CN104242337A - 光伏微网***的实时协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光伏微网控制技术领域，具体公开了一种光伏微网***的实时协调控制方法，包括中央实时优化控制层和本地控制层；中央实时优化控制层，实时采集光伏微网***交流母线电压、频率、蓄电池组荷电状态、光伏发 电微源输出功率、蓄电池组输出功率、超级电容输出功率以及负荷的实时功率，并制定实时协调控制策略及二次调频调度计划并下发给各本地控制器；本地控制层实时协调控制各微源，具体实现中央实时优化控制层下发的调度计划；本发明中微网中央优化控制器对各本地控制器的统一管理、协调控制，让微网高效经济运行，最大效率的利用光伏发电单元输出功率，抑制其输出功率波动及跟踪负载变化，合理调节微网运行方式，实现能量平衡。

Description

光伏微网***的实时协调控制方法

技术领域

本发明涉及光伏微网控制技术领域，尤其涉及一种光伏微网***的实时协调控制方法。 

背景技术

微电网通常由风能、太阳能和生物质能等可再生能源发电***、燃料电池、微型燃气轮机等清洁能源发电***，蓄电池组和飞轮等长期和短期的储能装置以及各种用户的各种电负荷和热负荷组成。光伏微网***中的实时协调控制方法的目的在于当可再生微电源受光照、温度影响光伏输出功率有很大的波动，大部分发电单元通过电力电子器件组成的逆变器接入电网具有较小的惯量时，能够实现自我协调控制、自我保护和优化管理，实现在并/离网模式下无缝切换，维持交流母线电压和频率的稳定。虽然现有微电网控制策略可以实现***的协同工作，满足***的运行要求，但微电网实时协调控制策略仍有优化提升的空间。这主要是源于微电网的如下特征： 

发电单元的多样性：由于微电网中各发电单元的负荷跟随反应速度差别很大，从毫秒级(太阳能、燃料电池、电储能设备)、秒级(燃气轮机、机械储能)到分级(风力发电)，以及输入能源(如风能、太阳能)的相关性、输出能源(供电)的相关性更增加了微电网运行调度问题的复杂性，使得能量控制与管理的信息量大大增加。 

一次能源的波动性：由于太阳能和风能的随机性，使得包含太阳能发电和风力发电单元的微电网***的实际发电能力是随机和波动的，使得***能量调度与电力***相比，不仅需要准确预测负载的需求，还必须准确预测太阳能和风力发电单元的发电能力(短时、长时)，这将大大增加***能量控制以及调度决策的复杂性。 

***运行与控制模式的多态性：正常状态下微电网***可以与电网并联运行；一旦在电网出现故障时，微电网***则要主动退出大电网，过渡到独立运行模式，保持微电网内部的母线电压幅值以及频率的稳定。这种微电网***运行与控制模式的多态性，使得常规能源的能量控制模型不再适用微电网***，需要研究新的全局智能化能量控制模型。 

上述特征使得微电网***的能量运行调度与能量调度决策是一个多目标、多变量、具有不确定性的动态复杂过程，必须依赖于新的控制方法、计算方法和评价方法，从而支持分布式能源微电网***可靠、高效、灵活运行。上述方法的验证需要提供有效、经济的手段，但迄今没有相关技术的公开报导。 

针对上述关于微电网实时能量协调控制方法研究现状，发现虽然这些方法可以实现微电网的并/离网模式切换，但是他们还存在的问题是功率控制精度不高，不能在毫秒级的时间尺度内实现实时能量调度。 

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种光伏微网***的实时协调控制方法，其基于本地控制层和中央实时优化控制层分层控制与二次在线优化调度的微电网实时能量协调控制策略，实现微电网并/离网模式无缝切换及多个微源并联达到实时能量协调控制的目的，更好地协调各单元出力及跟踪负载变化。 

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为： 

一种光伏微网***的实时协调控制方法，其包括中央实时优化控制层和本地控制层；所述中央实时优化控制层，实时采集光伏微网***交流母线电压、频率、蓄电池组荷电状态、光伏发电微源输出功率、蓄电池组输出功率、超级电容输出功率以及负荷的实时功率，利用负荷预测曲线、光伏功率预测曲线，经优化模型、优化策略及评价机制，依据负载变化的总功率，采用优化算法，制定各微源的实时协调控制策略及二次调频调度计划并下发给各本地控制器；所述本地控制层根据各微源的实时协调控制策略、二次调频调度计划、光伏微网***工作于并网或者离网状态及负荷变化情况，实时协调控制各微源：光伏发电微源工作于有功功率-无功功率控制方式、有功功率-频率/无功功率-电压 控制方式、最大功率跟踪控制方式或主动功率控制方式，蓄电池组工作于有功功率-无功功率控制方式、有功功率-频率/无功功率-电压控制方式或电压电流双闭环控制方式，超级电容器工作于有功功率-无功功率控制方式或电压电流双环控制方式，具体实现中央实时优化控制层下发的调度计划。 

优选地，所述中央实时优化控制层由***数据采集单元、在线优化调度单元组成；所述***数据采集单元实时采集光伏微网***运行数据；所述***数据采集单元采集的***运行数据包括交流母线电压、交流母线电压频率、交流母线电流、各本地控制器输出电压和输出电流以及蓄电池组荷电状态；所述在线优化调度单元根据***数据采集单元实时采集的光伏微网***运行数据，利用交流母线电压变化量、频率变化量，计算负载功率变化量，根据优化调度目标函数计算出功率最优调度值向本地控制层各控制器分配修订调度计划之后的有功功率和无功功率值；根据实时在线优化调度约束条件，优化调度目标函数，实现两个优化调度目标：功率跟踪最精确目标和发电单元启动速度最快目标；根据所述实时在线优化调度约束条件、优化调度目标函数，获取光伏微网***各发电单元实时有功和无功输出功率，并对光伏发电单元短期调度计划实时修正，形成经过修订后的调度计划，并下发给本地层各发电单元控制器；所述实时在线优化调度约束条件包括功率实时平衡约束、发电单元功率输出功率限制值、发电单元可调节功率值输出空间限制约束以及储能单元存储容量的约束；功率实时平衡约束：其中，I为光伏微网包含的所有微源总数；q为光伏微网包含的所有重要负载和次要负载总数；P_it为第i台发电单元t时刻馈送给电网或是电网需给微电网输送的有功功率，简称联络线功率；P_ft为第f个负载所需的有功功率；P_Lt为所有的可持续发电单元t时刻总的有功功率输出；发电单元功率输出功率限制值：P_i ^min≤P_it≤P_i ^max；其中，P_i ^min为发电单元i的最小输出功率；P_i ^max为发电单元i的最大输出功率； 

发电单元可调节功率值输出空间限制约束：AGC_min≤P_it≤AGC_max；其中，AGC_min、AGC_max分别为第i台发电单元调节输出功率空间上下限；储能单元存储容量的约束：SOC_min≤SOC_t≤SOC_max，其中，SOC_min、SOC_max分别为储能单元t时刻的荷电状态下限和上限。 

优选地，所述功率跟踪最精确目标具体为：各本地控制器区域控制误差 ACE_i每隔一段时间T会被计算一次，将所有本地控制器的区域控制误差相加，当总的区域控制误差最小时达到功率跟踪最精确目标，每个发电单元区域控制误差的计算公式为：ACE_i＝K_pΔP_i+K_fΔf＝K_p(P_ai-P_si)+K_f(f_a-f_s)；其中，ACE_i为本地控制器i区域控制误差，ΔP_i即(P_ai-P_si)，为本地控制器i实际交换功率和上一次分配功率的差额；Δf即(f_a-f_s)，为交流母线实际频率和计划整定频率的差值；K_f为电网频率系数；K_p为功率差值惩罚系数；光伏微网***的本地控制器区域控制误差C₁为：

优选地，所述发电单元启动速度最快目标具体为：所有的发电单元启动速度之和达到最大，所有发电单元启动速度之和为：其中，r_Git为发电单元i在t时段的调节速度；S_it为发电单元i在t时段的状态，1表示投入该微源，0表示切除该微源；i＝1表示光伏，i＝2表示蓄电池，i＝3表示超级电容。 

对上述技术方案的进一步改进为，所述光伏微网***的实时协调控制方法，还包括对功率跟踪最精确目标和发电单元启动速度最快目标两个优化目标同时加以考虑，采用线性加权法以协调上述两目标的矛盾，实时二次在线优化目标函数：min C₃＝ω₁C₁+ω₂C₂，其中ω₁+ω₂＝1，ω₁、ω₂分别为权重系数，由于要达到实时能量协调控制的目的，就要精确跟踪负载功率变化，更偏向于功率平衡的目标，所以ω₁的权重系数大于ω₂，不同的权重系数组合表示不同的侧重点。 

优选地，所述本地控制层由光伏发电微电源本地控制器、蓄电池组本地控制器、超级电容本地控制器组成；所述蓄电池组本地控制器采用如下控制策略：利用低通滤波器求取光伏输出功率中的高频功率分量Pvh和低频功率分量Pvl，负载功率中的高频功率分量Plh和低频功率分量Pll，光伏微网***的高频功率部分Ph＝Pvh+Plh，低频功率部分Pl＝Pvl+Pll；如果光伏输出的功率大于负载的功率，高出的部分低频功率可以用来给蓄电池充电，也可以输送给大 电网；如果光伏输出的功率小于负载的功率，这部分功率缺额就由蓄电池来补充，或者是从大电网取电，甚至切除部分负荷、仅保留重要负荷；在微电网并网模式运行蓄电池组放电时采取有功无功控制策略，当蓄电池组充电时，使用电压电流双闭环控制方式；在微电网离网模式运行蓄电池组放电时，蓄电池组本地控制器通过有功功率-频率(P-f)，无功功率-电压(Q-V)特性曲线，将蓄电池组本地控制器输出电压、频率采样与给定值做差得到电压和频率调整量ΔV和Δf，同时将这些调整量换算为有功和无功调整量ΔP、ΔQ，与额定有功P_n、额定无功Q_n进行无静差控制得到功率控制环有功、无功参考值P_ref和Q_ref从而来维持电压、频率在参考值；功率控制环路跟踪有功和无功功率参考值，以形成电流控制回路d，q轴电流基准值i_dref和i_qref，确保蓄电池组本地控制器输出侧的电压和频率保持在给定值。 

优选地，所述超级电容本地控制器采用有功-无功控制策略，使超级电容器吸收光伏发电单元和负载随时间波动的高频功率部分Ph，产生与其大小相反的功率，补偿高频分量Ph；当并网运行时，***实时采集超级电容SOC的状态，根据需要对超级电容进行充电或直接处于不充不放状态，当微网出现故障或计划离网时超级电容提供紧急电压和频率支撑；当微电网由并网模式切换到离网模式时，其储能放电策略立即启动，通过计算分解出负载高频功率分量Plh，由超级电容来吸收，弥补功率缺额。 

优选地，所述光伏发电微电源本地控制器在并网和离网模式时采用的控制策略不同：离网模式时：若负载过小，光伏输出功率有多余，则由MPPT变为主动功率控制策略，光伏***减小其输出功率；若蓄电池组需要充电，光伏***采用下垂控制策略，蓄电池组为电压电流双闭环策略，保证并网输出功率因数是1；再经过无静差调节后其输出结果作为并网电流内环参考输入值，调节光伏本地控制器输出的功率；并网模式：采取MPPT控制策略。 

优选地，所述光伏微网***工作在离网模式时，光伏微网***根据负载从小到大的变化自动调用对应发电单元及调整各发电单元出力情况，分为以下四 种情况：当交流母线电压频率在50.3-50.2Hz范围且负载的功率小于光伏发电单元最小输出功率时，光伏以最小输出功率定功率供电，蓄电池组采用下垂控制充电，保证交流母线处电压和频率的稳定；当交流母线电压频率在50.2-50.0Hz范围且负载的功率小于光伏发电单元最大输出功率时，蓄电池组根据自身SOC状态确定充电功率，而光伏采用下垂控制进行放电，并提供电压和频率参考点，若光伏输出功率过大，需继续主动削减输出功率，来保证微网***内功率的平衡；当交流母线电压频率在50.0-49.8Hz范围且负载的功率大于光伏发电单元最大输出功率时，光伏微网***需要调用蓄电池组放电，和光伏联合一起为负载供电，此时光伏采取MPPT控制策略，蓄电池组采用下垂控制，稳定交流母线处的电压和频率；当交流母线电压频率在49.8-49.7Hz范围且负载的功率大于光伏发电单元最大输出功率与蓄电池组最大输出功率之和时，光伏微网***不足以为负载提供足够功率，为保证***内功率平衡，需要进行切除负荷操作。在光伏***工作在离网状态下，超级电容在该过程中采用有功-无功控制策略，按下发的指令吸收高频波动功率。 

本发明所述的光伏微网***的实时协调控制方法，其有益效果为： 

1、提出了一种基于微电网本地控制层和中央实时优化控制层分层控制策略，使得微网中央优化控制器对各本地控制器的统一管理、协调控制，让微网高效经济运行，最终实现微源、电网和负载的功率最优化匹配。 

2、当光伏微网***切换到离网模式运行时，***能够根据交流母线电压频率所在的区间实时整定光伏发电微源本地控制器、蓄电池组本地控制器、超级电容本地控制器的控制方式和输出功率的大小，实时协调微网***各本地控制器。 

3、能够最大效率的利用光伏发电单元输出功率，抑制其输出功率波动及跟踪负载变化，稳定微网***交流母线的电压和频率。 

4、微电网在综合考虑自身负载变化以及电网电能需求，合理调节自身运行方式，在并/离网模式之间自动实现无缝切换，实现负载和可持续发电单元间实 时能量平衡。 

5、将蓄电池组和超级电容看作是发电单元向外输出功率。超级电容主要是为负载提供高频功率部分，必要时可以吸收一部分发电单元多余的输出功率以平衡总功率；蓄电池组则作为主要储能单元吸收负载的低频功率部分。 

附图说明

图1为本发明实施例光伏微网***的实时协调控制方法中光伏微网两层分层控制示意图； 

图2为本发明实施例光伏微网***的实时协调控制方法中逆变单元功率二次频率调整示意图； 

图3为本发明实施例光伏微网***的实时协调控制方法中蓄电池组和光伏单元跟随负载功率变化的下垂特性曲线； 

图4为本发明实施例光伏微网***的实时协调控制方法中微电网运行在并网模式下功率流示意图； 

图5为本发明实施例光伏微网***的实时协调控制方法中微电网运行在并网模式切换时的实时调度策略流程图； 

图6为本发明实施例光伏微网***的实时协调控制方法中微电网运行在离网模式切换时的实时调度策略流程图； 

图7为本发明实施例光伏微网***的实时协调控制方法中微网运行在并网模式下的功率调节曲线； 

图8为本发明实施例光伏微网***的实时协调控制方法中在离网模式下光伏发电单元变化曲线图； 

图9为本发明实施例光伏微网***的实时协调控制方法中蓄电池运行模式从放电状态切换到充电状态的变化曲线图； 

图10为本发明实施例光伏微网***的实时协调控制方法中蓄电池运行模式从充电状态切换到放电状态的变化曲线图； 

图11为本发明实施例光伏微网***的实时协调控制方法中微网运行模式从并网切换到离网的变化曲线图。 

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。 

实施例： 

以下是针对由光伏发电、铅酸蓄电池组和超级电容器以及交流负载和直流负载组成的光伏微网***来说明本发明的具体实施方式。 

请参照图1，本发明所述的光伏微网***的实时协调控制方法，包括：中央实时优化控制层和本地控制层。其中，中央实时优化控制层，实时采集光伏微网***交流母线电压、频率、蓄电池组荷电状态、光伏发电微源输出功率、蓄电池组输出功率、超级电容输出功率以及负荷的实时功率，利用负荷预测曲线、光伏功率预测曲线，经优化模型、优化策略及评价机制，依据负载变化的总功率，采用优化算法，制定各微源的实时协调控制策略及二次调频调度计划并下发给各本地控制器。本地控制层根据各微源的实时协调控制策略、二次调频调度计划、光伏微网***工作于并网或者离网状态及负荷变化情况，实时协调控制各微源：光伏发电微源工作于有功功率-无功功率控制方式、有功功率-频率/无功功率-电压控制方式、最大功率跟踪控制方式或主动功率控制方式，蓄电池组工作于有功功率-无功功率控制方式、有功功率-频率/无功功率-电压控制方式或电压电流双环控制方式，超级电容器工作于有功功率-无功功率控制方式或电压电流双环控制方式，具体实现中央实时优化控制层下发的调度计划。 

中央实时优化控制层由***数据采集单元、在线优化调度单元组成；所述***数据采集单元实时采集光伏微网***运行数据；所述在线优化调度单元根据***数据采集单元实时采集的光伏微网***运行数据，利用交流母线电压变化量、频率变化量，计算负载功率变化量，根据优化调度目标函数计算出功率最优调度值向本地控制层各控制器分配修订调度计划之后的有功功率和无功功率值；根据实时在线优化调度约束条件，优化调度目标函数，实现两个优化调度目标：功率跟踪最精确目标和发电单元启动速度最快目标；根据所述实时在线优化调度约束条件、优化调度目标函数，获取光伏微网***各发电单元实时有功和无功输出功率，并对光伏发电单元短期调度计划实时修正，形成经过修订后的调度计划，并下发给本地层各发电单元控制器。 

***数据采集单元采集的***运行数据包括交流母线电压、交流母线电压频率、交流母线电流、各本地控制器输出电压和输出电流以及蓄电池组荷电状态。 

以下具体说明： 

中央实时优化控制层二次在线优化调度 

A、计算负载变化值确定总调节功率 

本地控制层利用微电源输出有功功率和频率、无功功率和电压成线性关系的原理，当负载发生突变时，检测到交流母线上的电压频率发生变化，利用有功功率-频率(P-f)、无功功率-电压Q-V之间的下垂关系计算出负载功率的变化。图2所示为根据母线电压频率和幅值计算有功功率和无功功率示意图。 

可得到： 

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ΔP}=P-P^{,}=\frac{\mathrm{\Δf}}{m}=\frac{f-f^{,}}{m}\\ \mathrm{\ΔQ}=Q-Q^{,}=\frac{\mathrm{\ΔV}}{n}=\frac{V-V^{,}}{n}\end{array}\right.$

式中m和n分别是P-f和Q-V下垂系数。负载突变会使交流母线上电压的频率和大小发生变化，再由P-f和Q-V下垂关系计算出功率。 

B、中央实时优化控制层优化调度目标 

中央实时优化控制层利用总调节功率向本地层进行功率分配，首先要根据优化调度目标函数计算出最优调度值再分配给各发电单元，本发明设定的优化调度目标有两个，分别是功率跟踪最精确目标和发电单元启动速度最快目标。 

i、功率跟踪最精确目标：本地控制器区域控制误差ACE_i反应频率变化的趋势，ACE_i每隔一段时间T会被计算一次，计算各本地控制器的区域控制误差，将所有本地控制器的区域控制误差相加，当光伏微网***总的区域控制误差C₁最小时即可达到功率跟踪最精确目标，各本地控制器区域控制误差的计算公式ACE_i： 

ACE_i＝K_pΔP_i+K_fΔf＝K_p(P_ai-P_si)+K_f(f_a-f_s) 

其中，ACE_i为本地控制器i区域控制误差 

ΔP_i：即(P_ai-P_si)实际交换功率和上一次分配功率的差 

Δf：即(f_a-f_s)交流母线实际频率和计划整定频率的差 

K_f：电网频率系数 

K_p：功率差值惩罚系数 

微网***本地控制器区域控制误差为： 

$C_1=\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ACE}}_i$

ii、发电单元启动速度最快目标：所有的发电单元启动速度之和达到最大，即实现发电单元启动速度最快目标；所有启动速度公式： 

$C_2=\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{Git}}{S}_{\mathrm{it}}$

r_Git：发电单元i在t时段的调节速度 

S_it：发电单元i在t时段的状态，1表示投入该微源，0表示切除该微源 

i＝1：表示光伏，i＝2：表示蓄电池，i＝3：表示超级电容 

本发明对上述两个优化目标同时加以考虑，采用线性加权法以协调上述两目标的矛盾； 

实时二次在线优化目标函数： 

min C₃＝ω₁C₁+ω₂C₂

ω₁+ω₂＝1，ω₁、ω₂分别为权重系数，由于要达到实时能量协调控制的目的，就要精确跟踪负载功率变化，更偏向于功率平衡的目标，所以w₁的权重系数该大一些，不同的权重系数组合表示不同的侧重点，本发明设定的w₁和w₂的权重系数分别是0.7和0.3； 

约束条件： 

1)功率实时平衡约束 

$\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{it}}=P_{\mathrm{Lt}}-\underset{f=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{ft}}$

I：为光伏微网包含的所有微源总数q为光伏微网包含的所有重要负载和次要负载总数；P_it：第i台发电单元t时刻馈送给电网或是电网需给微电网输送的有功功率，简称联络线功率(kW)；P_ft：为第f个负载所需的有功功率；P_Lt： 为所有的可持续发电单元t时刻总的有功功率输出。 

2)发电单元功率输出功率限制值 

P_i ^min≤P_it≤P_i ^max

P_i ^min：发电单元i的最小输出功率 

P_i ^max：发电单元i的最大输出功率 

3)发电单元可调节功率值输出空间限制约束 

AGC_min≤P_it≤AGC_max

AGC_min、AGC_max分别为第i台发电单元调节输出功率空间下限和上限； 

4)储能单元存储容量的约束 

SOC_min≤SOC_t≤SOC_max

其中，SOC_min、SOC_max分别为储能单元t时刻的荷电状态下限和上限。 

中央控制器由二次在线优化调度算法计算出各发电单元额定输出功率值分配给各发电单元。 

2、微网运行在离网模式时的实时协调控制策略 

微电网根据负载从小到大的变化自动调用对应发电单元及调整各发电单元出力情况，可分为以下四种情况： 

a)P_load≤P_{PV_min}，如图3中的A部分，即负载的功率P_Load小于光伏发电单元最小输出功率P_{PV_min}时，光伏以最小输出功率定功率供电，蓄电池组采用下垂控制充电，保证交流母线处电压和频率的稳定。 

b)P_{PV_min}＜P_Load≤P_{PV_max}，如图3中的B部分，即负载的功率小于光伏发电单元最大输出功率时，蓄电池组根据自身SOC状态确定充电功率，而光伏采用下垂控制进行放电，并提供电压和频率参考点，若光伏输出功率过大，需继续主动削减输出功率，来保证微网***内功率的平衡。 

c)P_{PV_max}＜P_Load≤P_{PV_max}+P_{Batt_max}，如图3中的C部分，即负载的功率大于光伏发电单元最大输出功率，此时需要调用蓄电池组放电，和光伏联合一起为负载供电，此时光伏采取MPPT控制策略，蓄电池组采用下垂控制，稳定交流母线处的电压和频率。 

d)P_Load＞P_{PV_max}+P_{Batt_max}，如图3中的D部分，即负载的功率大于光伏发电单元最大输出功率与蓄电池组最大输出功率之和，此时两者不足以为负载提 供足够功率，为保证***内功率平衡，需要进行切除负荷操作。 

3、微网工作在并网模式时协调控制策略 

光-蓄-超微电网并网模式运行状态如图4所示。微电网运行在并网模式下，由于微电网和电网之间可以交换功率，光伏为主要出力部件，蓄电池组采取PQ控制。可以让光伏发电单元以MPPT方式运行，尽可能向外输出功率，首先满足负载需要，若有功率剩余向储能单元充电，或在储能单元不需要能量的情况下，直接反馈至电网，这种运行方式可以让光伏得到充分利用；反之，如果光伏发电单元的能量不足以满足负载(或储能单元)的需求，则可以控制电网向微网供电。可以分为以下三种情况： 

a)P_{PV_max}＜P_Load，在这个情形中，光伏输出的最大功P_{PV_max}率比负载需求功率P_Load小，光伏的功率全提供给负载，如果蓄电池组的SOC(电池剩余电量或荷电状态)小于0.3，电网要向微网提供功率供给负载和蓄电池组，蓄电池组处于充电状态；如果蓄电池组的SOC大于0.3，则可由蓄电池组向负载放电。 

b)P_Load≤P_{PV_max}＜P_batt+P_Load，在这个情形中，光伏最大输出功率小于负载P_Load与蓄电池组充电功率P_batt之和，此时微电网要求电网向其输入功率，补偿光伏与负载的功率差额为蓄电池组充电。若蓄电池组SOC小于0.3，则光伏多余的功率给蓄电池组充电；若蓄电池组SOC大于0.3，则蓄电池组退出微网。 

c)P_{PV_max}≥P_batt+P_Load，在这个情形中，光伏最大输出功率大于负载与蓄电池组充电功率之和，光伏采取MPPT控制策略全功率输出、蓄电池组采取定功率充电，光伏输出的功率除满足负载和对蓄电池组充电外，多余的能量输送给电网。 

将蓄电池组和超级电容看作是发电单元向外输出功率，超级电容主要是为负载提供高频含量部分的功率，必要时可以吸收一部分发电单元多余的输出功率以平衡总功率；蓄电池组则作为主要储能单元吸收负载的低频分量，同时当微电网切换到离网模式运行时，由蓄电池组来提供电压和频率参考量，使***稳定运行。 

4、并网向离网切换实时能量协调控制策略 

微电网运行在并网模式时，当交流母线处的电压和频率不符合要求时，需要静态开关动作，将微电网与大电网断开，转换到离网模式下运行，因此需 要采取并网转离网模式时的实时能量调度控制策略来达到整个***实时能量协调控制的目的如图5所示，采取的步骤如下： 

a、光伏微网***工作于并网状态，微电源输出功率小于负载功率时，i)蓄电池组SOC(电池剩余电量或荷电状态)小于0.3时电网向微电网输入功率，提供负载功率和蓄电池组充电功率，若电网发生故障，光伏发电***转入离网运行模式，此时蓄电池组仍工作于充电模式，光伏发电***输出功率不能满足所有负荷所需功率，切除部分负荷；ii)蓄电池组SOC大于0.3时蓄电池组放电，同时电网向光伏微网***输电，补充负载差额功率，若电网发生故障光伏发电***转入离网运行模式，此时蓄电池组放电，且功率有剩余***还可接纳更多的负荷； 

b、光伏微网***工作于并网状态，微电源输出功率大于负载功率时，i)蓄电池组SOC大于0.3，超级电容不需要充电时，光伏微网***向电网馈送电能，蓄电池不充电也不放电，超级电容不充电也不放电，若电网发生故障，光伏发电***转入离网运行模式，此时蓄电池组和超级电容处于放电状态，采取主动功率控制策略降低微源输出功率；ii)蓄电池组SOC小于0.3，如果微电源输出功率与负载功率之差大于蓄电池充电功率，蓄电池组充电且光伏微网***向电网馈送电能，若电网发生故障，光伏发电***转入离网运行模式，蓄电池充电，且有一定的功率多余，还可以接入一定的次要负载或者是降低微源输出功率；如果微电源输出功率与负载功率之差小于蓄电池充电功率，电网向光伏微网***输入电能，补充蓄电池组充电功率差额，若电网发生故障，光伏发电***转入离网运行模式，蓄电池充电，但充电所需的功率不足，切除部分微电源有功功率。 

5、离网向并网切换实时能量协调控制策略 

微电网运行在离网模式时，当微电网交流母线处的电压和频率经过锁相环锁相符合并网要求时，需要再次让静态开关动作，合上静态开关，将微电网与大电网连接，让微电网转换到并网模式下运行，因此需要采取离网转并网模式时的实时能量调度控制策略来达到整个***实时能量协调控制的目的如图6所示，采取的步骤如下： 

a)、光伏微网***工作于离网状态，所有微电源输出功率小于负载功率 i)蓄电池组SOC小于0.3，蓄电池组处于充电状态，微源输出的功率不能满足所有负载所需功率切除部分负载，若光伏微网***并网条件满足时，光伏微网***转入并网运行模式，之前切除的负荷可以重新添加，由电网提供负载功率；ii)蓄电池组SOC大于0.3，如果蓄电池组放电功率能够满足负载功率需求，蓄电池组放电且功率有剩余，光伏微网仍能接纳更多的负荷或减小微电源输出功率，若光伏微网***并网条件满足时，光伏微网***转入并网运行模式，光伏微网***输出功率有富余，向电网馈送电能；如果蓄电池组放电功率不能够满足负载功率需求，切除部分负荷，若光伏微网***并网条件满足时，***转入并网运行模式，切除的负荷可以重新添加，由电网提供差额功率； 

b)、光伏微网***工作于离网状态，所有微电源输出功率大于负载功率i)所有微电源输出功率等于负载功率，蓄电池组不充电不放电，保持自由状态；ii)所有微电源输出功率大于负载功率，如果蓄电池不需要充电、超级电容不需要充电，切除部分微电源有功负载或是采取主动功率控制策略降低微源输出功率，若光伏微网***并网条件满足时，***转入并网运行模式，蓄电池已充满电，则微电网向电网馈送电能，蓄电池既不充电也不放电； 

c)、光伏微网***工作于离网状态，所有微源输出功率不等于负载功率，蓄电池组SOC小于0.3。i)微电源输出功率与负载功率之差大于蓄电池组充电功率，蓄电池组充电且有一定的功率剩余还可以接入一定的次要负载或者是微源减少输出功率，若光伏微网***并网条件满足时，光伏微网***转入并网运行模式，蓄电池充电，潮流流向是微电网向电网送电；ii)微电源输出功率与负载功率之差小于蓄电池组充电功率，蓄电池组工作于充电状态，但充电所需的功率不足，切除部分负荷，若光伏微网***并网条件满足时，光伏微网***转入并网运行模式，蓄电池组充电，潮流流向是电网向光伏微网***输入功率，补充功率差额。 

在并网模式运行下，微电网内的功率缺额由大电网进行平衡，由此频率的调整由大电网完成。可通过监控联络线功率来控制微电网交流母线电压和频率的稳定。而且必须有有效的局部电压控制，否则微电网***可能会产生电压和无功偏移或震荡。 

在离网模式运行下，可分为计划内的离网运行和计划外的离网运行。当 由于检修或者是微网母线电压和频率不满足要求，微电网可按照调度计划主动与电网解列，按离网模式运行，这叫做计划内离网运行；当大电网发生故障或其电能质量不满足***标准的情况下，微电网与大电网断开并以离网模式独立运行为负载供电，称为计划外的离网运行。此时微网内的负载都由其包含的微源供电，故需要一个储能单元采用Droop或V/f控制策略为整个***提供电压和频率参考值，一般按照主从控制方式运行。 

5、微电网实时能量协调控制仿真结果 

在Matlab/Simulink环境下搭建了由光伏-蓄电池组-超级电容组成的微电网仿真模型，对其在光照强度发生波动光伏输出功率波动比较大时蓄电池如何动作，以及在并网、离网及并/离网模式转换下的***运行特性进行了分析和研究，为了使以下对仿真结果解释清晰明了，我们作如下假设：在仿真过程中储能充电时功率为负，放电时其功率为正；微电网流向电网的交换功率为正，反之为负；所有电压的单位均为V，电流单位为A，有功功率的单位均为W，无功功率的单位均为Var，时间的单位均为s。 

A.情形1 

在情形1中，微网运行在并网模式下，在0.06秒之前，光伏输出功率大于负载功率，多余的功率馈送给电网，在0.06秒时，负载功率加大，由电网提供光伏与负载的差额功率，0.12秒之后负载功率降低，光伏剩余的功率流向电网。光伏发电单元输出功率为10kW，负载功率5kW，0.06秒之后负载功率加重为15kW，0.12秒之后重新降低为5kW。图7波形从上到下依次为电网电压、电网电流、负载电流、光伏本地控制器输出电流和光伏功率波形。 

B.情形2 

在情形2中，微网运行在离网模式下，蓄电池一直处于充电状态。0.06秒之后，负载功率降低，光伏发电单元主动减小其输出功率来平衡光伏发出的功率与负载所消耗的功率，目的是保证交流母线处电压幅值和频率的稳定。从图8可以看出，当负载功率下降时光伏发电单元能主动减少其输出功率，交流母线处电压的频率能够稳定在50Hz附近。在0.06秒之前，光伏以5kW充电，光伏发电单元输出的功率是10kW，负载功率为5kW。0.06秒时负载功率降为1kW，光伏单元为了平衡负载和蓄电池功率，其输出功率减少为6kW。图8波形 从上到下依次为母线电压，蓄电池输出功率，光伏输出功率，蓄电池输出电流和光伏本地控制器输出电流。 

C.情形3 

在情形3中，微网运行在离网模式下，蓄电池从放电状态切换到充电状态，数据如表1，图形如图9，在0.06秒之前，蓄电池放电功率是5kW，光伏输出功率为10kW，负载功率为15kW。0.06秒时蓄电池切换到充电状态，充电功率是5kW，负载功率减少为5kW，光伏发电单元维持10kW功率输出。图9波形从上到下依次为母线电压，蓄电池输出功率，光伏输出功率，蓄电池本地控制器输出电流和光伏本地控制器输出电流。 

表1 离网模式下蓄电池放电到充电切换情形分析 

D.情形4 

在情形4中，微网运行在离网模式下，蓄电池从充电状态切换到放电状态，数据如表2，数据图形如图10。从图10可以看出，当负载功率减少时，为了实现能量协调平衡控制，蓄电池运行模式从充电状态切换到放电状态。在0.065秒之前，蓄电池充电功率是5kW，光伏输出功率为10kW，负载功率为5kW。0.06秒时蓄电池切换到放电状态，放电功率是5kW，负载功率增加为15kW，光伏发电单元维持10kW功率输出。 

表2 离网模式下蓄电池充电到放电切换情形分析 

E.情形5 

在情形5中，微电网运行模式从并网模式切换到离网模式。蓄电池从充电状态切换到放电状态，图形如图11。在0.085s时微网运行模式从并网切换到离网模式，并网时蓄电池5kW充电，光伏单元输出10kW，负载10kW，差额5kW功率由电网提供；离网时蓄电池5kW放电，光伏单元维持10kW输出，负载功率增加到15kW。图11从上到下依次为母线电压，蓄电池输出功率，光伏输出功率，蓄电池本地控制器输出电流和光伏本地控制器输出电流。 

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。 

Claims (9)

1.一种光伏微网***的实时协调控制方法，其特征在于：

包括中央实时优化控制层和本地控制层；

所述中央实时优化控制层，实时采集光伏微网***交流母线电压、频率、蓄电池组荷电状态、光伏发电微源输出功率、蓄电池组输出功率、超级电容输出功率以及负荷的实时功率，利用负荷预测曲线、光伏功率预测曲线，经优化模型、优化策略及评价机制，依据负载变化的总功率，采用优化算法，制定各微源的实时协调控制策略及二次调频调度计划并下发给各本地控制器；

所述本地控制层根据各微源的实时协调控制策略、二次调频调度计划、光伏微网***工作于并网或者离网状态及负荷变化情况，实时协调控制各微源：光伏发电微源工作于有功功率-无功功率控制方式、有功功率-频率/无功功率-电压控制方式、最大功率跟踪控制方式或主动功率控制方式，蓄电池组工作于有功功率-无功功率控制方式、有功功率-频率/无功功率-电压控制方式或电压电流双环控制方式，超级电容器工作于有功功率-无功功率控制方式或电压电流双闭环控制方式，具体实现中央实时优化控制层下发的调度计划。

2.根据权利要求1所述光伏微网***的实时协调控制方法，其特征在于：

所述中央实时优化控制层由***数据采集单元、在线优化调度单元组成；

所述***数据采集单元实时采集光伏微网***运行数据；

所述***数据采集单元采集的***运行数据包括交流母线电压、交流母线电压频率、交流母线电流、各本地控制器输出电压和输出电流以及蓄电池组荷电状态；

所述在线优化调度单元根据***数据采集单元实时采集的光伏微网***运行数据，利用交流母线电压变化量、频率变化量，计算负载功率变化量，根据优化调度目标函数计算出功率最优调度值向本地控制层各控制器分配修订调度计划之后的有功功率和无功功率值；根据实时在线优化调度约束条件，优化调度目标函数，实现两个优化调度目标：功率跟踪最精确目标和发电单元启动速度最快目标；

根据所述实时在线优化调度约束条件、优化调度目标函数，计算光伏微网***各发电单元实时有功和无功输出功率，并对光伏发电单元短期调度计划实时修正，形成经过修订后的调度计划，并下发给本地层各发电单元控制器；

所述实时在线优化调度约束条件包括功率实时平衡约束、发电单元功率输出功率限制值、发电单元可调节功率值输出空间限制约束以及储能单元存储容量的约束：

功率实时平衡约束： $\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{it}}=P_{\mathrm{Lt}}-\underset{f=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{ft}}$

其中，I为光伏微网包含的所有微源总数；q为光伏微网包含的所有重要负载和次要负载总数；P_it为第i台发电单元t时刻馈送给电网或是电网需给微电网输送的有功功率，简称联络线功率；P_ft为第f个负载所需的有功功率；P_Lt为所有的可持续发电单元t时刻总的有功功率输出；

发电单元功率输出功率限制值：P_i ^min≤P_it≤P_i ^max；其中，P_i ^min为发电单元i的最小输出功率；P_i ^max为发电单元i的最大输出功率；

发电单元可调节功率值输出空间限制约束：AGC_min≤P_it≤AGC_max；其中，AGC_max、AGC_min分别为第i台发电单元调节输出功率空间上下限；

储能单元存储容量的约束：SOC_min≤SOC_t≤SOC_max，其中，SOC_min、SOC_max分别为储能单元t时刻的荷电状态下限和上限。

3.根据权利要求2所述光伏微网***的实时协调控制方法，其特征在于：所述功率跟踪最精确目标具体为：各本地控制器区域控制误差ACE_i每隔一段时间T会被计算一次，将所有本地控制器的区域控制误差相加，当总的区域控制误差最小时达到功率跟踪最精确目标，每个发电单元区域控制误差的计算公式为：ACE_i＝K_pΔP_i+K_fΔf＝K_p(P_ai-P_si)+K_f(f_a-f_s)；其中，ACE_i为本地控制器i的区域控制误差，ΔP_i即(P_ai-P_si)，为本地控制器i实际交换功率和上一次分配功率的差额；Δf即(f_a-f_s)，为交流母线实际频率和计划整定频率的差值；K_f为电网频率系数；K_p为功率差值惩罚系数；光伏微网***本地控制器区域控制误差C₁为： $C_1=\underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{ACE}}_i.$

4.根据权利要求2所述光伏微网***的实时协调控制方法，其特征在于：所述发电单元启动速度最快目标具体为：所有的发电单元启动速度之和达到最大，所有发电单元启动速度之和为：其中，r_Git为发电单元i在t时段的调节速度；S_it为发电单元i在t时段的状态，1表示投入该微源，0表示切除该微源；i＝1表示光伏，i＝2表示蓄电池组，i＝3表示超级电容。

5.根据权利要求2所述光伏微网***的实时协调控制方法，其特征在于：所述中央实时优化控制层对功率跟踪最精确目标和发电单元启动速度最快目标两个优化目标同时加以考虑，采用线性加权法以协调上述两目标的矛盾，实时二次在线优化目标函数：min C₃＝ω₁C₁+ω₂C₂，其中ω₁+ω₂＝1，ω₁、ω₂分别为权重系数，由于要达到实时能量协调控制的目的，就要精确跟踪负载功率变化，更偏向于功率平衡的目标，所以ω₁的权重系数大于ω₂，不同的权重系数组合表示不同的侧重点。

6.根据权利要求1所述光伏微网***的实时协调控制方法，其特征在于：所述本地控制层由光伏发电微电源本地控制器、蓄电池组本地控制器、超级电容本地控制器组成；

所述蓄电池组本地控制器采用如下控制策略：利用低通滤波器求取光伏输出功率中的高频功率分量Pvh和低频功率分量Pvl，负载功率中的高频功率分量Plh和低频功率分量Pll，光伏微网***的高频功率部分Ph＝Pvh+Plh，低频功率部分Pl＝Pvl+Pll；如果光伏输出的功率大于负载的功率，多出的部分低频功率可以用来给蓄电池充电，也可以输送给大电网；

如果光伏输出的功率小于负载的功率，这部分功率缺额就由蓄电池来补充，或者是从大电网取电，甚至切除部分负荷、仅保留重要负荷；

在微电网并网模式运行中蓄电池组放电时蓄电池组采取有功无功控制策略，当蓄电池组充电时，蓄电池组采用电压电流双闭环控制方式；在微电网离网模式运行中蓄电池组放电时，蓄电池组本地控制器通过有功功率-频率(P-f)，无功功率-电压(Q-V)特性曲线，将蓄电池组本地控制器输出电压、频率采样与给定值做差得到电压和频率调整量ΔV和Δf，同时将这些调整量换算为有功和无功调整量ΔP、ΔQ，与额定有功P_n、额定无功Q_n进行无静差控制得到功率控制环有功、无功参考值P_ref和Q_ref从而来维持电压、频率在参考值；功率控制环路跟踪有功和无功功率参考值，以形成电流控制回路d，q轴电流基准值i_dref和i_qref，确保蓄电池组本地控制器输出侧的电压和频率保持在给定值。

7.根据权利要求6所述光伏微网***的实时协调控制方法，其特征在于：所述超级电容本地控制器采用有功-无功控制策略，使超级电容器吸收光伏发电单元和负载随时间波动的高频功率部分Ph，产生与其大小相反的功率，补偿高频分量Ph；当并网运行时，***实时采集超级电容SOC的状态，根据需要对超级电容进行充电或直接处于不充不放状态，当微网出现故障或计划离网时超级电容提供紧急电压和频率支撑；当微电网由并网模式切换到离网模式时，其储能放电策略立即启动，通过计算分解出负载高频功率分量Plh，由超级电容来吸收，弥补功率缺额。

8.根据权利要求6所述光伏微网***的实时协调控制方法，其特征在于：所述光伏发电微电源本地控制器在并网和离网模式时采用的控制策略不同：

离网模式时：若负载过小，光伏输出功率有多余，则由MPPT变为主动功率控制策略，光伏***减小其输出功率；若蓄电池组需要充电，光伏***采用下垂控制策略，蓄电池组为电压电流双闭环策略，保证并网输出功率因数是1；再经过无静差调节后其输出结果作为并网电流内环参考输入值，调节光伏本地控制器输出的功率；

并网模式：采取MPPT控制策略。

9.根据权利要求1所述光伏微网***的实时协调控制方法，其特征在于：所述光伏微网***工作在离网模式时，光伏微网***根据负载从小到大的变化自动调用对应发电单元及调整各发电单元出力情况，分为以下四种情况：

当交流母线电压频率在50.3-50.2Hz范围且负载的功率小于光伏发电单元最小输出功率时，光伏以最小输出功率定功率供电，蓄电池组采用下垂控制充电，保证交流母线处电压和频率的稳定；

当交流母线电压频率在50.2-50.0Hz范围且负载的功率小于光伏发电单元最大输出功率时，蓄电池组根据自身SOC状态确定充电功率，而光伏采用下垂控制进行放电，并提供电压和频率参考点，若光伏输出功率过大，需继续主动削减输出功率，来保证微网***内功率的平衡；

当交流母线电压频率在50.0-49.8Hz范围且负载的功率大于光伏发电单元最大输出功率时，光伏微网***需要调用蓄电池组放电，和光伏联合一起为负载供电，此时光伏采取MPPT控制策略，蓄电池组采用下垂控制，稳定交流母线处的电压和频率；

当交流母线电压频率在49.8-49.7Hz范围且负载的功率大于光伏发电单元最大输出功率与蓄电池组最大输出功率之和时，光伏微网***不足以为负载提供足够功率，为保证***内功率平衡，需要进行切除负荷操作。在光伏***工作在离网状态下，超级电容在该过程中采用有功-无功控制策略，按下发的指令吸收高频波动功率。