一种运行、控制和保护性能提高的微电网系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种运行、控制和保护性能提高的微电网系统，主要包括多逆变器并联运行控制策略、微电网继电保护方案、微电网负荷预测；其中多逆变器并联运行控制策略采用了改进型下垂控制算法；微电网继电保护方案采用了区域差动主保护、过流后备保护以及归一化制动系数的故障分量综合阻抗母线保护；微电网负荷预测采用了神经网络模型。本发明将多逆变器并联运行控制的改进型下垂控制算法、微电网继电保护的控制策略的区域差动主保护、过流后备保护以及归一化制动系数的故障分量综合阻抗母线保护、微电网负荷预测的神经网络模型结合在一起，提高了微电网的不同模式切换的运行性能、控制性能、保护性能和智能化水平。
【专利说明】—种运行、控制和保护性能提高的微电网系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种运行、控制和保护性能提高的微电网系统，属于电工技术。
【背景技术】
[0002]微电网从系统观点看问题，将发电机、负荷、储能装置及控制装置等结合，形成一个单一可控的单元，同时向用户供给电能和热能。微电网中的电源多为微电源具有低成本、
低电压、低污染等特点。微电网既可与大电网联网运行，也可在电网故障或需要时与主网断开单独运行，是能够实现自我控制、保护和管理的自治系统。微电网不仅解决了分布式电源的大规模接入问题，充分发挥了分布式电源的各项优势，还为用户带来了其他多方面的效.、/■
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[0003]在多逆变器并联运行中，作为并联控制关键技术的下垂控制法，在低电压微电网中，连接线路相对其他电压等级线路的阻抗比高得多，线路较长时，电阻值较高；由于分布式电源与公共连接点远近不同，因而连接阻抗存在差异，导致逆变器环流增大及功率分配不均衡；微电网接入给电力系统保护带来新的问题，微电网随着分布式发电数量和渗透率的逐渐增加可能改变其内部潮流的方向，从而给整个电网带来影响；现在的微电网缺乏有效的负荷预测模型，因而对微电网中的接入负荷所存在的随机性和不确定性的电能流动没有很好的预判能力，从而也就不能有效地根据微电网中各种接入负荷的情况决定微电源接入量的多少，引起微电网甚至大电网的不稳定。
[0004]现在工程上采用的传统控制和保护策略的微电网在要求不高的场合下可以正常地运行和工作，但对于运行性能、控制性能、保护性能和智能化水平要求比较高的场合传统的微电网就不能够满足要求了。
[0005]因此，发明一种更为有效地提高运行、控制和保护性能新型微电网成为亟需解决的课题。
【发明内容】
[0006]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种运行、控制和保护性能提高的微电网系统，综合多逆变器并联运行控制策略的改进型下垂控制算法、微电网继电保护方案和负荷功率预测神经网络模型对微电网系统进行监控和保护；以有效地提高微电网的运行性能、控制性能、保护性能和智能化水平。
[0007]技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0008]一种运行、控制和保护性能提高的微电网系统，综合多逆变器并联运行控制策略的改进型下垂控制算法、微电网继电保护方案和负荷功率预测神经网络模型对微电网系统进行监控和保护，具体为:
[0009](I)多逆变器并联运行控制策略的改进型下垂控制算法:首先在分析微电网多逆变器并联系统中的传统下垂控制法及逆变器输出阻抗对系统性能的影响基础上，通过引入感性虚拟阻抗，提出一种适合微网多逆变器并联的电压电流双环下垂控制策略；感性虚拟阻抗的引入使输出阻抗仅由滤波电感值决定，减少了逆变器输出电阻的影响；考虑线路阻抗的影响，提出一种改进下垂控制算法，通过对下垂系数进行修正，以减弱线路阻抗差异对并联均流的影响，提高多逆变器并联性能；
[0010](2)微电网继电保护方案，采用区域差动主保护、过流后备保护以及归一化制动系数的故障分量综合阻抗母线保护相结合的策略:为解决微电网接入带来的问题，采用成熟差动保护的方案，配置全线速动差动保护做主保护，配置简单过流作后备保护；母线保护采用归一化制动系数的故障分量综合阻抗母线保护新判据:首先计算故障分量综合阻抗辐角arg Zcd的偏移误差，再将其进行归一化处理，并根据归一化后的偏移误差计算制动系数Kms，将Kms引入原动作判据中，从而得到母线保护新判据，以进行故障的判定；
[0011](3)负荷功率预测神经网络模型:通过神经网络进行微电网系统的负荷功率预测。
[0012]所述步骤(1)中，多逆变器并联运行控制策略的改进型下垂控制算法，逆变器并联控制用电压电流双环控制:外环采用电压控制环，用以改善系统输出电压的波形，采用PI控制；内环采用电感电流调节环，用以提高系统的动态性能，采用比例P控制；
[0013]设kp，h分别为电压外环PI控制器的比例和积分系数；ke为电流内环P控制器比例系数；kPWM为逆变器增益；1%，kj分别为电容电压反馈系数和电感电流反馈系数；ZlMd为连接线路阻抗和负载阻抗的等效阻抗；Zv(s)为虚拟阻抗；uMf为电压环参考电压为引入感性虚拟阻抗后的电压参考值；u为逆变器输出电压；Ici为连接线路电流，L为滤波电感值，s为拉普拉斯算子；有公式:
[0014]
【权利要求】
1.一种运行、控制和保护性能提高的微电网系统，其特征在于:综合多逆变器并联运行控制策略的改进型下垂控制算法、微电网继电保护方案和负荷功率预测神经网络模型对微电网系统进行监控和保护，具体为: (1)多逆变器并联运行控制策略的改进型下垂控制算法:首先在分析微电网多逆变器并联系统中的传统下垂控制法及逆变器输出阻抗对系统性能的影响基础上，通过引入感性虚拟阻抗，提出一种适合微网多逆变器并联的电压电流双环下垂控制策略；感性虚拟阻抗的引入使输出阻抗仅由滤波电感值决定，减少了逆变器输出电阻的影响；考虑线路阻抗的影响，提出一种改进下垂控制算法，通过对下垂系数进行修正，以减弱线路阻抗差异对并联均流的影响，提高多逆变器并联性能； (2)微电网继电保护方案，采用区域差动主保护、过流后备保护以及归一化制动系数的故障分量综合阻抗母线保护相结合的策略:为解决微电网接入带来的问题，采用差动保护的方案，配置全线速动差动保护做主保护，配置简单过流作后备保护；母线保护采用归一化制动系数的故障分量综合阻抗母线保护新判据:首先计算故障分量综合阻抗辐角arg Zcd的偏移误差，再将其进行归一化处理，并根据归一化后的偏移误差计算制动系数K_，将Kms引入原动作判据中，从而得到母线保护新判据，以进行故障的判定； (3)负荷功率预测神经网络模型:通过神经网络进行微电网系统的负荷功率预测。
2.根据权利要求1所述的运行、控制和保护性能提高的微电网系统，其特征在于:所述步骤(1)中，多逆变器并联运行控制策略的改进型下垂控制算法，逆变器并联控制用电压电流双环控制:外环采用电压控制环，用以改善系统输出电压的波形，采用PI控制；内环采用电感电流调节环，用以提高系统的动态性能，采用比例P控制； 设kp，h分别为电压外环PI控制器的比例和积分系数丸为电流内环P控制器比例系数；kPWM为逆变器增益；k?，kx分别为电容电压反馈系数和电感电流反馈系数；ZlMd为连接线路阻抗和负载阻抗的等效阻抗；Zv(s)为虚拟阻抗；uMf为电压环参考电压；为引入感性虚拟阻抗后的电压参考值为逆变器输出电压do为连接线路电流，L为滤波电感值，s为拉普拉斯算子；有公式:
由上式可得逆变器输出阻抗Zwt的近似表达式:
引入虚拟阻抗Zv(S)，有:
Ifnf =(, -Z,(s)i? 则加入Zv(S)后逆变器的等效输出阻抗为:
其中 Δ — (l+kykgkp^kp) s+kykjkgkp^ ；使Zv(S) =kuLs，将式(2)代入式(3)，则可以得到Zl(S) = Ii;引入感性虚拟阻抗Zv(S) = k#，通过滤波电感值L确定各逆变器输出阻抗的值，即Z:,⑴ 多逆变器并行运行控制策略应用于微电网中时，逆变器i对应的阻抗幅值IziI表示为IZ1I = φy+Χ:,其中&为逆变器i输出电阻与线路电阻之和，Xi为逆变器i输出的感抗与线路感抗之和；改进下垂控制算法不考虑各逆变器输出电阻的影响，输出阻抗值仅由滤波电感值决定，为了降低^对系统并联均流的不利影响，首先将传统下垂控制算法改进为:
式中⑴i 分别为空载输出电压角频率和幅值；ω i，Ui分别为正常运行时输出电压角频率和幅值；Ρ” Qi分别为第i个逆变器输出的有功功率和无功功率；系数kpu，kqU为下垂系数，在Xi > > A条件下，这两者对于系统能否并联成功，起决定性作用；k_，kpu可以减小系统环流、提高功率均分精度；首先确定kpu，kqU，然后确定k_，kpU ； 考虑到kpu，kqU对功率分配精度和频率幅值差的双重影响，取值为:
式中，P_，Q_分别为逆变器输出的最大有功功率和无功功率值；△ ω，λ U分别为输出电压的最大角频率和幅值偏差；由kpwJ kqU计算kqcJ，kpU的公式为:
适用于微电网多逆变器并联的改进型下垂控制算法表示为:
当采用上述带有感性虚拟阻抗的电压电流双环控制策略时，因为在采用上述策略的情况下逆变器i输出电阻为O，所以上式的ri仅指线路电阻值；根据上式，引入感性虚拟阻抗后的电压参考值*4/为:
Umf - -JlUi sin(iy(i + φ?) 式中，Ui为逆变器i空载输出电压幅值；Cti为逆变器i空载输出电压与母线电压的相角差。
3.根据权利要求1所述的运行、控制和保护性能提高的微电网系统，其特征在于:所述步骤(2)中，微电网继电保护方案，采用区域差动主保护、过流后备保护以及归一化制动系数的故障分量综合阻抗母线保护相结合的策略； 与微电网相连的外部配电网电压等级为1kV,微电网内部的低压配电网电压等级为.0.4kV；10kV电压等级配电网按照差动保护对象划分为多个保护区域，包括线路差动保护区域、配电变压器保护区域，对于配电变压器保护区域的差流计算需考虑变压器的三角形和星形联接Λ/Υ转角的影响；对于其他保护区域在假设电流的正方向为母线流向线路的前提下，差流为各侧电流的矢量和；区域差动保护采用启动判据与比率制动判据组成与门出口 ；各个区域的启动判据和比率制动判据为: 启动判据IdSItjpci 比率制动判据Id Sk仁 式中，Id为差动电流，4=|/, + /2+…+Λ|ι Itjp。为启动判据的整定值；+⑷+…+^丨:k为比率制动系数；/(, i = 1，2，…，k为被保护对象各侧电流；区域差动保护基于的微电网三层体系结构，分别是就地控制层的智能采集单元、集中控制层的区域差动保护和配网调度层的配网调度系统，与微电网的三层网络架构保持一致；为了保证可靠性，集中控制层的区域差动保护采取双重化冗余配置；区域差动保护通过采集配电网系统各个节点的电流和状态信息，其本质是网络化的差动保护，以快速实现故障自动定位和隔离； 在故障分量综合阻抗母线保护新判据中，具体包括如下步骤: (21)计算故障分量综合阻抗辐角argZed的偏移误差Ee:
其中，‘为一相母线上电压的变化量，母线的差电流Zm1为故障分量综
/=I合阻抗； (22)将Ee进行归一化处理，并根据归一化后的Ee计算制动系数Kms:
(23)将1(_引入原动作判据中，得到母线保护新判据，以进行故障的判定，新判据为: Δ IcJ >1.25 Δ IT+AIdz母线继电保护器启动判据 Zcd I <KresZset母线继电保护器动作判据 其中:当启动判据满足时，继电保护器进入等待动作的状态；当动作判据满足时，继电保护器动作；Λ Ied为电流突变量启动定值；Λ Idz为电流突变量启动定值；Zsrt为阻抗定值。
4.根据权利要求1所述的运行、控制和保护性能提高的微电网系统，其特征在于:所述步骤(3)中，负荷功率预测神经网络模型具体设计如下: (31)每一天采集12组有功功率和无功功率，共连续采集8天，这样共有96组数据P (k)和 Q(k)，k= 1,2,...,96;
一ni1.P (η) (32)将96组数据P(k)和Q(k)进行归一化处理，使得戶⑷=丨“而可、..0Oi)腿))丨，n= H…，％ ;首先将每一天的12个有功功率P (k)作为一组输入矢量R(m), 12个无功功率Q(k)作为一组输入矢量S(m)，m = I, 2，…，8, m表示神经网络的训练次数；同时预先假设第9天的12个有功功率P' (k)作为预测功率的输出矢量R'，第9天的12个无功功率Q' (k)作为预测功率的输出矢量S'； (33)将8组输入矢量R(m)和S(m)作为神经网络的输入层，隐含层神经元的传递函数采用S型正切函数tan sig,输出层神经元的传递函数采用S型对数函数log sig,这样经过8次神经网络训练后，就确定了神经网络中各连接权的权值； (34)将第8天的输入矢量R(S)和S(S)再次作为神经网络的输入层，此时神经网络中输出的预测功率的输出矢量V和S'即为第九天的功率预测归一化值，再用反归一化算法，即f =/Txmax《P(A.)), S = S'xmax(Q(k)), k = 1，2，…，96，输出的矢量值及和5就是第九天预测功率的12个有功功率P (k)和12个无功功率(k)。
【文档编号】H02H7/22GK104184166SQ201410438304
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月29日 优先权日:2014年8月29日
【发明者】胡敏强, 徐鸣飞, 余海涛, 黄磊 申请人:东南大学