具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
本发明提供的微电网智能中央策略控制系统是微电网正常运行的控制中枢。它可以使用通用的MODBUS、CAN、103或其他通用协议连接微电网中发电设备、储能设备、负荷、继电保护、输电线路、各类开关等,并通过101、104协议与大电网的能量调度系统之间交换信息,实现对微电网运行的监控、数据远传以及多目标综合最优控制。
如图1所示,本发明提供的微电网智能中央策略控制系统所应用的微电网除包括一些常规系统外,还包括间隙性发电单元发电计划、负荷用电计划、储能发电计划、柴油发电机发电计划、超级电容发电计划、微型气燃机发电计划、智能通讯检测系统、微电网的黑启动、系统紧急控制。
如图2所示,本发明提供的微电网智能中央策略控制系统要对图1所示的复杂系统进行控制,其包括微电网电气系统和微电网策略控制系统。
所述微电网电气系统包括分布式发电单元、储能单元、环境监测单元、模拟负荷单元、实际负荷单元、通信网络单元、中央策略控制单元。
所述微电网策略控制系统包括信息采集系统和中央控制处理单元。其中,所述信息采集系统单元包括:
分布式发电单元信息采集系统模块:用于监测各种分布式电源的电压、电流、有功功率、无功功率、系统频率、工作状态以及功率因数,并向微电网控制系统传递信息;
储能单元信息采集系统模块:用于监测储能单元中蓄电池、超级电容、飞轮、空气压缩等储能设备的参数及其工作状态,并向微电网控制系统传递信息;
网络单元信息采集模块:主要对网络通信状态、网络资源使用情况、根据通信物理连接判断做出网络通讯状态评估,判断是否采用热备冗余系统,保证通讯正常。
所述中央控制处理单元包括:
微电网功率预测模块:应用模块包括但不限于实时气象站、气象数据库、专家系统、人工神经网络、间歇式发电设备、储能系统功率出力预估,对微电网中各种新能源发电设备进行短时间、长时间功率出力预测;
微电网负荷预测模块:应用模块包括但不限于负荷预测专家系统、模糊控制技术、时间序列对微电网中不同级别负荷超短周期、短周期、长周期耗能预测;
微电网实时在线状态检测模块:应用包括对微电网电气系统中各类设备的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、谐波、闪变、设备各开关状态、设备运行状态进行检测;
微电网系统决策分析模块:在各种状态统计的基础上,进行微电网的控制分析、故障分析、稳定性分析、电能质量分析,高效性分析,保证整个系统安全、稳定、可靠运行;
微电网多目标优化运行于综合能量管理控制模块:依据微电网不同的运行模式(并网/离网)和控制要求,在微电网关键发电设备状态估计与分析基础上,分析、决策微电网系统不同工作模式下间歇性能源与稳定性能源(储能、柴油发电机、微型气燃机等)联合控制策略、系统性能指标三者之间的关系,按照微电网控制目标(电网公共接入点、间歇性能源波动、负荷跟踪等)对各发电单元给出明确的控制指标,对整个微电网内部所有设备进行综合控制,实现微电网的最优状态运行;
微电网防逆流分析模块:在现阶段很多地区无法实现微电网逆向上网,即多余电力无法反馈到电网,微电网防逆流控制模块可以实现在系统设备最优运行条件下,无级调节各发电设备的输出功率,确保对大电网无逆流现象发生。
此外,中央控制处理单元还具备灵活的储能、柴油发电机、微型气燃机等稳定性能源控制模块,在系统控制策略的基础上,分析储能、柴油发电机、微型气燃机单元运行状态和运行特性,未来规定时间负荷预测和间歇性能源出力情况,以及备用电源需求,按照协调运行的原则,确定如何控制储能、柴油发电机或微型气燃机进行动态地能量控制,实现微电网稳定运行以及最优的能量利用。
具体的,在微电网智能中央策略控制系统中,所述耗电大负荷一般指消耗功率大于微电网总容量5%的负载。
具体的,在微电网智能中央策略控制系统中,所述超短期负载预测和发电预测以分钟为单位、短周期负载预测和发电预测以小时为单位、长周期负载预测和发电预测以天为单位。
具体的,在微电网智能中央策略控制系统中,所述中央控制处理单元还具备:微电网黑启动控制功能、系统紧急控制功能、手动控制与自动控制功能、接受电网整体调度控制,具备与专业电网远传、远动设备接口。
具体的,在微电网智能中央策略控制系统中,所述微电网电气系统和微电网策略控制系统构成了一整套自治、自愈电网系统,即可以与大电网并网运行,也可以独立大电网孤岛运行,可以在无人值守状态下工作,可以实现自动与人工干预相结合的运行模式。
根据本实施例,微电网智能中央策略控制系统可以包括信息采集单元、通讯网络和中央控制处理单元,各部分所对应的功能模块及工作原理如下:
信息采集系统单元:
信息采集系统单元包括采集微电网中各单元的电气参数、状态信息、故障信息、大电网能量管理调度信息以及环境气象信息。后面两个信息主要考虑到微电网中的负荷预测、负荷控制、微电网能量输出管理和受气象影响比较大的发电装置,如光伏和风电等。
微电网内部各单元包括发电单元、储能单元、继电器、开关、继电保护装置、负荷单元、整流器或变流器、输电线路监控等装置。
针对这些设备和单元,信息采集系统单元中集成的传感器将检测这些单元的电压、电流、有功功率、无功功率、系统频率、功率因数、谐波、闪变等信息,储能系统还包括单体电池的电压、电流、温度、系统的SOC和寿命预测信息等,设备状态(设备启停、开关闭合或断开)信息等,然后通过局域网将这些数据输入到微电网智能中央策略控制系统中的实时数据库,参见图1。
通讯网络:
通讯网络包括两个部分,一部分是微电网内部局域网,另一部为与大电网或更高调度系统的对外通讯网络。
通讯网络主要负责将信息采集单元采集的信息通过网络设备和网络链路传递到控制系统,或将控制信息、电网信息下传到被控单元,系统支持本地监控与远程登录web浏览。
通讯传输的协议采用通用协议包含但不限于MODBUS、现场总线、以太网、103或电力规约,不通协议设备接入后可通过网络通讯模块将协议转换成标准协议。物理链路上可以是有线方式和无线方式。
通讯物理链路具备热备冗余,一旦系统检测到物理断开,将快速切换到热备冗余线路,保证设备通讯可靠正常,同时上位机监控会接收到故障线路的报警。
中央控制处理单元:
微电网智能中央策略控制系统的中央控制处理单元通过通讯网络接受到各单元的检测信息,然后系统嵌入式软件将根据这些信息进行分析和储存。中央控制处理单元可以包括:
微电网功率预测模块:对中央控制器提供分钟级、小时级的微电网功率预测。由于风能、太阳能等可再生能源属于受天气条件影响较大的发电系统,因此,在微电网运行过程中,必须重视这些新能源的功率出力情况,比便及早采取控制措施,保证供电的可靠性。
储能系统、超级电容、柴油发电机、微型气燃机等新能源发电系统相对稳定,可以通过检测重要参数进行发电计划的预测。
在微电网功率预测模块中应用了最新的数字气象数据库,专家系统,采用了模糊控制等算法,形成了一套完整的数据解析、数据分析和得出最终的控制指令,在数据分析过程中,还考虑了微电网内部设备的经济性和高效性。
微电网负荷预测模块:负荷预测分为两类,一类是根据微电网内部的负荷分类进行用电预测,一类是根据大电网对微电网整体用电负荷预测。
对于微电网内部负荷的用电预测,中央处理单元采用分钟级和小时级周期间隔。
对于微电网而言,在通常情况下,系统内部的负荷的数量、特性和用电曲线是已知的,根据现有的分类,城市民用负荷、商业负荷、农村负荷、工业负荷及其它负荷。
这些不同性质的负荷接入微电网中不同的母线上,都有着各自的用电特性。
在进行负荷预测时,可以根据这些负荷特性(天气、气候、时间等),各自选用适合的负荷预测方法或不同方法的组合,采用人工神经网络、时间序列、模糊控制等相关算法进行控制。
同时,对于实际的母线负荷结果,也可以结合当时的气候条件、节假日、负荷行业特性等建立历史数据库,以后可以根据历史数据库的数据作为未来相同条件下的负荷预测依据。
而对于接受大电网调度的负荷要求,则根据电网调度要求,对微电网整体负荷进行控制,然后微电网内部在根据控制算法对负荷进行管理,以满足大电网对整体输电线路上负荷的控制要求。
微电网实时在线状态检测模块:系统状态是指微电网管理与控制的基础,系统分析是微电网可靠运行的前提。
在线状态检测,需要对微电网系统中间歇式能源、储能单元、柴油机、超级电容、微型气燃机等单元的工作特性有所了解。考虑到间歇性能源与相对稳定性能源的影响,系统需要采用随机潮流状态预估技术。由于整个系统能量管理与控制周期在秒级,这对通讯网络的稳定性和可靠性提出了更高的要求。
考虑到微电网容量比较小,需要实现的功能多样性,对于在线状态检测需要的变量和输入关键参数也不一样,但通常都需要对间歇性能源需要预测,对储能等稳定性能源需要编制发电计划,不建议采用精确的数学模型,而是采用厂家提供的设备特性曲线、历史数据、气象数据与电源状态相结合的统计方法进行预测。
微电网状态检测也包括系统故障检测,系统故障出现后,需要根据故障级别进行处理,保证系统安全。
微电网系统决策分析模块:与传统的电网类似,微电网也需要对系统进行决策分析,依据在系统状态估计的基础上,进行微电网的控制分析、故障分析、稳定性分析、电能质量分析和高效性分析。
控制分析主要是根据事先编制的微电网实现功能,如平抑波动、削峰填谷、时移、电能质量改善等控制策略而定的。
故障分析是微电网稳定运行的保障,在失去(或投入)任意新能源发电设备后,其电网的稳定性需要进行检测,对系统的过电压、过电流等状态需要监视,确保系统运行安全可靠。
若上述情况发生时,系统需要快速对安全问题处理,释放/增加储能单元的能量,或切除普通负荷等措施改变系统的运行方式,或系统停机,以确保系统的安全运行。
稳定性分析是微电网在运行过程,遇到微小或大扰动之后,系统是否能够快速恢复到原有状态或过渡到新的稳定状态的能力。
微小扰动主要间隙性能源、储能等输出功率的波动,输电线路的波动、负荷小规模调整等微小的变化等等。
大的扰动是指负载突加、突卸,大电网的停运,三相短路、故障、系统突然失去某一发电电源、储能等情况。
如果稳定性分析模块分析出系统出现不稳定情况,则应根据系统的运行状态,稳定分析中心指定相应的紧急控制措施,通过联合协调负载、储能、各种发电单元进行能量调节措施,确保系统的稳定。
电能质量分析是根据当前微电网电能质量的情况,是否进行电能质量补偿,制定电能质量补偿的控制策略。
高效性分析,通常指系统是否运行在最佳效率状态,是否是最佳经济性。由于不同的间歇性能源、储能发电成本各不一样,以及不同负载运行所产生的经济效益和社会效益各不一样,对于微电网而言,需要通过分析这些能源,研究如何控制,保证它们发电特征的互补性,使得整个系统运行成本最低,设备高效运作,经济效益最高。
微电网多目标优化运行与综合能量管理控制模块:依据微电网不同运行模式和实现功能,在微电网系统分析和状态估计基础上,分析并网模式与孤岛模式下系统运行控制量,间歇性能源、储能系统、柴油发电机、超级电容、微型气燃机等,系统控制指标三者之间的关系,对整个微电网进行整体联合最优控制。
一般在并网运行模式下,控制目标包括:间隙性能源平抑、电网公共连平抑、接点削峰填谷、时移、系统最优控制、后备电源等,一般以系统都以事先设定好的控制目标去实现控制,但如果负荷电能质量要求较高,则系统会考虑增加其他控制目标,如电能质量控制等,以满足特定控制目标的需求,这些控制目标,可在监控界面上进行设定。
在孤岛运行模式下,控制目标主要是保证孤岛电网的用电平衡和电能质量要求。
防逆流控制模块:依据微电网公共接入点的功率情况,统计出出现逆流的概率,在一定阈值情况下,系统不进行防逆流控制,但超过阈值后,系统便启动防逆流控制模块,根据系统发电设备情况,进行系统限功率处理。
另外,本例中央控制处理单元,还包含了分布式能源发电特性互补的控制策略,灵活控制储能模块,以及电能质量联合补偿的控制模块。
分布式能源发电特性互补目前主要是针对风、光的互补控制、风、光、储的互补控制以及风、光、柴的互补控制。
灵活控制储能模块主要是根据各种储能运行特征的差异,当前状况,控制目标的周期,负荷预测和间歇性能源功率预测,按照协调运行的原则,确定各种储能在不同阶段、不同环境下动态的储能或释能的技术,保证系统控制指标符合设计要求。
电能质量是用户一直关心的问题,在微电网中,电能质量也需要符合国家相关标准。
微电网中电能质量需要实时监测,并进行联合补偿,根据不同的补偿单元(电源、补偿设备、储能)的动态特性和空间、时间关系,采用分布式的补偿模式,确定最优的电能质量补偿策略。
灵活控制储能模块需要重点考虑几个因素:
(1)储能单元容量需要与系统整体控制策略相联系,与用电负荷预测和发电预测相联系;
(2)需要考虑用电负荷的特性是否会影响到储能系统,根据用电负荷特性选择适宜的储能介质;
(3)需要考虑储能的电气特性、动态特性对用电负荷的影响;
(4)需要考虑储能的经济性;
(5)需要考虑不同储能介质的使用寿命和维护方式,保证储能设备长寿命使用。
在微电网多目标优化运行于综合能量管理控制模块之后,如果需要进行系统调节,而这些调整措施主要是针对新能源发电设备、储能设备、和某些受控的电能质量补偿装置,一般情况下,系统通信以及设备相应还是非常迅速,命令的延时不会对系统稳定性和控制时间产生影响。
本实施例的中央控制处理单元还包括另外两个安全保障措施模块,即系统紧急控制模块和系统黑启动模块。
系统紧急控制模块主要用于处理微电网紧急故障,具有危险自动预警和辅助决策、紧急控制功能。
能够根据系统当前运行状态和关键控制参数,对系统未来安全情况进行自动评估,并给与提示。
当系统预计出现故障,或发生突发性故障时,系统则自动辅助决策,以声、光、电形式提示相关人员,并自动或手动进行干预,实施紧急制动。
本实施例中为增加远程数据浏览和历史数据储存,增设了人机交互模块。
在微电网运行过程中,会将一些数据通过数据网络传输到远程的监控中心计算机屏幕上,例如,系统信息、系统状态、控制模式、系统故障信息、辅助决策信息等。
人际交互界面通过高级语言编写,采用大型关系型数据库储存历史数据,操纵人员可以通过web浏览器方式进行实时监控。
与现有微电网的控制技术相比,本发明具有以下几个特点:
(1)智能型:
增加了微电网功率预测模块、微电网负荷预测模块,通过预测模块与系统历史数据,共同制定系统发电计划和用电计划,使得在线学习能力,系统状态分析,决策分析的输入数据更加可靠,以便后续多目标优化能够更加精确。
系统增加了故障分析、预警和辅助紧急控制模块,能够在系统出现问题之前给与正确的指示和相关建议,辅助操作人员进行安全操作。
系统增加了黑启动功能,保证了在微电网故障停止后,能够在没有人的参与下,系统自动启动,恢复运行,实现系统自愈功能。
(2)自我决策:
由于增加了很多智能化模块,使得系统能够自我学习,自我控制,系统根据预先设定好的控制目标,可根据系统状态模块、预测模块、在线状态检测模块、系统决策分析模块以及多目标优化管理模块自行寻找实现路径,完成控制目标的工作,实现了自我决策能力。
(3)明确提出负荷预测:
明确提出了微电网中超短周期、短周期、长周期的负荷预测功能,结合系统决策模块,实现在各种情况下,对负载的管理和控制,有利于根据负载的特性进行分类。
(4)增强型通讯检测:
在以往的控制中,都重点强调控制的重要性,在本发明中,除了重点强调控制的重要性外,增加了通讯检测功能以及物理连接线路的热备冗余,通过各种通讯检测手段,对微电网中建立的物理连接进行实时检测,保证系统通讯的正常与可靠。
(5)提升了系统控制功能:
在以往的控制中,控制器只对系统进行数据采集和简单的数据分析,得出控制指令,而本发明中提出了更加完善的控制系统方案供用于选择,并网模式下,可以提供间歇性能源波动平抑功能、公共并网点功率平抑功能、各种条件下的时移功能、后备电源功能、电能质量补偿功能、系统防逆流功能等,在离网模式下,可以提供用电平衡和电能质量控制功能,优先利用新能源发电的控制策略,实现系统自治。
另外,在以往的控制中,不存在防逆流控制,而本发明中提出了系统防逆流控制模块,重点应用于微电网只能并网但不能上网的地区。
(6)明确提出微电网电能质量在线监测和电能质量联合补偿:
在以往的控制中,往往忽略了微电网的电能质量,在本发明中提出了,利用储能系统、电能质量专业补偿设备联合补偿的方案,利用系统决策分析模块,对微电网各部分的电能质量进行监控,利用储能、电能质量专业补偿设备的不同特性和不同空间、时间特性进行联合,分布式的补偿。
(7)明确提出了黑启动控制模式:
在以往的微电网控制中,不曾提及黑启动模式,在本次发明中,明确提出系统黑启动控制概念,在微电网孤岛运行过程中,若系统出现故障停机后,在故障自我排除后,需要黑启动控制模块进行协调控制,保证微电网在无人值守情况下,自行启动,实现系统自愈。
(8)增强了本地监控能力:
在本次发明中,提出了本地监控显示的模块,将微电网多年数据采用高效关系型数据库进行储存和管理,作为后续数据挖掘和分析,同时本地监控作为通讯中转站,将远程需要的数据上传至远程调度系统或web监控界面,极大满足了远程管理与控制的需求。
根据本发明提供的微电网智能中央策略控制系统,提出了微电网完善的控制方法和保障措施,丰富了微电网的控制策略,进一步提升了微电网在能量管理、系统控制、通讯稳定可靠以及与传统电网友好接口方面的功能,增强了微电网的控制精度和实效性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和替换,这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。