处形成辐射状网络结构；分布式发电单元包括光伏发电组件和风力发电设备，微电网系统电源类型包括光伏发电组件、风力发电机和蓄电池储能单元；当某条交流线路或其连接的元件发生故障时，由断路器保护装置直接断开公共连接点处连接，微电网进入孤岛运行模式；微电网孤岛控制方法包括以下步骤：
步骤1：并网模式的微电网收到离网指令，由微电网中央控制器记录此时外部电网电压的相位和幅值，微电网孤岛控制系统快速调节联络线功率趋近于0；
步骤2：检测微电网内蓄电池储能单元的当前能量状态是否满足计划孤岛条件：即；设定当蓄电池储能单元时进入浮充状态；若微电网中某一蓄电池储能单元SOC未达到指定值，则继续对蓄电池储能单元充电；若蓄电池储能单元SOC满足指定值，则判定微电网做好了计划孤岛的前期准备，进入步骤3。
步骤3：微电网孤岛控制系统主动切断与大电网的连接，主控制装置同步切换微电源的控制方式；
步骤4：微电网孤岛控制系统判断此时网内所有微电源发电总量与总负荷需求功率的大小关系，若功率关系式满足，则说明发电功率足以满足网内负荷需求；
进行发电盈余量是否为蓄电池储能单元进行充电的判断：判断多余发电量与蓄电池储能单元的剩余容量的大小关系，即是否成立；若满足则为蓄电池储能单元充电，反之，调整微电源的出力负荷需求相匹配，避免能量的浪费；若功率关系式满足，则说明孤岛微电网内微电源的发电能力不足，需要执行负荷削减策略平衡功率供给关系。
步骤5：微电网孤岛控制系统根据微电网实际运行情况计算切负荷总量，切除负荷前需要权衡负荷特征信息之间的差异。
步骤6：微电网孤岛控制系统重新评估网内功率平衡关系；若，返回步骤4并及时调整微电源的出力。否则，返回步骤5。
2.根据权利要求1所述的一种微电网孤岛控制方法，其特征在于：蓄电池储能单元采用PQ-Vf双模式逆变器；PQ-Vf双模式逆变器通过接收来自静态开关STS闭合或断开的状态量指令来改变控制方式；微电网并网运行时STS闭合，控制开关1至开关4接收“1”的数字信号，此时主电源处于PQ控制模式；由电网的三相瞬时值电流iabc与三相瞬时值电压uabc经派克变换后得到的dq轴分量idq和udq，然后合成大电网的瞬时功率Pin和Qin，其作为PQ控制的输入量分别与给定的参考信号Pref和Qref做差，随后分别进入有功和无功功率控制单元进行PI控制，最后输出参考信号i_(dref)和i_(qref)；当检测到孤岛事件发生后，STS断开并发送“0”的数字信号，控制开关1至开关4全部指向“0”处；此时，系统频率fin与参考频率fref做差，误差值经频率控制单元形成有功功率参考值Pref；同理，在电压控制单元经PI控制后得到无功功率的参考值Qref；最后经有功、无功功率控制单元后形成V/f控制的输出参考信号i_(dref)和i_(qref)，其输送给逆变器作为内环控制的电流参考值。
3.根据权利要求1所述的一种微电网孤岛控制方法，其特征在于：微电网孤岛控制系统采用以下多种供电方式：
供电方式一：当微电网系统的电源类型仅为单一形式，即单电源供电方式：
1)有光无风时，光伏发电组件优先给负荷单元供电，满足负载单元需求后将剩余的能量提供给蓄电池储能单元；
2)有风无光时，风力发电机优先给负荷单元供电，满足负荷单元需求后将剩余的能量提供给蓄电池储能单元；
3)无光无风时，风力发电机和光伏发电组件都不能工作，由蓄电池储能单元向负荷单元供电，能量只流向负荷单元；
供电方式二：当微电网系统的电源类型具有两种形式，即双电源联合供电方式：
1)有光无风时，若光伏发电组件功率不足以满足负荷单元需求，则调动蓄电池储能单元进行功率补充，负荷单元所需电能由光伏发电组件和蓄电池储能单元联合提供。
2)有风无光时，若风力发电机功率不足以满足负荷单元需求，则调动蓄电池储能单元进行功率补充，负荷单元所需电能由风力发电机和蓄电池储能单元联合提供。
3)有风有光时，即能量有盈余的情况，此时微电源优先给负荷单元供电，多余能量为蓄电池储能单元充电，能量由风力发电机和光伏发电组件联合提供，流向负荷单元和蓄电池储能单元两处；
供电方式三：当微电网系统的电源类型具有三种形式，即三电源联合供电方式：
1)当负荷单元功率需求很大，风力发电机、光伏发电组件均能正常工作，蓄电池储能单元电量未达放电下限时会出现三电源联合供电的情况；
2)微电网进行并网转孤岛模式切换时，要求其切换过程平滑且迅速，网内设备能够无缝延续脱网前的电压状态。
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