CN102904288A - 一种用于含风光柴储孤立微电网的稳态运行策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于含风光柴储孤立微电网的稳态运行策略，该策略细分为5种运行模式。首先把储能SOC划分为4个运行区间，以储能SOC作为运行策略划分启动条件，决定储能设备的充放电状态选择边界；然后由储能SOC及其充放电状态确定柴油发电机的启停状态和不可运行区域；再由储能SOC、充放电状态和柴油发电机状态决定微电网的主电源；最后确定微电网的运行模式和模式切换时序。本发明用于的孤立微电网包括与主网完全没有电气连接的孤立型微网或者处于孤岛运行模式的并网型微电网。本发明可以充分利用储能设备提高微电网的精细化运行，提高系统备用水平、运行稳定性、供电可靠性和可再生能源利用率。

Description

一种用于含风光柴储孤立微电网的稳态运行策略

技术领域

本发明属于智能微电网技术领域，特别涉及一种用于含风光柴储孤立微电网的稳态运行策略。

背景技术

微电网将分布式电源、负荷、储能设备及控制装置等结合，形成一个可控可调度的单元，向用户提供电能和热能等多种能量形式，具备并网和离网两种基本运行模式。微电网内的分布式电源可以含有多种能源形式，包括风光等可再生能源、不可再生能源、微型燃气轮机发电系统，还可通过热电联产或是冷热电联产的形式向用户供热或制冷，提高能源多级利用效率。微电网协调了大电网（配电网）与分布式电源直接并网发电的矛盾,具有非常灵活的运行方式和控制策略，充分发挥了分布式发电为电网和用户所能带来的价值和效益，尤其在地震、洪涝、雪灾和电网故障等情况下，优势更加明显，是智能电网的一个重要组成部分，因此成为了近年来的研发热点。

微电网承受扰动的能力相对较弱，尤其是孤立型微网或者处于孤岛运行模式的微网，可再生能源发电的间歇性、随机性和波动性使得其面临更大运行风险，因此，微电网的运行控制和能量管理是需要研究的重要内容。目前开展的研发工作主要偏向于规划阶段，考虑单一或者部分运行模式和电源设备在某一时段的经济运行和能量优化，对微电网的稳定性和可靠性的考虑欠缺，没有充分考虑储能设备的实际运行情况及其在具有可再生能源微电网中起到的“润滑”和“缓冲”作用，没有对微电网的运行策略及运行模式做好“顶层设计”。

微电网稳态运行策略，微电网为孤立型电网，包括了风机发电机、光伏发电机、柴油发电机和电池储能设备。可再生能源发电超过负荷用电时，以及可再生能源发电和储能能够维持负荷较长时间用电时，所有柴油机停运，直到可再生能源发电不足以维持负荷时投入柴油发电机。在柴油发电机的运行过程中，依靠储能的调节作用，尽量多利用可再生能源发电以减少燃料的消耗。依靠准确的负荷预测和可再生能源发电预测，提高系统运行的经济性和可靠性，最大限度利用风光出力和减少失负荷容量的同时，应该尽量减少柴油发电机启停机次数以及储能充放电循环次数。储能系统充电主要用于解决柴油发电机低效率问题和负净负荷问题，储能系统放电主要用于解决柴油发电机高出力问题和正净负荷问题，以及调节储能系统SOC。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种用于含风光柴储孤立微电网的稳态运行策略。为孤立微电网提供精细化的运行策略，提高系统运行稳定性、供电可靠性和可再生能源利用率。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种用于含风光柴储孤立微电网的稳态运行策略，包括如下步骤：

1）确定储能的荷电状态SOC的状态值SOC_min、SOC_mid和SOC_max，其中SOC_min＜SOC_mid＜SOC_max，把储能荷电状态SOC划分为4个运行区间，以储能荷电状态SOC作为运行策略划分启动条件，决定储能设备的充放电状态选择边界；

2）由储能荷电状态SOC及储能充放电状态确定柴油发电机的启停状态和不可运行区域；

3）根据储能荷电状态SOC、储能充放电状态和柴油发电机状态确定柴油发电机或储能设备为微电网的主电源；

4）根据储能荷电状态SOC区间、储能充放电状态、柴油发电机启停状态和微电网的主电源，确定微电网的运行模式和模式切换。

步骤4）所述的微电网的运行模式包括以下情况：

运行模式1为储能为主电源，柴油发电机为开启状态，储能为充电状态；

运行模式2为储能为主电源，储能为放电状态，柴油发电机为停运状态；

运行模式3为柴油发电机为主电源开启状态，储能为放电状态；

运行模式4为柴油发电机为主电源开启状态，储能为充电状态；

运行模式5为储能为主电源，柴油发电机为开启状态，储能为放电状态。

所述步骤1）中的SOC_mid为储能系统充放电转换的临界状态值，SOC_mid设为SOC_min与SOC_max的平均值。

本发明运行策略的基本运行和控制原则为：

（1）可再生能源发电超过负荷用电时，以及可再生能源发电和储能能够维持负荷较长时间用电时，所有柴油机停运，直到可再生能源发电不足以维持负荷时投入柴油发电机。在柴油发电机的运行过程中，尽量多利用可再生能源发电以减少燃料的消耗，这个目标主要依靠储能的调节作用。

（2）提高系统运行的经济性和可靠性，最大限度利用风光出力和减少失负荷容量的同时，应该尽量减少柴发启停机次数以及储能充放电循环次数，这个目标主要依靠准确的负荷预测和可再生能源发电预测。

（3）储能系统充电主要用于解决柴发低效率问题和负净负荷问题；储能系统放电主要用于解决柴发高出力问题和正净负荷问题，以及调节储能系统SOC。

（4）储能系统至于预留一定容量，用于保证额定功率下放电15min（风光功率预测预报时间分辨率），随时监测其放电功率大小。

（5）柴油发电机组向电网提供有功功率和无功功率。为了最大限度地利用机组容量并保证发电可靠性，考虑了每一台柴油发电机组的经济运行区间和可靠运行区间。

（6）当微网内的功率发生变化时，为避免暂时性的变化使系统频繁动作，认为只有当某一变化持续时间超过一定的时间时，这种变化是稳定的，系统可以按照控制策略的要求进行动作。

（7）随时监测储能充电电流I_cha、电池端电压V_bat和电池SOC，一旦高于最大限制，则立刻限制为可接受范围内的最大值I_chamax、V_max、SOC_max，计算电池充电功率P_BCh,max，取（I_cha×V_max，I_chamax×V_bat，

）中的最小值。。

（8）柴油发电机低负载启动，会有很大的燃料消耗，考虑柴油发电机至少达到某一限定功率时才可以启动。为避免柴油发电机频繁动作，只要指令与实际出力的差值在某个范围内，那么柴油发电机仍采用上一个指令值，不再动作。柴油发电机启动后至少运行若干时间。

（9）柴油发电机组向电网提供有功功率和无功功率，为了最大限度地利用机组容量并保证发电可靠性，以30～80%额定功率作为每一台柴油发电机组的经济运行区间和可靠运行区间。

（10）柴油发电机低负载启动，会有很大的燃料消耗，如负载为满载的40%时，燃料消耗率接近满载，因此，柴油发电机至少达到50%额定功率时才可以启动。

（11）为避免柴油发电机频繁动作，设定阈值-20<(指令－柴油发电机实际出力)<40，只要指令与实际出力的差值在这个范围内，那么柴油发电机仍采用上一个指令值，不再动作。

（12）柴油发电机启动后至少运行若干时间，最小运行时间为t_D，min。

（13）按照电源出力和电源额定功率成比例的原则，在多个非主电源之间分配功率。

（14）若需切负荷，首先以各负荷点实际大小进行排序，切除与需切负荷量大小接近的负荷。

附图说明

图1是孤立微电网运行策略表；

图2是采用本发明对某孤立海岛微电网某一时段（时间间隔为1小时）进行运行策略判断得到的运行模式切换时序；

图3是采用本发明对某孤立海岛微电网某一时段（时间间隔为1小时）进行运行策略判断得到的储能SOC的变化曲线。

具体实施方式

下面根据说明书附图并结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细表述。

首先，确定SOC_min、SOC_mid和SOC_max（SOC_min＜SOC_mid＜SOC_max），把储能荷电状态SOC划分为4个区间，以储能荷电状态SOC作为运行策略划分启动条件，决定储能设备的充放电状态选择边界；储能系统至预留一定容量，用于保证额定功率下放电15min（风光功率预测预报时间分辨率），随时监测其放电功率大小。同时，随时监测储能充电电流I_cha、电池端电压V_bat和电池SOC，则立刻限制为可接受范围内的最大值I_chamax、V_max、SOC_max，计算电池充电功率P_BCh,max，取（I_cha×V_max，I_chamax×V_bat，

）中的最小值。

其次，由储能荷电状态SOC及其充放电状态确定柴油发电机的启停状态和不可运行区域；柴油发电机组向电网提供有功功率和无功功率，为了最大限度地利用机组容量并保证发电可靠性，以30～80%额定功率作为每一台柴油发电机组的经济运行区间和可靠运行区间。柴油发电机低负载启动，会有很大的燃料消耗，如负载为满载的40%时，燃料消耗率接近满载，因此，柴油发电机至少达到50%额定功率时才可以启动。为避免柴油发电机频繁动作，设定阈值-20<(指令－柴油发电机实际出力)<40，只要指令与实际出力的差值在这个范围内，那么柴油发电机仍采用上一个指令值，不再动作。柴油发电机启动后至少运行若干时间，最小运行时间为t_D，min。

然后，由储能SOC、充放电状态和柴油发电机状态决定微电网的主电源；柴油发电机和储能设备可以作为候选主电源，间歇式能源不能作为主电源；主电源承担了系统调频调压的作用，以建立可稳定运行的模式。

最后，由储能SOC区间、储能充放电状态、柴油发电机启停状态和微电网的主电源选择，确定微电网的运行模式和模式切换。按照电源出力和电源额定功率成比例的原则，在多个非主电源之间分配功率。若需切负荷，首先以各负荷点实际大小进行排序，切除与需切负荷量大小接近的负荷。

图1所示为微电网运行策略表。以储能SOC作为运行策略划分启动条件，SOC首先决定了储能的充放电状态选择边界；由储能SOC和充放电状态确定柴油发电机的不可运行区域；最后由储能SOC、充放电状态和柴油发电机状态决定主电源以及对应的运行模式。共细分为5个运行模式，柴油发电机做主电源时，储能分充电和放电两种模式，对应运行模式3和运行模式4；储能做电源时，放电状态下分柴油发电机分开启和停运两种模式，对应运行模式5和运行模式2，充电状态下只含柴油发电机开启模式，即运行模式1。

5个运行模式之间的切换中的关键判断环节或指标的分析如下：

1）时间间隔ΔT的选择

ΔT太小，则系统有可能频繁进行模式切换，影响电源运行的经济性和可靠性；若太大，则系统运行的精细度不足，负荷跟踪不到位，可靠性较差。风光出力影响了储能SOC，进行影响了模式选择，建议ΔT的取值与风光出力预测预报的时间分辨率保持一致，即最小的ΔT为15分钟；最大的ΔT值取决于微电网中的储能容量大小，建议不要超过1h。

2）快速进入模式1的判断

模式1要求柴油发电机的运行时间不少于t_D，min，若上一时刻系统运行在模式1中，在该时间需要判断柴油发电机的累计运行时间是否到达了t_D，min，若达到且储能的SOC也达到最大值，则进入正常的流程顺序，否则直接保持模式1运行。

3）SOC_mid的确定

SOCmid是储能系统充放电转换的临界SOC，用于避免储能系统反复充放电现象的出现。SOC_mid设定得越高，则储能放电转充电越容易，风光弃能量可能越少，但储能的充放电转换可能越频繁。SOC_mid设定越低则相反，可能导致风光弃能量的增加，但便于控制储能充放电循环次数。推荐SOC_mid设定在SOC_min与SOC_max的平均值附近，接近于SOC_min的某个数值。SOC_mid优化设定可通过运行模拟分析进一步研究。

3）储能是否进入充电状态的判断

因储能的主要作用是维持柴油发电机运行在经济运行区间和可靠运行区间，同时调节净负荷，消纳尽可能多的风光出力，避免出现弃风弃光。判断方法如下：利用风光日内超短期预测预报数据计算分析，在接下来一段时间（不超过4h）内，储能出力为0的情况下，柴油发电机的非经济运行时间和风光弃能量百分比。若柴油发电机存在非经济运行（或超过某一时间如15分钟）或者弃风弃光情况严重（如百分比超过30%），则判断为需要转入充电状态；否则判断为不需要。若需要，且储能本在充电运行状态，则不需要进行模式切换，否则进行状态转换。

4）主电源的选择

主电源主要维持微电网电压和频率的稳定，主电源节点类似于大电网中的平衡节点。本运行策略在考虑储能SOC的基础上对主电源的选择采取独立策略，即认为在SOC满足一定条件下，柴油发电机和储能都可以做主电源。

5）柴油发电机是否开启的判断

当储能SOC＞SOC_mid时，且储能作为主电源进入放电状态时，需要判断柴油发电机的启停，对应进入模式5和模式2。

在上述条件下，柴油发电机的主要作用是确保储能的放电功率不超过P_BDis，max，同时尽量运行在经济运行区间内。判断方法如下：利用风光日内超短期预测预报数据计算分析，在接下来一段时间（不超过4h）内，柴油发电机停运的情况下，储能的放电功率超过P_BDis,max的时间超过某一判断值（如15分钟），同时，柴油发电机开启的情况下，其非经济运行时间不超过某一判断值（如15分钟），则判断为需要开启柴油发电机；否则判断为不需要。若需要，且柴油发电机已开启，则不需要进行模式切换，否则进行状态转换。

柴油发电机做主电源时，储能分充电和放电两种模式，对应运行模式4和运行模式3，其中关键判断环节或指标的分析如下：

1）储能放电功率参考值

的计算

柴油发电机做主电源时主要考虑储能用于吸收额外的风光出力以及避免柴油发电机运行在最低运行效率以下。因此，在放电环节中，储能应以可能的最大放电功率释放所存储的电能，以尽快进入充电环节，避免或减少弃能的出现。

的计算方法如下：

$P_{\mathrm{BDis}}^{T_{\mathrm{ref}}}=\max (P_{\mathrm{BDis},\mathrm{count}},P_{\mathrm{BDis},\max })$

$P_{\mathrm{BDis},\mathrm{count}}=\frac{({\mathrm{SOC}}_t-{\mathrm{SOC}}_{\min })\&times;C_I}{t-t_{\mathrm{ref}}}$

其中，SOC_t为当前时刻下的储能SOC，C_I为储能系统的设计可使用容量。t_ref为一个设定的放电终止时间，根据风光出力预测曲线和负荷预测曲线综合判断，例如，可考虑设定为次日凌晨7:00（次日光伏出力之前），或是其它期望储能转入充电的时刻。

储能做主电源时，放电状态下分柴油发电机分开启和停运两种模式，充电状态下只含柴油发电机开启模式，对应运行模式5、运行模式2和运行模式1。储能做主电源时的关键判断环节或指标的分析如下：

流程中涉及的关键判断环节或指标的分析如下：

1）切除负荷量

考虑与

大小相近的负荷，可根据负荷重要性，选择若干非重要负荷组合进行切除，切除量达到

即可。

2）切除风光量

首先考虑切除风机，其次考虑切除光伏；风机按台数依次切除，光伏按每组100kW切除；切除量达到

即可。为维持柴油发电机最低出力和储能最小出力，风光量

可超切。

实施例：某孤立海岛微电网运行策略分析

该海岛远离大陆，其电网属与主电网“完全电气隔离”的孤立微电网，岛上建设了风机、光伏、储能和柴油发电机等电源系统，建设了风力发电和光伏发电功率预测和负荷预测系统。选择某一时段（1小时）的电源、电网和负荷情况进行运行策略分析，15分钟进行一次运行模式选择，SOC_min、SOC_mid和SOC_max分别取值为0.3、0.6和0.9。微电网的初始运行模式为模式3，初始SOC为0.7，柴油发电机做主电源，储能处于放电状态。图2是未来一个小时的运行模式及其切换时序，图3是对应的储能SOC变化曲线。第1-15分钟，通过风光超短期出力预测等数据计算得到，接下来的1个小时内，在储能出力为0的情况下，柴油发电机的非经济运行时间超过15分钟，判断储能需要转入充电状态，进而进入运行模式4。第16-30分钟，储能初始SOC为0.8，通过风光超短期出力预测等数据计算得到，接下来的1个小时内，在储能出力为0的情况下，柴油发电机的非经济运行时间和风光弃电量均满足边界要求，储能转入放电状态，进而进入运行模式3。第31-45分钟，储能初始SOC为0.45，同样的判断和选择方法，微电网保持运行模式3。第46-60分钟，储能初始SOC为0.2，同样的判断和选择方法，微电网转入运行模式4。

本发明结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当处于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于含风光柴储孤立微电网的稳态运行策略，其特征在于包括如下步骤：

1）确定储能的荷电状态SOC的状态值SOC_min、SOC_mid和SOC_max，其中SOC_min＜SOC_mid＜SOC_max，把储能荷电状态SOC划分为4个运行区间，以储能荷电状态SOC作为运行策略划分启动条件，决定储能设备的充放电状态选择边界；

2）由储能荷电状态SOC及储能充放电状态确定柴油发电机的启停状态和不可运行区域；

3）根据储能荷电状态SOC、储能充放电状态和柴油发电机状态确定柴油发电机或储能设备为微电网的主电源；

4）根据储能荷电状态SOC区间、储能充放电状态、柴油发电机启停状态和微电网的主电源，确定微电网的运行模式和模式切换。

2.根据权利要求1所述用于含风光柴储孤立微电网的稳态运行策略，其特征在于步骤4）所述的微电网的运行模式包括以下情况：

运行模式1为储能为主电源，柴油发电机为开启状态，储能为充电状态；

运行模式2为储能为主电源，储能为放电状态，柴油发电机为停运状态；

运行模式3为柴油发电机为主电源开启状态，储能为放电状态；

运行模式4为柴油发电机为主电源开启状态，储能为充电状态；

运行模式5为储能为主电源，柴油发电机为开启状态，储能为放电状态。

3.根据权利要求1所述用于含风光柴储孤立微电网的稳态运行策略，其特征在于所述步骤1）中的SOC_mid为储能系统充放电转换的临界状态值，SOC_mid设为SOC_min与SOC_max的平均值。

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