一种基于自适应下垂控制的风光储微网调频方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于自适应下垂控制的风光储微网调频方法。
【背景技术】
[0002] 随着风电、光伏等可再生能源的发展，可再生能源发电的渗透率快速升高，其对电 网运行的影响逐步增大。微网作为一种重要的可再生能源并网方式，可将多种分布式电源、 负荷、储能有效地组织起来，其存在2种典型的运行模式：正常情况下与常规配电网并网运 行，称为联网模式；当检测到电网故障或电能质量不满足要求时，微网将与电网断开而独立 运行，称为孤岛模式。单个微网相对于主网规模较小，其调频作用对主网的影响有限，但随 着微网数目的逐渐增多，其集群效应将日渐显现，研究微网的调频控制具有重要意义。
[0003] 现有技术存在考虑微网内电源和负荷的分散性，根据各微源类型和储能装置的不 同组合方式，通过PQ和V/f综合控制实现对系统的频率支撑。目前基于电力电子技术的即 插即用控制和对等（point to point)控制的微网控制策略取得了较为广泛的应用。该方 法通过对微网内各电源采用下垂控制方式，将系统不平衡的功率动态分配给各微源，保证 了孤网运行方式下微网内的电力供需平衡和频率统一。
[0004] 但是，上述研究均未考虑微网组网电源功率裕度对调频控制效果的影响，未能充 分发挥光伏快速响应特点和各微源的功率支撑能力。
【发明内容】
[0005] 本发明为了解决上述问题，提出了一种基于自适应下垂控制的风光储微网调频方 法，本方法首先建立了风光储微网系统模型，重点阐述了电池储能的三阶模型。基于储能电 池的工作状态和充放电功率，确定了风电机组和光伏发电的动态出力策略；提出一种自适 应的下垂控制方法，即通过组网电源的功率裕度自适应调整各微源的下垂系数，充分发挥 了微源的调节潜力和功率支撑能力。通过算例仿真验证了所提策略和方法的有效性。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] -种基于自适应下垂控制的风光储微网调频方法，包括以下步骤：
[0008] (1)对风力机、双馈发电机建模，构建风力发电机组的模型；
[0009] (2)通过对短路电流、开路电压、最大工作点电压和电流进行数据拟合确定光伏发 电系统的模型；
[0010] (3)描述蓄电池内部蓄电池荷电状态和放电深度、电流、电解液温度之间的关系， 构建储能单元的三阶模型；
[0011] ⑷利用最外层为频率电压下垂控制、内层为功率控制、最里层为电流控制控制的 下垂控制策略对分布式电源进行控制；
[0012] (5)通过自适应控制方法调整风力发电机组、光伏发电系统和储能单元的下垂系 数，进行、稳态运行情况下和扰动情况下的最优功率分配。
[0013] 所述步骤（1)中，风电机组首先将风能转化为机械能，再有机械能转化为电能，该 过程中风力机捕获风能的高低直接决定了风电机组的转换效率，对风力机建模的具体方法 为：风力机捕获的风功率为：
[0015] 式中：Cp为风力机的功率系数；P为空气密度；A为风轮的扫风面积；V。为风速；
[0016] 功率系数Cp与桨距角、叶尖速比密切相关，其极限最大值为
[0018] 影响风力机能量转换的另一个重要系数为叶尖速比，定义为
[0020] 式中：R为叶片半径；Q为风力机转速；v为风速。
[0021] 所述步骤（1)中，双馈发电机是指绕线式异步电机的定转子三相绕组分别接到两 个独立的三相对称电源，转子电源电压的幅值、频率和相位则需按运行要求分别进行调节， 异步电机的电磁功率为
[0022]
[0023] 式中：:是转子回路的功率因数；
[0024] 机械功率定义为
[0025] Pt= (l-s)P (5)
[0026] 电磁转矩定义为
[0028] 式中：Q为转子角速度；s转差率；11和Ii1分别为转子转速和同步转速；Qi为同步 角速度。
[0029] 所述步骤（2)中，通过对短路电流、开路电压、最大工作点电压和电流进行数据拟 合确定，具体表达式如下：
[0039] 式中：Is。为短路电流；V。。为开路电压；Vni为最大工作点电压；I"为最大工作点电 流；Traf为参考温度，S 为参考辐照度；a、b和c为常数；V为光伏阵列端口电压；DT为温度 偏差；S为辐照度偏差。
[0040] 所述步骤（3)中，储能单元的三阶模型为：电源E。的正极经过电阻r串联有两个 包含并联的电容和电阻的电路后，连接电阻私，且电源E。的正极的电流为Ini，则：
[0042] 其中，Eni。为等效电动势Eni初值；R。。为等效电阻R。在一定荷电状态下的初值；R 1。为 等效电阻R1在一定荷电状态下的初值；Rm为等效电阻R2在一定荷电状态下的初值；K ,为 常数，其值大小与电池类型有关；A。，A2。，A21，A22是与电池荷电状态SOC和放电状态DOC相 关的常数。
[0043] 所述步骤（3)中，储能单元的电池荷电状态SOC和放电深度DOC的表达式如下：
[0048] 式中：C(I，0 )是电池容量，与电流和电解液温度有关；C。为0°C下以参考电流I $ 放电得到的容量；9 f为电解液冰点温度；K。，e，S为经验系数；SOC表示在温度0给定的 条件下，电池相对于其最大容量的充满程度；DOC表示的是以实际恒定电流I，电流变化时 以平均电流I avg替代，放电时得到的电容容量的充满程度。
[0049] 所述步骤⑶中，电流关系满足
[0056] 其中：Ce为电池热容；0为电解液温度；R e为电池与周围环境之间的热阻；0 3为 周围环境的温度；ps为热源功率，该参数反应电流内部放出的热量。
[0057] 所述步骤⑷中，下垂控制策略中包含三层控制，最外层为频率电压下垂控制，内 层为功率控制，最里层为电流控制，通过功率计算得到的 Pral和q ^进行低通滤波后分别与 Praf和Qraf比较，得到的差量经过PI环节逐渐消除，电流闭环则引入i河i q，随后加入PI环 节，输出的ind和inq用来控制桥型电路的触发脉冲。
[0058] 所述步骤（5)中，定义光伏发电系统和风力机组的实时最大发电功率分别为Ppv_ 和P fniax，光伏发电系统和风力机组的当前输出功率分别为MP P f;
[0059] 则光伏发电系统和风力机组的功率裕度分别为SPpJP SP f，且
[0060] SPpv=Ppvnax-Ppv
[0061] SPf=Pfnax-Pf (14)
[0062] 令八匕=?「的_+匕_)，其中1\为负荷功率，八？^/净负荷，该值为正，说明需 要储能电池放电，该值为负，需要储能充电或者风光限出力。
[0063] 所述步骤（5)中，稳态运行的微网协调策略为：储能根据SOC值的大小，定义三 个工作状态：低电压状态、正常运行状态和高电量状态，当SOC < 0. 2时为低电压状态，当 SOC G 〇. 2~0. 8时，为正常运行状态，当SOC > 0. 8时，为高电量状态。
[0064] (1)高电量状态下，为防止储能电池过充，需要限制储能电池的充电功率，而放开 放电功率，使得电池尽快工作在正常运行状态下；
[0065] 净负荷A &为正时，放电功率P b= min { A P b PbJ，当放电功率小于净负荷时，切 掉部分负荷；
[0066] 净负荷A P^J负时，储能功率P b= 〇,风光限制出力，平均分摊净负荷，保证净负 荷为零；
[0067] (2)正常运行状态下，净负荷为正时，风电机组和光伏发电单元运行在最大功率跟 踪模式下，放电功率P b= min { A P D PbniaJ，当放电功率小于净负荷时，切掉部分负荷；
[0068] 净负荷为负时，储能电池功率维持不变，以尽量减小对储能的调节，风光限功率运 行，按照功率比限制负荷，以保证风电和光伏具有一定的功率调整空间，为参与微网的功率 支撑奠定基础；
[0069] (3)低电量状态下，储能尽可能处于充电状态，以保证功率补偿作用，使其工作在 最优状态下；
[0070] 净负荷为正时，风光运行在MPPT模式下，放电功率Pb= min { A P b kb ? Pb_}，当放 电功率小于净负荷时，切掉部分负荷，kb为储能的限功率系数，由k b= S0C/0. 2确定，其中 SOC为当前值，0. 2为低电量阈值；