WO2019148688A1

WO2019148688A1 - 一种微电网并网转孤岛运行模式的稳定控制方法

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Publication number: WO2019148688A1
Application number: PCT/CN2018/086239
Authority: WO
Inventors: 盛德刚; 徐运兵; 戴罡; 裴军; 徐大可
Original assignee: 大全集团有限公司; 南京大全电气研究院有限公司
Priority date: 2018-02-01
Filing date: 2018-05-10
Publication date: 2019-08-08
Also published as: CN109842148A; AU2018406527A1; AU2018102188A4

Abstract

本发明公开了一种微电网并网转孤岛运行模式的稳定控制方法，即通过微电网中央控制器及快速测控单元采集微电网、联络线各电气量以及接收上级系统指令，得到微电网实时运行状态；当是计划性孤岛，则计算微电网系统实时的负荷及电源出力，判断是否源荷平衡；否则当系统满足孤岛判据则主电源由PQ运行模式转换为V/f运行模式、分断PCC开关后判断系统是否正常运行，若系统异常，检测到故障线路后立即切除，重新开始判断；若系统正常，判断微电网内是否源荷平衡时，若源荷失衡，则计算功率失衡量，调节储能出力后重新判断是否源荷平衡，若源荷失衡则进行低压/低频减载，重新判断源荷平衡。本发明可以实现检测方式简单的效果，稳定性好。

Description

一种微电网并网转孤岛运行模式的稳定控制方法

技术领域

本发明涉及微电网技术领域，特别是一种微电网并网转孤岛运行模式的稳定控制方法。

背景技术

传统的煤炭、石油等一次能源是不可再生的，提高能源利用效率、开发新能源、加强可再生能源的利用，就成为了解决经济和社会快速发展过程中日益凸显的能源需求增长与能源紧缺、能源利用与环境保护之间矛盾的必然选择。

目前，光伏发电、风力发电、燃料电池、微型燃气轮机、内燃机等分布式电源经过长期的发展，在技术上已取得了长足的进步，我国计划到2020年，发电机总装机容量近10亿千瓦，其中包含小水电在内的分布式能源比重超过20％。

将分布式发电以微电网的形式接入大电网并网运行，是发挥分布式发电供能系统效能的最有效方式，微电网是指由分布式电源、储能装置、能量变换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与大电网并网运行(微电网与大电网的连接开关闭合)，也可以孤岛运行(微电网与大电网的连接开关断开)。

并网和孤岛双模式运行能力是微网实现其技术、经济性优势的关键。当微网根据情况需要独立运行或主网发生故障时，应迅速断开与主网的连接，转入孤岛运行模式；当主网供电恢复正常时，或根据情况需要微网并网运行时，将处于孤岛运行模式的微网重新联入公共电网。平滑稳定切换是保证微网在两种运行模式间平稳过渡的关键技术。在模式转换过程中，需要采用相应的运行控制策略，以保证切换过程的平稳性。

微电源的控制策略不仅决定了微网在两种模式下的运行状况，也直接关系到运行模式的切换过程。文献[1](王赞，肖岚，姚志垒。并网独立双模式控制高性能逆变器设计与实现[J]。中国电机工程学报，2007，27(1)：54-59，杨子龙，伍春生。三相并网/独立双模式逆变器系统的设计[J]。电力电子技术，2010，44(1)：14-16)提出双模式逆变器，并网运行采用PQ电流控制、独立运行采用V/f控制，符合微网运行需要，但电压控制与电流控制之间切换难度大，有切换失败的风险。文献[2](王成山，肖朝霞，王守相，微网综合控制与分析[J]。电力系统自动化，2008，32(7)：98-103)采用下垂控制，孤岛和并网两种模式下微电源控制策略不变，符合即插即用的特点，但没有考虑下垂控制对并网运行的适应性以及并网过程的冲击电流抑制。

中国专利申请，申请号201510442425.2，公开日2015年11月4日，公开了一种微电网孤岛及并网信号控制系统及方法，所述微电网孤岛及并网信号控制方法在微电网侧公共耦合点与并网断路器之间，通过检测电压或电流信号判断变电站是否向微电网发出状态信号，并根据信号的类型由微电网控制系统在合适的时机向并网断路器发出开闭命令，协助微电网在并网状态和孤岛状态之间过渡；所述系统包括：控制系统、脉冲信号系统、电压检测系统。此发明性能稳定可靠；使主电网自身有了可靠的手段能够主动通知微电网其将要运行的状态，大大降低了成本；能够协助微电网在孤岛运行状态和并网运行状态之间快速、平滑地过渡，有助于微电网安全、稳定地运行；满足了电网运行方对微电网进行有效控制的需求。但此方案通过互感器进行检测，效率低，精度不高。

中国专利申请，申请号201310509652.3，公开日2014年2月19日，公开了一种微电网并网向孤岛状态切换时的稳定控制方法，其中计划切换时，在微电网与电力系统解列前，微电网稳定控制系统采集并网点功率，配置电源与负荷使其基本平衡，同时向逆变器发送解列前并网点输送功率；平稳切断并网点断路器，使所述逆变器的输出功率保持为所述解列前并网点输送功率，微电网离网后功率立即达到平衡。而非计划切换时，微电网突然与电力系统解列而形成孤岛，根据并网点解列前的潮流和储能逆变器输出最大功率之差，在10ms内联切负荷或者切掉部分电源支路，确保系统切换瞬间的稳定性；设置最大容量的储能逆变器立即转为V/f控制，设置其他电源为P/Q控制。该方法能够实现微电网并网向孤岛状态的平滑切换。但其控制仅针对电源支路进行切换和平稳控制，对于整体稳定控制不完善，没有针对性的进行切断，保证平稳，稳定度不足。

中国专利申请，申请号201410458561.6，公开日2014年2月19日，公开了一种微电网非计划并网转孤岛运行模式切换时的稳定控制方法，采用调整微电网内电源、负荷容量，以及调整储能单元输出功率相结合的手段，实时检测微电网的运行频率和电压水平，用以实现反馈控制，最终实现微电网在非计划并网转孤岛运行模式切换时的稳定运行，保证各种电气设备安全，保障重要用户的不间断供电，具有良好的应用前景。但此方案检测方式复杂，成本高，平稳性控制效率不足。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种可以实现检测方式简单的效果，稳定性好、平稳性控制效率高的微电网并网转孤岛运行模式的稳定控制方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种微电网并网转孤岛运行模式的稳定控制方法，包括以下步骤：

1)通过微电网中央控制器及快速测控单元采集微电网、联络线各电气量以及接收上级系统指令，得到微电网实时运行状态，之后再执行步骤2)；

2)判断是否为计划型孤岛，当是计划型孤岛时，执行步骤3)，否则执行步骤4)；

3)计算微电网系统实时的负荷及电源出力，判断是否源荷平衡：若源荷失衡，调节储能出力或切除可控负荷，重新执行步骤3)；若源荷平衡，到达计划切换时间点后分断PCC开关，当各DG正常运行及微电网源荷平衡时，则返回执行步骤1)；

4)微电网中央控制器判断系统满足孤岛判据，若满足孤岛判据则主电源由PQ运行模式转换为V/f运行模式、分断PCC开关后执行步骤5)，否则返回步骤1)；

5)判断系统是否正常运行：若系统异常，检测到故障线路后立即切除，重新开始步骤5)；若系统正常，判断微电网内是否源荷平衡时，若已源荷平衡，则返回步骤1)；若源荷失衡，则计算功率失衡量，调节储能出力后重新判断是否源荷平衡，若源荷平衡则返回步骤1)，否则进行低压/低频减载，重新判断源荷平衡。

进一步的，所述微电网中央控制器用于采集微电网以及联络线各电气量，所述微电网以及联络线各电气量包括联络线上的电流和开关位置、微电网的母线电压和频率、各微电源线路的电流和开关位置、各负荷线路的电流和开关位置。

进一步的，所述快速测控单元安装于各负荷线路进线，所述快速测控单元用于采集各负荷线路的电气信息并为负荷线路提供过流保护，所述快速测控单元与微电网中央控制器进行通信、上传负荷线路电气信息至微电网中央控制器、接受微电网中央器的遥控。

进一步的，所述微电网中央控制器、快速测控单元及上级系统之间采用GOOSE通信。

进一步的，所述微电网包括风力发电机、光伏电池板和蓄电池。

进一步的，所述微电网通过PCC点与外部电网连接，将逆变器作为分布式电源和储能系统的接口，所述PCC点和逆变器通过微电网控制系统控制开合。

进一步的，通过遥控模块对PCC点、电源支路、负荷支路进行开合。

进一步的，所述步骤4)中的主电源由储能系统提供，微电网并网运行时能够运行在PQ模式，为微电网提供稳定的功率；孤岛运行时，能够运行在V/f模式，为微电网提供稳定的电压和频率支撑。

进一步的，所述步骤3)和步骤5)中所述微电网源荷平衡的判断依据为系统内所有电源功率与负荷功率相等，即，功率值由微电网中央控制器、快速测控单元通过高速采样和数据捕捉并计算获得，即每个周波采样64点，3个周波后取测量值的均值，在快速响应的基础上确保源荷平衡判断的准确性。

进一步的，所述步骤3)和步骤5)中调节源荷平衡步骤如下：计算微电网系统功率失衡量，根据计算结果调节储能出力，当源荷不平衡时，则进行低压/低频减载：按照负荷的优先级将负荷分为重要负荷及可控负荷，优先切除可控负荷，保证重要负荷不断电、可控负荷少断电，直至达到源荷平衡。

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)该控制方法利用微电网中央控制器作为主控单元、快速测控单元作为就地控制单元，采集微电网各线路电气量，并接收能量管理系统下发指令。根据识别的电网状态，进行投切负荷、调节储能系统，以使微电网在运行模式切换过程中稳定运行，进一步提高微电网供电的可靠性；

(2)本发明以采集到的微电网数据为依据，判断微电网所处状态，通过控制储能装置的出力和负荷的投切，有效地改善了各运行模式切换时微电网的稳定性，提高了微电网供电的可靠性，减少了微电网的停电范围；

(3)本方案实时在线监测微电网的数据，灵敏度高，切换速度快，效率高，平稳性控制好；

(4)本方案可采用遥控模块，通过遥控对PCC点和微电网各线路进行开合，进行微电网的内部切换，可远程进行控制，节约成本，效率高。

附图说明

图1为本发明的微电网整体结构示意图；

图2为本发明流程图。

具体实施方式

本发明涉及微电网的运行和稳定控制，具体涉及并网转孤岛时微电网系统的稳定运行控制方法。该控制方法利用微电网中央控制器作为主控单元，采集微电网各线路电气量，并接收能量管理系统下发指令。根据识别的电网状态，进行投切负荷、调节储能系统，以使微电网在运行模式切换过程中稳定运行，进一步提高微电网供电的可靠性。

针对现有微电网并离网切换存在的问题，本发明的目的是提供一种在微电网并网转孤岛运行模式过程中实现微电网稳定运行的方法，提高微电网运行的可靠性，减小微电网停电范围。

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

如图1所示，所示微电网包括光伏发电系统2套、风力发电系统2套、储能系统2套、负荷2路。除1套储能系统作为主电源外，其余DG皆运行在PQ模式。交流负荷I为一级负荷，交流负荷II为其他可调负荷。

如图2所示，一种微电网并网转孤岛运行模式的稳定控制方法，包括以下步骤：

所述微电网中央控制器用于采集微电网以及联络线各电气量，所述微电网以及联络线各电气量包括联络线上的电流和开关位置、微电网的母线电压和频率、各微电源线路的电流和开关位置、各负荷线路的电流和开关位置。

所述步骤1)中微电网中央控制器(MGCC)可进行多路模拟量、开关量的采集，并与能量管理系统(EMS)、电池管理系统(BMS)进行通信，能进行开关的遥控操作；内置专家系统程序模块，对数据进行实时接收、处理、转发。

所述快速测控单元安装于各负荷线路进线，所述快速测控单元用于采集各负荷线路的电气信息并为负荷线路提供过流保护，所述快速测控单元与微电网中央控制器进行通信、上传负荷线路电气信息至微电网中央控制器、接受微电网中央器的遥控。

所述微电网中央控制器、快速测控单元及上级系统之间采用GOOSE通信。

所述步骤1)中的微电网包含光伏(Solar Photovoltaic，PV)、风力发电(Wind Turbine Generation，WG)、储能装置(Storage Battery，SB)，如图1所示，可以实现风光互补，提高供电的经济性、环保性和可靠性，同时，采用逆变器作为分布式电源和储能系统的接口，有效提高了微电网的柔性和动态性能；涉及多种运行模式，包括并网运行模式、孤岛运行模式、并网转孤岛模式、孤岛转并网模式等。

所述微电网通过PCC点与外部电网连接，将逆变器作为分布式电源和储能系统的接口，所述PCC点和逆变器通过微电网控制系统控制开合。

通过遥控模块对PCC点、电源支路、负荷支路进行开合。

所述步骤4)中的主电源由储能系统提供，微电网并网运行时能够运行在PQ模式，为微电网提供稳定的功率；孤岛运行时，能够运行在V/f模式，为微电网提供稳定的电压和频率支撑。

所述步骤3)和步骤5)中所述微电网源荷平衡的判断依据为系统内所有电源功率与负荷功率相等，即，功率值由微电网中央控制器、快速测控单元通过高速采样和数据捕捉并计算获得，即每个周波采样64点，3个周波后取测量值的均值，在快速响应的基础上确保源荷平衡判断的准确性。

所述步骤3)和步骤5)中调节源荷平衡步骤如下：计算微电网系统功率失衡量，根据计算结果调节储能出力，当源荷不平衡时，则进行低压/低频减载：按照负荷的优先级将负荷分为重要负荷及可控负荷，优先切除可控负荷，保证重要负荷不断电、可控负荷少断电，直至达到源荷平衡。

孤岛判据包含三个条件，即主网是否有压、PCC开关是否在跳位、微电网内是否异常，根据该孤岛判据可快速准确地判断微电网的状态：若主网有压、PPC开关闭合、微电网无异常，则为正常并网运行；若主网有压、PCC开关闭合、微电网异常，则应立即进行故障检测并切除故障；若主网有压、PCC开关分断、微电网无异常，则应进行并网操作，孤岛转并网运行；若主网有压、PCC开关分断、微电网异常，则应立即进行故障检测并切除故障，然后进行并网操作，孤岛转并网运行；若主网无压、PCC开关闭合、微电网无异常，则满足孤岛判据，应立即分断PCC开关，进入孤岛运行；若主网无压、PCC开关闭合、微电网异常，则满足孤岛判据，应立即分断PCC开关，检测微电网内故障并切除；若主网无压、PCC开关分断、微电网无异常，则为正常孤岛运行；若主网无压、PCC开关分断、微电网异常，则应立即进行故障检测并切除故障。

文献[3](郭贤，郭贺，程浩忠，Masaud Bazargan，梁武星.考虑用户停电损失的微电网架规划[J].电工技术学报，2014，29(8)：301-308.)中给出了单位停电损失费用的典型取值：当停电持续时间为20min时，小工业类用户停电损失大约为140元/(kW·h)；当停电持续时间为60min时，小工业类用户停电损失约为250元/(kW·h)。若微电网在各运行模式间不能平稳地无缝切换，微电网将进入停机、启机、逐步接入负荷过程。该过程持续约30min。以容量为500kW的微电网为例，经历这一过程的停电损失为：

C＝30÷60×500×140＝35000元。

Claims

一种微电网并网转孤岛运行模式的稳定控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)通过微电网中央控制器及快速测控单元采集微电网、联络线各电气量以及接收上级系统指令，得到微电网实时运行状态，之后再执行步骤2)；

2)判断是否为计划型孤岛，当是计划型孤岛时，执行步骤3)，否则执行步骤4)；

3)计算微电网系统实时的负荷及电源出力，判断是否源荷平衡：若源荷失衡，调节储能出力或切除可控负荷，重新执行步骤3)；若源荷平衡，到达计划切换时间点后分断PCC开关，当各DG正常运行及微电网源荷平衡时，则返回执行步骤1)；

4)微电网中央控制器判断系统满足孤岛判据，若满足孤岛判据则主电源由PQ运行模式转换为V/f运行模式、分断PCC开关后执行步骤5)，否则返回步骤1)；

5)判断系统是否正常运行：若系统异常，检测到故障线路后立即切除，重新开始步骤5)；若系统正常，判断微电网内是否源荷平衡时，若已源荷平衡，则返回步骤1)；若源荷失衡，则计算功率失衡量，调节储能出力后重新判断是否源荷平衡，若源荷平衡则返回步骤1)，否则进行低压/低频减载，重新判断源荷平衡。
根据权利要求1所述的一种所述的微电网并网转孤岛运行模式的稳定控制方法，其特征在于所述微电网中央控制器用于采集微电网以及联络线各电气量，所述微电网以及联络线各电气量包括联络线上的电流和开关位置、微电网的母线电压和频率、各微电源线路的电流和开关位置、各负荷线路的电流和开关位置。
根据权利要求1所述的一种所述的微电网并网转孤岛运行模式的稳定控制方法，其特征在于所述快速测控单元安装于各负荷线路进线，所述快速测控单元用于采集各负荷线路的电气信息并为负荷线路提供过流保护，所述快速测控单元与微电网中央控制器进行通信、上传负荷线路电气信息至微电网中央控制器、接受微电网中央器的遥控。
根据权利要求1所述的一种所述的微电网并网转孤岛运行模式的稳定控制方法，其特征在于所述微电网中央控制器、快速测控单元及上级系统之间采用GOOSE通信。
根据权利要求1或2或3或4所述的一种所述的微电网并网转孤岛运行模式的稳定控制方法，其特征在于所述微电网包括风力发电机、光伏电池板和蓄电池。
根据权利要求1所述的一种所述的微电网并网转孤岛运行模式的稳定控制方法，其特征在于所述微电网通过PCC点与外部电网连接，将逆变器作为分布式电源和储能系统的接口，所述PCC点和逆变器通过微电网控制系统控制开合。
根据权利要求6所述的一种所述的微电网并网转孤岛运行模式的稳定控制方法，其特征在于通过遥控模块对PCC点、电源支路、负荷支路进行开合。
根据权利要求1所述的一种所述的微电网并网转孤岛运行模式的稳定控制方法，其特征在于所述步骤4)中的主电源由储能系统提供，微电网并网运行时能够运行在PQ模式，为微电网提供稳定的功率；孤岛运行时，能够运行在V/f模式，为微电网提供稳定的电压和频率支撑。
根据权利要求1所述的一种所述的微电网并网转孤岛运行模式的稳定控制方法，其特征在于所述步骤3)和步骤5)中所述微电网源荷平衡的判断依据为系统内所有电源功率与负荷功率相等，即P _DG＝P _LOAD，功率值由微电网中央控制器、快速测控单元通过高速采样和数据捕捉并计算获得，即每个周波采样64点，3个周波后取测量值的均值，在快速响应的基础上确保源荷平衡判断的准确性。
根据权利要求1所述的一种所述的微电网并网转孤岛运行模式的稳定控制方法，其特征在于所述步骤3)和步骤5)中调节源荷平衡步骤如下：计算微电网系统功率失衡量，根据计算结果调节储能出力，当源荷不平衡时，则进行低压/低频减载：按照负荷的优先级将负荷分为重要负荷及可控负荷，其中，重要负荷包括一级负荷、二级负荷，可控负荷包括三级负荷，优先切除可控负荷，保证重要负荷不断电、可控负荷少断电，直至达到源荷平衡。