一种基于协同无功控制的微电网并离网切换构网型储能功率协调控制方法及系统与流程

本发明涉及微电网运行控制，具体涉及一种基于协同无功控制的并离网切换构网型储能功率协调控制方法及系统，尤其涉及一种面向构网型储能参与的并离网切换过程中的功率分配与无功调控优化控制，适用于偏远供电及配电网末端微电网系统。

背景技术：

1、随着“双碳”目标推进和新能源占比不断提高，微电网作为整合分布式能源、保障供电可靠性的重要载体，其运行模式灵活切换能力成为保障系统安全稳定运行的关键技术。构网型储能变流器（grid-forming power conversion system，gfm-pcs）通过模拟旋转电机机电暂态，呈现电压源外特性，是切换过程中的核心支撑单元，已在微电网中获得日益广泛的应用。在并离网切换场景中，构网型储能需要能够自适应的离并网运行，以满足不同工况下的功率调度需求。

2、然而，在并离网非线性切换边界上，现有控制架构仍暴露出工程适应性问题：微电网低压线路阻感比较高，有功与无功潮流存在天然耦合，切换期间构网型储能变流器有功出力的快速变化伴随虚拟功角移动，在阻感网络下会向无功通道引入耦合扰动，现有无功下垂控制仅响应电压幅值偏差，无法抵消该扰动。构网型储能的无功调控能力未能充分发挥，无功指令与有功调度之间缺乏协调机制，造成切换期间系统电压支撑不足、无功环流增大，影响切换过程的平稳性。

3、因此，亟需一种面向并离网切换过程的构网型储能协调控制技术，将特征辨识与有功-无功协同优化融合，以减少切换冲击、提升微电网运行韧性。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于协同无功控制的并离网切换构网型储能功率协调控制方法及系统，通过实时辨识并离网切换暂态特征，构建构网型储能系统功率分配与无功调控的多目标优化模型，动态优化储能有功出力分配与无功调控指令，从而解决切换过程中构网型储能无功资源利用效率低、系统稳定性不足的问题，提升微电网并离网切换的响应速度与自适应运行能力。

2、本发明采用如下的技术方案。

3、本发明的第一方面提供了一种基于协同无功控制的微电网并离网切换构网型储能功率协调控制方法，包括以下步骤：

4、选定需实时采集微电网运行数据，用于辨识并离网切换暂态特征，判断微电网运行状态；

5、在含构网型储能的微电网并离网切换等效电路模型基础上，构建协同无功控制框架，包括：电压指令转换、无功功率分配和有功-无功协调控制；

6、基于协同无功控制框架，构建以各构网型储能变流器的无功下垂系数调节量为优化变量，以暂态电压偏差最小、无功容量利用率最大化为目标的构网型储能功率协调多目标优化模型；

7、采用多目标优化算法离线求解所建立的所述构网型储能功率协调多目标优化模型，生成覆盖典型运行工况的最优无功下垂系数调节量映射表；

8、在线查表获取最优无功下垂系数调节量，动态调整无功下垂系数并执行闭环反馈校正。

9、优选地，所述选定需实时采集微电网运行数据，用于辨识并离网切换暂态特征，判断微电网运行状态；包括：

10、通过硬接线实时采集并网点电气运行数据，包括：并网点三相电压瞬时值、三相电流瞬时值、系统频率

f、有功功率

p、无功功率

q和并网开关辅助触点位置信号

sgrid，其中，

sgrid= 1表示闭合，

sgrid= 0表示断开；

11、基于获取的并网点电气运行数据，通过滑动时间窗口实时计算以下暂态特征量：电压幅值变化率δ

u/δ

t、频率变化率

df/

dt、有功功率变化率δ

p/δ

t和无功功率变化率δ

q/δ

t；

12、将获取的所述暂态特征量与预设阈值进行比较，同时结合并网开关辅助触点位置信号

sgrid的当前值与历史值，判断微电网运行状态为并网稳态、离网稳态、并网转离网切换暂态或离网转并网切换暂态；

13、判定进入切换暂态后，立即锁存切换起始时刻

t0，并提取该切换起始时刻

t0前后窗口内的功率冲击峰值δ

pgap、总无功缺额δ

qgap及冲击方向，作为多目标优化模型的约束边界输入。

14、优选地，所述在含构网型储能的微电网并离网切换等效电路模型基础上，构建协同无功控制框架，包括：电压指令转换、无功功率分配和有功-无功协调控制包括：

15、构建含构网型储能的微电网并离网切换等效电路模型，所述等效电路模型将构网型储能变流器等效为受控电压源，采用虚拟同步发电机控制策略，有功控制环执行有功-频率下垂控制，无功控制环执行无功-电压下垂控制；

16、基于建立的所述微电网并离网切换等效电路模型，构建协同无功控制框架，其中，所述电压指令转换包括：根据并网点正序电压幅值偏差生成总无功支撑基准值；所述无功功率分配包括：按各构网型储能变流器可用无功容量裕度进行初始分配；所述有功-无功协调控制包括：基于多目标优化模型输出的无功下垂系数调节量，更新各储能变流器实际执行的无功下垂系数。

17、优选地，所述基于协同无功控制框架，构建以各构网型储能变流器的无功下垂系数调节量为优化变量，以暂态电压偏差最小、无功容量利用率最大化为目标的构网型储能功率协调多目标优化模型包括：

18、以各构网型储能变流器的无功下垂系数调节量为优化变量，将基于额定工况离线整定的无功下垂系数初值与无功下垂系数调节量之和作为实际执行的无功下垂系数；

19、切换过程中

t时刻电压偏差δ

u(

t)在切换过程持续时间范围内的积分即为切换过程电压偏差，由此构建以切换过程电压偏差最小化为目标的第一目标函数；

20、全部构网型储能变流器实际无功出力之和相对于最大可用无功容量裕量的占比即为无功容量利用率，构建以无功容量利用率最大化为目标的第二目标函数。

21、优选地，基于构网型储能变流器的控制方程和系统功率平衡关系，将第一目标函数中的切换过程中

t时刻电压偏差δ

u(

t)表达为无功下垂系数调节量δ

dq,i的代数函数，用于实现实现优化求解。

22、优选地，将第二目标函数中的各构网型储能变流器的实际无功出力表达为下垂响应分量和有功耦合前馈补偿分量的叠加，其中，基于优化后实际执行的无功下垂系数产生下垂响应分量，基于构网型储能变流器

i的前馈补偿系数和辨识的功率冲击斜率产生有功耦合前馈补偿分量。

23、优选地，为第一目标函数和第二目标函数设置约束条件，包括：无功下垂系数调节量边界约束、无功容量限值约束和总无功下垂系数下限约束；

24、其中，所述无功下垂系数调节量边界约束为各构网型储能变流器的无功下垂系数的调节量不低于调节量下限且不高于调节量上限；

25、所述无功容量限值为切换过程中各构网型储能变流器输出或汲取的无功功率不超过其可用无功容量裕度；

26、所述总无功下垂系数下限约束为总无功下垂系数不低于总无功功率缺额或盈余与电压允许偏差。

27、优选地，所述采用多目标优化算法离线求解所建立的所述构网型储能功率协调多目标优化模型，生成覆盖典型运行工况的最优无功下垂系数调节量映射表包括：

28、选取暂态特征量作为工况索引维度，并在其预期变化范围内进行离散化；

29、采用改进nsga-ii作为多目标优化算法，对建立的构网型储能变流器功率协调多目标优化模型进行求解；

30、将所有离散工况点的索引值及其对应的最优无功下垂系数调节量组织为多维查找表。

31、优选地，所述在线查表获取最优无功下垂系数调节量，动态调整无功下垂系数并执行闭环反馈校正包括：

32、读取当前计算得到的暂态特征量：总无功缺额、功率冲击峰值、切换起始时刻

t0的电压偏差δ

u(

t0)及各构网型储能变流器的可用无功容量裕度统计值；快速计算各构网型储能变流器对应的无功下垂系数调节量；

33、经边界约束限幅后，作为最终调节量更新实际执行的无功下垂系数；

34、参数更新后，控制器持续监测并网点电压幅值并与预期响应进行比较，满足设定条件时，进行有限步长的参数微调；

35、进入目标稳态运行模式时，锁定当前优化后的无功下垂系数作为新的稳态基准值，停止查表及反馈校正计算，退出切换优化模式，恢复常规稳态下垂控制。

36、本发明的第二方面提供了一种基于协同无功控制的微电网并离网切换构网型储能功率协调控制系统，运行根据第一方面所述的微电网并离网切换构网型储能功率协调控制方法，包括：采集与辨识模块、协同无功控制框架模块、求解器、存储器和输出模块；

37、所述采集与辨识模块用于实时采集微电网运行状态数据与辨识暂态特征；

38、所述协同无功控制框架模块用于根据并网点电压偏差生成总无功支撑基准值，按各储能单元无功裕度进行初始分配，接收多目标优化模型输出的无功下垂系数调节量，更新各储能单元实际执行的无功下垂系数；

39、所述求解器用于求解构网型储能功率协调多目标优化模型，产生无功下垂系数调节量；

40、所述存储器用于存储由所有离散工况点的索引值及其对应的最优调节量组织成多维查找表；

41、所述输出模块用于在所述采集与辨识模块辨识出系统进入切换暂态并提取暂态特征量后，在线查表获取最优调节量，动态调整无功下垂系数并执行闭环反馈校正。

42、与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

43、1）通过实时辨识并离网切换暂态特征，实现了切换状态的精准判断，为后续优化控制提供了准确的时序基准和约束条件，提高了控制的针对性和时效性。

44、2）本发明以无功容量利用率为优化目标之一，在优化求解中充分考虑各储能单元的可用无功裕度差异，引导无功出力向裕度充裕的单元倾斜，避免部分单元因无功过载而提前限幅。相比现有按固定比例分配或仅依赖本地电压下垂的被动响应方式，本发明显著提升了系统整体无功资源的利用效率，缓解了切换暂态期间的无功分配不均问题。

45、3）本发明在无功控制通道中嵌入了基于有功变化率的前馈补偿项，主动抵消因有功快速调节引起的功角移动对无功测量的耦合扰动。该机制从物理机理层面削弱了多机并联切换时的无功环流幅值。

46、4）本发明通过实时辨识切换暂态特征量，动态匹配最优控制参数，使构网型储能系统能够自适应应对不同功率缺额、无功冲击水平下的并离网切换场景。引入闭环反馈校正机制，根据实际响应曲线与目标值之间的偏差进行实时修正，增强了控制策略对工况变化的适应能力。