一种微电网系统及其分层控制系统的制作方法
本发明涉及微电网控制技术领域，特别涉及一种微电网系统及其分层控制系统。
背景技术
目前，对于微电网中微源的控制方式主要有恒压恒频模式(v/f模式)，恒功率模式(p/q模式)，以及下垂控制模式。
其中，微电网处于孤岛运行状态时，通过恒压恒频模式控制，使微源以恒压恒频维持微电网系统的电压和频率；而当微电网处于并网运行模式时，系统电压靠大主电网支撑，通过恒功率模式控制，使微源按照恒定的功率输出；下垂控制模式是通过调节分布式微源的电压幅值和频率改变微源的有功和无功出力变化。
下垂控制理论由于能响应负荷的增减变化来改变自身的有功输出而备受研究，并且因其能够实现底层微源逆变器、变流器之间的电压和电流分配的内部调整，很多微电网系统采用这种控制方法。但是，单纯的通过下垂控制完成对每个分布式微源的有功和无功调节，会对输出电压的幅值和频率造成影响，导致电能质量的降低。
技术实现要素：
本发明提供一种微电网系统及其分层控制系统，以解决现有技术中电能质量低的问题。
为实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：
一种微电网系统的分层控制系统，包括：多个初级下垂控制器、多个次级微源控制器及多个三级协调控制器；其中：
所述初级下垂控制器用于基于下垂控制理论，实现对于相应分布式微源能量转换装置输出功率的分配；
所述次级微源控制器用于对下垂控制引入的相应分布式微源能量转换装置输出电压的频率和幅值的波动进行补偿；
所述三级协调控制器用于根据主电网并网点电压通过pi闭环反馈调节控制，调节相应子微网并网点的母线电压。
优选的，所述初级下垂控制器用于基于下垂控制理论，实现对于相应分布式微源能量转换装置输出功率的分配时，具体用于：
通过下垂控制计算，生成内部电压电流环的闭环指令，以通过对各个能量转换装置输出电压的频率和幅值的调节，实现对于各能量转换装置接口的分布式微源输出的有功功率和无功功率分配。
优选的，所述下垂控制计算所采用的公式为：
ω＝ω*-gp(s)(p-p*)；
e＝e*-gq(s)(q-q*)；
其中，ω为能量转换装置输出电压的频率设定值，e为能量转换装置输出电压的幅值设定值，ω*为能量转换装置输出电压的频率参考值，e*为能量转换装置输出电压的幅值参考值，gp(s)为频率的下垂转换系数，gq(s)为幅值的下垂转换系数，p为能量转换装置接口的分布式微源输出的有功功率实际值，q为能量转换装置接口的分布式微源输出的无功功率实际值，p*为能量转换装置接口的分布式微源输出的有功功率参考值，q*为能量转换装置接口的分布式微源输出的无功功率参考值。
优选的，所述次级微源控制器用于对下垂控制引入的相应分布式微源能量转换装置输出电压的频率和幅值的波动进行补偿时，具体用于：
监测相应分布式微源输出电压的频率和幅值；
将相应分布式微源输出电压的频率与各自对应的子微网电压频率参考值进行比较和计算，得到次级频率误差；并将相应分布式微源输出电压的幅值和与各自对应的子微网电压幅值参考值进行比较和计算，得到次级幅值误差；所述子微网电压频率参考值为相应子微网并网点母线电压的频率；所述子微网电压幅值参考值为相应子微网并网点母线电压的幅值；
将次级频率误差和次级幅值误差传送到相应分布式微源的本地控制器中进行pi闭环反馈控制，使相应分布式微源输出电压的频率和幅值重新回到稳定值。
优选的，得到次级频率误差和次级幅值误差所采用的公式为：
其中，δω为次级频率误差，δe为次级幅值误差，ωsmg为分布式微源输出电压的频率实际值，esmg为分布式微源输出电压的幅值实际值，
优选的，所述三级协调控制器用于根据主电网并网点电压通过pi闭环反馈调节控制，调节相应子微网并网点的母线电压时，具体用于：
监测主电网并网点电压的幅值、频率以及相位；
将相应子微网并网点母线电压的频率与主电网并网点电压的频率进行比较和计算，得到三级频率误差；并将相应子微网并网点母线电压的幅值和与主电网并网点电压的幅值进行比较和计算，得到三级幅值误差；
对三级频率误差和三级幅值误差进行pi闭环反馈控制，使相应子微网并网点的母线电压与主电网并网点电压相同。
优选的，得到三级频率误差和三级幅值误差所采用的公式为：
其中，δω为三级频率误差，δe为三级幅值误差，ωmg为子微网并网点母线电压的频率实际值，emg为子微网并网点母线电压的幅值实际值，
优选的，所述三级协调控制器还用于实现多个子微网之间的信息共享。
优选的，还包括：
四级优化控制器，用于提高微电网系统的经济低碳性和维持供需平衡。
优选的，所述四级优化控制器用于提高微电网系统的经济低碳性和维持供需平衡时，具体用于：
以燃料价格数据、主电网电价、静态数据和特性、负荷预测、发电预测、初始状态及优化目标为输入，以优化单元机组出力、优化单元静态计划、碳排放计划、成本计划、能量储存释放计划及分布式微源出力计划为输出，建立经济低碳运行模型；
根据所述经济低碳运行模型及实际需求获取优化目标。
优选的，所述经济低碳运行模型的计算公式为：
min[α∑cost+(1-α)∑emissions]；
其中，cost为经济成本，emissions为碳排放量，a为对于经济成本和碳排放量的实际需求权重值。
优选的，当所述优化目标为经济运行的最佳点时，所述四级优化控制器根据公式
其中，δω为四级频率误差，δe为四级幅值误差，pmg为主电网并网点的有功功率实际值，qmg为主电网并网点的无功功率实际值，
一种微电网系统，包括：多个子微网和如上述任一所述的微电网系统的分层控制系统。
优选的，还包括：至少一个设置于电网与相应子微网并网点之间的变压器；
多个输出电压相同的子微网，共用一个三级协调控制器，并且通过同一子微网并网点接入电网或者相应变压器。
优选的，当所述微电网系统的分层控制系统包括四级优化控制器时，所述四级优化控制器通过光纤环网实现与各个三级协调控制器、微网主站、通讯服务器及实时服务器之间的通讯。
本发明提供的微电网系统的分层控制系统，在初级下垂控制器基于下垂控制理论，实现对于相应分布式微源能量转换装置输出功率的分配之后，通过次级微源控制器对下垂控制引入的相应分布式微源能量转换装置输出电压的频率和幅值的波动进行补偿，再由三级协调控制器根据主电网并网点电压通过pi闭环反馈调节控制，调节相应子微网并网点的母线电压；进而实现了对于下垂控制所带来的电压幅值和频率波动的修复，改善了微网的电能质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术内的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述内的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的微电网系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的微电网系统的四层控制框图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本发明提供一种微电网系统的分层控制系统，以解决现有技术中电能质量低的问题。
参见图1，该微电网系统中包括多个子微网，各个子微网通过相应的子微网并网点(如图1中所示的pcca、pccb及pccc)接入电网或者相应的变压器；每个子微网中均包括：分布式微源(光伏组件、风力发电装置、储能系统等)及其能量转换装置(逆变器101、变流器、整流器等)；
该微电网系统的分层控制系统，包括图1中所示的：多个初级下垂控制器、多个次级微源控制器102及多个三级协调控制器103；其中：
初级下垂控制器用于基于下垂控制理论，实现对于相应分布式微源能量转换装置输出功率的分配；
具体的，分布式微源能量转换装置进行并联时，就会出现循环有功和无功功率，初级控制是基于下垂控制方法进行计算，完成内部电压电流环的闭环指令，以通过对各个能量转换装置输出电压的频率和幅值的调节，实现对于各能量转换装置接口的分布式微源输出的有功功率和无功功率分配。
通过下垂控制方法进行计算时所采用的公式为：
ω＝ω*-gp(s)(p-p*)；
e＝e*-gq(s)(q-q*)；
其中，ω为能量转换装置输出电压的频率设定值，e为能量转换装置输出电压的幅值设定值，ω*为能量转换装置输出电压的频率参考值，e*为能量转换装置输出电压的幅值参考值，gp(s)为频率的下垂转换系数，gq(s)为幅值的下垂转换系数，p为能量转换装置接口的分布式微源输出的有功功率实际值，q为能量转换装置接口的分布式微源输出的无功功率实际值，p*为能量转换装置接口的分布式微源输出的有功功率参考值，q*为能量转换装置接口的分布式微源输出的无功功率参考值。
实际应用中，该初级下垂控制器可以为相应分布式微源能量转换装置(比如图1中的逆变器101或者变流器)内部的控制器，此处不做具体限定；当然，也可以为额外设置的控制器，视其应用环境而定，均在本申请的保护范围内。
初级下垂控制通过对频率和幅值的调节完成了对分布式微源能量转换装置输出功率的分配，能够更好的响应负荷突变造成的有功无功需求不均等现象，但是由于能量转换装置、变流器等输出的有功无功变化，会间接造成输出电压幅值和频率的波动，因此，为了使频率和幅值重新回到额定值，还需要次级微源控制器102对下垂控制引入的相应分布式微源能量转换装置输出电压的频率和幅值的波动进行补偿。
具体的，在本层控制中，次级微源控制器102监测微电网中相应分布式能源输出电压的频率和幅值，得到分布式微源输出电压的频率实际值ωsmg以及幅值实际值esmg；然后将相应分布式微源输出电压的频率与各自对应的子微网电压频率参考值进行比较和计算，得到次级频率误差；并将相应分布式微源输出电压的幅值和与各自对应的子微网电压幅值参考值进行比较和计算，得到次级幅值误差；其中，子微网电压频率参考值为相应子微网并网点(如图1中所示的pcca、pccb或者pccc)母线电压的频率，子微网电压幅值参考值为相应子微网并网点母线电压的幅值；最后，将次级频率误差和次级幅值误差传送到相应分布式微源的本地控制器中进行pi闭环反馈控制，使相应分布式微源输出电压的频率和幅值重新回到稳定值，为下一步的三级协调控制做好铺垫；具体的，得到次级频率误差和次级幅值误差所采用的公式为：
其中，δω为次级频率误差，δe为次级幅值误差，ωsmg为分布式微源输出电压的频率实际值，esmg为分布式微源输出电压的幅值实际值，
考虑到主电网的紧急状态，次级微源控制应该在允许的范围内对频率偏差进行修正，在我国，频率偏差在±0.5hz。在这种情况下，为了不超过频率和幅值允许的最大偏差，δω、δe必须进行限定。
另外，由于初级下垂控制和次级微源控制都只是针对单个分布式微源，并未考虑一个子微网内分布式微源和负荷的共同作用对子微网并网点处的影响，因此，还需要三级协调控制器103根据主电网并网点(如图1中所示的pccd)电压通过pi闭环反馈调节控制，调节相应子微网并网点的母线电压。
具体的，三级协调控制主要针对的是子微网并网点(如图1中所示的pcca、pccb或者pccc)所在母线电压，对该母线电压的频率和幅值进行调节。首先需要监测主电网并网点电压的幅值、频率以及相位等，然后根据监测到的数据信息下发给各个子微网，去和主电网并网点电压的频率相位进行比较和同步；具体的，将相应子微网并网点母线电压的频率与主电网并网点电压的频率进行比较和计算，得到三级频率误差；并将相应子微网并网点母线电压的幅值和与主电网并网点电压的幅值进行比较和计算，得到三级幅值误差；然后将三级频率误差和三级幅值误差传送到各子微网的三级协调控制器103中进行pi闭环反馈调节控制；同时，该三级协调控制器103还负责多个子微网之间的信息共享，确保调节多个子微网间的电压频率再同步，一旦检测到某个子微网并网点所在母线电压的幅值和频率与其他子微网相差很大，或者与主电网并网点电压相差很大，则此子微网继续进行三级控制误差调节，直至相应子微网并网点的母线电压与主电网并网点电压相同。
三级协调控制器103得到三级频率误差和三级幅值误差所采用的公式为：
其中，δω为三级频率误差，δe为三级幅值误差，ωmg为子微网并网点母线电压的频率实际值，emg为子微网并网点母线电压的幅值实际值，
在这种情况下，为了不超过频率和幅值允许的最大偏差，δω、δe必须进行限定。
本实施例提供的该微电网系统的分层控制系统，在初级下垂控制器基于下垂控制理论，实现对于相应分布式微源能量转换装置输出功率的分配之后，通过次级微源控制器102对下垂控制引入的相应分布式微源能量转换装置输出电压的频率和幅值的波动进行补偿，再由三级协调控制器103根据主电网并网点电压通过pi闭环反馈调节控制，调节相应子微网并网点的母线电压；以在单个子微网层面，协调控制各个分布式微源之间以及分布式微源与负荷之间电压幅值和频率波动；进而实现了对于下垂控制所带来的电压幅值和频率波动的修复，改善了微网的电能质量，提升了微网分层架构的电压和频率控制的精确性和稳定性，提升了用电效率。
本发明另一实施例还提供了另外一种微电网系统的分层控制系统，在上述实施例基础之上，优选的，参见图1，该微电网系统的分层控制系统还包括：
四级优化控制器104，用于提高微电网系统的经济低碳性和维持供需平衡。
微电网并网运行时，可以通过调节微电网电压的频率和幅值来控制功率流，上述实施例中的初级下垂控制能够完成对负荷突变的响应，次级微源控制可以改善初级控制分布式微源所带来的电压和频率偏差、进而改善电能质量，三级协调控制可以提高子微网的稳定性及其与主电网并网点电压幅值和频率的同步一致性，以及多子微网之间的信息共享；而四级控制在前面三层控制的基础上，对微电网系统功率的重新分配，维持供需平衡，提升微电网整体的经济低碳性和可靠性。
具体的，四级优化控制主要针对当前负荷的需求状态、燃料价格、主网电价、分布式储能状态，分布式光伏、风电、核电、生物质等微源的预测出力以及实际出力等，综合考虑多目标优化函数，以燃料价格数据、主电网电价、静态数据和特性、负荷预测、发电预测、初始状态及优化目标为输入，以优化单元机组出力、优化单元静态计划、碳排放计划、成本计划、能量储存释放计划及分布式微源出力计划为输出，建立经济低碳运行模型；
精炼整体公式为：
min[α∑cost+(1-α)∑emissions]；
其中，cost为经济成本，emissions为碳排放量，a为对于经济成本和碳排放量的实际需求权重值。
a的取值范围为0到1，通过控制a的取值，改变经济和碳排放的占比，根据不同时刻实际需求获取想要的优化目标。具体的，a＝0时，该经济低碳运行模型为最低碳模型，不考虑经济成本，低碳权重比例为1，系统运行在低碳目标模式下；a＝1时，该经济低碳运行模型为最经济模型；a＝0.5，表示经济和低碳权重各一半，系统运行在经济低碳目标模式下。
由上述内容可知，四级优化控制是按照最优运行的分析算法形成一个最优运行的目标，进而形成一个强制执行的指令，重新对微网内分布式微源的功率进行合理分配。经济运行的最佳点是微网中所有的分布式电源的边际成本相等，当优化目标为经济运行的最佳点时，四级优化控制器104根据公式
其中，δω为四级频率误差，δe为四级幅值误差，pmg为主电网并网点的有功功率实际值，qmg为主电网并网点的无功功率实际值，
微电网系统本身具有分散特性，每个控制器必须具有根据本地信息进行自我调节的能力，尽量不依赖外部的信息，所以，本实施例中的四级优化控制是依靠本地负荷情况和分布式能源自身的信息进行控制，同时接受来自上层的整体调度完成微网最优化的运行管理。
其余原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。
图2所示为本实施例提供的四层控制的原理框图，其中，g1为逆变器和变流器等能量转换装置出口处输出电压幅值的比例积分函数，g11为逆变器和变流器等能量转换装置出口处输出频率的比例积分函数，g2代表子微网并网点处母线电压幅值的比例积分函数，g22代表子微网并网点母线电压频率的比例积分函数，g3是主电网并网点处无功功率的比例积分函数，g33是主电网并网点处有功功率的比例积分函数。对子微网中各个能量转换装置(逆变器、整流桥或者变流器)的初级下垂控制与现有技术相同，此处不再赘述；次级微源控制需要对子微网中各个分布式微源(分布式风电、分布式储能、分布式光伏或者负荷)的电流采集信号进行u/i计算，再根据得到的分布式微源输出电压的频率实际值ωsmg和幅值实际值esmg，结合子微网电压频率参考值
微网分层架构的上述四层控制模型，即初级下垂控制、次级微源控制、三级协调控制及四级优化控制，通过自下而上的层层控制，使微网系统的电压频率和幅值稳定在安全可控范围内，改善了电能质量，提高了用电效率、经济低碳性和可靠性。
本发明另一实施例还提供了一种微电网系统，参见图1，包括：多个子微网和如上述实施例任一所述的微电网系统的分层控制系统。
优选的，该微电网系统还包括：至少一个设置于电网与相应子微网并网点之间的变压器；
多个输出电压相同的子微网，共用一个三级协调控制器103，并且通过同一子微网并网点接入电网或者相应变压器。
根据上述实施例内容可知，该微电网系统的分层控制主要包括四层：基于下垂控制理论的分布式微源初级控制，对分布式微源初级控制产生的偏差进行调节恢复的次级控制，对多个分布式微源与负荷协调控制形成的子微网并网点电压的频率和幅值与主电网同步以及对多个子微网不同电压等级的子微网并网点的协调控制的三级控制，负责微电网系统与外部配电系统之间的连接控制、旨在提高微电网整体的经济低碳性和供需平衡的四级控制。而实现上述四层控制的微电网系统，其具体架构如图1所示，图中可以明显看出，针对包含高压35kv、中压10kv以及低压400v等混合的微电网系统，通过在同一电压等级下的分布式微源以及负荷，建立就近的局部子微网，确保了微网系统的模块化，与本发明上述实施例提出四层控制架构相辅相成。
也即，本实施例中，针对微网内部的微源、负荷分散式的特点，通过提出在不同电压等级就近建立子微网的建模逻辑，使得上述实施例中的四级分层控制架构适用于高压、中压、低压等不同电力等级组成的混合微网系统。
优选的，当微电网系统的分层控制系统包括四级优化控制器104时，四级优化控制器104通过光纤环网实现与各个三级协调控制器103、微网主站、通讯服务器及实时服务器之间的通讯，进而实现信息互通。
其余原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。
本发明中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
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