CN110350538B - 一种基于主动需求侧响应的微电网协调控制方法 - Google Patents

一种基于主动需求侧响应的微电网协调控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于主动需求侧响应的微电网协调控制方法，该方法包括以下步骤：步骤1：通过改变非关键负载的电压，来控制非关键负载的功率消耗，使非关键负载的功率消耗曲线跟随新能源机组的发电曲线同步变化，以吸收由于新能源发电导致的功率波动；所述非关键负载为能够正常运行于一定量电压波动下的用电设备；步骤2：实时跟踪微电网***的母线电压，通过调整新能源发电机组的无功功率输出来稳定母线电压。本发明可以促进孤岛运行状态下的微电网源网荷储协同优化运行，减少储能装置的容量需求，有效提升微电网的经济性和稳定性。

Description

一种基于主动需求侧响应的微电网协调控制方法
技术领域
本发明涉及微电网技术领域，具体涉及一种基于主动需求侧响应的微电网协调控制方法。
背景技术
分布式新能源发电可有效解决配电网配变容量不足、末端用户电压过低的问题，同时新能源发电由于其可再生和无污染的优点，具有较好的经济性。但是，新能源发电在呈现众多优良特性的同时也给电网的安全稳定运行和电能质量带来极大的挑战，其中典型的问题是新能源发电的不确定性和随机性，该特征可导致电压和频率波动，使电网的电能质量问题呈现更复杂化的趋势。
微电网是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成的小型发配电***，其中储能装置的应用可有效解决分布式新能源并网带来的功率和电压波动问题，提升配电网对新能源的消纳能力。
微电网是构建智慧能源体系和城市能源互联网的关键环节，随着新能源装机容量的提升，微电网亟需具备即插即用和孤岛/并网无缝切换的特性，而储能装置是保证微电网孤岛无缝切换的核心设备，但是由于储能装置价格昂贵导致微电网目前并未有广泛普及。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于主动需求侧响应的微电网协调控制方法，以促进孤岛运行状态下的微电网源网荷储协同优化运行，减少储能装置的容量需求，有效提升微电网的经济性和稳定性。
为达到上述目的，本发明提供了一种基于主动需求侧响应的微电网协调控制方法，其包括以下步骤：
步骤1：通过改变非关键负载的电压，来控制非关键负载的功率消耗，使非关键负载的功率消耗曲线跟随新能源机组的发电曲线同步变化，以吸收由于新能源发电导致的功率波动；所述非关键负载为能够正常运行于一定量电压波动下的用电设备；
步骤2：实时跟踪微电网***的母线电压，通过调整新能源发电机组的无功功率输出来稳定母线电压。
上述的基于主动需求侧响应的微电网协调控制方法，其中，步骤1通过与所述非关键负载串联的智能负载控制器实现；所述智能负载控制器为基于电流控制的电压源型逆变器。
上述的基于主动需求侧响应的微电网协调控制方法，其中，所述智能负载控制器的控制***包括相位控制回路和幅值控制回路；
在相位控制回路中，智能负载控制器通过锁相环来锁定智能负载电流I0的相位角，然后以I0的相位角为基准，通过相位角计算器输出智能负载控制器电压VSL的相位角，使VSL与I0保持90度的相位差；
在幅值控制回路中，智能负载控制器首先计算母线电流IS的有效值并对其进行求导，然后将求导结果进行第一次判定，若求导结果大于0，则控制VSL的相位角滞后I0相位角90度；若求导结果小于0，则控制VSL的相位角超前I0相位角90度；经过一次判定后，IS的求导结果将进行第二次判定，二次判定的控制信号为非关键负载电压V0，若V0的有效值在允许的范围内，则继续输出IS的求导结果，若V0的有效值超过了允许的偏差范围，则输出0；二次判定器的输出信号最终经过比例积分控制器的计算最终输出VSL的幅值；最后VSL的相位角信号和幅值信号经过合成，输入智能负载控制器的逆变装置中，实现VSL的物理输出。
上述的基于主动需求侧响应的微电网协调控制方法，其中，步骤2通过安装于新能源机组输出端的智能逆变器实现。
上述的基于主动需求侧响应的微电网协调控制方法，其中，在所述智能逆变器的控制***中，首先通过派克变换将新能源机组支路电流IR分解为有功分量IRd和无功分量IRq；然后通过有功功率控制和无功功率控制计算IRd和IRq的参考值，其中有功功率控制的输入信号为智能逆变器直流电容的电压信号VDC，随后通过计算VDC与其额定参考值VDC_REF的差值得到逆变器直流端电压的偏差量，对该偏差量进行比例积分计算得到新能源机组支路电流IR的有功分量参考值Id_ref；无功功率控制的输入信号为母线电压VS,随后通过计算VS与其额定参考值VS_REF的差值得到母线电压的偏差量，对该偏差量进行比例积分计算得到新能源机组支路电流IR的无功分量参考值Iq_ref；最后计算IRd、IRq和Id_ref、Iq_ref的差值，并将差值输入比例积分计算器得到智能逆变器的控制信号，最终实现智能逆变器的电流输出。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明所提供的综合控制方法可充分利用非关键负载的调节能力，通过利用部分非关键负载吸收新能源机组的输出波动，降低微电网对大容量储能装置的依赖，虽然使用该控制方法会对微电网的电压稳定性造成一定影响，但是通过安装智能逆变器调动新能源机组的无功资源可将电压扰动控制在合理的范围内，对微电网和内部设备的安全稳定运行并无负面影响。
附图说明
图1为微电网结构图；
图2为简化智能负载电路图；
图3为微电网***架构图；
图4为微电网***潮流图；
图5为智能逆变器拓扑结构图；
图6为智能负载控制器简单控制流程；
图7为新能源机组智能逆变器控制流程图；
图8为储能装置实时功率曲线；
图9为储能装置实时电量曲线；
图10为微电网电源功率曲线；
图11为非关键负载功率消耗曲线；
图12为关键负载电压曲线；
图13为非关键负载电压曲线。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。
本发明提出的微电网的控制方法将包含两个关键控制装置，分别是用于新能源发电机组的智能逆变器和用于负载侧的智能负载控制器，具体***结构如图1所示。
1.1智能负载控制器
智能负载控制器是主动型需求侧响应控制方法的核心部件，在图1所示的微电网***中，所有的负载被分为关键负载和非关键负载，其中，关键负载是需要稳定电压供应的用电设备，非关键负载是可以正常运行于一定量电压波动下的用电设备，包括空调、电冰箱、锅炉、冰箱等。智能负载控制器是一个基于受电流控制的电压源型逆变器，该逆变器的滤波电容与非关键负载直接串联构成新型智能负载结构。智能负载控制器的基本工作原理是通过改变滤波电容器两端的电压，发出或吸收无功功率来改变非关键负载的电压，以实现对非关键负载功率消耗进行动态调节，使非关键负载的功率曲线跟随新能源机组的发电曲线同步变化，吸收由于新能源发电导致的功率波动，最终达到降低储能装置容量需求的目的。
包含智能负载控制器的简化电路如图2所示，该电路包含一个电源、一个简化为电压源的智能负载控制器、一个非关键负载、以及一个关键负载，假设所有负载均为纯电阻负载。
图2电路的电压向量公式为：
Figure GDA0002764498820000041
其中，
Figure GDA0002764498820000042
是电源电压，
Figure GDA0002764498820000043
是非关键负载电压，
Figure GDA0002764498820000044
是智能负载控制器的输出电压。
该电路的功率平衡公式可表达为：
Figure GDA0002764498820000045
其中，Pin是电源的输入功率，R1和R2分别是非关键负载和关键负载的电阻值，P1和P2分别是非关键负载和关键负载的功率消耗。
通过公式(2)可得出，当智能负载控制器运行时(即VSL≥0)，可以通过改变自身输出电压的大小来控制非关键负载的功率消耗。接下来将智能负载控制器应用于一个微电网***中，该微电网***包含一台常规发电机组、一台新能源发电机组、一套储能装置、一套由智能负载控制器和非关键负载组成的智能负载、以及一套关键负载，微电网***构架如图3所示，潮流如图4所示。
图4中微电网***的功率平衡公式为：
PG+PR+PS＝P1+P2 (3)
其中，PG是常规机组的输出功率，PR是新能源机组的输出功率，P1是智能负载的功率消耗，P2是关键负载的功率消耗，PS是储能装置的输出功率，当PS大于0时代表储能装置在放电，当PS小于0时代表储能装置在充电。
将公式(3)重新排列，以储能装置的输出功率PS为目标值可得到公式(4)：
PS＝-PG-PR+P1+P2 (4)
假设当智能负载控制器关闭时，智能负载的功率消耗是
Figure GDA0002764498820000051
当智能负载控制器启动运行时，智能负载的功率消耗是
Figure GDA0002764498820000052
则在同等时间段T内，这两种情况下储能装置的容量需求分别为：
Figure GDA0002764498820000053
Figure GDA0002764498820000054
其中，
Figure GDA0002764498820000055
是智能负载控制器关闭的情况下储能装置的容量需求，
Figure GDA0002764498820000056
是智能负载控制器开启运行情况下储能装置的容量需求。
利用公式(5)和公式(6)，不难得出这两种情况下储能装置容量需求的差值为：
Figure GDA0002764498820000057
由于非关键负载是纯电阻线性负载，因此结合图2和公式(2)不难发现，当智能负载控制器关闭时，非关键负载的电压V0等于电源电压VS,当智能负载控制器启动运行时，非关键负载的电压V0等于
Figure GDA0002764498820000058
同时，因为智能负载控制器本身仅输出无功功率，所以只能负载的有功功率消耗完全等于非关键负载的有功功率消耗，则在两种不同工况下，智能负载的功率消耗分别为：
Figure GDA0002764498820000059
Figure GDA00027644988200000510
通过比较公式(8)和公式(9)不难得出：
Figure GDA0002764498820000061
因此，结合公式(7)和公式(10)可以进一步得到：
Figure GDA0002764498820000062
公式(11)论证了，随着智能负载控制器的启动运行，可以降低微电网***中储能装置的容量需求，进而提升了微电网***的经济性。
1.2智能逆变器
在图1所示包含智能负载的微电网***中，不仅新能源机组输出功率的不稳定性和间歇性将导致母线电压的波动，智能负载控制器输出的无功功率也将极大影响母线电压的稳定，对***内的关键负载的运行造成不利影响。针对电压稳定问题，本发明提出了一种安装于新能源机组输出端的智能逆变器，该智能逆变器可实时跟踪微电网***的母线电压，通过调整新能源发电机组的无功功率输出实现对母线电压的控制。
智能逆变器的拓扑结构如图5所示，其充分利用了新能源机组的无功输出能力，通过动态的无功补偿来稳定母线电压。
2.控制策略
本控制方法主要通过智能负载控制器和智能逆变器的协调控制，实现减少储能装置容量需求的目的。
2.1智能负载控制器
智能负载控制器可看作一个受控电压源，其控制流程如图6所示。它的控制目标是与其串联的非关键负载电压，工作原理是通过改变非关键负载的电压，来控制非关键负载的功率消耗，使非关键负载的功率消耗曲线跟随新能源发电机组的输出功率曲线变化，最终达到降低储能装置容量需求的目的。
智能负载控制器的控制***分为两条控制回路，分别是相位控制回路和幅值控制回路。在相位控制回路中，控制器通过锁相环来锁定智能负载电流I0的相位角，然后以I0的相位角为基准，通过相位角计算器输出智能负载控制器电压VSL的相位角，使VSL与I0保持90度的相位差。在幅值控制回路中，控制器首先计算母线电流IS的有效值并对其进行求导，然后将求导结果进行第一次判定，若求导结果大于0，则说明新能源机组输出功率增加，此时控制VSL的相位角滞后I0相位角90度，控制器呈容性，可以提升非关键负载电压V0进而增加非关键负载的功率消耗，若求导结果小于0，则说明新能源机组输出功率减少，此时控制VSL的相位角超前I0相位角90度，控制器呈感性，可以降低非关键负载电压V0进而减少非关键负载的功率消耗；经过一次判定后，IS的求导结果将输入二次判定***，二次判定的控制信号为非关键负载电压V0，若V0的有效值在允许的范围内(一般非关键负载电压偏差范围0.8p.u.≤V0≤1.2p.u.)，则二次判定器继续输出IS的求导结果，若V0的有效值超过了允许的偏差范围，则二次判定器输出0；二次判定器的输出信号最终会输入比例积分(PI)控制器，经过比例积分控制器的计算最终输出VSL的幅值；最后VSL的相位角信号和幅值信号经过合成，输入智能负载控制器的逆变装置中，实现VSL的物理输出。
2.2智能逆变器
新能源发电机组的智能逆变器的简单控制流程如图7所示，智能逆变器可以实时跟踪母线电压值，通过动态无功补偿提升母线电压的稳定性。
在智能逆变器的控制***中，首先通过派克变换将新能源机组支路电流IR分解为有功分量IRd和无功分量IRq。然后通过有功功率控制和无功功率控制计算IRd和IRq的参考值，其中有功功率控制的输入信号为智能逆变器直流电容的电压信号VDC，随后通过计算VDC与其额定参考值VDC_REF的差值得到逆变器直流端电压的偏差量，对该偏差量进行比例积分计算得到新能源机组支路电流IR的有功分量参考值Id_ref；无功功率控制的输入信号为母线电压VS,随后通过计算VS与其额定参考值VS_REF的差值得到母线电压的偏差量，对该偏差量进行比例积分计算得到新能源机组支路电流IR的无功分量参考值Iq_ref。最后计算IRd、IRq和Id_ref、Iq_ref的差值，并将差值输入比例积分计算器得到智能逆变器的控制信号，最终实现智能逆变器的电流输出。
3.具体实施方式
一个简化的微电网***将用来验证本发明提出的综合协调控制策略，微电网***结构与图1一致，本实验的所有数据和结果均通过MATLAB里的Simulink仿真平台获得。其中智能负载控制器和新能源机组的智能逆变器分别用于负载功率控制和母线电压控制。该***母线电压的额定值为220V，在用电侧，该***的负载包括关键负载和非关键负载，两类负载的额定功率都是4kW，功率因数为0.97，智能负载控制器与非关键负载直接串联构成了一套可主动响应的智能负载***；在供电测，该***的电源由一台7kVA的传统发电机和一台3kVA的新能源机组构成，其中新能源机组包含一套智能逆变器，一个理想的储能装置模型并联在母线上，可用于进行充电和放电以维持孤岛微电网的功率平衡。
实验结果如图8至图13所示，在测试过程中，智能负载控制器通过控制非关键负载的消耗实现降低储能装置容量需求的目的，智能逆变器则可以通过控制新能源机组的无功功率输出，稳定微电网的母线电压。为了验证本发明控制方法的作用，实验结果包含了使用和未使用综合控制方法两种情况，其中蓝色曲线代表使用综合控制方法情况下的实验结果，绿色曲线代表未使用综合控制方法情况下的实验结果。
通过比较图8和图9可以看出，当微电网使用综合控制方法时，储能装置的充放电功率和实时电量都更低，这是因为智能负载控制器的动态无功功率补偿功能，改变了非关键负载的电压，进而使非关键负载的功率消耗跟随供电曲线呈相同趋势变化，利用非关键负载吸收新能源机组导致的功率扰动，减小了储能装置的实时充放电量，相当于直接减小了对储能装置的容量需求。
通过观察图10和图11，不难发现在图10中，由于新能源机组出力的不稳定性，微电网的电源的供电功率具有较强的波动性，但是在使用了综合控制法后，如在图11中所示，非关键负载的功率消耗跟随电源的功率输出同步变化，进一步印证了图8中储能装置充放电功率降低的原因。
在图12和图13对比了两种测试情况下关键负载和非关键负载的电压质量，图12比较了关键负载的电压，由于关键负载直接并联于微电网母线上，因此关键负载电压等于微电网母线电压，当使用综合控制方法时，关键负载的电压波动明显大于高于未使用综合控制方法的情况，这是因为智能负载控制器的动态无功输出仅用于控制非关键负载的功率消耗，因此有可能进一步放大由新能源机组带来的电压波动，但是智能逆变器会针对此波动进行无功补偿，平抑由于智能逆变器的运行带来的电压波动，最终使关键负载的电压控制在±5％的允许范围内；在图13中，不难发现当使用综合控制方法后，非关键负载的电压波动远高于未使用综合控制方法的情况，因为智能负载控制器通过改变非关键负载的电压实现对非关键负载功率消耗的控制，进而吸收新能源机组出力带来的功率波动，降低储能装置的充放电功率。
综上所述，本发明所提出的一种基于主动需求侧响应的微电网协调控制方法，充分挖掘了电力需求侧的可用资源，在用户侧对电能质量问题进行就地治理，推动基于用户负载或分布式电源主动响应技术的调压手段应用，在不同层面对电压问题进行协调治理，降低微电网对储能装置容量的需求，提升了微电网***的稳定性和经济性。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (3)

1.一种基于主动需求侧响应的微电网协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：通过改变非关键负载的电压，来控制非关键负载的功率消耗，使非关键负载的功率消耗曲线跟随新能源机组的发电曲线同步变化，以吸收由于新能源发电导致的功率波动；所述非关键负载为能够正常运行于一定量电压波动下的用电设备；
步骤2：实时跟踪微电网***的母线电压，通过调整新能源发电机组的无功功率输出来稳定母线电压；
步骤1通过与所述非关键负载串联的智能负载控制器实现；所述智能负载控制器为基于电流控制的电压源型逆变器；
所述智能负载控制器的控制***包括相位控制回路和幅值控制回路；
在相位控制回路中，智能负载控制器通过锁相环来锁定智能负载电流I0的相位角，然后以I0的相位角为基准，通过相位角计算器输出智能负载控制器电压VSL的相位角，使VSL与I0保持90度的相位差；
在幅值控制回路中，智能负载控制器首先计算母线电流IS的有效值并对其进行求导，然后将求导结果进行第一次判定，若求导结果大于0，则控制VSL的相位角滞后I0相位角90度；若求导结果小于0，则控制VSL的相位角超前I0相位角90度；经过一次判定后，IS的求导结果将进行第二次判定，二次判定的控制信号为非关键负载电压V0，若V0的有效值在允许的范围内，则继续输出IS的求导结果，若V0的有效值超过了允许的偏差范围，则输出0；二次判定器的输出信号最终经过比例积分控制器的计算最终输出VSL的幅值；最后VSL的相位角信号和幅值信号经过合成，输入智能负载控制器的逆变装置中，实现VSL的物理输出。
2.如权利要求1所述的基于主动需求侧响应的微电网协调控制方法，其特征在于，步骤2通过安装于新能源机组输出端的智能逆变器实现。
3.如权利要求2所述的基于主动需求侧响应的微电网协调控制方法，其特征在于，在所述智能逆变器的控制***中，首先通过派克变换将新能源机组支路电流IR分解为有功分量IRd和无功分量IRq；然后通过有功功率控制和无功功率控制计算IRd和IRq的参考值，其中有功功率控制的输入信号为智能逆变器直流电容的电压信号VDC，随后通过计算VDC与其额定参考值VDC_REF的差值得到逆变器直流端电压的偏差量，对该逆变器直流端电压的偏差量进行比例积分计算得到新能源机组支路电流IR的有功分量参考值Id_ref；无功功率控制的输入信号为母线电压VS,随后通过计算VS与其额定参考值VS_REF的差值得到母线电压的偏差量，对该母线电压的偏差量进行比例积分计算得到新能源机组支路电流IR的无功分量参考值Iq_ref；最后计算IRd、IRq和Id_ref、Iq_ref的差值，并将差值输入比例积分计算器得到智能逆变器的控制信号，最终实现智能逆变器的电流输出。
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