CN105429180A - 风光柴蓄微电网离/并网模式下的频率分层控制方法 - Google Patents

风光柴蓄微电网离/并网模式下的频率分层控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风光柴蓄微电网离/并网模式下的频率分层控制方法，所述微电网包含离网和并网两种运行模式；所述微电网包含蓄电池储能***和柴油发电机组两种可控电源，以及风力发电机组和光伏发电***两种不可控电源；所述微电网的频率分层控制方法包括：(1)离网模式下的频率分层控制方法；(2)并网模式下的频率分层控制方法。本发明解决了风光柴蓄微电网在离/并网两种不同模式下的频率控制方法，有效提高了微电网***的频率动态性能，保证了***运行的频率稳定性。

Description

风光柴蓄微电网离/并网模式下的频率分层控制方法
技术领域
本发明涉及微电网运行控制技术，更具体地说，涉及一种风光柴蓄微电网离/并网模式下的频率分层控制方法。
背景技术
当前，集成各种分布式电源和储能***的混合能源微电网已经成为一种提供灵活、可靠和经济的电力供应方式，它可以有效解决海岛、山区等偏远地区的电力短缺问题。随着分布式发电技术的不断进步和发展，风力发电和太阳能光伏发电等可再生能源分布式电源在微电网中占比也越来越大，然而它们固有的间歇性输出功率特性容易引起微电网***的有功功率不平衡，从而导致***频率波动问题。
经对现有技术的文献检索发现，独立交流微网中电池储能与柴油发电机的协调控制(郭力，富晓鹏，李霞林，等.独立交流微网中电池储能与柴油发电机的协调控制[J].中国电机工程学报,2012,32(25):70-78.)一文针对微电网内柴油发电机和蓄电池储能***的不同控制特性，提出了柴油发电机为主控电源时的蓄电池储能***辅助功率控制，以及柴油发电机和储能***之间的双主电源无缝切换控制策略，保证***运行的稳定性，但它没有给出具体的一次、二次频率控制方法。申请号为201510151562.0的中国发明专利申请提出一种可自动实现频率控制的微电网***，实时获取大电网调度指令，按照大电网的需求参与大电网的频率调节，但它没有给出微电网离网模式下的频率控制方法以及具体的一次、二次频率控制方法。申请号为201510170324.4的中国发明专利申请提出基于不同时间尺度的独立微电网分层协调控制方法。现有技术很少讨论微电网同时具备离网运行和并网运行两种运行模式的频率控制方法。
本发明提出了一种风光柴蓄微电网离/并网模式下的频率分层控制方法，该方法引入先进的分层控制技术，微电网离网模式下运行时，充分利用蓄电池储能***和柴油发电机组两种可控分布式电源的不同动态调节特性(时间响应特性和功率调节特性等)，将蓄电池储能***用于***的一级频率控制，柴油发电机组用于***的二级频率控制；微电网并网模式下运行时，充分利用大电网的惯性特点与蓄电池储能***和柴油发电机组的瞬时功率补偿性，大电网完成***的一级频率控制，而蓄电池储能***和柴油发电机组则用于***的二级频率控制；微电网离/并网模式下的三级频率控制则为微电网的经济运行，各分布式电源根据调度指令进行功率输出。本发明解决了风光柴蓄微电网在离/并网两种不同模式下的频率控制方法，有效提高了微电网***的频率动态性能，保证了***运行的频率稳定性。
发明内容
针对以上现有的不足，提出了一种有效提高了微电网***的频率动态性能，保证了***运行的频率稳定性的风光柴蓄微电网离/并网模式下的频率分层控制方法。。本发明的技术方案如下：一种风光柴蓄微电网离/并网模式下的频率分层控制方法，其包括以下步骤：
步骤1：获取光柴蓄微电网***频率波动特性参数，将***频率的波动幅度按照级别划分为A、B、C和D四个区域，A区域包括低频AL区和高频AH区，B区域包括低频BL区和高频BH，C区域包括低频CL区和高频CH区，D区包括低频DL区和高频DH区；
步骤2：将风光柴蓄微电网***内除风电和光伏出力外的净负荷波动分量分类成三类；
步骤3：判断风光柴蓄微电网***的运行模式为离网运行或并网运行；
步骤4：当风光柴蓄微电网***处于离网运行模式时，将微电网***频率控制结构设计为三层分层控制结构；
步骤5：当风光柴蓄微电网***处于并网运行模式时，将微电网***频率控制结构设计为三层分层控制结构。
进一步的，所述步骤2中净负荷波动分量分类成三类具体包括；
(1)变化周期为毫秒级的随机波动净负荷分量；
(2)变化周期为秒级的净负荷分量；
(3)变化周期为分钟级或小时级的持续变动净负荷分量。
进一步的，步骤4离网运行模式时，将微电网***频率控制结构设计为三层分层控制结构；具体包括：(1)第一层为基于蓄电池储能***的一级控制，频率在B区域；(2)第二层为基于柴油发电机组的二级控制，即频率为C区域；(3)第三层为基于***级集中控制的微电网中央控制中心的三级控制或经济运行。
进一步的，所述微电网在离网模式下运行时，当***频率在A区时，***不调节；***频率在B区，属于一级频率控制范围，当***频率在BL低频区时，通过蓄电池放电控制来调节***的频率，使频率回到A区，如果蓄电池剩余容量低于蓄电池的最低容量，则调节柴油发电机组的有功功率输出，使得***频率恢复；当***频率在BH高频区时，通过蓄电池充电控制来调节***的频率，使频率回到A区，如果蓄电池剩余容量等于蓄电池的最大容量，则根据风力发电机组和光伏发电***的优先级和电能质量高低切出部分电源，使得***频率维持在允许波动范围内；***频率在C区，属于二级频率控制范围，当***频率在CL低频区时，增加柴油发电机组的有功功率输出，使***频率恢复到额定值，如果柴油发电机组已达到最大技术出力，则根据负荷分级卸载部分中断负荷；当***频率在CH高频区时，减少柴油发电机组的功率输出，使***频率恢复的额定值，如果柴油发电机组已达到最小技术出力，则需要根据风力发电机组和光伏发电***的优先级和电能质量高低切出部分电源，使得***频率恢复；***频率在D区时，采用故障保护控制技术快速切除故障，恢复***正常运行。
进一步的，步骤5并网运行模式时，将微电网***频率控制结构设计为三层分层控制结构具体为：
(1)第一层为基于大电网***的一级控制，针对变化幅度小、周期短的随机性净负荷波动分量，频率在B区域。
(2)第二层为基于蓄电池储能***和柴油发电机组的二级控制，针对变化幅度大、周期长的冲击性净负荷分量，频率在C区域。
(3)第三层为并网模式下风光柴蓄微电网的经济运行，各分布式电源和储能***按照实时调度指令输出有功功率。
进一步的，A区域为49.5Hz≤f≤50.5Hz，BL低频区为48Hz≤f＜49.5Hz，BH高频区为50.5Hz＜f≤51Hz，CL低频区为47.5Hz≤f＜48Hz，CH高频区为51Hz＜f≤51.5Hz，D区为f＞51.5Hz或f＜47.5Hz。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明将先进的分层控制技术应用到微电网频率控制中，根据微电网频率动态特性，将***频率的波动幅度按照一定级别划分为A、B、C和D四个区域，A区域属频率波动正常范围；B区域的***频率稍微超出频率允许波动范围；C区域的***频率严重超出频率允许波动范围；D区代表***频率已超出正常可控范围。本发明充分利用了微电网中蓄电池储能***和柴油发电机组的不同功率调节特性和大电网的惯性特性，分别设计了风光柴蓄微电网离网运行和并网运行两种运行模式下的频率分层控制，对微电网***的频率进行分区分级控制，有效解决了风电、光伏和各种阻感性负荷的频繁投切导致两种运行模式(离网模式和并网模式)下的微电网***频率波动问题，能够有效提高和改善微电网***的频率动态性能，保证了***运行的频率稳定性，较好的满足微电网快速、稳定、高效、灵活的运行控制要求。本发明为微电网的频率控制提供一种新的解决方案和途径，能够有效推动可再生能源分布式发电技术、微电网技术的应用与推广，促进低碳经济发展，也是积极响应我国新能源发展战略的一项新的研究思路和方法。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例微电网***的频率控制分区；
图2是风光柴蓄微电网离/并网模式下的频率分层控制结构；
图3是风光柴蓄微电网离网运行模式下的频率分层控制协调策略；
图4是风光柴蓄微电网并网运行模式下的频率分层控制协调策略；
图5是Matlab/Simulink中搭建的微电网***结构图；
图6是风光柴蓄微电网中负荷需求有功功率、风力发电机组的输出功率与光伏发电***的输出功率；
图7是风光柴蓄微电网中蓄电池储能***、柴油发电机组和大电网的输出功率；
图8是风光柴蓄微电网离/并网模式下的频率分层控制性能图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明作进一步说明：
为了实现上述目的，请参阅图1-图4，本发明一种风光柴蓄微电网离/并网模式下的频率分层控制方法，包括如下步骤：
步骤1：根据微电网的频率动态特性，对频率波动幅度按照一定级别划分为A、B、C和D四个区域，其中，A区域代表***频率偏差在电能质量国家标准要求范围内，B区域代表***频率稍微超出频率允许波动范围，C区域代表***频率严重超出频率允许波动范围，D区代表***频率已超出正常可控范围；
步骤2：微电网***中各分布式电源的控制器实时监控并采集微电网***的频率f值，并判断该值所在的频率控制分区；
步骤3：判断风光柴蓄微电网的运行模式，如是离网运行模式，进行步骤4，如是并网运行模式，则进行步骤10；
步骤4：判断***频率f是否在正常范围内即A区(49.5Hz≤f≤50.5Hz)，若f在A区域，则蓄电池储能***和柴油发电机组不参与调节；若f不在A区域，则进入步骤5；
步骤5：判断f是否在BL低频区(48Hz≤f＜49.5Hz)，若在BL区域，蓄电池储能***通过放电控制来调节***的频率，使频率回到A区，如果蓄电池剩余容量低于蓄电池的最低容量，则需要调节柴油发电机组的有功功率输出，使得***频率恢复；若f不在BL低频区，则进入步骤6；
步骤6：判断f是否在BH高频区(50.5Hz＜f≤51Hz)，若在BH区域，蓄电池储能***通过充电控制来调节***的频率，使频率回到A区，如果蓄电池剩余容量等于蓄电池的最大容量，则需要根据风力发电机组和光伏发电***的优先级和电能质量高低切出部分电源，使得***频率维持在允许波动范围内；若f不在BH高频区，则进入步骤7；
步骤7：判断f是否在CL低频区(47.5Hz≤f＜48Hz)，若在CL区，***有功功率缺额较大，需增加柴油发电机组的有功功率输出，使***频率恢复到额定值，如果柴油发电机组已达到最大技术出力，则根据负荷分级卸载部分可中断负荷；若f不在CL低频区，则进入步骤8；
步骤8：判断f是否在CH高频区(51Hz＜f≤51.5Hz)，若在CH区，需减少柴油发电机组的功率输出，使***频率恢复的额定值，如果柴油发电机组已达到最小技术出力，则需要根据风力发电机组和光伏发电***的优先级和电能质量高低切出部分电源，使得***频率恢复；若f不在CH高频区，则进入步骤9；
步骤9：判断f是否在D区(f＞51.5Hz或f＜47.5Hz)，若在D区，表示微电网***频率超出正常可控范围，***受到了较大的扰动如***故障等问题，应采用相应的故障保护控制技术快速切除故障，恢复***正常运行；若f不在D区，则进入步骤13；
步骤10：判断f是否在B区，如在B区，由大电网自身惯性调节***的频率，使频率回到A区，若f不在B区，则进入步骤11；
步骤11：判断f是否在CL低频区，若在CL区，***有功功率缺额较大，优先让蓄电池放电，如蓄电池容量达到技术最小值，则需增加柴油发电机组的有功功率输出，使***频率恢复到额定值，如果柴油发电机组已达到最大技术出力，则根据负荷分级卸载部分可中断负荷；若f不在CL低频区，则进入步骤12；
步骤12：判断f是否在CH高频区，若在CH区，优先让蓄电池充电，如蓄电池容量达到技术最大值，则需要根据风力发电机组和光伏发电***的优先级和电能质量高低切出部分电源，使得***频率恢复；若f不在CH高频区，则进入步骤9；
步骤13：重复采集***频率f，直到判断f处在A区域，达到恢复***频率质量的目的。
参阅图5，本文在Matlab/Simulink中搭建风光柴蓄微电网仿真模型，仿真结果如图6、图7所示，仿真结果验证了所提频率分层控制方法能够有效提高微电网的频率动态性能，保证了***稳定运行。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种风光柴蓄微电网离/并网模式下的频率分层控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：获取光柴蓄微电网***频率波动特性参数，将***频率的波动幅度按照级别划分为A、B、C和D四个区域，A区域包括低频AL区和高频AH区，B区域包括低频BL区和高频BH，C区域包括低频CL区和高频CH区，D区包括低频DL区和高频DH区；
步骤2：将风光柴蓄微电网***内除风电和光伏出力外的净负荷波动分量分类成三类；
步骤3：判断风光柴蓄微电网***的运行模式为离网运行或并网运行；
步骤4：当风光柴蓄微电网***处于离网运行模式时，将微电网***频率控制结构设计为三层分层控制结构；
步骤5：当风光柴蓄微电网***处于并网运行模式时，将微电网***频率控制结构设计为三层分层控制结构。
2.根据权利要求1所述的风光柴蓄微电网离/并网模式下的频率分层控制方法，其特征在于，所述步骤2中净负荷波动分量分类成三类具体包括；
(1)变化周期为毫秒级的随机波动净负荷分量；
(2)变化周期为秒级的净负荷分量；
(3)变化周期为分钟级或小时级的持续变动净负荷分量。
3.根据权利要求1或2所述的风光柴蓄微电网离/并网模式下的频率分层控制方法，其特征在于，步骤4离网运行模式时，将微电网***频率控制结构设计为三层分层控制结构；具体包括：(1)第一层为基于蓄电池储能***的一级控制，频率在B区域；(2)第二层为基于柴油发电机组的二级控制，即频率为C区域；(3)第三层为基于***级集中控制的微电网中央控制中心的三级控制或经济运行。
4.根据权利要求3所述的风光柴蓄微电网离/并网模式下的频率分层控制方法，其特征在于，所述微电网在离网模式下运行时，当***频率在A区时，***不调节；***频率在B区，属于一级频率控制范围，当***频率在BL低频区时，通过蓄电池放电控制来调节***的频率，使频率回到A区，如果蓄电池剩余容量低于蓄电池的最低容量，则调节柴油发电机组的有功功率输出，使得***频率恢复；当***频率在BH高频区时，通过蓄电池充电控制来调节***的频率，使频率回到A区，如果蓄电池剩余容量等于蓄电池的最大容量，则根据风力发电机组和光伏发电***的优先级和电能质量高低切出部分电源，使得***频率维持在允许波动范围内；***频率在C区，属于二级频率控制范围，当***频率在CL低频区时，增加柴油发电机组的有功功率输出，使***频率恢复到额定值，如果柴油发电机组已达到最大技术出力，则根据负荷优先等级分级卸载部分可中断负荷；当***频率在CH高频区时，减少柴油发电机组的功率输出，使***频率恢复的额定值，如果柴油发电机组已达到最小技术出力，则需要根据风力发电机组和光伏发电***的优先级和电能质量高低切出部分电源，使得***频率恢复；***频率在D区时，采用故障保护控制技术快速切除故障，恢复***正常运行。
5.根据权利要求1或2所述的风光柴蓄微电网离/并网模式下的频率分层控制方法，其特征在于，步骤5并网运行模式时，将微电网***频率控制结构设计为三层分层控制结构具体为：(1)第一层为基于大电网***的一级控制，针对变化幅度小、周期短的随机性净负荷波动分量，频率在B区域；
(2)第二层为基于蓄电池储能***和柴油发电机组的二级控制，针对变化幅度大、周期长的冲击性净负荷分量，频率在C区域；
(3)第三层为并网模式下风光柴蓄微电网的经济运行，各分布式电源和储能***按照实时调度指令输出有功功率。
6.根据权利要求1或2或4所述的风光柴蓄微电网离/并网模式下的频率分层控制方法，其特征在于，A区域为49.5Hz≤f≤50.5Hz，BL低频区为48Hz≤f＜49.5Hz，BH高频区为50.5Hz＜f≤51Hz，CL低频区为47.5Hz≤f＜48Hz，CH高频区为51Hz＜f≤51.5Hz，D区为f＞51.5Hz或f＜47.5Hz。
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