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1、离网情况下微电网频率控制策略 何婷 杨苹 许志荣 陈燿圣 华南理工大学电力学院 广东省绿色能源技术重点实验室 摘 要： 微电网源荷功率不平衡将导致微电网频率波动。为维持离网情况下微电网频率稳定, 充分利用各微电源的发电优势, 本文针对商业应用价值较高的光储型微电网, 提出了一种基于分层控制思路的离网情况下微电网频率控制算法。根据频率动态特性将系统频率分为 4 个区域, 针对不同频率区域通过储能或光伏发电系统的主动调节作用、低频减载和高频切机等控制措施实现频率的稳定控制。经实例验证, 所提策略可对微电网中多类型微电源进行协调控制, 以满足微电网功率平衡要求, 维持系统频率稳定。关键词： 光储型微
2、电网; 频率稳定; 频率分区; 分层控制; 孤岛模式; 作者简介：何婷 (1993) , 女, 硕士研究生, 研究方向为多微电网控制;E-mail:;作者简介：杨苹 (1967) , 女, 教授, 博士生导师, 研究方向为新能源发电技术及并网控制技术;E-mail:;作者简介：许志荣 (1989) , 男, 博士研究生, 研究方向为多微电网控制, E-mail:。收稿日期：2016-07-04基金：国家高技术研究发展计划 (2014AA052001) Frequency Control Strategy of the Islanded MicrogridHE Ting YANG Ping XU
3、 Zhirong CHEN Yaosheng School of Electric Power, South China University of Technology; Guangdong Key Laboratory of Clean Energy Technology, South China University of Technology; Abstract： The power imbalance between micro-sources and loads in the microgrid will result in the frequency fluctuations.I
4、n order to maintain the frequency stability of the islanded microgrid, and make full use of the generation advantages of each micro-source, a frequency control strategy of islanded microgrid based on the hierarchical control is presented in this paper as to PV-ESS microgrid that has high commercial
5、value.The system frequency is divided into four areas according to its dynamic characteristics, and stable frequency control can be realized through such control strategies as active regulations by energy storages or photovoltaic systems, high-frequency generator tripping and low-frequency load shed
6、ding as to different frequency areas.It is verified from case analysis that the proposed strategy can effectively coordinate and control different types of micro-sources in microgrid to balance the system power and maintain the system frequency stability.Keyword： PV-ESS microgrid; islanded; frequenc
7、y division; hierarchical control; island mode; Received： 2016-07-040 引言由于风、光等分布式电源输出具有间歇性、随机性等特点, 微电网孤岛运行模式下难以维持其频率的稳定性。常规情况下, 以频率偏差是否超过限定值来衡量系统频率是否稳定, 独立微电网可控的频率变化范围在47.5Hzf51.5Hz1。如何提高孤立微电网的频率调节能力, 已成为国内外学者广泛关注的研究课题。文献2针对微电源不同的并网接口, 分别从控制策略、传递函数和结构特点等方面对微电网频率特性进行定性和定量分析。现有的频率控制策略多基于复杂的理论模型推导3-4或频率
8、特性各异的发电机输出曲线5, 不利于用户侧微电网大规模推广应用。因此, 对用户侧微电网中多类型微电源进行协调控制, 以满足微电网能量平衡和输出的要求, 维持系统频率稳定。针对光储型微电网, 本文提出了一种基于分层控制思路的离网情况下的微电网频率控制算法。根据频率动态特性将系统频率分为 4 个区域, 通过储能或光伏发电系统的主动调节作用实现频率的稳定控制。经实例验证, 所提策略可满足微电网系统频率控制要求, 为我国的微电网推广应用提供一种低成本高效率的解决方案。1 光储型微电网光储型微电网典型拓扑如图 1 所示, 该系统由负荷、光伏系统、储能系统组成, 经并/离网控制开关与配电网连接。针对光储型
9、微电网的特点以及大规模推广应用的需求, 微电网控制系统采用分层架构, 按照响应速度、时间尺度和通信需求可分为两层。第一层为本地控制层, 由负荷控制器、微源控制器组成, 用于负荷、光伏发电系统和储能系统等底层单体设备的控制, 具有短时、快速、不依赖通信等特点;第二层为集中控制层, 用于维持光储型微电网电压和频率的稳定, 与本地控制相比具有依赖通信、响应时间长等特点。图 1 光储型微电网拓扑图 下载原图2 频率稳定控制策略基于上述微电网拓扑结构以及分层控制架构, 提出离网运行下的光储型微电网频率控制策略。2.1 频率分区由于离网情况下微电网失去大电网支撑作用, 其频率变化范围较宽且波动更大。因此,
10、 依据光储型微电网的频率动态特性, 将频率划分为 4 个区域, 如图 2 所示。A 区域:f BLfDH, 为崩溃区;系统突然遭受重大扰动, 频率迅速增大或减小并超出可控范围, 即使采取相应控制措施, 也无法阻止系统走向崩溃。2.2 频率区域控制策略本文将孤岛运行的微电网进行频率分区, 对不同区域的频率采用自适应调节下垂系数的方法实现孤岛频率无静差。为了防止由于蓄电池储能的频繁充放电, 蓄电池储能系统的有功-频率 (P-f) 下垂控制特性如图 3 所示。图 2 频率分区 下载原图图 3 储能系统的下垂控制特性 下载原图当微电网系统处于频率 A 区域时, 认为系统频率稳定, 无需进行频率调整控制
11、。系统处于频率 D 区域时, 采取任何频率控制策略也无法调整频率返回 A 区域。因此下面分别对微电网 B 区域和 C 区域频率控制策略进行介绍。2.2.1 B 区域频率控制策略微电网 B 区域频率控制策略如图 4 所示。当系统频率处于警告区, 系统有功功率缺额如下:式中:P 为有功功率缺额;K f为频率调差系数;f 为系统频率;f N为额定频率。系统有功功率供需不平衡导致频率波动, 可通过调节储能出力维持系统总功率平衡。设微电网中参与频率控制的 PQ 可调型储能变流器共有 NES-1 台, 其中 NES为正常运行的储能变流器数目。当系统进行频率控制时, 储能系统可能存在以下两种情况:(1) 系
12、统中有可充放电的储能变流器当系统频率处于 B+区时, 系统有功功率过剩, 应使储能系统处于充电状态;频率处于 B-区时, 系统有功功率不足, 应使储能系统处于放电状态。因此可设置PQ 可调型储能变流器的总有功出力值为图 4 频率警告区控制策略 下载原图式中:P Es、P Es0分别为 NES-1 台 PQ 可调型储能总有功出力决策值和当前时刻总有功出力值;P Es, max、P Es, min分别为 NES-1 台 PQ 可调型储能当前时刻最大可放电功率和最大可充电功率。以储能放电功率为正, 充电功率为负。NES-1 台储能变流器各自出力值决策如下:式中:P Esi为微电网中第 i 台 PQ
13、可调型储能变流器经决策后的出力值;P Esi.max为该台储能变流器最大出力值;P Es.max为微电网中所有 PQ 可调型储能系统最大出力值总和。(2) 系统中无可充放电的储能变流器当系统中没有可利用的可充放电的储能变流器时, 可利用 PQ 可调型光伏逆变器参与频率控制。PQ 可调型光伏逆变器经决策后的总有功出力值为式中:P pv为 PQ 可调型光伏逆变器总有功出力决策值;P pv0为 PQ 可调型光伏逆变器当前时刻总有功出力值。若该微电网系统中存在多台 PQ 可调型光伏逆变器, 可将总出力值分配至每台光伏逆变器, 则每台光伏逆变器经决策后的出力值为式中:P pvi为第 i 台光伏逆变器经决
14、策后的出力值;P pvNi第 i 台 PQ 可调型光伏逆变器额定输出功率;P pvN为微电网系统中所有 PQ 可调型光伏逆变器的总额定输出功率。综上所示, 微电网处于频率 B 区域时, 经过储能系统或光伏发电系统的主动调节作用后, 频率返回合格区。2.2.2 C 区域频率控制策略微电网 C 区域频率控制策略针对 C-区和 C+区频率动态特性, 采取两种不同的控制策略, 具体如图 5 所示。图 5 频率紧急区控制策略 下载原图(1) 低频减载当频率进入低频紧急区, 即 C-区域时, 系统有功功率存在严重缺额引起频率下降, 需进行低频减载。电力系统中自动低频减载装置常设有延时程序以防止装置误动。延
15、时时间过后, 系统首先切除次要负荷。当切除的负荷接近系统功率缺额时, 系统频率不再下降, 而且回升并稳定在低于额定频率的数值。(2) 高频切机当频率进入高频紧急区, 即 C+区域时, 系统有功功率过剩引起频率上升, 此时需进行高频切机, 切除系统部分微电源, 使得系统中的电源与负荷重新平衡。自动装置的防误动延时时间过后, 若系统中有正常运行的 MPPT 型光伏逆变器, 则首先切除该类光伏逆变器中与功率缺额最相近的光伏支路, 否则选择 PQ 可调型光伏逆变器中与功率缺额最相近的光伏支路进行切除。至此, 频率处于紧急区的频率稳定控制结束。经采取过频切机、低频减载等紧急控制措施后, 系统频率恢复。3
16、 仿真验证微电网离网频率控制策略基于 PSCAD 进行仿真, 采用图 1 所示拓扑图。该系统由光伏、储能和负荷组成, 包括:1 台额定容量为 30kW 的 MPPT 型可调型光伏逆变器, 2 台额定容量为 30kW 的 PQ 可控型光伏逆变器, 1 台额定容量为 90kW 的主电源, 1 台额定容量为 30kW 的辅助电源组成, 3 台额定容量为 50kW 的静态负荷。仿真开始, 系统处于稳定状态。3 台负荷有功功率均为 30kW, 无功功率均为 0;主电源 SOC 为 65%, 辅助电源 SOC 为 60%;各光伏逆变器有功功率均为30kW。t=3s 时, 通过改变 3 台负荷有功功率使系统源荷功率不平衡, 导致系统频率发生波动, 并分别进入 4 种不同频率区域。为验证所提出策略的有效性, 本文在仿真时对各频率区域控制算法进行独立测试。(1) 频率 B 区下半区测试t=3s,
