专利名称：一种用于微网的频率恢复方法
技术领域：
本发明属于微网技术领域，具体涉及一种微网中因有功缺额而造成频率下降的系
统频率恢复方法。
背景技术：
与大型互联电网相比，微网是一个对控制系统操作响应较慢的低全局惯量系统， 抗扰能力差，系统脆弱。当微网与大电网解列出现孤岛后，由于微网的低惯性，系统频率会 迅速变化。另外，微网的分布式电源本身并不是一个联系紧密的系统，孤岛状态的出现可能 导致电源连续退出，从而恶化系统能量状况。由此，必须研究针对微网的频率下降恢复控制 方法，根据实际工作情况，快速、准确地动作，并且在保证系统稳定性和安全运行频率的前 提下实现切除负荷量最小。 基于近50年来低频减负荷的研究，可将频率恢复控制方案大致分为四类计算机 辅助算法、传统法、半适应法和自适应法。计算机辅助算法需要大规模采集数据信息，且算 法复杂，目前极少使用。传统法、半适应法和自适应法都是采用逐次逼近式的技术，直接根 据母线电压的频率变化调整负荷，为了避免系统振荡以及其他原因造成的频率下降，需要 增加延时，这就明显削弱了快速性；而且逐次逼近的方法在任何功率缺额下都逐轮切除同 样的负荷，不能适应多变的故障情况，从而导致少切和过切除负荷的现象时有发生，频率恢 复曲线也不理想。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于微网的频率恢复方法，该方法可以有效避免了微 网在出现大功率缺额的情况下频率的严重下降，使频率很快恢复到额定值；同时可以减少 过切情况的发生，縮小停电的区域，并提高供电可靠性。 本发明提供的一种用于微网的频率恢复方法，其特征在于，该方法包括下述步 骤 第1步系统运行前，遵循负荷重要性优先原则，将重要性相同的负荷尽量放在一 起，分配给低频减载控制的每路断路器；同时，确定粗调轮和细调轮每轮所切除负荷容量； Pr为粗调轮每轮所切除负荷容量，Pf为细调轮每轮所切除负荷容量<formula>formula see original document page 4</formula>其中，Pu为系统可切除负荷总有功功率，N为能够通过断路器进行负荷投切的总线路 数，n为预先设定的细调轮的轮数；
第2步系统运行时，实时检测以下数据 流过各分布式电源联网开关的功率大小Pg， PG。， PGp…，PGM ;流过各负荷开关的 功率大小PL。， PL"…，PL,，系统在采样时刻t时的频率f (t); 第3步fe为系统额定频率，A t为频率差额，<formula>formula see original document page 4</formula> A t为切除负荷延时， 计算式为1 式①中，Kp为比例常数，K工为积分常数，KD为微分常数，T工为积分周期，tn为低频 减载装置的当前采样时刻； 扰动发生前负荷消耗的总有功功率PL = PL。+PL一…+PL,，扰动发生后独立电力系 统保留运行的发电机所发出的有功功率PG = Pg+PG。+PG一…+PGM，计算出此时系统总的有 功缺额Pq = PL-PG，作为频率调节的依据； 当^〉0且Pq > PLX50X，转入第4步；当^〉0且0 <Pq < PLX50X，转入
第5步；当，《0且Pq # 0时，系统频率上升，进入第8步；当Pq = O，进入第11步； 第4步无延时切除负荷，切除负荷按照粗调轮所对应的负荷的重要性由低至高次 序进行，切除量为Pq純q， Kq为防止过切的保险系数，然后转入第2步。 第5步当+>巧时，转入第6步；当+<巧时，转入第7步，其中，Ff为预先设
定的启动粗调轮与细调轮的区分阈值； 第6步延时A t后切除功率缺额，切除负荷的顺序按照负荷的重要性由低至高进 行，每轮的切除量为一条粗调轮，再转入第2步； 第7步延时A t后切除功率缺额，切除负荷的顺序按照负荷的重要性由低至高进 行，每轮的切除量为一条细调轮，再转入第2步； 第8步当
业必/
<^<0时，进入第9步；当^<，<0时，进入第IO步；当
K <
必/
〈i^时，进入第ll步，其中，Frf和Frs分别预先设定的为频率恢复速度区分的下限
《 &
值和上限值； 第9步延时A^后投入已退出运行、但是重要性最高的负荷，其容量等于一轮细 调轮的容量，八81的计算式为
1 再转入第2步； 第IO步延时A&后投入已退出运行、但是重要性最高的负荷，其容量等于一轮细 调轮的容量，A&的计算式为
〖
紅=
式③中K为大于1的常系数；
再转入第2步； 第11步低频减载装置不动作，循环结束。 本发明解决其技术问题采用的技术方案是微网低频恢复方法，其特征是包括 以下步骤 (1)针对微网解列孤岛化的特点，设计了紧急启动轮以应对大功率缺额导致的频 率急剧下降。 紧急启动轮电力系统因事故而出现严重的有功功率缺额时，当系统频率下降较 大时，将会使汽轮机叶片产生裂纹或断裂，使系统出现"频率崩溃"及"电压崩溃"现象，最 后可能导致系统瓦解。为了有效抑制频率的急剧下降，需要紧急切除负荷，即称之紧急启动 轮。 (2)为了适应不同的功率缺额，低频减载装置每路断路器控制的负荷量应该尽可 能的细化，但实际低频减载装置能够控制的断路器路数有限，出于这两方面的考虑，提出粗 调轮和细调轮的概念，并对其划分原则和各轮切除负荷容量做了定量分析，使得切除负荷 的容量能适应频率的不同变化阶段。 (3)当有功缺额大时，縮小动作间隔以加快切除负荷，当有功缺额小时，加大动作 间隔以等待频率的恢复，这样可以跟踪频率变化，从而提高系统的快速反应能力，充分释放 系统备用容量。 本发明可有效避免了传统方案盲目切除负荷导致过切现象的发生，有效抑制了微 网频率的下降，且能让发电机的备用容量得到充分释放。通过上述方法，有效避免了微网在 出现大功率缺额的情况下频率的严重下降，使频率很快恢复到额定值；同时减少了过切情 况的发生，縮小了停电的区域，提高了供电可靠性。
图l是典型系统结构图； 图2是PID频率闭环控制框图； 图3是重要供电小区仿真模型； 图4是解列后发电机输出有功功率； 图5是解列后0. 3s内母线电压； 图6是解列后系统频率曲线； 图7是第一轮动作后的频率曲线； 图8是第一轮动作后发电机输出的有功功率； 图9是功率缺额很大时的频率控制曲线。
具体实施例方式
首先结合附图，对本发明涉及到的两个概念进行描述 —种典型的系统结构如图1所示大电网1与微网2之间通过并网开关SW连接； 当SW闭合时，微网处于并网运行方式，当SW断开时，微网进入孤岛运行方式；DG。是微网中 容量较大的并网逆变器；D^是微网中起支撑作用的同步发电机；D^至DGM是同步发电机或
6异步发电机，M表示同步和异步发电机的总组数；SW。， SWp . . . ， SWM为DG。， DG" . . . ， DGM的联 网开关；低频减载装置U巳至UFN安装在每个负荷出线上；SW 。， SW」，...，SW N为N个负荷开 关；M、N为正整数。 结合附图2，对本发明中用到的PID闭环控制策略作进一步的描述在系统运行过 程中，对系统频率进行实时测量，得到时间t时的测量值f (t)，通过和系统额定频率f J通 常设定为50Hz)进行比较，得到频率差额Af = (t)，并可进一步很方便的计算得到频
率变化率，在此基础之上，利用下面给出的式(1) 式(3)，可以计算出粗调轮或细调
轮每轮投切除负荷的相应投切延时A t，并最终由低频减载装置动作于断路器，切除或投入 系统中的各轮负荷。 下面对本发明
具体实施方式
作进一步的阐述 第1步系统运行前，遵循负荷重要性优先原则，将重要性相同的负荷尽量放在一 起，分配给低频减载控制的每路断路器。同时，确定粗调轮和细调轮每轮所切除负荷容量。
为了适应不同的功率缺额，低频减载装置每路断路器控制的负荷量应该尽可能的 细化，但实际低频减载装置能够控制的断路器路数有限，出于这两方面的考虑，提出粗调轮 和细调轮的概念。设可切除负荷总有功功率为Pu，能够通过断路器进行负荷投切的总线路 数为N，设细调轮的轮数为n，粗调轮的轮数为N-n+l。细调轮的轮数不宜取得过多，建议1 < n < N/2，N、n为正整数，则定义:Pr = Pu/(N-n+1) ， Pf = Pu/n，其中Pr为粗调轮每轮所切 除负荷容量，Pf为细调轮每轮所切除负荷容量，其单位为瓦。
第2步系统运行时，实时检测以下数据 流过并网开关SW及各分布式电源联网开关SW。， SW"， SWM的功率大小Pg， PG。， PGp， PGM ;流过各负荷开关SW 。， SWj，， SW N的功率大小PL。， PLn， PLN ;当前采样 时刻t时系统的频率f(t); 第3步设fe为系统额定频率(50Hz) ， A f为频率差额fe_f (t) ， A t为切除负荷延 时，计算式为 ^A/ + &f" A,+ ^ I 式(1)中，Kp为比例常数，建议一般取值为0. 3 0. 7，其优先值为0. 5 ;K工为积分 常数，建议一般取值为0. 3 0. 7，其优先值为0. 5 ;KD为微分常数，建议取值1 2. 5 ;T工为 积分周期， 一般取值为0. 02Xn秒，n取整数1至10 ;tn为低频减载装置的当前采样时刻。
扰动发生前负荷消耗的总有功功率PL = PL。+PL一…+PLN，扰动发生后独立电力系 统保留运行的发电机所发出的有功功率PG = Pg+PG。+PG一…+PGM，计算出此时系统总的有 功缺额Pq = PL-PG，作为频率调节的依据。 当，〉0且Pq > PLX50X，转入第4步；当，>0且0 < Pq < PLX50X，转入 第5步；当，《0且Pq # 0时，系统频率上升，进入第8步；当Pq = O，进入第11步；
7
^反映了当前频率下有功缺额的大小，，越大，有功缺额越大，切负荷动作越快。 第4步启动紧急启动轮，无延时切除负荷，切除负荷按照粗调轮所对应的负荷的重要性由低至高次序进行，切除量为Pq純q(其中Kq为防止过切的保险系数，根据备用容量的大小和释放速度取60% 70% )，迅速抑制系统频率的快速下降。转入第2步。
1. 3
第5步设置阀值&作为启动粗调轮与细调轮的标志，当#>巧(Ff建议取值
3)时，转入第6步；当，<巧时，转入第7步。 第6步启用粗调轮以尽快切除功率缺额，切除负荷的顺序分别为重要性最低的粗调轮，每次切除一轮，切除延时为At。转入第2步。 第7步启用细调轮，避免过切并优化频率恢复曲线，切除负荷的顺序分别为重要性最低的细调轮，每次切除一轮，切除延时为At。转入第2步。 第8步在切除部分负荷后的系统频率恢复阶段，设置0、 Frf、 Fre三个阀值对频率的恢复阶段进行跟踪控制。Frf和Fre分别建议取值Frf《-0. 6， F 取-0. 05 -0. 3。当
<< 0时，进入第9步；当C < ， < 0时，进入第10步；当i^ < ， <C进入第
11步。 第9步每次投入已退出运行，但是重要性最高的负荷，其容量等于一轮细调轮的容量，以抑止频率的快速上升，此时投入负荷延时ASl要小一些，表达式为
1
(2) 再转入第2步。 第10步为避免频率恢复过慢甚至频率在较低水平悬停的控制死区，每次投入已退出运行，但是重要性最高的负荷，其容量等于一轮细调轮的容量，此时投入负荷延时A s2要长一些，其表达式为
<formula>formula see original document page 8</formula> 上式中K为大于1的常系数，K的取值与微网的规模、电源和负荷的特性有关，一
般取值范围5 10。 再转入第2步。 第11步低频减载装置不动作，循环结束。
实例 —个典型独立电力系统的仿真模型如图3所示，在一次系统建模中，考虑小区自带发电机G和大电网S并列运行对该小区的负荷供电，其中发电机用电力系统电磁暂态和机电暂态仿真软件EMTDC中的带原动机和励磁机的同步发电机模型模拟，系统用带恒定内阻抗的电势源模拟。按照典型工业负荷构成对负荷进行模拟，将负荷划分为可切除负荷和不可切除负荷两类，可切除负荷占总负荷的60%，所切每轮负荷均按异步电动机和恒定阻抗各占50%容量共同构成。 在对传统方案的仿真中，设置基本轮5轮，备用轮3轮，其启动频率、级差和各轮切除负荷容量按常用方案整定启动频率49Hz，级差0. 3Hz，50X的可切除负荷均分给每个基本轮，另外10%均分给3个备用轮。 在新方案的仿真中，设置粗调轮5轮，细调轮3轮，粗调轮和细调轮的切除负荷容量分别和上述方案中的基本轮和备用轮一致，这样，对比试验将建立在一致性的基础上。细调轮启动频率fl = 49. 2Hz，频率PID闭环控制的各参数取值如下KP = 0. 5， K工=0. 5， KD=2，K = 6。 Ff = 1. 8Hz/s，Frf = _lHz/s，Frs = -0. 15Hz/s。限于篇幅，下面只将功率缺额很大的典型情况下，传统方案和新方案的仿真对比分别给出。 在图3中，t = Is时开关1断开，微网和大电网解列，解列前微网总的有功负荷为
4. 83丽，其中从系统S吸收有功2. 66丽，功率缺额占解列前整个系统功率的55%。 解列后发电机的有功输出如图4所示，从图4可见，如果不加控制，当微网与大电
网解列后的短时间内，发电机的有功输出急剧增加，力图维持功率平衡。由于发电机备用容
量耗尽也无法取得平衡，在5s后，有功输出将急剧下降，对应发电机也将失步，系统崩溃。
测频信号取自图3中的母线，如果将全过程25s的信号呈现在一个图中，将导致图形不具备
可读性，图5所示只给出解列后0. 3s内母线处电压波形。 对母线电压信号进行全程测频，得解列后系统的频率变化如图6所示。从图中可
见，由于不加控制，在解列后若干个周波内，频率实际上已经迅速崩溃了 。 由图7可以看出，传统方案经过第一轮切除负荷动作后，虽然频率下降有所减缓，
但仍很剧烈，而新方案中紧急启动轮的动作有效抑制了频率的急剧下降，伴随后续的各轮
动作，将有望避免系统崩溃这类恶性事故的发生。 新方案紧急启动轮和传统方案第一轮动作后各自系统发电机出力变化分别图8的实线和虚线所示，由图8可以看出，传统方案在功率缺额很大的情况下，切除负荷量严重不足，发电机在很短的时间内被拖垮，而新方案中的紧急启动轮有效切除了有功缺额，避免了严重事故的发生，也为后续动作争取了宝贵时间。 新方案和传统方案的全过程控制效果如图9中的实线和虚线所示，由图9的对比可知，在系统出现巨大功率缺额时，按现有的低频减载方案，频率降到很低的水平，甚至降到47Hz以下。另一方面，传统方案普遍存在过切，频率超调到51Hz以上，这是系统运行所不允许的。而在频率PID闭环控制方案下，系统的有功缺额在事故出现初期通过切紧急启动轮得到有效抑制；频率上升阶段的跟踪控制使得频率超调得到有效控制；频率上升曲线平滑，使得系统备用容量得到充分释放。 以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
9
权利要求
一种用于微网的频率恢复方法，其特征在于，该方法包括下述步骤第1步系统运行前，遵循负荷重要性优先原则，将重要性相同的负荷尽量放在一起，分配给低频减载控制的每路断路器；同时，确定粗调轮和细调轮每轮所切除负荷容量；Pr为粗调轮每轮所切除负荷容量，Pf为细调轮每轮所切除负荷容量，Pr＝PU/(N-n+1)，Pf＝PU/n，其中，PU为系统可切除负荷总有功功率，N为能够通过断路器进行负荷投切的总线路数，n为预先设定的细调轮的轮数；第2步系统运行时，实时检测以下数据流过各分布式电源联网开关的功率大小Pg，PG0，PG1，…，PGM；流过各负荷开关的功率大小PL0，PL1，…，PLN，系统在采样时刻t时的频率f(t)；第3步fe为系统额定频率，Δf为频率差额，Δf＝fe-f(t)，Δt为切除负荷延时，计算式为 <mrow><mi>Δt</mi><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mrow><msub> <mi>K</mi> <mi>P</mi></msub><mi>Δf</mi><mo>+</mo><mfrac> <msub><mi>K</mi><mi>I</mi> </msub> <msub><mi>T</mi><mi>I</mi> </msub></mfrac><msubsup> <mo>∫</mo> <mrow><msub> <mi>t</mi> <mi>n</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mi>T</mi> <mi>I</mi></msub> </mrow> <msub><mi>t</mi><mi>n</mi> </msub></msubsup><mi>Δfdt</mi><mo>+</mo><msub> <mi>K</mi> <mi>D</mi></msub><mfrac> <mi>dΔf</mi> <mi>dt</mi></mfrac> </mrow></mfrac> </mrow>①式①中，Kp为比例常数，KI为积分常数，KD为微分常数，TI为积分周期，tn为低频减载装置的当前采样时刻；扰动发生前负荷消耗的总有功功率PL＝PL0+PL1+…+PLN，扰动发生后独立电力系统保留运行的发电机所发出的有功功率PG＝Pg+PG0+PG1+…+PGM，计算出此时系统总的有功缺额Pq＝PL-PG，作为频率调节的依据；当且Pq≥PL×50％，转入第4步；当且0＜Pq＜PL×50％，转入第5步；当且Pq≠0时，系统频率上升，进入第8步；当Pq＝0，进入第11步；第4步无延时切除负荷，切除负荷按照粗调轮所对应的负荷的重要性由低至高次序进行，切除量为Pq*Kq，Kq为防止过切的保险系数，然后转入第2步。第5步当时，转入第6步；当时，转入第7步，其中，Ff为预先设定的启动粗调轮与细调轮的区分阈值；第6步延时Δt后切除功率缺额，切除负荷的顺序按照负荷的重要性由低至高进行，每轮的切除量为一条粗调轮，再转入第2步；第7步延时Δt后切除功率缺额，切除负荷的顺序按照负荷的重要性由低至高进行，每轮的切除量为一条细调轮，再转入第2步；第8步当时，进入第9步；当时，进入第10步；当时，进入第11步，其中，Frf和Frs分别预先设定的为频率恢复速度区分的下限值和上限值；第9步延时Δs1后投入已退出运行、但是重要性最高的负荷，其容量等于一轮细调轮的容量，Δs1的计算式为 <mrow><mi>Δ</mi><msub> <mi>s</mi> <mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mrow><mo>|</mo><msub> <mi>K</mi> <mi>P</mi></msub><mi>Δf</mi><mo>+</mo><mfrac> <msub><mi>K</mi><mi>I</mi> </msub> <msub><mi>T</mi><mi>I</mi> </msub></mfrac><msubsup> <mo>∫</mo> <mrow><msub> <mi>t</mi> <mi>n</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mi>T</mi> <mi>I</mi></msub> </mrow> <msub><mi>t</mi><mi>n</mi> </msub></msubsup><mi>Δfdt</mi><mo>+</mo><msub> <mi>K</mi> <mi>D</mi></msub><mfrac> <mi>dΔf</mi> <mi>dt</mi></mfrac><mo>|</mo> </mrow></mfrac> </mrow>②再转入第2步；第10步延时Δs2后投入已退出运行、但是重要性最高的负荷，其容量等于一轮细调轮的容量，Δs2的计算式为 <mrow><mi>Δ</mi><msub> <mi>s</mi> <mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac> <mi>K</mi> <mrow><mo>|</mo><msub> <mi>K</mi> <mi>P</mi></msub><mi>Δf</mi><mo>+</mo><mfrac> <msub><mi>K</mi><mi>I</mi> </msub> <msub><mi>T</mi><mi>I</mi> </msub></mfrac><msubsup> <mo>∫</mo> <mrow><msub> <mi>t</mi> <mi>n</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mi>T</mi> <mi>I</mi></msub> </mrow> <msub><mi>t</mi><mi>n</mi> </msub></msubsup><mi>Δfdt</mi><mo>+</mo><msub> <mi>K</mi> <mi>D</mi></msub><mfrac> <mi>dΔf</mi> <mi>dt</mi></mfrac><mo>|</mo> </mrow></mfrac> </mrow>③式③中K为大于1的常系数；再转入第2步；第11步低频减载装置不动作，循环结束。FDA0000020264340000021.tif,FDA0000020264340000022.tif,FDA0000020264340000023.tif,FDA0000020264340000024.tif,FDA0000020264340000025.tif,FDA0000020264340000026.tif,FDA0000020264340000027.tif,FDA0000020264340000028.tif
全文摘要
本发明公开了一种用于微网的频率恢复方法，是一种PID控制思想的电力系统频率紧急控制策略，主要用于提高独立电力系统经历扰动时的稳定运行能力。通过检测系统的有功缺额和系统频率变化，识别微网与大电网解列等严重事故，迅速启动频率控制装置的紧急启动轮，切除相应容量的负荷，以尽快抑制频率的急剧下降。在后续的调节过程中，根据频率不同变化阶段，引入粗调轮和细调轮的概念，在尽快切除有功缺额和尽量细化各轮所切负荷这对矛盾中取得平衡。引入PID闭环控制策略跟踪频率变化，优化频率恢复曲线，并消除频率上升阶段的动作死区。本发明可有效地避免传统方案盲目切除负荷导致过切现象的发生，抑制了微网频率的下降，且能让发电机的备用容量得到充分释放。
文档编号H02J3/38GK101789605SQ20101013465
公开日2010年7月28日 申请日期2010年3月30日 优先权日2010年3月30日
发明者李正天, 林湘宁, 翁汉琍, 薄志谦, 赵志敏, 郑胜 申请人:华中科技大学