一种分布式综合能源系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种分布式多区域电力系统控制技术，尤其涉及一种分布式综合能源系统及其控制方法。

背景技术

分布式新能源主要通过接入配网进行功率消纳，但现有配网主要为满足负荷供电而设计，其容量设计及功率控制主要面向负荷进行综合考虑，未充分考虑波动性、间歇性、随机性的新能源及可调负荷并网所形成的综合能源系统的稳定控制、优化调控和高效消纳，传统配电系统承载比例越发增大的分散性源荷功率的压力日趋增大。目前国外电网解决分布式综合能源系统问题的方法有工业微网、交直流配网等方式，但国外电网网架形式与国内主网供电分区配电的方式有较大区别，因此国内主要采用自发自用、源网荷协调控制、调度曲线调控等技术手段，但只能解决主网联络下的区域内优化控制或者孤网频率电压稳定控制，上述控制时间尺度基本为s级或分钟级，无法应对分布式能源接入后带来的环流稳定，给系统运行稳定和电压安全带来的隐患，同时还存在调控方式单一、区间潮流难以互济等问题。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种分布式综合能源系统及其控制方法，能够抑制多区系统组网之后的不均衡功率及高频环流，还可为分布式源荷并网接入及高效消纳提供潮流调控手段。

技术方案：本发明所采用的技术方案是一种分布式综合能源系统，该系统由多个能源区域互联，还包括分布式控制终端，以及与分布式控制终端相连的集中控制系统，所述集中控制系统用于集中监控各能源区域的电气节点，并根据能量管控策略对系统潮流进行调控，所述分布式控制终端根据集中控制系统下发的控制指令实现功率响应控制，并进行分布阻抗参数计算及环流在线监测；分布式综合能源系统以交流配网为主网架，通过交流合环、直流互联、背靠背交直流的方式进行区域互联，各分布式新能源根据各自交直流属性及容量接入网架节点，分布式储能部署于源荷功率不均衡的重心位置。

所述通过交流合环、直流互联、背靠背交直流的方式进行区域互联，包括：交流型分布式新能源接入交流配电侧，各配电变压器参数一致下采用合环运行，若各配电变压器参数不一致采用背靠背变流器的方式进行互联，或采用开环运行作为备用能源；直流型分布式新能源接入直流配电侧，直流配电可进行区域间互联；所述分布式控制终端可以部署于各变电所/配电所的二次室，也可以装设于分布式综合能源的集中并网点，实现对并网变压器、辖内分布式综合能源、辖内分布负荷进行就地汇聚及控制。

本发明提出一种应用于上述的分布式综合能源系统的分布式综合能源系统控制方法，该方法包括：将小于并网正功率之和的逆功率部分按照各区域的配变容量比例进行分配，将超过并网正功率之和的逆功率部分按照各储能SOC及额定功率进行消纳剩余功率的分配；针对各分布式新能源变流器采用自适应动态下垂控制，当接入线路分布阻抗参数差异超过阈值时采用基准下垂系数叠加补偿虚拟阻抗分量后的下垂系数进行自适应动态下垂控制，所述补偿虚拟阻抗分量使不同ACDC间在下垂控制时各端变流器的出力符合同一个阻抗功率特性；同时选择接入线路分布阻抗参数居中间值的台区变流器作为基准变流器，通过母线电压-功率闭环控制实现综合能源系统功率均衡的调节。

其中，所述的将小于并网正功率之和的逆功率部分按照各区域的配变容量比例进行分配，将超过并网正功率之和的逆功率部分按照各储能SOC及额定功率进行消纳剩余功率的分配，功率指令计算式为：

其中S

当接入线路分布阻抗参数差异超过阈值时，各分布式新能源变流器自适应动态下垂控制的下垂控制斜率系数k的设定，包括：根据各接入线路分布阻抗参数数据，选取接入线路分布阻抗参数居中的分布阻抗参数为基准，计算下垂系数的补偿。

所述接入线路分布阻抗参数，是根据线路两端遥测送回的功率及电压以及电压变动时的两次功率潮流计算公式，对接入回路的阻抗进行计算，所述接入线路分布阻抗参数满足下式：

式中，Q为瞬时无功功率，U

该方法还包括，通过FFT采样分析得出高频环流的频次及幅值，构建高频环流抑制的虚拟阻抗结构，得出串联谐振滤波器的频域传递函数，所述串联谐振滤波器的频域传递函数与高频环流幅值部分进行数字离散化相乘，得出高频环流抑制的虚拟阻抗电压分量，在PWM调制环与内环电流环的输出基准变流器侧电压相反向叠加；

构建高频环流抑制的虚拟阻抗结构包括：按照交流侧串联LCL虚拟阻抗的幅频特性构建高频环流抑制的虚拟阻抗，参考图4，所述串联谐振滤波器的频域传递函数为：

式中，G(s)为频域传递函数，L

本发明提供了一种分布式综合能源系统集中控制器，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的分布式综合能源系统控制方法。

本发明提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的分布式综合能源系统控制方法。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的分布式综合能源系统控制方法。

有益效果：相比于现有技术，本发明具有以下优点：分布式综合能源系统不需要单独实时监测整个系统的负荷或电源出力，只需要对源荷动态功率进行不同情况的调配以实现功率均衡，同时利用功率优化调配提升消纳率；实现了分布式综合能源系统的电压稳定控制和环流抑制控制，解决了针对新能源、可调源荷等分散并网后，存在由于分布阻抗不均衡造成的工频环流，以及各变流器高频调制所产生的高频环流问题。

附图说明

图1是分布式综合能源系统典型架构；

图2是本发明所述的区间功率优化调配及电压稳定功率补偿策略；

图3是本发明所述的基于分布参数叠加虚拟阻抗补偿技术的功率均衡技术；

图4是本发明所述分布式能源系统滤波器建模式环流辨识及抑制技术的控制框图；

图5是分布式综合能源系统仿真模型；

图6是本发明所述分布式综合能源系统区间源荷消纳仿真波形图；

图7是本发明所述高频环流抑制仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例1

本发明所述的分布式综合能源系统以交流配网为主网架，通过交流合环、直流互联等方式进行区域互联，各分布式新能源根据各自容量接入网架不同节点，主要确保线路负载率和电压合格率不超标。交流型分布式新能源直接接入交流配电侧，采用单/双母线分段等方式，各配电变压器参数一致下可采用合环运行，提升分布式新能源接入容量及消纳状况，若不一致则可采用背靠背变流器的方式进行互联，也可开环运行作为备用；直流型分布式新能源直接接入直流配电侧，采用共直流母线、星型、环型、网型等拓扑方式。直流配电可直接进行区域间联络，交流配电可通过合环运行、背靠背等交直交方式联络，在配变参数一致下也可采用变电所合环连接的联络方式。其中，分布式电源、分布式储能及分布式负荷根据各自交直流属性接入综合能源系统所在区的配网网架，分布式储能按照源荷功率不均衡的重心位置进行部署，以降低潮流交互式的损耗。区内源荷功率无法平衡等情况下，则通过区外联络通道与其他区进行功率调配，多区系统互联形成分布式综合能源系统。典型五区分布式综合能源系统架构如图1所示。

分布式综合能源系统采用集中控制系统及分布式控制终端进行整体能源调控，集中控制系统与控制终端采用集中自治的模式，两个控制层面采用两种时间尺度对可控对象进行调节。集中控制系统采用B/S或C/S架构，主要对系统各区域的电气节点做集中监控，通过EMS能量管控策略对系统潮流进行调控，负责对全局功率平衡及能量优化进行调控，实现绿色消纳提升、电压分布优化等目标。分布式控制终端对集中式控制系统的功率指令进行优化分析，控制终端主要进行功率快速控制，以实现快速响应、分层功率控制、分布阻抗参数及环流在线监测等，实现本地功率均衡、电压偏差最小等目标，终端可部署于各变电所/配电所的二次室，也可装于分布式综合能源的集中并网点，一般考虑分布式能源通讯集中接入的便利情况和并网测点测量需求进行设计，主要对并网变压器、辖内分布式综合能源、辖内分布负荷进行就地汇聚及控制。

实施例2

单区综合能源系统通过交流母线或直流联络线等通道进行对外联络，区内分布式源荷按照容量配比接入区内网架的不同节点，各区内综合能源系统的分布式新能源(电源)及可调负荷按照自然出力调控，仅需按照各电源的不均衡(由于接入阻抗参数不一致造成)情况及分布式新能源的变流器间的高频环流进行抑制，在保障就地消纳的前提下实现分布式源荷利用率的提升和稳定运行；单区综合能源系统通过交流合环或直流串接等方式进行区间联络，区间系统通过对交直交变流器的功率指令调节以实现互联区域的潮流互济，还可通过交流合环下对交流测储能的控制来实现对区间潮流的调节，将单个区内综合能源系统无法消纳的潮流进行区间交互，同时避免了功率交互时环流所造成失稳等问题，进一步提高分布式源荷的消纳率，同时提升配电等级全网的潮流调配能力，避免在新能源大发时期出现局部重载甚至逆功率的问题。

单区综合能源系统面对分散接入的源荷主要进行自动就地消纳，主要利用功率均衡及环流抑制技术对分布式新能源的下垂系数和环流分量进行下发，分布式新能源采用下垂控制和虚拟阻抗环流抑制控制算法，当区内存在无法消纳部分时集中控制系统进行区间调配以实现消纳。区间综合能源系统面对规模化源荷功率，可依托区间背靠背交直流或直流互联线路或储能对潮流分布进行调控，还可对各区内就地消纳后可能存在的单区逆功率部分进行优化分配。具体调配策略：首先进行区内交流源荷自动均衡，并动态监测区内逆功率等指标，区内的交流源荷功率在以台区为单位进行消纳基础上送至EMS能量管理模块进行判定。区间调配功率根据监测各区域的源荷消纳功率状况(源荷功率分为交流源荷功率叠加直流源荷功率)，再基于各台区源荷消纳容量比例(图中K

其中S

上述分布式综合能源系统，不需要单独实时监测整个系统的负荷或电源出力，只需要对源荷动态功率进行不同情况的调配以实现功率均衡，但仍需对分布式综合能源系统的电压稳定控制和环流抑制控制。

一、自适应功率均衡技术。各新能源源荷的变流器采用自适应动态下垂控制，在联络线分布参数差异较大时下垂系数叠加补偿虚拟阻抗分量(K

各ACDC变流器下垂控制斜率系数k的设定，以各接入线路的分布阻抗为基础，通过选取参数居中的分布参数及下垂系数的补偿，在变流器直流侧与公共直流母线之间引入了一个等效虚拟电阻Rvirl1，ACDC基准下垂电压即其空载电压Uref的设定，应考虑变流器电压的限值运行范围。

本技术需要动态辨识各接入线路的阻抗分布参数，可以利用电压变动时的两次功率潮流计算公式，对接入回路的阻抗进行计算求解，以某端ACDC为例，设定其他ACDC不变动，单独调节该ACDC的有功或无功潮流控制指令，通过考虑损耗变化的基于线路电压、功角的潮流联合公式求解，即可得出该回路的分布电阻及分布电感等参数。若为动态辨识交流系统的接入线路的分布参数，可根据集中控制器接收到线路两端遥测送回的功率及电压，按照基于首终端电压及阻抗的潮流计算公式求解该线路的分布参数。具体如下：

由(2)可得，

根据上式即可动态计算线路分布阻抗，此参数约定了分布式新能源及并联变流器的下垂系数的设定。

同时，选择接入线路分布阻抗参数居中间值的台区变流器作为基准变流器，通过慢时间尺度母线电压-功率闭环控制实现综合能源系统功率均衡的调节，从而在动态调节各ACDC变流器功率指令时保持系统电压暂态稳定，避免多机互联后频域稳定性出现异常，如图2中框内所示部分。

二，环流动态抑制技术。交直流系统的区间存在由于PWM调制所产生的多ACDC间的高频环流分量，对系统运行稳定性存在影响。

为抑制该分量，需要进行高频环流虚拟阻抗抑制控制，如图4所示，具体为通过在线检测装置对电网侧三相电流进行模拟采样，通过快速FFT采样分析，得出电网电气分量中高频环流的频次f_loop及幅值I_loop，按照交流侧串联LCL虚拟阻抗的幅频特性曲线构建高频环流抑制的虚拟阻抗，即为图4中的并联单调串联谐振滤波器的虚拟阻抗分量，分析得出该串联谐振滤波器的频域传递函数，再与所分离的高频环流幅值部分进行数字离散化相乘，得出高频环流抑制的虚拟阻抗电压分量，在PWM调制环与内环电流环的输出基准变流器侧电压相叠加，从而减去了产生高频环流分量的电压分量，实现了抑制高频环流的电流分量的作用。其中，串联谐振滤波器的频域传递函数为：

式中，G(s)为频域传递函数，L

仿真分析

区内综合能源系统的交流侧，交流侧采用单/双母线分段及开环运行方式，集中式源荷通过升压接入10/35KV，分散式源荷接入低压台区交流测；同时，两个区内综合能源系统通过各装设AC/DC变流器进行互联，互联方式采用串接方式，从而形成多区分布式综合能源系统。其中，分布式综合能源电源与负荷根据各自电源侧交直流属性接入所在区的综合能源系统网架。

以4区分布式综合能源仿真建模为例如图5所示。3个区内综合能源系统与另一个距离较远的区内能源系统构成一个多区分布式综合能源系统，两个区内综合能源系统通过直流串接互联，单个ACDC变流器容量为500kVA，通过所在配网的台区配电变压器接入，区内综合能源系统的交流测与直流侧分别接入一定容量的分布式电源与负荷。其中，交流电压/直流电压为380V/750V，直流线路阻抗分别为0.3、0.2、0.25、0.4，EMS功率分配采用区内消纳叠加区间互济功率进行管控，控制策略采用针对区间工频环流和高频环流抑制的自适应动态下垂控制，下垂基准参数为2.5e-4。

如图6所示，图6中的a)为ACDC-1～ACDC3的有功功率，图6中的b)为ACDC-1～ACDC3的瞬时直流电压。可以看到，EMS控制系统对区内源荷消纳进行管控，3.2s时，区内综合能源系统1～3由于新能源出力增大出现并网处逆功率，而区内综合能源系统4存在可用负荷，因此能量管理系统EMS通过调控各ACDC功率指令，ACDC-1输出功率从125kW增加到250kW，ACDC-2和ACDC-3均从100kW增加到195kW，动态下垂比例系统为5∶3.9∶3.9，实现了不同线路阻抗下的区域2和区域3工频功率相同，避免了工频环流，系统直流电压维持稳定；在5s时，各区域消纳功率回归原值，ACDC1-3变流器输出功率相应减小，ACDC4输出功率增加。各ACDC调节功率按优化源荷消纳容量系数分配需消纳功率，实现各区内综合能源系统按可用容量限值比例负荷互供，当出现逆功率时进行区内外潮流调控。

针对各分布接入同一交流母线的分布式源荷之间的高频环流，以及互联的ACDC变流器间存在的高频环流抑制问题，通过FFT技术对电网侧电流模拟量进行高频分量进行提取，得出频次为27th(1350Hz)，设置环流抑制虚拟阻抗频次为27th(1350Hz)，设计单调串谐滤波器中L、C、R的参数并得出传递函数，通过传递函数分流公式得出抑制高频环流的虚拟阻抗电压分量，在调制环叠加该频次抑制电压分量，启动变流器的高频虚拟阻抗控制，从而抵消了ACDC变流器阀侧电压的高频电压分量及其所产生的高频环流部分，避免了相应损耗及所造成的不稳定因素。如图7所示，图7中的a)为未进行高频环流抑制的交流电流频谱，图7中的b)为进行高频环流虚拟阻抗抑制后的交流电流频谱。

在一个实施例中，提供了一种分布式综合能源系统集中控制器，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的分布式综合能源系统控制方法。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的分布式综合能源系统控制方法。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的分布式综合能源系统控制方法。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。