一种弱联结微网及其离网切换控制策略的制作方法

1.本发明属于微网控制技术领域，具体涉及一种弱联结微网及其离网切换控制策略。


背景技术：

2.微网是一种典型的用于向特定区域或偏远地区供电的小型电力系统，通常由分布式电源、储能、负荷和控制系统组成，一般有两种工作模式：
3.一种是在并网运行模式下，微网通过联络线开关与大电网相连，进行功率交换；第二种是当电网发生故障时，微网可以通过断开联络开关与大电网解列，进入孤网运行模式。在部分偏远山区，供电线路沿线气候恶劣，自然灾害频发会严重威胁联络架空线路的安全可靠稳定运行，故在用电负荷集中的地区建设微网，当联络线出现故障跳闸时微网由并网模式切换至孤网运行模式，以保障这些地区生产生活用电的可靠性。因为自然条件限制和风光资源缺乏，导致这类地区微网的特点是用电负荷相对单一，电源以小水电为主、柴油发电机为辅，且没有配置储能系统。由于小水电动态响应时间长、调节速度慢，如何在缺少储能系统的情况下实现联络线故障时微网快速稳定的切换是一个必须要研究的问题。为了保证切换过程不会对大电网产生较大的冲击，同时保证微网的安全稳定运行，必须采取合理的控制策略来实现两种运行模式之间的平滑切换。
4.目前，微网并/离网切换控制策略主要有下垂控制、恒压
‑
恒频控制、恒功率控制、虚拟同步机(vsg)等，其中下垂控制由于具有无通讯线并联、可提供电压和频率支撑、不同运行模式控制结构统一等特点，成为了微网切换控制策略研究的主要研究方向。但是对下垂控制的研究主要集中在具备风、光、柴、储等典型微源的微网结构下，对于包含小水电微源的微网切换控制策略研究较少。同时，对于缺少储能系统的微网切换控制策略，一般都会包含切电源或者切负荷的策略。
5.因此，弱联结微网目前存在的主要问题是：联网线路较长，同时环境复杂，容易发生线路故障导致供电中断，特别是在枯水期若联络线发生永久性故障，导致离网切换后，由于小水电调节能力差，孤网模式下微网承受能力较弱，供电可靠性难以保证。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术弱联结微网小水电响应慢、柴油发电机调节能力有限、缺少储能系统等问题，本发明提出了一种弱联结微网及其离网切换控制策略，当联络线故障时，通过采用该控制方法协调控制电源启停和出力以及负荷切除，能保证微网系统稳定快速地实现离网切换。
7.本发明采用的技术方案如下：
8.一种弱联结微网，其关键在于：包括连接有多种分布式电源的主干线，所述主干线通过配电分支线并联有多个可切负荷，所述主干线通过联络线实现与大电网弱联结；
9.还包括控制模块，所述配电分支线和联络线上均安装有电流采样电路和电压采样
电路，所有所述电流采样电路和电压采样电路分别与所述控制模块连接，所述控制模块用于采集对应线路的电流和电压，并实时计算出对应的联络线功率和配电分支线功率，所述控制模块还用于控制弱联结微网的离网切换。
10.作为优选方案，所述分布式电源包括小水电和柴油发电机，其中所述小水电为主电源，所述柴油发电机为冷备用电源。
11.作为优选方案，所述配电分支线对应每个所述可切负荷分别设有智能断路器，所述智能断路器用于控制对应可切负荷投切。
12.一种弱联结微网的离网切换控制策略，其关键在于，包括以下步骤：
13.s1.通过电流和电压采样电路，实时采集获取联络线和配电分支线的电流和电压；
14.s2.根据步骤s1得到的电流和电压实时计算得到联络线的实时功率为pl，每条配电分支线对应的实时功率为p1、p2…
p
n
；
15.s3.将每条配电分支线对应的p1、p2…
p
n
进行按从小到大进行排序，得到功率序列p1*、p2*
…
p
n
*；
16.s4.从p1*开始累加，当累加至第m项(1≤m≤n)时，将得到一个与p
l
差值绝对值最小的求和功率p
t
：
[0017][0018]
s5.根据联络线实时功率p
l
的正负值判断联络线电流方向，选择执行投切负荷或调整电源出力策略，从而完成弱联结微网离网切换。
[0019]
作为优选方案，所述步骤s5具体判定步骤为：
[0020]
当p
l
>0时，即大电网向弱联结微网送电，说明分布式电源出力不足，需要增加分布式电源出力或者切除可切负荷，但由于弱联结微网并网运行时，小水电处于最大功率发电模式运行无法继续增大出力，故只能采取切除可切负荷策略；
[0021]
根据步骤s4得到的p1*、p2*
…
p
m
*，向其对应的智能断路器下达断开指令，完成配电分支切除，当和(1≤m+1≤n)与p
l
差值的绝对值相等时，考虑到经济性和供电可靠性，尽量少切负荷，故增加分布式电源出力；
[0022]
当p
l
<0时，即弱联结微网向大电网送电，说明分布式电源出力超出用电负荷需求，需要减小分布式电源出力或者投入用电负荷，但考虑到弱联结微网实际情况，只需减小分布式电源出力即可。
[0023]
作为优选方案，当p
l
>0且p
l
>p
t
时，说明存在负荷欠切的情况，此时启动柴油发电机，工作在有功功率控制模式下，逐步恢复切除的可切负荷即可，弱联结微网进入孤网模式稳定运行；
[0024]
当p
l
>0且p
l
<p
t
时，说明存在负荷过切的情况，此时小水电自动切换至有功功率控制模式，减小出力，减小的功率值为δp，其中δp＝p
t
‑
p
l
，随后启动柴油发电机，工作在有功功率控制模式下，逐步恢复切除的负荷即可，弱联结微网进入孤网模式稳定运行。
[0025]
作为优选方案，当p
l
<0时，小水电自动切换至有功功率控制模式，减小出力即可，减小的功率值为δp，其中δp＝p
l
，弱联结微网进入孤网模式稳定运行。
[0026]
有益效果：本发明的一种弱联结微网及其离网切换控制策略，能够更加精确、快速地计算可切负荷，并且实现方法较为简单，具有较强的实时性和灵活性；可有效减少负荷过切和欠切量，提升经济性的同时能有效保障孤网模式下微网的功率平衡，频率稳定和供电可靠性；本策略结合实际工程应用，通过理论研究和简洁实用的技术手段，在不增加大量投资的情况下实现弱联结微网离网快速切换控制，提高了供电的可靠性；目前国内类似的地区大量存在，本技术的推广应用，可在提高电网供电可靠性的同时，节约大量的投资，为偏远地区的经济建设发展提供电力的支持。
附图说明
[0027]
图1为本发明的弱联结微网结构示意图；
[0028]
图2为本发明的弱联结微网并离网切换控制方法流程示意图；
[0029]
图3为实施例中场景1中小水电有功功率变化曲线和频率变化曲线；
[0030]
图4为实施例中场景2中小水电有功功率变化曲线和频率变化曲线；
[0031]
图5为实施例中场景3中小水电有功功率变化曲线和频率变化曲线；
[0032]
图6为实施例中场景4中小水电有功功率变化曲线和频率变化曲线；
[0033]
图7为实施例中弱联结微网进行枯水期小方式的离网切换时小水电的有功功率和频率变化曲线；
[0034]
图8为实施例中弱联结微网进行枯水期小方式的离网切换时柴油发电机的有功功率和频率变化曲线。
具体实施方式
[0035]
下面结合实施例和附图对本发明作进一步的详细说明：
[0036]
实施例：如附图1所示，一种弱联结微网，包括连接有多种分布式电源的主干线，所述主干线通过配电分支线并联有多个可切负荷，所述主干线通过联络线实现与大电网弱联结；还包括控制模块，所述配电分支线和联络线上均安装有电流采样电路和电压采样电路，所有所述电流采样电路和电压采样电路分别与所述控制模块连接，所述控制模块用于采集对应线路的电流和电压，并实时计算出对应的联络线功率和配电分支线功率，所述控制模块还用于控制弱联结微网的离网切换。
[0037]
在具体实施时，所述分布式电源包括小水电和柴油发电机，其中所述小水电为主电源，所述柴油发电机为冷备用电源；所述配电分支线对应每个所述可切负荷分别设有智能断路器(q
f1
‑
q
fn
)，所述智能断路器用于控制对应可切负荷投切。
[0038]
如附图2所示，一种弱联结微网的离网切换控制策略，包括以下步骤：
[0039]
s1.通过电流和电压采样电路，实时采集获取联络线和配电分支线的电流和电压；
[0040]
s2.根据步骤s1得到的电流和电压实时计算得到联络线的实时功率为p
l
，每条配电分支线对应的实时功率为p1、p2…
p
n
；
[0041]
s3.将每条配电分支线对应的p1、p2…
p
n
进行按从小到大进行排序，得到功率序列p1*、p2*
…
p
n
*；
[0042]
s4.从p1*开始累加，当累加至第m项(1≤m≤n)时，将得到一个与p
l
差值绝对值最小的求和功率p
t
：
[0043][0044]
s5.根据联络线实时功率p
l
的正负值判断联络线电流方向，选择执行投切负荷或调整电源出力策略，从而完成弱联结微网离网切换。
[0045]
其中，所述步骤s5具体判定步骤为：
[0046]
当p
l
>0时，即大电网向弱联结微网送电，说明分布式电源出力不足，需要增加分布式电源出力或者切除可切负荷，但由于弱联结微网并网运行时，小水电处于最大功率发电模式运行无法继续增大出力，故只能采取切除可切负荷策略；
[0047]
根据步骤s4得到的p1*、p2*
…
p
m
*，向其对应的智能断路器下达断开指令，完成配电分支切除，当和(1≤m+1≤n)与p
l
差值的绝对值相等时，考虑到经济性和供电可靠性，尽量少切负荷，故增加分布式电源出力；
[0048]
当p
l
<0时，即弱联结微网向大电网送电，说明分布式电源出力超出用电负荷需求，需要减小分布式电源出力或者投入用电负荷，但考虑到弱联结微网实际情况，只需减小分布式电源出力即可。
[0049]
具体实施时，步骤s5具体操作方式如下：
[0050]
当p
l
>0且p
l
>p
t
时，说明存在负荷欠切的情况，此时启动柴油发电机，工作在有功功率控制模式下，逐步恢复切除的可切负荷即可，弱联结微网进入孤网模式稳定运行；
[0051]
当p
l
>0且p
l
<p
t
时，说明存在负荷过切的情况，此时小水电自动切换至有功功率控制模式，减小出力，减小的功率值为δp，其中δp＝p
t
‑
p
l
，随后启动柴油发电机，工作在有功功率控制模式下，逐步恢复切除的负荷即可，弱联结微网进入孤网模式稳定运行；
[0052]
当p
l
<0时，小水电自动切换至有功功率控制模式，减小出力即可，减小的功率值为δp，其中δp＝p
l
，弱联结微网进入孤网模式稳定运行。
[0053]
本实施例采用云南某山区弱联结微网进行离网切换为例，该弱联结微网包括1号水电站和2号水电站，其中，1号水电站含2台单机额定功率为320kw的小水电和2台单机额定功率为1200kw、容量为1500kva的柴油发电机，2号水电站含3台单机额定功率为320kw的小水电；1号水电站和2号水电站中所有小水电功率因数设定为0.9；负荷功率因数设定为0.95；35kv联网线路型号选用lgj
‑
150，总长度为52km；20kv架空线路型号选用lgj
‑
70，总长度为82.2km；0.4kv低压配电线路型号选用lgj
‑
35，总长度为31.75km。
[0054]
当该地区弱联结微网进行丰水期大方式的离网切换时，5台小水电处于最大功率发电模式，多余电能外送大电网。因联络线故障导致离网切换进入孤网模式运行后，由于小水电出力过大，将通过下垂控制自动减小出力，匹配负荷用电情况，此时不需要启用柴油发电机，仅由小水电实现供电即可。研究设定该地区弱联结微网系统内负荷功率为1013.17kw，为了便于分析，分4个场景对联络线外送功率大小对离网切换暂态过程的影响以及离网切换后的弱联结微网运行情况进行仿真研究，在4种场景下分别设定不同的小水电出力，得到不同的联络线外送功率：
[0055]
场景1：小水电有功功率设定为300kw，联络线外送功率为405.48kw；
[0056]
场景2：小水电有功功率设定为280kw，联络线外送功率为303.45kw；
[0057]
场景3：小水电有功功率设定为260kw，联络线外送功率为205.17kw；
[0058]
场景4：小水电有功功率设定为240kw，联络线外送功率为106.74kw。
[0059]
上述4个场景下小水电有功功率变化曲线和频率变化曲线如附图3
‑
6所示，可以看出在20s联络线开关断开后，小水电在4种场景下均能迅速降低出力匹配负荷用电情况，实现功率平衡；联络线开关断开后，小水电频率会突然上升，并总结出4种场景下的频率峰值和稳定时间如表1所示。
[0060]
表1.四种场景下的频率峰值和稳定时间
[0061][0062]
由表1可以看出频率峰值随着联络线外送功率减小而减小，稳定速度也逐渐加快，在离网切换后均能稳定频率至50.5hz以下。该地区弱联结微网最终进入孤网模式稳定运行，由小水电供电满足微网内部全部负荷需求。但另一方面说明联络线外送功率不能过大，否则会导致切换过程频率波动较大。
[0063]
当该地区弱联结微网进行枯水期小方式的离网切换时，在并网模式的枯水期小方式下，5台小水电同样处于最大功率发电模式，但由于小水电出力不足，需要大电网内送电能才能满足该地区弱联结微网内部负荷供电。因联络线故障导致离网切换进入孤网模式运行后，小水电出力不足，存在较大功率缺额，需要启用柴油发电机，由小水电和柴油发电机共同实现供电。此时将采取基于可切负荷动态计算方法的离网切换控制策略完成离网切换以及离网切换后的微网稳定运行。为了便于分析，将对联络线内送功率最大情况下，采用基于可切负荷动态计算方法的离网切换控制策略实现离网切换的暂态过程以及离网切换后的微网运行情况进行仿真研究，研究设定该地区弱联结微网系统内负荷功率为1777.78kw，设定小水电出力为179kw，通过潮流计算可知联络线内送功率为972.45kw。在0
‑
5s小水电作为主电源，5s时联络线开关断开，5.2s时切除经计算得到的10个配电分支，得出小水电的有功功率和频率变化曲线，以及柴油发电机有功功率和频率变化曲线(如附图7和附图8所示)。
[0064]
由附图7中小水电有功功率变化曲线可以看出，由于负荷过切，小水电有功功率自动下降至170kw以匹配负荷用电情况；由图7中小水电频率变化曲线可以看出该过程小水电频率波动较小，在50.4
‑
49.5hz范围内波动。在30s时投入柴油发电机后，在45
‑
180s期间，依照功率从小到大的顺序每间隔15s逐步恢复被切配电分支。由图8中柴油发电机有功功率变化曲线可以看出柴油发电机投入后能迅速逐步恢复被切配电分支；由图8中柴油发电机频率变化曲线可以看出柴油发电机频率波动较小，在50.05
‑
49.7hz范围内波动。该地区弱联结微网最终进入孤网模式稳定运行，由小水电和柴发共同供电满足微网内部全部负荷需求。
[0065]
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表
示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。