基于在微电网中的位置的电网形成发电机的选择的制作方法

本公开涉及一种用于电力微电网的电网形成控制的方法和装置。

背景技术：

微电网是发电、能量存储和负载的正常操作的本地分组，该本地分组经由公共耦合点(pcc)而被连接至传统集中式电网(配电网或宏电网)。与宏电网的单个公共耦合点可以被断开连接，从而孤岛化微电网。微电网是旨在从许多小型能量源(分布式发电机(dg))本地产生电力的结构的一部分。在微电网中，dg经由控制dg的输出(即，注入微电网中的电流)的变流器而被连接。或者，dg可以是被直接连接至微电网的同步机。

微电网(在电网连接模式下，即被连接至配电网)供给来自连接的dg站点的最佳或最大功率输出，而其余的功率由配电网供给。微电网通过可控开关/断路器而在pcc处被连接至配电网。当断路器在电网故障期间断开时，失去该电网连接，并且微电网被孤岛化。

微电网由可以是集中式或分布式的控制器控制例如，该控制器根据电压或电流控制方案来控制dg。微电网控制的其中一个方面是对pcc处的电网接口的高效控制。在pcc处的各种条件(例如，功率流、电压、断开连接或功率因子)在微电网内施加了不同的控制要求。

存在各种各样的方法来控制电网接口，并且其中一种方法是具有专用网络控制器。网络控制器可以监测不同的系统条件，并且将这些不同的系统条件传送给微电网内的其它控制器(例如，电网断路器的状态)。网络控制器可以参与各种功能，诸如针对微电网的黑启动、再同步、计划的孤岛化、电压跌落以及功率因子校正。例如，断路器可以将断路器状态(断开或闭合)传送给微电网网络控制器，然后微电网网络控制器通知微电网的dg控制器。进一步地，设定点(例如，功率电压设定点)可以从网络控制器发送到dg控制器，并且测量的输出功率和/或电压可以从dg控制器发送到网络控制器。同样，关于dg跳闸的信息可以从相关联的dg控制器发送到网络控制器。

作为dg的可再生能源的高渗透性会导致微电网内常见的较低惯性。较低惯性在系统干扰期间会产生较大频率偏差，并且该较大频率偏差可能使各种基于频率的保护系统跳闸。当从配电网中被孤岛化时，一种常见的实践是使用储能系统(ess)(例如，电池ess(bess))作为电网形成资源，即用于控制微电网内的电压和频率。电网形成意味着建立系统电压和频率或者参与调节系统电压和频率。

可以利用在控制器的外环反馈处的简单功率共享而在电网形成模式中操作多于一个资源。利用弱电网连接，对来自微电网资源的电压和频率的调节可以促进系统稳定性。因此，在电网形成模式中使用多个微电网资源在微电网中是有利的。在pct/ep2015/079135描述了一种方法，根据该方法，使用多个电网形成资源，并且在资源(例如，bess)的电流限制内操作电网形成。

us9,563,248公开了将发电机定位在微电网内的不同合适位置处。当需要响应于功率中断或不稳定性而在本地提供紧急备用电源时，该发电机可以被启动并连接至微电网。

us9,472,954公开了一种处理器，该处理器被设置为在瞬态条件期间基于发电机的效率频带来操作微电网中的多个发电机。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种在微电网内选择用于电网形成的不同资源的改进方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于控制微电网的方法。该微电网包括连接在微电网中的多个资产。资产包括负载和dg。至少多个dg是能够在电网形成模式中被控制以用于控制微电网中的电压和频率的资源。该方法包括：选择多个资源中资源的集合，该选择基于在所选择的集合中的资源中的每个资源的在微电网内的相应位置。该方法还包括：针对在所选择的集合中的资源中的每个资源激活电网形成控制模式。

根据本发明的另一个方面，提供了一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括计算机可执行组件，用于当该计算机可执行组件在控制系统中所包括的处理电路上被运行时使该控制系统执行本公开的方法的实施例。

根据本发明的另一个方面，提供了一种被配置用于控制微电网的控制系统。该微电网包括连接在微电网中的多个资产。资产包括负载和dg。至少多个dg是能够在电网形成模式中被控制以用于控制微电网中的电压和频率的资源。控制系统包括处理电路以及数据储存，该数据储存存储由所述处理电路能够执行操作的指令，从而使所述控制系统可操作以：选择多个资源中资源的集合，该选择基于在所选择的集合中的资源中的每个资源的在微电网内的相应位置；以及针对在所选择的集合中的资源中的每个资源激活电网形成控制模式。

需要注意的是，在任何适当的情况下，任何方面的任何特征都可以适用于任何其它方面。同样，任何方面的任何优点都可以适用于任何其它方面。所公开的实施例的其它目的、特征和优点将从下面的详细公开中、从所附从属权利要求中以及从附图中变得显而易见。

通常，除非本文另有明确规定，否则权利要求书使用的术语全都根据技术领域中的普通含义来解释。除非另有明确说明，否则对“一个/该元件、设备、组件、部件、步骤等”的所有引用都将被开放地解释为引用该元件、设备、组件、部件、步骤等的至少一个实例。除非明确说明，否则本文中公开的任何方法的步骤不必以所公开的确切顺序执行。对本公开的不同特征/组件使用“第一”、“第二”等仅用于将这些特征/组件与其它相似的特征/部件区分开，而不是对这些特征/组件赋予任何顺序或层级。

附图说明

下面将参照附图通过示例对实施例进行描述，其中：

图1是根据本发明的微电网的实施例的示意图。

图2是本发明方法的实施例的示意流程图，该实施例具有形成资源的集合的潜在电网的动态识别。

图3是本发明方法的另一个实施例的示意流程图，该实施例具有预先识别的形成资源的集合的潜在电网。

图4是更详细的本发明方法的示例实施例、并且具有输入信息的示意流程图。

图5是本发明方法的更笼统实施例的示意流程图。

图6是根据本发明的控制系统的实施例的示意框图。

具体实施方式

现在将在下文中参照附图对实施例进行更全面描述，在附图中示出了某些实施例。然而，在本公开的范围内可以有许多不同形式的其它实施例。确切地说，通过示例的方式提供以下实施例以便使本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本公开的范围。贯穿整个说明书，相同的附图标记表示相同的元件。

微电网通常在pcc处连接至配电网，然后配电网将微电网的电压和频率控制为与该配电网中的相同。但是，如果微电网从配电网中被孤岛化或者电网连接弱时，微电网中的一些dg(例如，同步发电机(sg)和储能器(ess，例如，bess)可能需要在电网形成模式中运行。在电网形成模式中，这些dg用于控制微电网的电压和频率。本公开涉及如何选择在微电网中用于电网形成的资源，例如，在孤岛化或弱电网连接的情况下。将该资源分组为不同的潜在电网形成资源的集合。对每个资源的集合，基于该集合中的资源的功率和位置来计算电网形成指数(gfi)。当发生干扰(例如，孤岛化)时，计算用于在干扰情况下稳定微电网所需的gfi，并且选择具有对应(或更高)gfi的资源的集合以用于电网形成。

在本文中，术语“资产”用于表示包括在微电网中的任何设备(通常被连接(在当前断开连接的情况下，可连接)至微电网的母线)，例如，包括负载、断路器(cb)和发电机(即dg)。术语“dg”(分布式发电机)用于表示被包括且连接/可连接在微电网中的任何发电机，不管该发电机是否能够在电网形成模式中运行，例如，包括可能不适用于电网形成的可再生能源发电机，诸如光伏发电机(pv)或风力涡轮机。术语“资源”用于表示在微电网中能够在电网形成模式中运行的dg，诸如ess(例如，bess或飞轮)或sg(例如，柴油发电机或燃气发电机)。

图1图示了经由pcc的断路器(cb)而可被连接至中压(mv)配电网2的微电网1的实施例。在微电网中连接有多个负载l和多个dg，该多个dg中的至少一些dg具有电网形成能力，即能够在电网形成模式中运行，并且因此在本文中称为电网形成资源(或者简称为“资源”)。资源可以包括(一个或多个)同步发电机(sg，例如柴油发电机)、其它发电机(例如，(一个或多个)可再生能源发电机，诸如(一个或多个)光伏发电机(pv)和/或(一个或多个)风力涡轮机)和(一个或多个)ess(例如，(一个或多个)bess)中的任何一种。

图1的微电网包括9个负载l(称为负载l1、l1a、l2、l3、l3a、l4、l5、l7和l8)、一个pv、一个sg和两个bess(称为bess1和bess2)。(一个或多个)bess各自经由相应的mv/lv电力变压器被连接，以将由bess提供的低电压(lv)(例如，如图所例示的480v)转换成微电网的mv母线的mv(例如，如图所例示的13.5kv)。

这里，gfi作为关于微电网1内的不同节点n所计算的示例。在这些节点处，周期性地或连续地测量有功p和无功q功率，通常还测量电压。因此，第一节点n1被定义为将第一bessbess1连接到微电网中的点，第三节点n3被定义为将pv连接到微电网中的点，第五节点n5被定义为将第一负载l1连接到微电网中的点，第六节点n6被定义为将第二负载l2连接到微电网中的点，第九节点n9被定义为将sg连接到微电网中的点，并且第十一节点n11被定义为将第二bessbess2连接到微电网中的点。此外，还可以附加地在微电网的其它位置/节点(例如，(一个或多个)pcc)处测量电压和/或频率。

如图所示，微电网的不同资产(负载和dg)可以彼此相距一定距离(例如，几公里)，这结合不同资产的影响而意味着，如果与mv电网2的连接是弱的，则可能无法贯穿整个微电网来控制频率和电压(通常与电网2的频率和电压相同)。相反，远离pcc一定距离的远程微电网中的频率和/或电压可以由连接到该远程微电网中的资产来决定。在这种情况下，可能有必要选择用于在电网形成模式下运行的一些电网形成资源，从而放弃它们的一些功率生产能力以用于稳定远程微电网的频率和/或电压。这也意味着功率注入不是基于电网测量和电流控制，而是基于电压和频率控制。

除了弱的pcc电网连接之外，还可能存在其它不稳定性，例如，孤岛化(pcccb断开，即非导通)或其它瞬态事件，这可能会扰乱微电网1的一些部分中的频率和/或电压。

微电网1的控制、包括在任何时间点上待被用于电网形成的资源的选择由控制系统10来完成，该控制系统10可以包括许多控制单元，例如，包括(一个或多个)集中式控制单元和分布式控制单元，例如，与微电网中的每个资产位于相同位置的控制单元。本文中公开的方法通常可以在控制系统10中/由控制单元10执行。

在期望电网形成时不在电网形成模式中使用全部电网形成资源的原因是，这将减少微电网中来自不同资源的有功功率注入，并且可能还会引起系统电压和频率的过度调节。还应该注意，不是微电网1中的所有dg都是能够在电网形成模式中运行的资源。

根据本发明，微电网控制系统10基于获得的(例如，计算的)gfi来选择资源/dg以作为电网形成单元操作。可以利用电网形成单元的额定功率以及在微电网内的资源位置的权重来计算微电网稳定性或gfi。

可以基于连接到微电网中的负载l的位置、并且(可选地)基于电网并联dg/资源(即，利用电流控制方法来注入有功和无功功率并且因此不参与电压和频率控制(不在电网形成模式中运行)的具、有或不具有电网形成能力的dg)来计算gfi要求。随着微电网1内的负载或功率输出的任何变化，控制系统10可以重新计算gfi要求。由于控制模式的变化(从例如功率控制模式到电网形成模式)不一定基于测量的电压偏差和频率偏差，所以这提高了微电网的稳定性。基于针对集合计算的基于位置的gfi来选择用于在电网形成模式中运行的资源的该集合。例如，待用于电网形成模式的那些资源可以取决于负载l、在pcc处与电网2的连接强度、来自资源和控制系统10的可用功率。

参照图1，在孤岛化(即pcccb断开)之后的示例实施例中，第一负载l1、第三负载l3、第四负载l4和第七负载l7借助于相应的cb而被断开连接(所谓的减载)。然后，控制系统10可以选择在电网形成模式中用于稳定微电网的sg和bess2资源。同时，其它资源bess1和pv可以继续在另一种模式(例如，功率控制或跌落控制模式)中操作。

在一些实施例中，微电网1可以是嵌套微电网，该嵌套微电网可以包括多个相互连接的子微电网，例如，第一子微电网和第二子微电网，每个子微电网可以包括具有(相同或不同的)配电网的pcc。然后，例如，如果第一子微电网在其pcc处被孤岛化，则可以断开连接第一子微电网中的负载并且可以选择第一和/或第二子微电网中的资源，以在电网形成模式中运行以稳定第一子微电网。

图2和图3图示了一种用于选择电网形成资源的集合的方法的不同示例实施例20和30，该方法可以在控制系统10中/由控制系统10执行。

图2的方法实施例20涉及，例如，在检测到例如由孤岛化、弱电网连接、资产的跳闸或其它瞬态事件而引起的干扰之后动态地选择资源。通过控制系统10检测21该干扰，鉴于获得23的频率和电压调节要求来引起控制系统10识别22可以潜在地用于电网形成的资源的集合。然后，针对每个集合计算24相应的基于位置的gfi。通过将识别出的集合的相应计算的gfi与获得26的gfi要求进行比较，选择25电网形成集合中的一个电网形成集合。然后，在所选择的集合的资源中激活27电网形成模式。在这种情况下，gfi要求的计算26在针对每个集合的gfi的计算24之前被完成。因此，可以响应于检测到21的干扰(例如，孤岛化或弱电网连接)来完成针对每个集合的gfi的计算24。

图3的方法实施例30与方法实施例20的不同之处在于电网形成集合是针对干扰(例如，孤岛化)而被预先选择25。这就意味着，当检测到21该干扰时，可以更快速地在预先选择的资源的集合中激活电网形成模式。因此，针对每个集合的gfi的计算24可以在gfi要求的计算26之前被完成。基于微电网中的当前功率注入，可以周期性地或响应于事件而重新计算针对每个集合的gfi。

获得23的电压和频率调节要求是预定义范围，微电网母线中的电压和频率应当分别在该预定义范围内。例如，微电网1的电压调节要求可以是电压应当在微电网的标称电压(例如，如图1所示的13.5kv)的+/-10％范围内。同样地，对于具有400v标称电压的微电网，电压调节要求可以例如是微电网(通常是微电网的母线)中的电压应当在360-440v的范围内。

相反，获得26的gfi要求描述了针对用于稳定微电网的电压和频率控制能力的需求，以便能够满足上述的电压和频率调节要求，该微电网包括连接到微电网中的负载l和其它资产，例如，不在电网形成模式上的dg。这可以利用资产(负载和dg)的微电网网络等式来计算。为了获得针对gfi要求的值，对于电网形成控制的需求，可以基于由所有dg注入微电网中的功率对微电网母线中的频率和电压的影响来形成等式。因此，在gfi要求的计算期间，计算对于微电网所需的总gfi。由于考虑了被注入微电网中的所有功率，所以该计算通过考虑包括在电网形成模式中和在任何非电网形成模式中的负载和dg的网络等式来完成。这就是计算gfi要求与计算资源的每个集合的gfi之间的差异。gfi要求是电网形成作为来自所有连接的负载和dg(包括能够在电网形成模式中运行的资源、以及其它dg)的指数的要求。资源集合的gfi是基于微电网中可能存在的不同的备选电网形成资源的集合来计算的。例如，在本文中，pv是无法在电网形成模式中运行的dg。因此，pv在gfi要求的计算时被包括(参见下面的等式7)，但是在计算资源集合的gfi时未被包括(参见下面的等式1-3)。gfi要求指的是针对具有连接到微电网中的负载和其它资产的微电网的电压和频率控制能力的需求。

在图4中更详细地示出了电网形成资源的选择25。将资源信息输入40到控制系统10被示出为示例。负载信息41可以包括负载额定(p和q功率)、连接状态(本地cb是闭合或断开的、连接或断开连接微电网1的负载和母线)和位置(负载连接在哪个节点n处)，并且由控制系统10接收。针对资源(能够在电网形成模式中运行的dg)的对应信息42，诸如资源额定(p和q功率)、连接状态(本地cb是闭合或断开的、连接或断开连接微电网1的资源和母线)和位置(资源连接在哪个节点n处)，也同样由控制系统10接收。在pcc处的电网连接信息43(pcccb是闭合或断开的、连接或断开连接微电网和配电网2、以及在pcccb处于其闭合位置时电网连接是强还是弱)也可以由控制系统10接收并予以考虑。在每个节点n处(例如，贯穿整个微电网连接的资源和负载处)的微电网的信号稳定性分析等式可以指示微电网频率和电压对有功和无功功率注入的敏感度。主导模式的更高参与度指示了用于电网形成的更适合的资源。

当计算资源的集合的gfi时，gfi指示在电网形成模式中运行的情况下集合中的资源如何能够在预定调节要求内影响微电网母线的电压和/频率稳定性、从而导致电压和频率控制的振荡。这可以基于电网形成资源对频率和电压调节的参与度来完成。为了获得gfi的值，权重和集合中资源的相应额定结合使用。

因此，gfi要求是根据微电网的电路参数和网络等式来计算的，而资源的集合的gfi是基于控制的影响来计算的。在这两种情况下，参考量都是电压和频率。

作为示例，针对每个电网形成资源的集合的gfi可以如等式1-3所示计算，其中，权重取决于资源在微电网内的位置并且可以如等式4-6所示计算。在该示例中，识别22出三个资源的集合，sg与bess1结合成set1，sg与bess2结合成set2，并且bess1与bess2结合成set3。

因此，针对每个资源的集合的gfi是基于每个资源的相应有功p和无功q功率输出能力乘以针对该资源连接到微电网中的位置(即资源在微电网中的位置)处的节点n的权重。例如，第一bessbes1连接在第一节点n1处。因此，bess1的p和q输出能力分别乘以针对节点n1的权重。

在本公开的一些实施例中，针对每个集合的gfi的计算24包括：计算该集合中每个资源的有功额定功率p评级的有功功率总和乘以其相应权重、以及该集合中每个资源的无功额定功率q的无功功率总和乘以所述相应权重。额定涉及集合中相应资源的潜在功率注入，并且应当与gfi要求所需要的相同或更高。

针对每个电网形成资源的基于位置的权重可以基于现有技术方法来计算，如状态对与电压和频率相关的不同振荡模式的参与度或敏感度。在本文中，这更涉及利用有功功率控制频率和利用无功功率控制电压。通过等式4-6示出了第一节点n1、第九节点n9和第十一节点n11的权重的计算的示例。

weightagen1＝[p{λmode1，pn1}*k1，p{λmode2，qn1}*k2](4)

weightagen11＝[p{λmode1，pn11}*k1，p{λmode2，qn11}*k2](5)

weightagen9＝[p{λmode1，pn9}*k1，p{λmode2，qn9}*k2](6)

其中，k1和k2是常数，并且p表示相应资源的有功和无功功率注入分别对主导模式λmode1和λmode2的参与度。

gfi要求可以根据微电网1、负载l和资源位置(节点n)的网络等式来计算26。一旦由微电网的操作者定义了对电压v和频率f的调节带宽的要求，就设定电压和频率参考。因此，一旦由操作者决定了针对微电网的调节要求是例如针对电压的+/-10％，就为电网形成模式中运行的资源的电网形成控制选择电压参考，以将微电网电压保持在调节限制内。

其中

impactn1＝[p{fpbess1}*ka，p{vbess1qbess1}*kb](8)

impactn3＝[p{fppv}*ka，p{vpvqpv}*kb](9)

impactn9＝[p{fpbess2}*ka，p{vbess2qbess2}*kb](10)

impactn11＝[p{fpsg1}*ka，p{vsg1qsg1}*kb](11)

在gfireqpf的下标中使用pf来表示这是针对功率频率控制的gfi要求。同理，gfireqqv是针对无功功率电压控制的gfi要求。pv表示pv资源。通常，为了计算gfi要求，考虑了所有dg(也包括非电网形成dg)的功率注入p和q，然后通过针对电网形成选择合适的资源的集合来满足该gfi要求。p是参与度因子，表示来自资源(例如，bess)的功率输入如何能够影响频率f或电压v的控制。ka和kb是用于定义影响的常数。

因此，在本发明的一些实施例中，gfi要求的计算26包括：计算每个dg的有功功率p注入的有功功率总和乘以与dg相关联的相应影响值、以及每个dg的无功功率q注入的无功功率总和乘以与dg相关联的相应影响值。

图5是更笼统地图示本发明方法的实施例的流程图。该方法用于控制微电网1。微电网包括连接到微电网中的多个资产。资产包括负载l和分布式发电机(dg)，例如，bess、飞轮或其它储能系统sg，例如，柴油发电机、pv、风力涡轮机或其它可再生能源发电机。dg中的至少一些dg是能够在电网形成模式中被控制以用于(即使用电压和/或频率参考)控制微电网中的电压和频率的资源，例如，bess或其它ess或sg。

该方法包括：基于微电网中每个dg的有功p和无功q功率注入并且基于所述注入对微电网中的电压和频率控制的影响，例如从控制系统10、26中的数据储存中计算或者以其他方式获得gfi要求gfireq。

在gfi要求的计算26之前、之后或同时，该方法还包括：计算(24)针对多个资源的集合中的每个集合的gfi。每个资源的集合包括微电网中的至少一个(优选地，多个)资源。针对每个集合的gfi是基于该集合中资源中的每个资源的相应有功和无功额定功率、以及基于相应的位置权重，其中集合中每个资源的相应位置权重取决于资源在微电网内的位置。

然后，基于将所述集合的计算24的gfi与计算26的gfi要求的比较，选择25待被用于控制微电网中的电压和频率的集合中的一个集合。通常，所选择的集合的gfi应当满足或超过gfi要求。

然后，针对所选择25的集合中的每个资源激活电网形成控制模式。这通常意味着，例如，将资源的控制模式从基于功率或电流参考来控制资源的功率控制改变成基于电压和/或频率参考来控制资源的电网形成控制模式(也可以称为电压控制模式)。

在更笼统的实施例中，本发明涉及一种用于控制微电网1的方法，该微电网1包括连接在微电网中的多个资产，该多个资产包括负载l和dg，dg中(例如，bess、sg、pv等中的任何一个)的至少多个dg是能够在电网形成模式中被控制以用于控制微电网中的电压和频率的资源(例如，bess、sg等)，其中该方法包括：选择25多个资源中资源的集合，该选择是基于在所选择的集合中的资源中的每个资源在微电网内的相应位置；以及针对在所选择25的集合中的资源来激活27电网形成控制模式。

图6示意性地图示了本公开的控制系统10的一个实施例。控制系统10包括处理电路，例如，中央处理单元(cpu)。处理电路11可以包括(一个或多个)微处理器形式的一个或多个处理单元。然而，在处理电路11中可以包括具有计算能力的其它合适设备，例如，专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或复杂可编程逻辑器件(cpld)。处理电路11被配置为运行在由一个或多个存储单元构成的数据储存12(例如，存储器)中存储的一个或多个计算机程序或软件(sw)。存储单元被视为如本文所述的计算机可读装置，并且可以是，例如，随机存取存储器(ram)、闪存或其它固态存储器、或硬盘或其组合的形式。必要时，处理电路11还可以被配置为将数据存储到储存12中。

例如，在数据储存12中存储的sw13当处理电路11上运行时可以将控制系统10配置为执行本公开的方法的实施例。

因此，本发明的方法的实施例可以通过微电网1的控制系统10来执行，该控制系统包括与数据存储器12相关联的处理电路11。使用控制系统10中的一个或多个常规通用或专用数字计算机、计算设备、机器或微处理器，包括一个或多个处理器11、存储器12和/或根据本公开的启示编程的其它计算机可读存储介质，可以方便地实施本发明的实施例。基于本公开的启示，熟练的程序员可以容易地准备合适的软件代码，这对于软件领域的技术人员而言是显而易见的。

在一些实施例中，本发明包括一种计算机程序产品12，该计算机程序产品12是其上/其中存储有呈计算机可执行组件或软件(sw)13的形式的指令13的非暂时性存储介质或计算机可读介质，指令13可以用于对计算机进行编程以执行本发明的方法的任何实施例。存储介质的示例可以包括，但不限于：任何类型的盘(包括软盘、光碟、dvd、cd-rom、微硬盘和磁光盘)、rom、ram、eprom、eeprom、dram、vram、闪速存储设备、磁卡或光卡、纳米系统(包括分子存储器ic)、或者适用于存储指令和/或数据的任何类型的介质或设备。

上面主要参照附图对本公开进行了说明。但是，如本领域技术人员容易理解的，除了上述实施例之外的其它实施例同样可以在由所附权利要求限定的本公开的范围内。