一種微電網自平衡快速減負荷控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種微電網自平衡快速減負荷控制方法。
【背景技術】
[0002] 微電網包括風力發(fā)電、光伏發(fā)電等分布式電源、儲能和負荷。分布式電源的出力具 有間歇性和隨機性，并網情況下，主網可以為微電網提供功率支撐，各分布式電源均可運行 于最大功率跟蹤點；而離網運行時，由于微電網內的功率不平衡和負荷的波動，需要采取一 定的控制措施來保證微電網內部的功率平衡，維持微電網內部的頻率和電壓穩(wěn)定。
[0003] 微電網一般采取分層控制方式，在每個分布式電源出口安裝子控制器，采集分布 式電源出口的輸出功率、頻率及頻率變化率，在并網點處安裝微電網主控制器，通過快速通 信網絡接收子控制器上傳的數(shù)據(jù)。微電網主控制器對上傳和采集的數(shù)據(jù)進行分析和計算 后，對微電網內的功率平衡和頻率穩(wěn)定進行控制。
[0004] 常用的微電網內功率平衡控制措施有減載、切機、發(fā)電機快速改變出力、投切并聯(lián) 電抗器及并聯(lián)電容器等。目前的研宄多集中在減載策略上，主要有低頻減載、按頻率變化率 減載及連鎖切負荷等。
[0005] 低頻減載采用"逐次逼近"的方法估算系統(tǒng)的功率缺額，按照各輪的動作頻率斷開 相應負荷。出現(xiàn)功率缺額時，必須消極地等待頻率下降到動作值以下，為防止誤切還需一定 延時。而微電網的容量小、功率缺額比例大、旋轉慣量小，頻率電壓的下降速度很快，傳統(tǒng)的 低頻減載動作過慢，往往導致微電網頻率崩潰。
[0006] 按頻率變化率（ROCOF)減載則過于靈敏，在系統(tǒng)受到擾動或短路故障時容易誤 動。受系統(tǒng)慣量變化、頻率及ROCOF測量精度的影響，計算的切負荷量有較大的誤差。這些 計算誤差一旦超過微電網薄弱的調節(jié)能力，就會導致頻率持續(xù)下降。
[0007] 聯(lián)鎖切負荷對頻率下降的抑制效果很明顯，但由于發(fā)電出力和負荷的峰谷變化不 一致，使微電網內功率缺額變化較大，容易造成過切或欠切。而且微電網內分布式電源的運 行方式比較靈活，與主網斷開后可能形成"功率過剩型"、"功率缺額型"和"自給自足型"等 不同類型，固定的聯(lián)切負荷量顯然難以適應各種運行方式。

【發(fā)明內容】

[0008] 本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種微電網自平衡快速減負荷控制方法，本方 法在微電網獨立運行且微電網內出現(xiàn)較大擾動時，通過在線計算微電網的等效慣量常數(shù)和 估計微電網的擾動幅度，實施自平衡減負荷來消除微電網內的功率不平衡，同時利用下垂 特性來緩解頻率的快速變化，從而使得微電網快速恢復到穩(wěn)定運行狀態(tài)。
[0009] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：
[0010] 一種微電網自平衡快速減負荷控制方法，包括以下步驟：
[0011] (1)確定微電網的等效慣量常數(shù)，計算微電網的功率差額，對微電網內的擾動幅度 進行估計；
[0012] (2)分別通過儲能系統(tǒng)的頻率響應有功控制和風力渦輪機的下垂控制來減緩頻率 的變化速度；
[0013] (3)利用旋轉動能、負荷調節(jié)效應和分布式電源調節(jié)能力來平衡微電網內的初始 功率缺額，根據(jù)功率差額，計算出需要減載的功率，通過各種功率缺額下對減載時間的要 求，得到無旋轉備用時的系統(tǒng)頻率動態(tài)特性。
[0014] 所述步驟（1)中，確定微電網的等效慣量常數(shù)的方法為：
[0015] 在包含混合新能源發(fā)電的配電網中，慣量常數(shù)H通過以下公式進行定義：
[0016]
【主權項】
1. 一種微電網自平衡快速減負荷控制方法，其特征是：包括以下步驟： (1) 確定微電網的等效慣量常數(shù)，計算微電網的功率差額，對微電網內的擾動幅度進行 估計； (2) 分別通過儲能系統(tǒng)的頻率響應有功控制和風力渦輪機的下垂控制來減緩頻率的變 化速度； (3) 利用旋轉動能、負荷調節(jié)效應和分布式電源調節(jié)能力來平衡微電網內的初始功率 缺額，根據(jù)功率差額，計算出需要減載的功率，通過各種功率缺額下對減載時間的要求，得 到無旋轉備用時的系統(tǒng)頻率動態(tài)特性。
2. 如權利要求1所述的一種微電網自平衡快速減負荷控制方法，其特征是：所述步驟 (1)中，確定微電網的等效慣量常數(shù)的方法為： 在包含混合新能源發(fā)電的配電網中，慣量常數(shù)H通過以下公式進行定義：
但對不同類型的發(fā)電機，慣量常數(shù)的定義是不同的；同步發(fā)電機的Hse
其中，J是轉子的轉動慣量kg · m2, Om是轉子的額定轉速rad/s， 對于定速主動失速風場：
J是每臺風機的轉動慣量，N是投入運行的風機臺數(shù)；Qmi是風機i的運行速度。
3. 如權利要求2所述的一種微電網自平衡快速減負荷控制方法，其特征是：所述步驟 (1)中，當風電場、光伏電站和儲能裝置通過背靠背的電力電子變換器接入系統(tǒng)時，它們對 系統(tǒng)貢獻的等效慣量常數(shù)均為〇,但如果附加了虛擬慣量模擬環(huán)節(jié)的風機、光伏電站和儲能 裝置，則其等效慣量常數(shù)并不為零；此時需要在線估計分布式電源的等效慣量常數(shù)。
4. 如權利要求3所述的一種微電網自平衡快速減負荷控制方法，其特征是：所述步驟 (1)中，通過每一個分布式電源出口安裝的子控制器采集分布式電源出口的功率和頻率變 化率，估計該分布式電源的等效慣量常數(shù)，令計算的數(shù)據(jù)窗長度為 Nl*ts，其中&為采樣點 個數(shù)，ts為采樣間隔；數(shù)據(jù)窗間隔長度取N 2*ts，則估計出的慣量為：
其中，P(i)和
（4為分布式電源出口第i個采樣點的功率和頻率變化率采樣值，&和 N2取值范圍為3-5 ;微電網中的每一次擾動，子控制器都將估計分布式電源的等效慣量常 數(shù)，并將該估計值上傳給微電網主控制器。
5. 如權利要求1所述的一種微電網自平衡快速減負荷控制方法，其特征是：所述步驟 (1)中，微電網內的擾動幅度估計方法為：設每臺發(fā)電機的慣量常數(shù)H i,在發(fā)電機端口測得 頻率變化率$，得到發(fā)電機端口的不平衡功率Λ Pi，即發(fā)電機機械功率Pmi和電磁功率!^之 間的不平衡功率：
其中，fn為電網額定頻率；在具有N臺發(fā)電機的系統(tǒng)中，所有發(fā)電機發(fā)出功率和所有負 荷消耗的功率之間的不平衡功率表示為：
扎。和f\。分別是等效慣量常數(shù)和等效的慣量中心頻率。
6. 如權利要求1所述的一種微電網自平衡快速減負荷控制方法，其特征是：所述步驟 (1) 中，在微電網中，忽略計算系統(tǒng)等效慣量中心的頻率f；。，直接計算微電網并網點母線的 頻率f_s，簡化配電網中的擾動幅度估計為：
其中，心和Hbattey分別為光伏電站和電池的等效慣量常數(shù)。
7. 如權利要求1所述的一種微電網自平衡快速減負荷控制方法，其特征是：所述步驟 (2) 中，儲能系統(tǒng)的頻率響應有功控制，即下垂控制方法為：使用系統(tǒng)頻率作為輸入信號， 當系統(tǒng)頻率變化時，電池動態(tài)的改變功率輸出； 所述步驟（2)中，風力渦輪機的下垂控制方法為：以系統(tǒng)頻率作為輸入信號，當系統(tǒng)頻 率變化時，風力渦輪機的參考力矩隨之動態(tài)變化。
8. 如權利要求1所述的一種微電網自平衡快速減負荷控制方法，其特征是：所述步驟 (3) 中，通過計算系統(tǒng)功率差額，然后計算出需要減載的功率，
其中k為調節(jié)系數(shù)，取值范圍為O?1 ; 其中，微電網的負荷調節(jié)能力Φ : φ = Δ Pg- Δ Pl= -K g Δ fPGe-KL Δ fPLe= -K s Δ fPGe (9) △ f一一微電網穩(wěn)定后的頻率偏差，與一次調頻的調節(jié)范圍有關； Kg一一發(fā)電機的功率一頻率特性系數(shù)； Kl 負荷頻率調節(jié)效應系數(shù)； PGe, PLe一一微電網的額定發(fā)電功率和額定負荷功率。
9. 如權利要求1所述的一種微電網自平衡快速減負荷控制方法，其特征是：所述步驟 (3)中，為減少切負荷量，應充分考慮發(fā)電機調節(jié)能力和負荷調節(jié)效應，盡可能提高的值； 而為使微電網迅速恢復到額定頻率，則需要切負荷量盡量接近功率缺額，即減小的值；當k =1時，系統(tǒng)仍會較長時間停留在低頻狀態(tài)，恢復過程緩慢；k = O時，系統(tǒng)將很快恢復到額 定頻率；根據(jù)發(fā)電機的類型和調速系統(tǒng)響應特性確定合理的調節(jié)系數(shù)k。
10. 如權利要求9所述的一種微電網自平衡快速減負荷控制方法，其特征是：所述步驟 (3)中，為了能及時減掉多余負荷，阻止頻率的持續(xù)下降，需要得到各種功率缺額下對減載 時間的要求；得到無旋轉備用時的系統(tǒng)頻率動態(tài)特性，推導出不同功率缺額時頻率下降到 某一定值的時間，即最大減載時刻一功率缺額（t 一 dP)曲線：
根據(jù)計算出的tmax，確定減載的輪次n，每次減載量為APi:
完成調節(jié)所需時間： T = n*ta< t (14)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種微電網自平衡快速減負荷控制方法，包括以下步驟：確定微電網的等效慣量常數(shù)，計算微電網的功率差額，對微電網內的擾動幅度進行估計；分別通過儲能系統(tǒng)的頻率響應有功控制和風力渦輪機的下垂控制來減緩頻率的變化速度；利用旋轉動能、負荷調節(jié)效應和分布式電源調節(jié)能力來平衡微電網內的初始功率缺額，根據(jù)功率差額，計算出需要減載的功率，通過各種功率缺額下對減載時間的要求，得到無旋轉備用時的系統(tǒng)頻率動態(tài)特性。本發(fā)明在微電網獨立運行且微電網內出現(xiàn)較大擾動時，通過在線計算微電網的等效慣量常數(shù)和估計微電網的擾動幅度，實施自平衡減負荷來消除微電網內的功率不平衡。
【IPC分類】H02J3-24
【公開號】CN104538980
【申請?zhí)枴緾N201510043919
【發(fā)明人】劉知凡, 馬紅偉, 鞠洪新, 毛建容
【申請人】國家電網公司, 許繼集團有限公司, 國網湖北省電力公司, 山東大學
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2015年1月28日