CN106099994B

CN106099994B - 一种适应于偏远地区独立电网的稳定发电***的控制方法

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Publication number: CN106099994B
Application number: CN201610515144.XA
Authority: CN
Inventors: 曾宪瑞
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-07-04
Filing date: 2016-07-04
Publication date: 2017-07-21
Anticipated expiration: 2036-07-04
Also published as: CN106099994A

Abstract

本发明公开一种适应于偏远地区独立电网的稳定发电***的控制方法，包括作为主电源的柴油发电机、用于调节波动频率高、波动幅度大的短期波动的飞轮储能***、做出稳定控制决策的稳定控制器。本发明通过稳控控制器将柴油发电机和飞轮储能***有效集成，形成较为稳定的发电***，能抑制独立电网***内的频繁扰动，减少发电***的故障率，提高偏远地区供电可靠性。

Description

一种适应于偏远地区独立电网的稳定发电***的控制方法

技术领域

本发明属于电力***发电领域，用于解决偏远地区独立电网供电稳定性问题。

背景技术

我国农村面积广大，农村人口占全国总人口的50.32％。电力作为农村重要的基础设施之一，关系到我国农村居民基本生活需求、生活水平提高和经济持续发展，是全面建设小康社会的重要保障措施。我国农村自1923年开始用电以来已有90年的历史，从上世纪60年代的农村电力发展奠基到90年代末启动的三期农村电网改造工程，农村电力发展取得了巨大的成就，农民电力消费有了显著的提高。

然而，许多农村地区由于地理位置偏远，自然环境较恶劣，用电问题至今尚未解决。只有逐步构建覆盖我国农村的电力***，才能缩小城乡居民收入和地区发展水平的差距，保持社会的公平公正、维持社会和谐发展。可见，偏远无电地区电力建设的意义十分重要。

此外，对于远离大陆的偏远小岛，由于最大负荷有限、输送距离较远、岛屿面积狭窄，铺设海缆在技术与经济方面需要付出更大代价，随着国家对海岛开发利用的重视，加上居民生活水平的不断提高，旅游业的兴起，海岛供电问题也亟需解决。

对于偏远地区农村和海岛，由于负荷有限、输送距离过远，供电***在技术与经济方面需要付出更大代价。通常需要围绕可再生能源为核心，开发清洁可靠的独立电网。独立电网中，由于容量较大，以光伏和风电为主的可再生能源出力受到天气条件影响大，出力波动，对***运行有着较大的干扰，导致独立电网可靠性和稳定性较大，影响居民生活水平。

公布号为CN104283308A公开了一种微电网智能中央策略控制***，其对微电网稳定性进行控制，但是，并不能很好的适应偏远地区。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种适应于偏远地区独立电网的稳定发电***的控制方法，包括作为主电源的柴油发电机、用于调节波动频率高、波动幅度大的短期波动的飞轮储能***、做出稳定控制决策的稳定控制器。本发明通过稳控控制器将柴油发电机和飞轮储能***有效集成，形成较为稳定的发电***，能抑制独立电网***内的频繁扰动，减少发电***的故障率，提高偏远地区供电可靠性。

为了实现上述目的，本发明包括按顺序进行的下列步骤：

步骤一，根据偏远地区独立电网的负荷预测结果，配置柴油发电机组容量，并在柴油发电机组母线侧配置一定容量飞轮储能***；

步骤二，计量单元采集柴油发电机组母线电压/频率数据，并通过通信通道传递给稳定控制器；

步骤三，稳定控制器接柴油发电机组母线电压/频率数据，并对其进行纠错和滤波；

步骤四，稳定控制器判断母线电压/频率是否越限，若不越限，则继续重复步骤二至步骤四，否则转入下一步；

步骤五，稳定控制器对母线电压/频率数据进行求导，得到柴油发电机母线电压/频率变化率；

步骤六，若为母线电压越限，则稳定控制器根据母线电压值和变化率，协调飞轮储能无功出力；若为母线频率越限，则稳定控制器根据母线频率值和变化率，协调飞轮储能有功出力。

步骤一中，柴油发电机组的容量P_diesel配置如下式所示：

P_diesel＝(1+K_bp)×P_load

式中，P_load为偏远地区独立电网最大需求负荷预测值，K_bp为旋转备用系数。

飞轮储能***容量，通常按照最大需求负荷预测值的5％～15％配置容量。

步骤三中，对所接收的柴油发电机母线侧电压及***频率数据进行纠错处理时，电压纠错判断主要采用以下判断条件：

式中，U_i为当前接收的柴油发电机母线电压采样值，U_i-1上一时刻接收的柴油发电机母线电压采样值，U_N为柴油发电机组母线电压额定值。

当稳定控制器接收到的母线电压数据U_i满足上式条件中的一项或者多项时，则判断母线电压采样值接收错误，启动数据纠错流程，令U_i＝U_i-1。

频率纠错判断主要采用以下判断条件：

式中，f_i为当前接收的柴油发电机母线频率采样值，f_i-1上一时刻接收的柴油发电机母线频率采样值，f_N为柴油发电机组母线频率额定值，在我国电力***通常取值50Hz。

当稳定控制器接收到的母线频率数据f_i满足上式条件中的一项或者多项时，则判断频率采样值接收错误，启动数据纠错流程，令f_i＝f_i-1。

步骤三中，对所接收的母线电压/频率进行滤波时，采用二阶带通滤波算法，滤波器设计如下式所示：

式中，T_a、T_b、T_c为滤波时间常数，可根据现场需要进行调整。

通过二阶带通滤波算法，能够有效得到电压/频率基波分量，作为稳定控制器的控制策略输入。

步骤四中，电压越限判断依据如如下式所示：

式中，K_uP、K_uL值的确定可依据国家电能质量标准，并考虑偏远地区独立电网的实际情况，适当放宽；U_N为母线额定电压值。

频率越限判断依据如如下式所示：

式中，K_fP、K_fL值的确定可依据国家电能质量标准，并考虑偏远地区独立电网的实际情况，适当放宽；f_N为柴油发电机组母线频率额定值，在我国电力***通常取值50Hz。

步骤六中，若为母线电压越限，则稳定控制器根据母线电压值和变化率，协调飞轮储能无功出力，其出力公式为：

式中，D_u为电压变化率，T_uI为电压环PI控制器积分时间常数，U_i为母线电压值，U_N为母线额定电压值，Q_val为电压环输出无功指令值，T_u为无功功率指令滤波器时间常数，Q为稳定控制器滤波后的输出无功指令，即为飞轮储能***无功出力指令值，Q_cMax为飞轮储能最大可吸无功功率(感性无功功率)，Q_dMax为飞轮储能最大可放无功功率(容性无功功率)。

如上式所示，稳定控制器电压控制，采用PI控制器+反馈闭环控制策略，母线电压与额定值偏差作为PI控制器的输入，通过计算得到***无功功率指令，为了避免***出现无功阶跃，引发***电压冲击，对无功指令值采用一阶滤波器进行滤波，经过滤波器后的无功指令值Q经过稳控控制器下发，对飞轮储能***无功功率的进行控制，来保障独立电网***的电压稳定，同时，为了防止飞轮储能无功指令越限，需要对PI控制器输出的无功指令进行限幅。

步骤六中，若为***频率越限，则稳定控制器根据***频率值和变化率，协调飞轮储能有功出力，其出力公式为：

式中，D_f为频率变化率，T_fI为频率环PI控制器积分时间常数，f_i为***频率值，f_N为***频率额定值，在我国电力***中通常取50Hz，P_val为频率环输出有功指令值，T_f为有功功率指令滤波器时间常数，P为稳定控制器滤波后的输出有功指令，即为飞轮储能***有功出力指令值，P_cMax为飞轮储能最大可吸有功功率(充电)，P_dMax为飞轮储能最大可放有功功率(放电)。

如上式所示，稳定控制器频率控制，采用PI控制器+反馈闭环控制策略，***频率与额定值偏差作为PI控制器的输入，通过计算得到***有功功率指令，为了避免***出现有功阶跃，引发***频率冲击，对有功指令值采用一阶滤波器进行滤波，经过滤波器后的有功指令值P经过稳控控制器下发，对飞轮储能***无功功率的进行控制，来保障独立电网***的频率稳定。同时，为了防止飞轮储能有功指令越限，造成飞轮储能过充过放，需要对PI控制器输出的有功指令进行限幅。

步骤六中，若母线电压和***频率同时越限时，稳控控制器优先进入***频率越限处理流程，协调飞轮储能有功出力；当***频率恢复正常时，若此时无功依然越限，则稳定控制进入母线电压越限处理流程。

附图说明

图1为一种适应于偏远地区独立电网的稳定发电***示意图

图2为稳定控制器母线电压控制算法框图

图3为稳定控制器***频率控制算法框图

具体实施方式

下面结合附图和具体实例，对本发明做进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

本发明所提供的一种适应于偏远地区独立电网的稳定发电***的控制方法中，主要为偏远地区独立电网提供稳定的主电源，以风电和光伏为主的可再生能源可依据电力***接入规范，接入独立电网；本发明所提供的的控制方法中，通过在柴油发电机侧接入飞轮储能，并在稳定控制器的有效控制下，调节飞轮储能的出力，用于平抑因可再生能源出力或者负荷波动引发***频率或者电压的扰动，增大独立电网的稳定裕度，提高独立电网的供电可靠性和电能质量。

本发明提供的一种适应于偏远地区独立电网的稳定发电***的控制方法中，包括按顺序进行的下列步骤：

步骤一中，柴油发电机组的容量P_diesel配置如下式所示：

P_diesel＝(1+K_bp)×P_load

式中，P_load为偏远地区独立电网最大需求负荷预测值，K_bp为旋转备用系数。其中，偏远地区独立电网最大需求负荷预测，可采用以下两种方式进行预测：

1)户均法：通过对独立电网所辖区域内用电负荷的家庭数(户数)进行调查，并按照国家标准中每户家庭用电负荷标准值，考虑负荷同时率，即可得到用电负荷预测值；

2)负荷密度法：根据独立电网所辖区域内土地使用用途进行调研，根据国家标准中不同负荷的负荷密度(kW/公顷)，考虑负荷同时率，即可得到用电负荷预测值。

此外，根据独立电网所辖区域内的资源条件，以及未来规划发展，可对负荷预测结果进行适当调整。

旋转备用系数K_bp的取值，可从两个方面考虑，一是考虑柴油发电机的检修备用、事故备用，当负荷较低时，可退出一台柴油发电机进行检修，或者某台柴油发电机发生故障退出运行时，柴油发电机组的容量裕度，可以继续保证负荷的供电；二是考虑负荷备用，负荷突增时，柴油发电机的容量裕度，能够保证突增后负荷的供电，以及渡过突增过程中的冲击。

飞轮储能***容量，通常按照最大需求负荷预测值的5％～15％以持续30s供电来配置容量。

当前***电压采样值相比上一时刻变化幅度超过额定值的一半，或者当前***电压采样值超过2倍额定值及少于0的值等异常现象出现时，则表明通信数据出现丢失或者出错，稳定控制器不应该动作。

频率纠错判断主要采用以下判断条件：

步骤三中，对所接收的母线电压/***频率数据进行滤波时，采用二阶带通滤波算法，滤波器设计如下式所示：

独立电网***，电能质量指标通常不优，所测量的电压含有较多的谐波成分，通过二阶带通滤波算法，能够有效得到电压/频率基波分量，作为稳定控制器的控制策略输入。

步骤四中，电压越限判断依据如如下式所示：

频率越限判断依据如如下式所示：

步骤六中，若为母线电压越限，则稳定控制器根据母线电压值和变化率，协调飞轮储能无功出力，控制过程采用限幅式PID控制器，并根据电压变化率实现PI控制器中比例增益的自适应调整，其出力公式为：

步骤六中，若为***频率越限，则稳定控制器根据***频率值和变化率，协调飞轮储能有功出力，控制过程采用限幅式PID控制器，并根据频率变化率实现PI控制器中比例增益的自适应调整，其出力公式为：

步骤六中，若母线电压和***频率同时越限时，稳控控制器优先进入***频率越限处理流程，协调飞轮储能有功出力，否则对***电压进行调整时会加剧***有功缺额，导致频率越限问题更严重；当***频率恢复正常时，若此时无功依然越限，则稳定控制进入母线电压越限处理流程。

本发明能够很好的解决偏远地区电网的稳定性，将飞轮储能和柴油机很好的应用于供电***中，通过控制***控制算法的优化，使电网与柴油发电机，储能***无缝对接，保证偏远地区稳定的供电。

Claims

1.一种适应于偏远地区独立电网的稳定发电***的控制方法，包括以下步骤：

步骤六，若为母线电压越限，则稳定控制器根据母线电压值和变化率，协调飞轮储能无功出力；若为母线频率越限，则稳定控制器根据母线频率值和变化率，协调飞轮储能有功出力；

\{\begin{matrix} Q_{v a l} = | \sqrt{1 + D_{u}^{2}} + D_{u} | \cdot (\frac{1}{T_{u I}} &Integral; (U_{i} - U_{N}) \cdot d t + (U_{i} - U_{N})) \\ Q = \frac{1}{1 + T_{u} s} \cdot Q_{v a l} \\ Q_{c M a x} \leq Q \leq Q_{d M a x} \end{matrix}

式中，D_u为电压变化率，T_uI为电压环PI控制器积分时间常数，U_i为母线电压值，U_N为母线额定电压值，Q_val为电压环输出无功指令值，T_u为无功功率指令滤波器时间常数，Q为稳定控制器滤波后的输出无功指令，即为飞轮储能***无功出力指令值，Q_cMax为飞轮储能最大可吸无功功率，即感性无功功率，Q_dMax为飞轮储能最大可放无功功率，即容性无功功率。

2.根据权利要求1所述的一种适应于偏远地区独立电网的稳定发电***的控制方法，其特征在于：所述的步骤一中，柴油发电机组的容量P_diesel配置如下式所示：

P_diesel＝(1+K_bp)×P_load

式中，P_load为偏远地区独立电网最大需求负荷预测值，K_bp为旋转备用系数；

3.根据权利要求1所述的一种适应于偏远地区独立电网的稳定发电***的控制方法，其特征在于：所述的步骤三中，对所接收的柴油发电机母线侧电压及***频率数据进行纠错处理时，电压纠错判断主要采用以下判断条件：

\{\begin{matrix} U_{i} = 0 \cap U_{i - 1} > 0.5 \times U_{N} \\ U_{i} > 2 \times U_{N} \\ U_{i} < 0 \end{matrix}

式中，U_i为当前接收的柴油发电机母线电压采样值，U_i-1上一时刻接收的柴油发电机母线电压采样值，U_N为柴油发电机组母线电压额定值；

当稳定控制器接收到的母线电压数据U_i满足上式条件中的一项或者多项时，则判断母线电压采样值接收错误，启动数据纠错流程，令U_i＝U_i-1；

频率纠错判断主要采用以下判断条件：

\{\begin{matrix} f_{i} = 0 \cap f_{i - 1} > 0.5 \times f_{N} \\ f_{i} > 2 \times f_{N} \\ f_{i} < 0 \end{matrix}

式中，f_i为当前接收的柴油发电机母线频率采样值，f_i-1上一时刻接收的柴油发电机母线频率采样值，f_N为柴油发电机组母线频率额定值，在我国电力***通常取值50Hz；

4.根据权利要求1所述的一种适应于偏远地区独立电网的稳定发电***的控制方法，其特征在于：所述的步骤三中，对所接收的母线电压/***频率进行滤波时，采用二阶带通滤波算法，滤波器设计如下式所示：

\frac{T_{c} s}{s^{2} + T_{a} s + T_{b}}

式中，T_a、T_b、T_c为滤波时间常数，可根据现场需要进行调整；

5.根据权利要求1所述的一种适应于偏远地区独立电网的稳定发电***的控制方法，其特征在于：所述的步骤四中，电压越限判断依据如如下式所示：

\{\begin{matrix} U_{i} > K_{u P} \times U_{N} \\ U_{i} < K_{u L} \times U_{N} \end{matrix}

6.根据权利要求5所述的一种适应于偏远地区独立电网的稳定发电***的控制方法，其特征在于:

频率越限判断依据如下式所示：

\{\begin{matrix} f_{i} > K_{f P} \times f_{N} \\ f_{i} < K_{f L} \times f_{N} \end{matrix}

7.根据权利要求1所述的一种适应于偏远地区独立电网的稳定发电***的控制方法，其特征在于:

根据所述飞轮储能无功出力公式，稳定控制器电压控制采用PI控制器+反馈闭环控制策略，母线电压与额定值偏差作为PI控制器的输入，通过计算得到***无功功率指令，为了避免***出现无功阶跃，引发***电压冲击，对无功指令值采用一阶滤波器进行滤波，经过滤波器后的无功指令值Q经过稳控控制器下发，对飞轮储能***无功功率进行控制，来保障独立电网***的电压稳定，同时，为了防止飞轮储能无功指令越限，需要对PI控制器输出的无功指令进行限幅。

8.根据权利要求1所述的一种适应于偏远地区独立电网的稳定发电***的控制方法，其特征在于：步骤六中，若为***频率越限，则稳定控制器根据***频率值和变化率，协调飞轮储能有功出力，其出力公式为：

\{\begin{matrix} P_{v a l} = | \sqrt{1 + D_{f}^{2}} + D_{f} | \cdot (\frac{1}{T_{f I}} &Integral; (f_{i} - f_{N}) \cdot d t + (f_{i} - f_{N})) \\ P = \frac{1}{1 + T_{f} s} \\ P_{c M a x} \leq P \leq P_{d M a x} \end{matrix}

式中，D_f为频率变化率，T_fI为频率环PI控制器积分时间常数，f_i为***频率值，f_N为***频率额定值，在我国电力***中通常取50Hz，P_val为频率环输出有功指令值，T_f为有功功率指令滤波器时间常数，P为稳定控制器滤波后的输出有功指令，即为飞轮储能***有功出力指令值，P_cMax为飞轮储能最大可吸有功功率，即充电，P_dMax为飞轮储能最大可放有功功率，即放电。

9.根据权利要求8所述的一种适应于偏远地区独立电网的稳定发电***的控制方法，其特征在于：

根据所述飞轮储能有功出力公式，稳定控制器频率控制采用PI控制器+反馈闭环控制策略，***频率与额定值偏差作为PI控制器的输入，通过计算得到***有功功率指令，为了避免***出现有功阶跃，引发***频率冲击，对有功指令值采用一阶滤波器进行滤波，经过滤波器后的有功指令值P经过稳控控制器下发，对飞轮储能***无功功率进行控制，来保障独立电网***的频率稳定；同时，为了防止飞轮储能有功指令越限，造成飞轮储能过充过放，需要对PI控制器输出的有功指令进行限幅。

10.根据权利要求1所述的一种适应于偏远地区独立电网的稳定发电***的控制方法，其特征在于：步骤六中，若母线电压和***频率同时越限时，稳控控制器优先进入***频率越限处理流程，协调飞轮储能有功出力；当***频率恢复正常时，若此时无功依然越限，则稳定控制进入母线电压越限处理流程。