CN108879728A - 一种多源微电网频率协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多源微电网频率协调控制方法，以光伏发电单元、锂电池储能单元、铅酸蓄电池储能单元、柴油发电机构成的独立交流微电网为研究对象，设计出多源微电网分层控制系统架构，并根据不同微源的特性，提出了微源本地控制方法，借鉴传统电力系统中的频率控制方式，针对微电网离网运行条件，提出了针对不同时间尺度与频率偏差范围的分层控制方法。针对储能系统和VSG控制的特点，提出了一种考虑储能单元容量和功率裕度的一次调频和二次调频控制策略，对并联的VSG调频单元之间的功率进行优化分配。

Description

一种多源微电网频率协调控制方法

技术领域

本发明涉及微电网、电机、电力电子控制和能量管理领域，具体是一种多源微电网频率协调控制方法。

背景技术

在海岛、偏远山区等大电网建设困难的山区，利用可再生能源、储能设备等分布式能源构成的微电网可以提供清洁、高效、经济的电力供应方案。由于风力发电、光伏发电的功率具有随机性和不稳定性，不能单独提供稳定的电力供应，微电网中需要配置储能单元或其他发电源支撑微电网的电压和频率，以保证系统的稳定运行。多源互补的离网型微电网系统已成为微电网工程实际应用中的主要的方向。

微电网的频率控制与多源协同控制是微电网运行控制研究中的热点问题。分布式电源采用虚拟同步技术实现了对传统同步发电机外特性的模拟。因此，在微电网控制中可以继承和借鉴传统电网中的电压频率控制方法，但同时VSG本质上还是电力电子逆变器，具备响应速度快，过载能力弱、输出阻抗小等特点。因此，微电网的运行控制策略需要针对分布式电源自身特点进行改善和完善。

因此，针对以上现状，迫切需要开发一种多源微电网频率协调控制方法，以克服当前实际应用中的不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多源微电网频率协调控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多源微电网频率协调控制方法，主要是采用微电网中心控制器及微源本地控制器相结合的分层控制技术，其主要包括微源本地控制方法、微电网一次调频、微电网二次调频、微电网三次调频以及紧急情况下部分紧急控制。

作为本发明进一步的方案：所述微电网一次调频控制以及紧急情况下部分紧急控制由微源本地控制器执行，微电网一次调频是由采用VSG控制的储能单元实现的；紧急情况下部分紧急控制中，当微源本地控制器检测到电压、频率超过了电能质量的限制时，可以按照预先设置的策略快速断开断路器，实现微源保护方案或负荷减载方案；微电网频率控制策略中的二次调频、三次调频以及紧急情况下部分紧急控制策略是由MGCC进行全局决策，最终由本地控制器负责执行。

作为本发明进一步的方案：所述微电网中心控制器MGCC是负责对微电网中的所有微源、负荷、储能进行统一综合的协调控制，它根据锁相检测到的微电网频率，结合本地控制器发送过来的发电情况、储能情况及负荷情况来决定对电网频率、微源输出功率、以及负载供电情况的控制。

作为本发明进一步的方案：所述微源本地控制器(多源微电网中微源的本地控制)，具体为光伏发电作为主要发电源采用PQ控制，以确保光伏发电的最大化利用；锂电池储能单元和铅酸蓄电池单元采用VSG控制，作为微电网中的调频控制单元；柴油发电机作为冷备用发电源，在电量紧缺时，启动作为备用电源对负载供电。

作为本发明进一步的方案：所述微电网一次调频负责快速响应波动幅值较大波动，波动时间在秒级以下的随机净负荷分量。

作为本发明进一步的方案：所述微电网二次调频负责响应频率波动幅值较大的波动，且波动时间在秒级的净负荷分量，实现频率的误差调节，优化分配各微源所承担的功率。

作为本发明进一步的方案：所述微电网三次调频负责处理分钟级以上的频率偏差，根据当前各微源的功率和能量状态，计划性的调度微源的出力，电量紧缺情况下有序投切负荷，电量过剩情况下合理限制发电。

作为本发明进一步的方案：所述紧急情况下部分紧急控制是针对频率变化较快，功率缺额较大的情况，通常是由微源故障、线路故障、负荷故障等紧急事件导致的，因此需要快速响应以减少紧急事件对微电网系统的影响。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：该多源微电网频率协调控制方法，以光伏发电单元、锂电池储能单元、铅酸蓄电池储能单元、柴油发电机构成的独立交流微电网为研究对象，设计出多源微电网分层控制系统架构，并根据不同微源的特性，提出了微源本地控制方法，借鉴传统电力系统中的频率控制方式，针对微电网离网运行条件，提出了针对不同时间尺度与频率偏差范围的分层控制方法，针对储能系统和VSG控制的特点，提出了一种考虑储能单元容量和功率裕度的一次调频和二次调频控制策略，对并联的VSG调频单元之间的功率进行优化分配，与传统电网中的发电机比，微电网中的转动惯量更小，时间常数更小，频率响应速度更快。

附图说明

图1为本发明一实施例多源微电网系统拓扑结构图。

图2为本发明一实施例微电网分层协调控制系统结构图。

图3为本发明一实施例多源微电网中频率控制分区示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-3所示，本发明实施例中，一种多源微电网频率协调控制方法，该系统包括光伏发电单元、柴油发电机、锂电池储能单元、铅酸蓄电池储能单元、本地负荷和微电网负荷。

其中，光伏发电单元为可再生能源，在完成投资后，运行成本低廉。但是，其输出功率具有随机性和不稳定性，会对微电网中频率稳定性造成影响。柴油发电机发电成本高、环境和噪音成本大，不宜长时间开启。铅酸蓄电池储能单元具有双向功率调节能力，可以抑制微电网中光伏功率和负荷功率的波动，维持系统中的功率和频率稳定，但是蓄电池的容量有限，能量状态过高或过低都会因保护而停止运行。

本发明主要研究多源微电网离网运行情况，因此，要确保整个微电网系统的稳定运行，需要充分考虑个微电网离网运行情况，通过本地控制和系统控制协调运行，才能充分发挥微电网系统的优势。

为实现多源微电网系统的频率控制策略，本发明采用有微电网中心控制器(microgrid center controller，MGCC)及微源本地控制器相结合的分层控制结构，控制系统从物理结构分为两级，通过相互协调控制共同实现微电网控制策略。微电网控制系统的结构如图2所示。

系统中的本地控制器包括：柴油发电机控制器、电池管理系统(batterymanagement system，BMS)、储能变流器控制器、光伏逆变器控制器、负载投切控制器。

其中，本地控制器安装在微源和用户负荷本地，负责实现对发电单元、储能单元和负荷进行实时监测、控制和管理，其与受控设备之间采用高速采样频率和高速通信，控制响应时间为毫秒级。本地控制器一方面可以根据当前实时采样数据，按照预设的控制策略完成本地控制。另一方面，它可以接受来自MGCC下发的控制指令，微源可以根据控制指令调整运行状态和输出功率，负荷则根据控制指令进行投入或切出的操作。

微电网中心控制器MGCC负责对微电网中的所有微源、负荷、储能进行统一综合的协调控制，它根据锁相检测到的微电网频率，结合本地控制器发送过来的发电情况、储能情况及负荷情况来决定对电网频率、微源输出功率、以及负载供电情况的控制。

为保证微电网安全稳定运行，MGCC和微源本地控制之间要建立可靠的通信连接，因此，一般采用双环通信链路结构。

由于微源在地理位置上是分散的，相对位置较远，MGCC和微源之间数据交互采用低速通信，数据的采样频率为几百毫秒至数秒。根据微电网的应用需求，MGCC可以在控制逻辑和功能实现层面分为多层。

与传统的电力系统相比，微电网中的电源类型、转动惯量、响应速度等都发生了变化。

虽然采用VSG控制加入了惯性环节，但是与传统电网中的发电机比，微电网中的转动惯量更小，时间常数更小，频率响应速度更快。

微电网中除了负荷功率的波动外，光伏等可再生能源发电功率波动的随机性和不可预测性是导致微电网频率波动的主要因素，由于发电功率的波动频繁且迅速，会导致系统频率一直处于波动之中。

微电网中作为调频单元的数量有限、单体容量小，且受本身电源物理特性的约束，例如：储能系统作为调频单元时，受其可用容量的约束，当可用电容量为0时，储能单元将无法继续承担负荷供电。

在传统的配电网中功率流向是单向的，但在微电网中，功率流向是不可控的，分布式发电作为不可控的发电源，功率的随机波动相当于负的负荷，因此，微电网中用净负荷来表示不稳定光伏发电和负荷的总和，当净负荷为正时表示负荷用电大于光伏发电，需要储能单元输出功率满足负荷需求，当净负荷为正时表示光伏发电大于负荷用电，需要储能单元吸收功率维持微电网的功率平衡。

在多源微电网离网运行中，频率控制需要更加灵活的调节方式，以及需要更快的调节速度，既要保证功率的优化调度，同时还要考虑能量的合理分配，才能保证微电网系统稳定安全的运行。

本发明将传统电网中的频率控制模式引入到微电网离网运行中，针对微源的特征和微电网的特征进行调整，提出了一种频率分区协调控制方法。图3对频率的偏差范围和持续时间进行分区，图中f₀表示基波频率，Δf₁、Δf₂、Δf₃分别表示不同的频率偏差范围。其中，Δf₁表示国家电能质量标准中允许的偏差范围；Δf₂表示小幅度超出允许的频率偏差范围；Δf₃表示严重超出了允许的偏差范围；当频率偏差大于Δf₃时，表示频率波动严重超出了正常的运行范围，需要采取紧急措施来降低系统发生故障的危险。

本发明提出适合微电网的频率协同控制采用一次调频、二次调频、三次调频以及紧急控制等方法维持微电网的功率平衡和优化调度，图3中A、B、C、D分别对应一次调频、二次调频、三次调频以及紧急控制策略，微电网系统的运行控制需要通过频率波动范围、波动持续时间、以及储能系统的容量状况来采取对应的控制策略，对应的区间范围如表1所示。

表1微电网频率控制策略对应关系表

主要功能描述如下：

一次调频负责快速响应波动幅值较大波动，波动时间在秒级以下的随机净负荷分量。

二次调频负责响应频率波动幅值较大的波动，且波动时间在秒级的净负荷分量，实现频率的误差调节，优化分配各微源所承担的功率。

三次调频负责处理分钟级以上的频率偏差，根据当前各微源的功率和能量状态，计划性的调度微源的出力，电量紧缺情况下有序投切负荷，电量过剩情况下合理限制发电。

紧急控制是针对频率变化较快，功率缺额较大的情况，通常是由微源故障、线路故障、负荷故障等紧急事件导致的，因此需要快速响应以减少紧急事件对微电网系统的影响。

微电网频率控制策略中的一次调频控制以及部分紧急控制由本地控制器执行，其中，一次调频是由采用VSG控制的储能单元实现的；紧急控制中，当本地控制器检测到电压、频率超过了电能质量的限制时，可以按照预先设置的策略快速断开断路器，实现微源保护方案或负荷减载方案。微电网频率控制策略中的二次调频、三次调频、以及部分紧急控制策略是由MGCC进行全局决策，决策结果通过控制命令下发到本地控制器中，最终由本地控制器负责执行。二次控制主要优化功率调度、三次控制主要是优化能量调度，MGCC单元的紧急控制主要是负责故障或紧急事件发生后的系统恢复。其中本发明中研究重点微电网的一次调频与二次调频的控制策略。

在微电网中，光伏发电和负荷具备随机变化的特性，因此微电网中的净负荷有可能为正(负荷大于发电)或负(发电大于负荷)。蓄电池储能电池单元既可以吸收功率又可以释放功率，因此，由采用VSG控制的锂电池储能电池单元和铅酸蓄电池储能单元来承担一次调频任务，当微电网中的功率平衡发生变化时，不计线路损耗时，微源输出功率以及负荷功率变化的关系式如下：

ΔP_PV+ΔP_Load＝ΔP_VSG1+ΔP_VSG2

其中，ΔP_VSG1和ΔP_VSG2分别表示储能逆变器在一次调频中的功率分配，ΔP_PV表示光伏发电的变化量，ΔP_Load表示负荷功率的变化量。

锂电池储能单元与铅酸电池储能单元通过VSG控制，共同调节微电网的频率。

本发明的二次调频策略在MGCC中实现，由MGCC采样获取微电网的系统频率后，通过频率偏差计算出功率积差，再按照一定的比列分配给参与调频单元VSG1和VSG2。

MGCC的二次调频控制根据微电网的实时频率f_g和参考频率f₀的频率偏差值，通过PI控制器得到当前需要调节的功率积差，通过参与比例系数θ₁和θ₂对VSG1和VSG2进行功率二次分配，再与当前的参考功率值相加，计算出每台VSG单元新的参考功率值，其中，参与比例系数θ₁和θ₂需要根据当前蓄电池储能系统能量状态，以及VSG1和VSG2在微电网中承担的功能角色来合理分配。

为了确保两个储能系统在运行过程中始终保持频率支撑能力，那么，既要保证他们都有足够的能量存储空间，也要保证他们有足够的功率裕度应对功率波动。既要避免因剩余容量的不一致导致其中一台先从充满或放空，又要避免因剩余功率裕度不均衡导致其中一台先达到最大功率值，因此，在二次调频中需要分别进行即时调整。

首先，需要先对当前系统的能量状态和功率状态计算出当前的能量阈值和功率阈值，E_ci和E_di分别为可放电量和可充电量，可以根据储能系统中蓄电池的SOC值和蓄电池的额定电量E_rate_i，以及允许的放电深度(depth of discharge，DOD)来计算：

其中，P_ci和P_di分别为可放功率和可充功率，可以根据逆变器的最大功率值P_max和当前的输出功率P_VSGi来计算得出：

然后，根据容量状态，通过对二次调频中参与比列系数ρ₁和ρ₂的计算，对系统中的功率和能量状态进行调整，θ₁和θ₂的计算方式如下：

其中，α和β分别为功率系数和能量调节系数，可以按照当前的能量状态或功率状态来选择。当功率裕度较低，剩余功率裕度差别较大时，可以选择α＝1和β＝0，按照功率状态进行二次调频分配；当两个储能系统中的容量差较大时，可以选择α＝0和β＝1，按照能量状态进行二次调频分配。

以上的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (7)

1.一种多源微电网频率协调控制方法，其特征在于，采用微电网中心控制器及微源本地控制器相结合的分层控制技术，其包括微电网一次调频、微电网二次调频、微电网三次调频以及紧急情况下部分紧急控制。

2.根据权利要求1所述的多源微电网频率协调控制方法，其特征在于，所述微电网一次调频控制以及紧急情况下部分紧急控制由微源本地控制器执行，微电网一次调频是由采用VSG控制的储能单元实现的；紧急情况下部分紧急控制中，当微源本地控制器检测到电压、频率超过了电能质量的限制时，按照预先设置的策略快速断开断路器，实现微源保护方案或负荷减载方案；微电网频率控制策略中的二次调频、三次调频以及紧急情况下部分紧急控制策略是由微电网中心控制器MGCC进行全局决策，最终由微源本地控制器负责执行。

3.根据权利要求2所述的多源微电网频率协调控制方法，其特征在于，所述微电网中心控制器MGCC是负责对微电网中的所有微源、负荷、储能进行统一综合的协调控制，根据锁相检测到的微电网频率，结合微源本地控制器发送过来的发电情况、储能情况及负荷情况来决定对电网频率、微源输出功率以及负载供电情况的控制。

4.根据权利要求3所述的多源微电网频率协调控制方法，其特征在于，所述微源本地控制器采用PQ控制光伏发电作为主要发电源；锂电池储能单元和铅酸蓄电池单元采用VSG控制，作为微电网中的调频控制单元；柴油发电机作为冷备用发电源，在电量紧缺时，启动作为备用电源对负载供电。

5.根据权利要求1或2所述的多源微电网频率协调控制方法，其特征在于，所述微电网一次调频负责快速响应波动幅值较大波动，波动时间在秒级以下的随机净负荷分量。

6.根据权利要求5所述的多源微电网频率协调控制方法，其特征在于，所述微电网二次调频负责响应频率波动幅值较大的波动，且波动时间在秒级的净负荷分量，实现频率的误差调节，优化分配各微源所承担的功率。

7.根据权利要求6所述的多源微电网频率协调控制方法，其特征在于，所述微电网三次调频负责处理分钟级以上的频率偏差，根据当前各微源的功率和能量状态，计划性的调度微源的出力，电量紧缺情况下有序投切负荷，电量过剩情况下合理限制发电。