一种多微网系统分层调频控制结构的制作方法

本发明属于微电网运行控制领域，涉及一种多微网系统分层调频控制结构。特别适用于分布式能源规模化并网的多微网系统。

背景技术：

由于能源危机和环境污染问题，分布式发电受到世界各国的重视并获得迅速发展。微电网靠近低压用户侧，是实现分布式能源高效利用的一种有效手段，多个微网互联构成的多微网系统，不仅能发挥微网本身的优势，还是实现分布式能源规模化利用的主要方式，对我国低碳电网建设具有重要的意义。

区别于传统电力系统，微网中的供电单元以分布式能源为主，它们主要通过电力电子设备并网，这就造成系统惯性的下降，而且其间歇性、随机性以及造成的潮流双向流动将使线路阻塞等问题发生的概率提高。此外，微网间是一种分布式结构，每个微网作为一个独立个体可以工作在孤岛和并网两种工作模式，这就使微网在系统中的投切变得更加频繁。目前对于多微网系统调频控制的研究主要沿用传统的三级调频和集中控制方式，三级调频更针对于少量大型发电机组，在调频控制中忽略了高比例分布式能源并网造成的影响；集中控制的中央控制器处理的信息量大，故障影响范围广，灵活性差，而且与多微网间分布式结构不符。尽管有少量文献提出微网间分布式协调的理念，但往往缺乏对分布式能源影响的分析。而对于分布式能源影响的研究，又往往忽略上层微网内及微网间的运行控制。目前还未见文献明确提出适合于多微网系统的分层调频控制结构。

技术实现要素：

为解决现有研究中存在的不足，本发明的目的在于提出一种多微网系统分层调频控制结构，能够有效应对分布式能源规模化并网造成的系统惯性下降、线路阻塞等问题，适应多微网系统中微网并网、孤岛模式的切换，并能充分发挥分布式控制灵活高效的优势，通过分层控制实现微网内和微网间频率调节和功率优化，减小故障问题的影响，避免潜在风险的发生。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：多微网系统分层调频控制结构，包括：惯性响应控制、频率遏制控制、平衡恢复控制、平衡调度控制。

所述的惯性响应控制位于多微网系统四层调频控制结构的最底层，其作用对象是通过电力电子设备并网且具有“隐藏”动能的分布式发电单元，如风力发电等。其控制目的是重建转速和频率间的耦合关系，利用“隐藏”的动能快速进行频率调节，将频率变化率限定在安全范围内，提高系统频率的暂态稳定性，减小电力电子设备及不含惯性响应（如光伏发电）设备大量并入电网造成的系统惯性下降的影响。其实现方式可以模拟同步电机惯性响应特性通过采集系统频率变化率进行反馈控制。结合对分布式能源参与系统调频的研究，其控制时间要求在10s以内。

所述的频率遏制控制位于多微网系统四层调频控制结构的第二层，其作用对象是微电网中能够提供有功备用容量的分布式发电单元、储能单元、柔性负荷。其控制目的与传统一次调频相似，通过调节有功备用容量设备快速、自动实现频率稳定。其实现方式可以模拟同步电机功频特性通过下垂控制实现。结合对分布式能源参与系统调频的研究，其控制时间要求在1min以内。

所述的平衡恢复控制位于多微网系统四层调频控制结构的第三层，它位于微电网内部，是微电网自治运行的核心，其作用对象是所控制微电网内的分布式发电单元、储能单元和负荷。其控制目的有三个：一是将频率遏制控制所产生的频率偏差限定在安全范围内；二是进行微网内有功功率的优化配置；三是消除分布式能源并网可能造成的线路阻塞等潜在风险。由于微网规模较小，其实现方式采用集中控制，由中央控制器根据微网内的备用容量、价格等信息制定控制策略，并将控制指令下达给各分布式发电、储能单元。其控制时间与微网规模相关，一般为30s到15min。

所述的平衡调度控制位于多微网系统四层调频控制的最上层，其作用对象由微网内扩展到整个多微网系统，包括整个控制区域内所有能够提供平衡调度备用容量的设备。其控制目的是通过短期预测进行有功功率调度，保证每个微网内都有充足的有功备用容量，并通过微网间的备用容量取代微网内备用容量实现整个多微网系统的全局优化目标。其实现方式是将每个微网看做一个独立个体，微网间通过分布式控制实现基于市场机制的功率交换，多微网平衡调度控制策略位于各微网内的中央控制器。由于需要微网间信息和指令的交换，其控制时间最长，一般为15min到1h。

由于采用以上技术方案，本发明相比现有技术具有以下有益效果：

1.本发明的多微网系统四层调频控制结构相比于现有三级调频控制增加了惯性响应控制层，能够解决高比例分布式能源并网造成的系统惯性下降问题。

2.本发明的多微网系统四层调频控制结构微网间通过平衡调度控制进行分布式优化，相比于集中控制，控制目标分散到各个微网中，每个微网处理的信息量相比于集中控制大大减轻。

3.本发明的多微网四层调频控制结构各微网仍然保持独立自治的特性，各微网的异步控制提高了系统运行效率，微网内部问题内部解决，当微网内发生故障后将切入孤岛状态以减小对系统的影响，减小了故障影响范围。

4.本发明的多微网四层调频控制结构在控制上，各微网地位平等，无优先级划分，微网间具有松耦合性，有利于外部微网或分布式能源的并入，也有利于多微网系统中微网的切除。

5.本发明的多微网四层调频控制结构具有开放性，各层调频控制均面向多种控制方案。

附图说明

图1为多微网系统分层调频控制结构整体框图；

图2为多微网系统分层调频控制结构控制示意图。

具体实施方式

为更好地了解本发明的技术方案，以下结合附图对本发明的工作原理和实施方式作进一步描述。

如图1所示为多微网系统分层调频控制整体框图，本发明针对规模化分布式能源并网的多微网系统设计的调频控制结构分为惯性响应控制、频率遏制控制、平衡恢复控制和平衡调度控制四层。惯性响应控制和频率遏制控制直接作用于各微网内能够提供备用容量的分布式发电单元和储能单元，其中惯性响应控制通过监测惯性备用容量储备和频率变化率进行控制，通过附加控制重建转速和频率间的耦合关系，将频率变化率限定在安全范围内；频率遏制控制根据系统频率偏差进行调节，通过模拟同步电机功频特性改变分布式发电机组出力，快速实现频率稳定；对于较大的负荷频率扰动，频率遏制控制并不能将频率偏差限定在安全范围内，平衡恢复控制将根据频率偏差和功率参考值总量与负荷需求总量的关系改变微网内分布式发电机组的有功功率参考值，从而限定频率偏差，同时实现微网内有功功率的优化配置；平衡恢复控制只能实现微网内的局部优化，要实现全局优化还需要微网间采用平衡调度控制，正常运行状态下，分布式的平衡调度控制会取代平衡恢复控制重新调整分布式发电机组的功率参考值，实现多微网系统的全局优化。

如图2所示为多微网系统分层调频控制结构的控制示意图。惯性响应控制直接作用于分布式能源，利用分布式能源中存储的动能，通过相应控制策略产生惯性补偿功率，频率遏制控制也直接作用于分布式能源，利用分布式能源的动能和备用容量，通过相应控制策略产生频率补偿功率。和相加构成分布式能源的本地补偿功率，与分布式能源的有功功率参考值相加作为分布式能源的控制信号作用于微源控制器并产生pwm信号来控制电力电子设备改变有功功率输出。由微网内的中央控制器产生，平衡恢复控制和平衡遏制控制的控制策略都位于微网中央控制器，平衡恢复控制只接收微网内的备用容量、价格、微网内频率、线路潮流等信息，通过协调微网内各微源，以调频控制和功率优化配置为目标，通过控制策略产生有功功率参考值；平衡调度控制除了接收微网内备有容量、价格等信息外，还与相邻微网进行通信，获取相邻微网的备用容量、价格、运行状态等信息，并以实现全网优化为目标，通过控制策略产生有功功率参考值，和通过一个状态判断模块选择输出，若微网正常运行，频率偏差不超过限定值，则平衡调度控制工作，并输出；若微网内发生故障，则微网切入孤岛状态运行，平衡恢复控制工作，输出。

所述的四层调频控制结构根据微网内是否有影响系统运行的故障分为故障模式和正常运行模式，此外，每个微网也都有孤岛和并网两种工作状态。微网工作在故障模式时，频率偏差超过限定值，惯性响应控制和频率遏制控制都作用于分布式能源，通过补偿控制产生补偿功率，若频率跌落，则为正，若频率上升，则为负，从而快速实现频率稳定。故障模式下微网从多微网系统中切除以减小对系统的污染，微网内只能依赖平衡恢复控制改变微网内分布式能源的有功功率参考值，将微网内的频率偏差限定在安全范围内，并实现局部功率优化配置，当微网内频率恢复后，也可以重新并入多微网系统。微网工作在正常模式时，频率偏差在安全范围内，即使较小的频率变化率或频率波动也能通过惯性响应控制和频率遏制控制消除，此时平衡恢复控制不工作，微网间通过平衡调度控制协调各微网内的资源，实现全局优化。正常运行状态下，微网也可以切入孤岛状态运行，当微网进入孤岛状态后，原有通过平衡调度控制产生的功率参考值将不再匹配，微网通过平衡恢复控制得到新的功率参考值维持微网频率并进行微网内的功率优化。