CN103986186B - 一种风光水互补型微电网黑启动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种风光水互补型微电网黑启动控制方法，属于电力***微电网优化控制技术领域,该方法包括：读入微电网基础数据；将满足黑启动条件的分布式电源作为黑启动电源备选机组；将黑启动电源备选机组按功率大小排序，依次取其中一台机组作为黑启动机组；各分布式电源按照是否是黑启动电源、是否参加孤网频率控制选择控制策略和控制器参数，得到备选微电网黑启动方案；对得到的备选微电网黑启动方案进行仿真计算，判断备选方案的黑启动过程及孤网运行时，微电网的各节点电压和微电网频率是否满足稳定、安全限值等约束条件，满足约束条件的，作为可行的方案，并在可行方案中选择最优方案。本方法确保风光水互补型微电网具有较高的可靠性和经济性。
Description
技术领域
本发明属于电力***微电网优化控制技术领域,特别涉及一种含有风电、光伏、小水电的微电网的黑启动优化控制方法。
背景技术
黑启动是指电网在全停事故后，不依赖外部电源，由***中具有自启动能力的机组带动无自启动能力的机组，逐渐扩大***恢复范围，最终实现整个***的恢复。
微网在大电网发生全停事故或本身孤网运行且发生全停事故后，安全、迅速的黑启动对保证关键负荷供电具有重要的现实意义。微网黑启动控制需要对小水电和风、光等新能源进行有功、无功控制、并对微网进行负荷调节，实现微网对黑启动准备、网架恢复和负荷恢复过程电压、频率的自适应，避免黑启动初期的自励磁问题、网架恢复期的过电压问题及负荷恢复期的频率波动问题。由于分布式电源如风电、光伏及小水电的间歇性、随机性特点，如何协调小水电群、新能源的出力或采用储能的方式，在保证微网安全运行的基础上，满足黑启动所需的响应速度、响应容量，是黑启动能否成功的关键。
目前对含风、光伏、蓄能装置的微电网黑启动研究较多，对区域小水电/风、光新能源微电网黑启动，尤其是对黑启动过程及黑启动成功后孤网运行时，各类电源有功控制装置协调控制，孤网频率控制问题研究较少。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出风光水互补型微电网黑启动控制方法，本方法可充分发挥分布式可再生能源发电的效益，确保风光水互补型微电网具有较高的可靠性和经济性。
本发明的技术方案是，在建立的风力发电机组、光伏、小型水水电站动态模型的基础上，研究在满足微电网电压、频率要求条件下最佳的微网黑启动方案和微网控制策略，使得整个微电网黑启动过程在保证安全的前提下，尽快、尽可能多恢复负荷。
本发明提出的一种风光水互补型微电网黑启动控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)读入微电网基础数据，包括微电网模型，微网开关状态，风速、太阳辐照强度数据、各小水电群水情数据，各负荷节点负荷预测数据；
(2)将满足黑启动条件的分布式电源作为黑启动电源备选机组，否则作为被启动电源备选机组；
(3)将黑启动电源备选机组按功率大小排序，依次取其中一台机组作为黑启动机组；微电网中其他分布式电源作为被启动机组，各分布式电源按照是否是黑启动电源、是否参加孤网频率控制选择控制策略和控制器参数，得到备选微电网黑启动方案；
(4)逐一对步骤(3)中得到的备选微电网黑启动方案进行仿真计算，判断备选方案的黑启动过程及孤网运行时，微电网的各节点电压和微电网频率是否满足稳定、安全限值等约束条件，满足约束条件的，作为可行的方案，并在可行方案中选择最优方案。
本发明提出的风光水互补型微电网优化运行控制方法，其优点如下：
1、黑启动过程利用小水电的调节能力和发电能力，和储能装置、光伏形成互补。
2、对于微电网光伏/蓄能装置逆变器以及小水电机组调速***控制策略和参数进行了优化，以适应黑启动过程、孤网运行时微电网频率控制需要。
3、在考虑***安全运行限制条件下，考虑了多种黑启动策略，提高了黑启动方案的灵活性和适应性。
附图说明
图1是本发明提出的风光水互补型微电网优化运行控制方法方法流程图。
图2是本发明中并网逆变器控制框图。
具体实施方式
本发明提出的一种风光水互补型微电网黑启动控制方法结合附图及实施例详细说明如下。
本发明的一种风光水互补型微电网黑启动控制方法流程如图1所示，包括以下步骤：
(1)读入微电网基础数据，包括微电网模型，微网开关状态，风速、太阳辐照强度数据、各小水电群水情数据，各负荷节点负荷预测数据；
(2)将满足黑启动条件的分布式电源作为黑启动电源备选机组，否则作为被启动电源备选机组；
(3)将黑启动电源备选机组按功率大小排序(小水电机组、光伏电站取当前稳定出力功率，蓄能装置取1小时内保证稳定出力)，依次取其中一台机组作为黑启动机组；微电网中其他分布式电源作为被启动机组，各分布式电源按照是否是黑启动电源、是否参加孤网频率控制选择控制策略和控制器参数，得到备选微电网黑启动方案；
(4)逐一对步骤(3)中得到的备选微电网黑启动方案进行仿真计算，判断备选方案的黑启动过程及孤网运行时，微电网的各节点电压和微电网频率是否满足稳定、安全限值等约束条件，满足约束条件的，作为可行的方案，并在可行方案中选择最优方案(黑启动过程中，微网总发电量最大)。
上述各步骤具体实施方式说明如下：
步骤(2)将满足黑启动条件的分布式电源作为黑启动电源备选机组，否则作为被启动电源备选机组；具体包括：
(2-1)水轮机组作为黑启动电源备选机组满足的黑启动条件是：厂用电***工作正常；具备正常备用条件(即机组在备用状态)；机组各部轴承油位、油质合格；调速器压油装置油压、油位在正常范围；机组出口开关直流控制电源正常；机组对应高压厂用变压器以及负荷开关正常；机组及公用部分控制正常、信号直流电源正常；机组无影响启动的缺陷；
(2-2)蓄能装置/光伏电站作为黑启动电源备选机组满足的黑启动条件是：
蓄能装置/光伏电站并网的逆变器具备孤岛运行模式，防孤岛检测功能退出，电站整体满足规程投运开机条件；
(2-3)风电机组作为黑启动电源备选机组满足的黑启动条件是：
风电场应急电源(如柴油发电机组)能满足风机辅机***供电要求；电源相序正确，三相电压平衡；调向***处于正常状态，风速仪和风向标处于正常运行的状态；制动和控制***的液压装置的油压和油位在规定范围内；齿轮箱油位和油温在正常范围内；各项保护装置均在正确投入位置，且保护定值均与批准设定的值相符；控制电源处于接通位置；控制计算机显示处于正常运行状态；手动启动前叶轮上无结冰现象；在寒冷和潮湿地区，长期停用和新投运的风电机组在投入运行前绝缘合格；经维修的风电机组在启动前，所有为检修而设立的各种安全措施已拆除。
(2-4)黑启动电源选取
在没有外部电网支持情况下，黑启动电源的自启动能力是***顺利完成黑启动的关键。传统电力***使用水轮发电机组或大型燃气轮机组作为黑启动电源。通过类比，可以得出微网***在黑启动电源选择上的原则(电站运行人员可根据本场站的运行规程判定)：
a)具有储能单元：(由于光伏、风电等可再生能源的发电能力在自然条件变化时波动明显，难以维持孤网频率恒定，)微网***黑启动电源首选无间歇性问题的蓄能装置，(如蓄电池储能微源、飞轮储能微源等，)这些微源还具有全天候启动能力，不受天气等外界因素影响。
b)具有调压调频能力：(为保证微网***在离网状态下的电压和频率稳定，)黑启动电源在具有电压源输出特性的同时，还具有调压和调频功能，能够保证配电变压器激磁损耗和微网***交流母线空载损耗，并能够承受其他非黑启动电源启动时的短时功率冲击。
c)具有足够备用容量：黑启动电源自身发电容量足够给区域内其它无黑启动能力电源提供启动电源，恢复其它发电机，并可以给关键负荷供电。
(2-5)非黑启动电源启动顺序
微网***采用串行恢复策略，即各微源在空载状态下逐个启动并入微网中，以避免两个孤立微网的并网操作。为减小微网黑启动过程中的电压和频率波动，非黑启动电源的启动顺序为：微网***空载时先启动有调压调频能力的电压源型微源，再逐步启动无调频调压能力的电流源型微源。
步骤(3)中控制策略包括：
(3-1)并网逆变器控制方式
风电、光伏及蓄能装置是通过并网逆变器并入交流同步电网的，逆变器控制模式可分为三类：
1)逆变器PQ控制模式，用于双馈风机，光伏并网状态下，此时逆变器的功率输出跟随风力/光照情况，以达到有功输出最大目的；
2)逆变器V/f控制模式，此时微源作为孤网中的调频/调压电源，维持孤网的电压/频率稳定；
3)逆变器带下垂特性的Pf/VQ控制模式，此时微源可具有常规电源的调节特性，有功输出随频率变化，无功输出随电压幅值变化，具有很好的正调节特性，非常有利于孤网情况下各微电源之间的功率分配，且无需通讯。
(a)PQ控制，逆变器控制流程如图2所示。
根据图2得到控制器电流电压关系：
将公式(1)进行Park变换,得到:
ωn为***频率。
Vgd，Vgq微源并网点d,q轴电压；Vid，Viq逆变器输出d,q轴电压；
igd，igq微源并网点d,q轴电流；
将参考轴设为电网电压，则有vgq(t)＝0,从而逆变器输出功率为:Pmt＝vgdigd；Qmt＝-vgdigq，d,q轴电流为：
定义：
***的PQ控制策略可表述为：
PWM脉宽调制的参考电压为：
(b)v/f控制
用于孤岛运行模式，此时输出电压幅值设为定值，控制方法为将电压向量分解为d,q轴分量，比较它们与设定值的偏差，分别用PI控制环节将偏差控制为0。频率信号由逆变器装置本身产生。
(c)带下垂特性的Pf/VQ控制
控制方式和PQ基本一样，用于计算控制参考电流、电压值的给定Pset、Qset值计入***频率与标准频率偏差，输出电压与给定电压偏差。
步骤(4)微电网的各节点电压和微电网频率满足电网频率、电压稳定具体包括：
(4-1)电压稳定要求
一般而言，当发电机在大网中运行时，各发电机的自动调节励磁***(AVR)将根据***所需的无功功率来调整其输出的励磁电流，以满足电网无功的变化需求。无功负荷电流是造成发电机端电压下降的主要原因；当励磁电流不变时，发电机的端电压将随无功电流的增大而降低；因此，在孤网运行时，根据负荷端对电能质量的要求、以及厂用电***对电压稳定的要求，发电机的端电压应基本保持不变。这就要求发电机组在孤网运行时，应投入励磁***AVR的自动电压控制功能，使发电机的励磁电流随***无功电流的变化而调节，从而保持发电机端电压的相对稳定。
应该指出的是：当机组运行在孤网时，电网无功电流的变化必须小于发电机励磁***AVR的调节范围，否则电网电压将无法维持，并可能造成发电机的跳闸或损坏。
(4-2)微电网孤网运行频率稳定要求
对于运行在大电网中的非调频机组而言，一般采用二次调频方式，即改变功率给定值P后，通过调速器的调节特性以达到维持***频率稳定的目的。发电机运行在孤网时，一般需采用恒定频率控制方式，即按照频率偏差Δf进行调节；当Δf＝0时调节结束，也就是采用所谓的一次调频方式。由于孤网容量较小，其中旋转惯量储存的动能较小，因此，电网通常要求主力机组的调速***具有更高的灵敏度、更小的迟缓率和更快的动态响应，以保证在用户负荷变化的情况下，***调频机组可自动保持电网频率的稳定。孤立运行的电网的频率、电压控制功能主要由网内的主力发电机组承担。在孤网运行时需要对整个孤网的潮流、稳定性等进行分析计算，制定完善的孤网运行预案，实施统一调度，各个节点通力协作，当稳定条件满足时才能成功地进行孤网启动试验，并实现孤网的稳定运行；对于运行孤网内的机组，其调速、励磁、控制、保护***均应符合孤网运行的要求。
Claims (4)
1.一种风光水互补型微电网黑启动控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)读入微电网基础数据，包括微电网模型，微电网开关状态，风速、太阳辐照强度数据、各小水电群水情数据，各负荷节点负荷预测数据；
(2)将满足黑启动条件的微电源作为黑启动电源备选机组，否则作为被启动电源备选机组；
(3)将黑启动电源备选机组按功率大小排序，依次取其中一台机组作为黑启动电源；微电网中其他微电源作为被启动机组，各微电源按照是否是黑启动电源、是否参加孤网频率控制选择控制策略和控制器参数，得到备选微电网黑启动方案；
(4)逐一对步骤(3)中得到的备选微电网黑启动方案进行仿真计算，判断备选方案在黑启动过程及孤网运行时，微电网的各节点电压和微电网频率是否满足稳定、安全限值的约束条件，满足约束条件的，作为可行的方案，并在可行方案中选择最优方案。
2.如权利要求1所述风光水互补型微电网黑启动控制方法，其特征在于，所述步骤(2)将满足黑启动条件的微电源作为黑启动电源备选机组，否则作为被启动电源备选机组；具体包括：
(2-1)水轮机组作为黑启动电源备选机组满足的黑启动条件是：厂用电***工作正常；具备正常备用条件；机组各部轴承油位、油质合格；调速器压油装置油压、油位在正常范围；机组出口开关直流控制电源正常；机组对应高压厂用变压器以及负荷开关正常；机组及公用部分控制正常、信号直流电源正常；机组无影响启动的其他缺陷；
(2-2)蓄能装置/光伏电站作为黑启动电源备选机组满足的黑启动条件是：
蓄能装置/光伏电站并网的逆变器具备孤岛运行模式，防孤岛检测功能退出，电站整体满足规程投运开机条件；
(2-3)风电机组作为黑启动电源备选机组满足的黑启动条件是：
风电场应急电源能满足风机辅机***供电要求；电源相序正确，三相电压平衡；调向***处于正常状态，风速仪和风向标处于正常运行的状态；制动和控制***的液压装置的油压和油位在规定范围内；齿轮箱油位和油温在正常范围内；各项保护装置均在正确投入位置，且保护定值均与批准设定的值相符；控制电源处于接通位置；控制计算机显示处于正常运行状态；手动启动前叶轮上无结冰现象；在寒冷和潮湿地区，长期停用和新投运的风电机组在投入运行前绝缘合格；经维修的风电机组在启动前，所有为检修而设立的各种安全措施已拆除；
(2-4)黑启动电源备选机组进一步选取条件
a)具有储能单元：微电网***黑启动电源备选机组中首选无间歇性问题的蓄能装置，这些微电源还具有全天候启动能力，不受天气外界因素影响；
b)具有调压调频能力：黑启动电源在具有电压源输出特性的同时，还具有调压和调频功能，能够保证配电变压器激磁损耗和微电网***交流母线空载损耗，并能够承受其他被启动电源备选机组启动时的短时功率冲击；
c)黑启动电源具有足够备用容量：黑启动电源自身发电容量足够给区域内其它被启动电源备选机组电源提供启动电源，恢复其它发电机，并可以给关键负荷供电；
(2-5)被启动电源备选机组启动顺序：
各微电源在空载状态下逐个启动并入微电网中，以避免两个孤立微电网的并网操作；为减小微电网黑启动过程中的电压和频率波动，被启动电源备选机组的启动顺序为：微电网***空载时先启动有调压调频能力的电压源型微电源，再逐步启动无调频调压能力的电流源型微电源。
3.如权利要求1所述风光水互补型微电网黑启动控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中控制策略具体包括：
(3-1)并网逆变器控制方式：
风电、光伏及蓄能装置是通过并网逆变器并入交流同步电网的，逆变器控制模式为三类：
1)逆变器PQ控制模式，用于双馈风机，光伏并网状态下，此时逆变器的功率输出跟随风力/光照情况，以达到有功输出最大目的；
2)逆变器V/f控制模式，此时微电源作为孤网中的调频/调压电源，维持孤网的电压/频率稳定；
3)逆变器带下垂特性的Pf/VQ控制模式，此时微电源具有常规电源的调节特性，有功输出随频率变化，无功输出随电压幅值变化，具有很好的正调节特性，非常有利于孤网情况下各微电源之间的功率分配，且无需通讯。
4.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤(4)微电网的各节点电压和微电网频率满足稳定、安全限值的约束条件，具体包括：
(4-1)电压稳定要求
在孤网运行时，投入励磁***AVR的自动电压控制功能，使发电机的励磁电流随***无功电流的变化而调节，从而保持发电机端电压的相对稳定；
(4-2)微电网孤网运行频率稳定要求
运行在大电网中的非调频机组，采用二次调频方式，即改变功率给定值P后，通过调速器的调节特性以达到维持***频率稳定的目的；发电机运行在孤网时，采用恒定频率控制方式，即采用一次调频方式；在孤网运行时对整个孤网的潮流、稳定性进行分析计算，制定完善的孤网运行预案，实施统一调度，各个节点通力协作，实现孤网的稳定运行；运行孤网内的机组，其调速、励磁、控制、保护***均符合孤网运行的要求。
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