CN103199556A - 一种微电网能量管理方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微电网能量管理方法及其系统，包括超级电容储能管理模块、并网储能管理模块、离网储能管理模块和离网发电与负荷管理模块。能量管理模块的依据是微电网内发电功率和负荷功率的差额。超级电容能量管理模块将微电网内功率差额值中的高频部分尽量包含在超级电容功率设定值中。并网储能管理模块按照储能剩余容量加权分配算法和储能充放电功率设定曲线对微电网内的各个储能进行功率设定。离网储能管理模块按照储能充放电功率曲线对微电网内除主储能外的其余储能进行功率设定。发电和负荷管理模块按照并网管理策略或离网管理策略对微电网内的电源和负荷进行控制。
Description
技术领域
本发明属于新能源发电领域，具体涉及一种微电网能量管理方法及其系统。
背景技术
全球能源危机与环境问题促进了可再生能源发电的快速发展。在改善能源结构的同时，可再生能源发电也引入了一些技术问题，其中关于电网接入问题的研究形成了分布式发电（DG）研究领域。DG位置灵活分散的特点很好地适应了分散电力需求和资源分布，延缓了输配电网升级换代所需的巨大投资，但DG单机接入成本高，容量小，运行不确定性强，有些受制于自然条件，缺少灵活可控的特点，对大电网是一个不可控源。大电网对DG多采取隔离限制措施，这限制了DG的效能发挥。为了更充分地发挥DG的价值与效益，微电网的概念被提出。微电网本质上是由负荷和DG组成的、连接在中低压配电网或用户负荷附近的独立可控系统，可以并网运行或独立运行。微电网集成DG与负荷的特点使得微电网摆脱了DG运行不确定、控制困难的缺点，但是微电网发展引入了一些新的问题，如微电网的整体控制、微网内的储能、微电网运行的经济性优化等。
微电网的控制是保障微电网达标运行的基础，需做到根据本地信息对事件做出快速独立的响应，以维持微电网的持续稳定运行。微电网控制的主要目标有：有功、无功的独立控制；平滑地与电网并列、分离；自主选择运行策略等。按层次划分，微电网控制可分为两层，即以功能为导向的底层设备自身控制和以目标为导向的上层管理控制。底层控制是微电网控制的基础，功能实现的保障，其主要包括电源、储能和负荷等的自身控制；上层控制则是以微电网经济有效运行为目标，主要包括微电网协调控制、微电网能量管理系统、微电网电能质量控制等。
微电网能量管理系统管理着微电网内部的电源、储能和负荷，使微电网在并网或离网状态下达到一个优化后的功率平衡。微电网能量管理系统主要包括数据采集和监控系统、自动发电控制、可再生能源发电预测、负荷控制、负荷预测、经济性优化控制和储能优化控制系统等。与传统大电网能量管理系统相比，微电网能量管理系统有很多相似之处，如都包括数据采集和监控系统、发电控制、经济性优化控制等，但微电网能量管理系统也有其独特之处，如储能优化控制系统、可再生能源发电预测等。此外，微电网可以并网运行或独立运行，在不同的运行模式下，微电网能量管理系统需制定相应的优化管理方法。微电网结构和运行的独特性决定了微电网能量管理需要提出适合自身的能量管理方法。
目前微电网能量管理方法考虑的微电网内的储能基本为单类型储能，如蓄电池，没有涉及微电网内多类型储能的管理方法。微电网内可能会出现多种类型的储能单元，微电网能量管理需考虑并网运行或独立运行情况下多类型储能的管理方法。微网内各种类型的储能单元都需要对其进行充放电控制，将各种类型储能单元的充放电控制统一起来，并可灵活进行针对性调整是目前微电网能量管理方法还欠缺的。微电网可以并网运行或独立运行，两种情形下的能量管理方法有所区别，且相互需有所关联，目前的能量管理方法对此考虑还有所欠缺。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种微电网能量管理方法及其系统，实现了微电网并网和离网状态下的储能优化控制、发电控制和负荷控制。
本发明提供的一种微电网能量管理方法，其改进之处在于，能量管理系统计算微电网发电功率和负荷功率的差额Pmar，传给超级电容储能管理模块；所述超级电容储能管理模块输出超级电容充放电功率设定参考值Psc·ref并判断电网运行状态；若微电网为并网运行，则将差额Pmar减去超级电容充放电功率设定参考值Psc·ref的结果传给并网储能管理模块；若微电网为离网运行，则将差额Pmar减去超级电容充放电功率设定参考值Psc·ref的结果传给离网储能管理模块；所述离网储能管理模块输出功率不平衡差额Prem至离网发电与负荷管理模块，进行发电控制和负荷控制。
其中，所述超级电容储能管理模块包括低通滤波和超级电容充放电管理模块；
所述差额Pmar输入低通滤波模块，减去低通滤波后的值传给超级电容充放电管理模块，输出超级电容功率参考值Psc·ref。
其中，所述并网储能管理模块包括液钒电池功率加权分配模块、并网液钒电池充放电管理模块、并网铁锂电池充放电管理模块和超级电容充放电管理模块；
所述差额Pmar减去超级电容功率参考值Psc·ref得到的并离网调整参考值Pref传给液钒电池功率加权分配模块，得到液钒电池功率设定参考值Pvan·ref后再传给并网液钒电池充放电管理模块，得到液钒电池功率设定值Pvan·set；将所述并离网调整参考值Pref减去液钒电池功率设定值Pvan·set得到的铁锂电池功率设定参考值PFeLi·ref传给并网铁锂电池充放电管理模块，得到铁锂电池功率设定值PFeLi·set；所述铁锂电池功率设定值PFeLi·set、所述超级电容功率参考值Psc·ref和所述铁锂电池功率设定值PFeLi·set相加后输入超级电容充放电管理模块，得到超级电容功率设定值Psc·set。
其中，所述离网储能管理模块包括离网液钒电池充放电管理模块、超级电容充放电管理模块和离网铁锂电池充放电管理模块；
并离网调整参考值Pref输入离网液钒电池充放电管理模块，得到液钒电池功率设定值Pvan·set；所述并离网调整参考值Pref加上所述超级电容功率参考值Psc·ref减去所述液钒电池功率设定值Pvan·set得到超级电容功率设定参考值Psc·set·ref，传给超级电容充放电管理模块，得到超级电容功率设定值Psc·set；所述超级电容功率设定参考值Psc·set·ref减去所述超级电容功率设定值Psc·set得到主储能参考值Pmain，传给离网铁锂电池充放电管理模块，得到铁锂电池功率设定参考值PFeLi·ref和功率不平衡差额Prem。
其中，所述功率不平衡差额Prem为所述主储能参考值Pmain减去铁锂电池功率设定参考值PFeLi·ref后的值。
其中，所述超级电容充放电管理模块根据输入的功率值，查询对应储能充放电功率设定曲线，得到输出功率值；
所述储能充放电功率设定曲线设置有三个充电定值和三个放电定值，储能剩余容量介于不同的定值区间时，选择对应的输出功率值输出；
所述超级电容充放电管理模块的充放电定值独立设置。
其中，所述并网液钒电池充放电管理模块和并网铁锂电池充放电管理模块根据输入的功率值，查询对应储能充放电功率设定曲线，得到输出功率值；
所述储能充放电功率设定曲线设置有三个充电定值和三个放电定值，储能剩余容量介于不同的定值区间时，选择对应的输出功率值输出；
所述并网液钒电池充放电管理模块和并网铁锂电池充放电管理模块的充放电定值均独立设置。
其中，所述离网液钒电池充放电管理模块和离网铁锂电池充放电管理模块根据输入的功率值，查询对应储能充放电功率设定曲线，得到输出功率值；
所述储能充放电功率设定曲线设置有三个充电定值和三个放电定值，储能剩余容量介于不同的定值区间时，选择对应的输出功率值输出；
所述离网液钒电池充放电管理模块和离网铁锂电池充放电管理模块的充放电定值均独立设置。
其中，所述液钒电池功率加权分配模块获取液钒储能消耗电量/剩余电量在液钒储能和铁锂储能各自消耗电量/剩余电量中的权重，根据此权重分配液钒储能功率设定参考值。
本发明基于另一目的提供的一种微电网能量管理系统，其改进之处在于，所述系统包括超级电容储能管理模块、并网储能管理模块、离网储能管理模块和离网发电与负荷管理模块；所述超级电容储能管理模块分别与所述并网储能管理模块和所述离网储能管理模块连接；所述离网储能管理模块与所述离网发电与负荷管理模块连接。
其中，所述超级电容储能管理模块包括连接的低通滤波电路和超级电容充放电管理模块。所述低通滤波电路为二阶低通滤波电路。
其中，所述并网储能管理模块包括依次连接的液钒电池功率加权分配模块、并网液钒电池充放电管理模块、并网铁锂电池充放电管理模块和超级电容充放电管理模块。
其中，所述离网储能管理模块包括依次连接的离网液钒电池充放电管理模块、超级电容充放电管理模块和离网铁锂电池充放电管理模块。
其中，所述离网发电与负荷管理模块根据功率不平衡差额Prem决定离网运行的微电网中发电单元和负荷单元的功率调整。
与现有技术比，本发明的有益效果为：
1、本发明设计了微电网内的储能控制、电源控制和负荷控制，实现了微电网内电源、储能和负荷的综合能量管理，保障微电网并网和离网状态下的稳定有效运行。
2、本发明针对不同类型和功能定位的储能单元，设计了并网储能管理方法和离网储能管理方法，保证并网或离网状态下储能的优化控制。
3、本发明设计了储能单元的充放电功率设定曲线，可以根据不同的剩余电量，调节充放电功率设定值，保障储能单元的有效安全运行。
4、本发明设计了储能单元充放电值的加权分配方法，可以根据各个储能单元的消耗电量（或剩余电量）形成各自的权重，从而得到储能单元的充放电功率设定参考值，如此可保证功率在所有储能单元中得到合理优化的分配。
附图说明
图1为微电网结构示意图。
图2为能量管理系统结构示意图。
图3为超级电容储能管理模块运行时示意图。
图4为并网储能管理模块运行时示意图。
图5为离网储能管理模块运行时示意图。
图6为离网发电与负荷管理模块运行时示意图。
图7为储能充放电功率设定曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明所面向的微电网结构如图1所示意。微电网中含有一个光伏发电单元、一个铁锂电池储能单元、一个液钒电池储能单元、一个超级电容储能单元、一组紧要负荷和一组次要负荷。能量管理系统通过通信与各个发电、储能和负荷单元联系。
能量管理系统结构如图2所示。包括超级电容储能管理模块、并网储能管理模块、离网储能管理模块和离网发电与负荷管理模块；所述超级电容储能管理模块分别与所述并网储能管理模块和所述离网储能管理模块连接；所述离网储能管理模块与所述离网发电与负荷管理模块连接。能量管理系统定时采集微电网内电源发电功率Ppv和负荷功率PL，计算得出两者的差值Pmar＝Ppv-PL，作为能量管理的依据。Pmar输入超级电容储能管理模块，输出超级电容充放电功率设定参考值Psc·ref。计算Pref＝Pmar-Psc·ref，判断微电网运行类型，若微电网为并网运行，则将Pref输入并网储能管理模块，若微电网为离网运行，则将Pref输入离网储能管理模块。离网运行下，离网储能管理模块输出考虑储能分配后的功率不平衡差额Prem给离网发电与负荷管理模块，进行发电控制和负荷控制。并网运行下，发电管理策略为光伏保持最大功率发电，负荷管理策略为紧要负荷和次要负荷全部投入。
其中：
1）超级电容储能管理模块：
其包括串联的二阶低通滤波电路和超级电容充放电模块。超级电容储能管理需尽量将输入值Pmar中的高频部分包含在超级电容功率设定值中。图3中，对Pmar进行二阶低通滤波，并用Pmar减去低通滤波后的值，将得到的值输入超级电容充放电管理模块，输出超级电容功率参考值Psc·ref。
超级电容充放电管理模块的操作为：根据输入功率值，查询图7所示的储能充放电功率设定曲线，得到输出功率值。
图7中，功率输入值为Pf，E表示储能单元的剩余容量，Em1表示低充电定值，Em2表示高充电定值，Em3表示最大充电定值，Emax表示工程中最大储能容量，En1表示高放电定值，En2表示低放电定值，En3表示最小放电定值，Emin表示工程中最小储能容量。充电时，当E小于Em1时，输出功率值仍为Pf，当E介于Em1和Em2之间时，若0.5Pf大于Pm2（一固定小值），输出功率值变为Pm1＝0.5Pf，否则仍为Pf，当E介于Em2和Em3之间时，Pf若大于Pm2，输出功率值变为Pm2，否则仍为Pf，当E达到Em3时，输出功率值变为0；放电时，当E大于En1时，输出功率值仍为Pf，当E介于En2和En1之间时，若0.5Pf大于Pn2（一固定小值），输出功率值变为Pn1＝0.5Pf，否则仍为Pf，当E介于En3和En2之间时，Pf若大于Pn2，输出功率值变为Pn2，否则仍为Pf，当E达到En3时，输出功率值变为0。充放电功率设定曲线如此设计的目的是在储能单元的剩余容量较大时，要减小其充电功率，在储能单元的剩余容量较小时，要减小其放电功率。
2）并网储能管理模块：
并网储能管理负责并网运行下的微电网储能管理。其包括依次连接的液钒电池功率加权分配模块、并网液钒电池充放电管理模块、并网铁锂电池充放电管理模块和超级电容充放电管理模块。根据微电网内铁锂电池与液钒电池各自的消耗电量（或剩余电量），按照加权算法得到液钒电池和铁锂电池功率设定参考值，经过液钒电池和铁锂电池充放电管理模块得到液钒电池和铁锂电池功率设定值。确定完液钒电池和铁锂电池的功率设定值后，若储能控制值还有剩余，则尝试将其添加到超级电容功率设定值中。图4中，并离网调整参考值Pref输入液钒电池功率加权分配模块，得到液钒电池功率设定参考值Pvan·ref，Pvan·ref输入并网液钒电池充放电管理模块，输出液钒电池功率设定值Pvan·set。将PFeLi·ref＝Pref-Pvan-set输入并网铁锂电池充放电管理模块，得到铁锂电池功率设定值PFeLi·set。将PFeLi·ref+Psc·ref-PFeLi·set输入超级电容充放电管理模块，得到Psc·set。
液钒电池功率加权模块的操作方法是，获取液钒储能消耗电量（或剩余电量）在液钒储能和铁锂储能各自消耗电量（或剩余电量）之和中的权重，据此权重分配液钒储能功率设定参考值，具体为Pvan·ref＝Pref*权重。
并网液钒电池充放电管理模块、并网铁锂电池充放电管理模块和超级电容充放电管理模块的操作为：根据输入功率值，查询图7所示的储能充放电功率设定曲线，得到输出功率值，充电定值和放电定值的具体值依据工程需要而设定。并网液钒电池充放电管理和并网铁锂电池充放电管理中的En1、En2和En3需设置的相对较大，其考虑是并网情形下，储能需留有充足的裕量为离网运行作考虑，功率缺额可由配电网提供。
3）离网储能管理模块：
离网储能管理模块负责离网运行下的微电网储能管理。其包括依次连接的离网液钒电池充放电管理模块、超级电容充放电管理模块和离网铁锂电池充放电管理模块。铁锂电池储能用以维持微电网电压频率稳定，因此其功率由其自身控制，不再参与功率加权分配。首先确定液钒电池功率设定值。将功率剩余值输入超级电容充放电管理模块，得到超级电容功率设定值。虽然离网情形下铁锂储能不需设定其功率值，但为了观测微网功率平衡状况，仍然形成铁锂储能的功率设定参考值。最后计算离网情形下考虑储能分配后的功率不平衡差额，当该差额越过门槛值时，即需要进行发电控制或负荷控制。图5中，将Pref输入离网液钒电池充放电管理模块，得到液钒电池功率设定值Pvan·set。将Psc·set·ref＝Pref+Psc·ref-Pvan·set输入超级电容充放电管理模块，得到超级电容功率设定值Psc·set。离网情形下铁锂储能不需设定其功率值，但为了观测微网功率平衡状况，仍然形成铁锂储能的功率设定参考值。将Pmain＝Psc·set·ref-Psc·set输入离网铁锂电池充放电管理模块，得到铁锂电池功率设定参考值PFeLi·ref。计算Prem＝Pmain-PFeLi·ref，该值为离网情形下考虑储能分配后的功率不平衡差额，当该差额越过门槛值Pth时，即需要进行发电控制或负荷控制。
离网液钒电池充放电管理模块、离网铁锂电池充放电管理模块及超级电容充放电管理模块的操作为：根据输入功率值，查询图7所示的储能充放电功率设定曲线，得到输出功率值，充电定值和放电定值的具体值依据工程需要而设定。
4）离网发电与负荷管理模块：
离网发电与负荷管理模块根据功率不平衡差额Prem决定离网运行的微电网中发电单元和负荷单元的功率调整。功率调整值和信号开出值通过通信下发至发电单元和负荷单元。
图6中，将离网储能管理模块输出的功率不平衡差额Prem与门槛值Pth(Pth＞0)进行比较，当Prem＞Pth时，表明微电网内功率有余，判断微电网内的次要负荷有无投入，若次要负荷未投入，则投入次要负荷，若已投入，则减小光伏发电功率设定值为Ppv·set＝Ppv·set-Prem。当Prem＜-Pth时，表明微电网内功率缺额，判断光伏发电功率是否已设定为最大值，若光伏发电功率未设定为最大值跟踪，则增大光伏发电功率设定值为Ppv·set＝Ppv·set+Prem，否则判断次要负荷有无投入，若次要负荷已投入，则卸载次要负荷，若未投入，进行缺电告警。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (14)
1.一种微电网能量管理方法，其特征在于，能量管理系统计算微电网发电功率和负荷功率的差额Pmar，传给超级电容储能管理模块；所述超级电容储能管理模块输出超级电容充放电功率设定参考值Psc·ref并判断电网运行状态；若微电网为并网运行，则将差额Pmar减去超级电容充放电功率设定参考值Psc·ref的结果传给并网储能管理模块；若微电网为离网运行，则将差额Pmar减去超级电容充放电功率设定参考值Psc·ref的结果传给离网储能管理模块；所述离网储能管理模块输出功率不平衡差额Prem至离网发电与负荷管理模块，进行发电控制和负荷控制。
2.如权利要求1所述的能量管理方法，其特征在于，所述超级电容储能管理模块包括低通滤波和超级电容充放电管理模块；
所述差额Pmar输入低通滤波模块，减去低通滤波后的值传给超级电容充放电管理模块，输出超级电容功率参考值Psc·ref。
3.如权利要求1所述的能量管理方法，其特征在于，所述并网储能管理模块包括液钒电池功率加权分配模块、并网液钒电池充放电管理模块、并网铁锂电池充放电管理模块和超级电容充放电管理模块；
所述差额Pmar减去超级电容功率参考值Psc·ref得到的并离网调整参考值Pref传给液钒电池功率加权分配模块，得到液钒电池功率设定参考值Pvan·ref后再传给并网液钒电池充放电管理模块，得到液钒电池功率设定值Pvan·set；将所述并离网调整参考值Pref减去液钒电池功率设定值Pvan·set得到的铁锂电池功率设定参考值PFeLi·ref传给并网铁锂电池充放电管理模块，得到铁锂电池功率设定值PFeLi·set；所述铁锂电池功率设定值PFeLi·set、所述超级电容功率参考值Psc·ref和所述铁锂电池功率设定值PFeLi·set相加后输入超级电容充放电管理模块，得到超级电容功率设定值Psc·set。
4.如权利要求1所述的能量管理方法，其特征在于，所述离网储能管理模块包括离网液钒电池充放电管理模块、超级电容充放电管理模块和离网铁锂电池充放电管理模块；
并离网调整参考值Pref输入离网液钒电池充放电管理模块，得到液钒电池功率设定值Pvan·set；所述并离网调整参考值Pref加上所述超级电容功率参考值Psc·ref减去所述液钒电池功率设定值Pvan·set得到超级电容功率设定参考值Psc·set·ref，传给超级电容充放电管理模块，得到超级电容功率设定值Psc·set；所述超级电容功率设定参考值Psc·set·ref减去所述超级电容功率设定值Psc·set得到主储能参考值Pmain，传给离网铁锂电池充放电管理模块，得到铁锂电池功率设定参考值PFeLi·ref和功率不平衡差额Prem。
5.如权利要求4所述的能量管理方法，其特征在于，所述功率不平衡差额Prem为所述主储能参考值Pmain减去铁锂电池功率设定参考值PFeLi·ref后的值。
6.如权利要求2所述的能量管理方法，其特征在于，所述超级电容充放电管理模块根据输入的功率值，查询对应储能充放电功率设定曲线，得到输出功率值；
所述储能充放电功率设定曲线设置有三个充电定值和三个放电定值，储能剩余容量介于不同的定值区间时，选择对应的输出功率值输出；
所述超级电容充放电管理模块的充放电定值独立设置。
7.如权利要求3所述的能量管理方法，其特征在于，所述并网液钒电池充放电管理模块和并网铁锂电池充放电管理模块根据输入的功率值，查询对应储能充放电功率设定曲线，得到输出功率值；
所述储能充放电功率设定曲线设置有三个充电定值和三个放电定值，储能剩余容量介于不同的定值区间时，选择对应的输出功率值输出；
所述并网液钒电池充放电管理模块和并网铁锂电池充放电管理模块的充放电定值均独立设置。
8.如权利要求4所述的能量管理方法，其特征在于，所述离网液钒电池充放电管理模块和离网铁锂电池充放电管理模块根据输入的功率值，查询对应储能充放电功率设定曲线，得到输出功率值；
所述储能充放电功率设定曲线设置有三个充电定值和三个放电定值，储能剩余容量介于不同的定值区间时，选择对应的输出功率值输出；
所述离网液钒电池充放电管理模块和离网铁锂电池充放电管理模块的充放电定值均独立设置。
9.如权利要求3所述的能量管理方法，其特征在于，所述液钒电池功率加权分配模块获取液钒储能消耗电量/剩余电量在液钒储能和铁锂储能各自消耗电量/剩余电量中的权重，根据此权重分配液钒储能功率设定参考值。
10.一种微电网能量管理系统，其特征在于，所述系统包括超级电容储能管理模块、并网储能管理模块、离网储能管理模块和离网发电与负荷管理模块；所述超级电容储能管理模块分别与所述并网储能管理模块和所述离网储能管理模块连接；所述离网储能管理模块与所述离网发电与负荷管理模块连接。
11.如权利要求10所述的能量管理系统，其特征在于，所述超级电容储能管理模块包括连接的低通滤波电路和超级电容充放电管理模块。
12.如权利要求10所述的能量管理系统，其特征在于，所述并网储能管理模块包括依次连接的液钒电池功率加权分配模块、并网液钒电池充放电管理模块、并网铁锂电池充放电管理模块和超级电容充放电管理模块。
13.如权利要求10所述的能量管理系统，其特征在于，所述离网储能管理模块包括依次连接的离网液钒电池充放电管理模块、超级电容充放电管理模块和离网铁锂电池充放电管理模块。
14.如权利要求10所述的能量管理系统，其特征在于，所述离网发电与负荷管理模块根据功率不平衡差额Prem决定离网运行的微电网中发电单元和负荷单元的功率调整。
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