CN112018825B - 一种多端口电能路由器能量协调控制方法 - Google Patents
一种多端口电能路由器能量协调控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本申请提供了一种多端口电能路由器能量协调控制方法，通过电能调度优化算法获得储能电池功率单元的输出功率参考值第一修正量和配电网接口功率单元的消耗功率参考值第一修正量；通过电能平衡协调控制算法获得储能电池功率单元的输出功率参考值第二修正量、配电网接口功率单元的消耗功率参考值第二修正量和动态负荷需求；本发明基于电能路由器中各供能功率单元与负荷单元的功率偏差、系统直流母线电压偏差和负荷动态变化三个变量对各功率单元自身控制器的输出功率参考值进行修正，可以提高系统的稳定性和动态性能。
Description
技术领域
本发明涉及能量管理与控制技术领域，具体涉及一种多端口电能路由器能量协调控制方法。
背景技术
随着分布式能源、微网等技术的发展，大量供能或耗能设备需要连接到能量传输网络中，传统输电网无法满足各类能源广泛接入的需求。电能路由器可以实现多种能源网络的互连、调度和控制。电能路由器是一种融合了信息技术与电力电子变换技术的电力装备，可实现分布式能量的高效利用和传输。电能路由器是能源互联网中的核心部分，可连接配电网和负载端，并且可以实现能量双向流动。
随着能源危机日趋严重和供电可靠性要求日益提高，高效、可靠利用分布式清洁能源的多端口电能路由器已成为新能源接入装备的研究热点。目前，多端口电能路由器的电能管理与控制都是由能量协调管理层给定各功率单元控制系统的给定值，各功率单元控制系统按各自控制任务和能量协调管理层给定值进行输出或输入电流控制，另外，现有能量协调管理系统很少考虑动态负荷的协调控制和各供能功率单元的经济性分配问题，导致能量分配稳定性和动态性能差。
发明内容
本发明实施例提供了一种多端口电能路由器能量协调控制方法，用以解决电能路由器应对突发故障的能力较低的技术问题。
根据本发明实施例，提供了一种多端口电能路由器能量协调控制方法，所述方法包括：
通过电能调度优化算法获得储能电池功率单元的输出功率参考值第一修正量和配电网接口功率单元的消耗功率参考值第一修正量；
通过电能平衡协调控制算法获得所述储能电池功率单元的输出功率参考值第二修正量、所述配电网接口功率单元的消耗功率参考值第二修正量和动态负荷需求；
将所述储能电池功率单元的输出功率参考值第一修正量、所述储能电池功率单元的输出功率参考值第二修正量和动态负荷需求求和，获得所述储能电池功率单元的最终输出量，所述最终输出量用于修正所述储能电池功率单元自身控制算法的输出功率参考值；
将所述配电网接口功率单元的消耗功率参考值第一修正量、所述配电网接口功率单元的消耗功率参考值第二修正量和动态负荷需求求和，获得所述配电网接口功率单元的最终消耗量，所述最终消耗量用于修正所述配电网接口功率单元自身控制算法的消耗功率参考值。
优选地，通过电能调度优化算法获得储能电池功率单元的输出功率参考值第一修正量和配电网接口功率单元的消耗功率参考值第一修正量，包括：
采集电能路由器所在地的实时环境参数，所述环境参数包括光照强度、环境温度、风速；
根据所述环境参数计算获得光伏发电功率单元的最大输出功率理论值、风力发电功率单元的最大输出功率理论值；
采集交流负荷功率单元的实际功率、直流负荷单元的实际功率、储能电池荷电状态系数；
计算获得所述储能电池功率单元和所述配电网接口功率单元的可调度容量；
比较所述光伏发电功率单元的最大输出功率理论值、所述风力发电功率单元的最大输出功率理论值的总和与所述交流负荷功率单元的实际功率、所述直流负荷单元的实际功率的总和，获得功率偏差值；
在所述储能电池功率单元和所述配电网接口功率单元的可调度容量约束条件下，根据所述功率偏差值和储能电池功率单元单位电能的发电成本和配电网接口功率单元单位电能的消纳成本，获得所述储能电池功率单元的输出功率参考值第一修正量和所述配电网接口功率单元的消耗功率参考值第一修正量。
优选地，通过电能平衡协调控制算法获得所述储能电池功率单元的输出功率参考值第二修正量、所述配电网接口功率单元的消耗功率参考值第二修正量和动态负荷需求，包括：
所述电能平衡协调控制算法包括：电能第二平衡控制算法和电能动态响应算法；
所述电能第二平衡控制算法包括：
采集系统内部直流母线电压实测值；
将所述直流母线电压实测值与额定电压进行比较，获得电压偏差值；
所述电压偏差值经过PI控制器调节得到所述储能电池功率单元的输出功率参考值第二修正量和所述配电网接口功率单元的消耗功率参考值第二修正量；
所述电能动态响应算法包括：
获得各负荷接入端口的动态负荷需求，将所述动态负荷需求用于修正所述储能电池功率单元的输出功率参考值和所述配电网接口功率单元的消耗功率参考值。
优选地，根据所述环境参数计算获得光伏发电功率单元的最大输出功率理论值、风力发电功率单元的最大输出功率理论值，包括：
根据电能路由器所在地的光照强度测量值、环境温度测量值、风速测量值，利用光伏发电系统和风力发电系统厂家提供的数学模型计算光伏发电和风力发电功率单元的最大输出功率理论值。
优选地，计算获得所述储能电池功率单元和所述配电网接口功率单元的可调度容量，包括：
将所述储能电池荷电状态系数减去0.3，再与储能电池额定容量相乘，获得储能电池功率单元的可调度容量；
将所述配电网接口功率单元的额定容量减去所述配电网接口功率单元的实时功率，获得所述配电网接口功率单元的可调度容量。
优选地，所述动态负荷需求为负荷控制系统指令循环周期的前后两次总负荷测量值之差的平均值。
基于上述实施例可见，本发明实施例提供的多端口电能路由器能量协调控制方法，首先通过电能调度优化算法获得储能电池功率单元的输出功率参考值第一修正量、配电网接口功率单元的消耗功率参考值第一修正量，和通过电能平衡协调控制算法获得储能电池功率单元的输出功率参考值第二修正量、配电网接口功率单元的消耗功率参考值第二修正量和动态负荷需求，然后分别将储能电池功率单元的输出功率参考值第一修正量、输出功率参考值第二修正量以及动态负荷需求求和，配电网接口功率单元的消耗功率参考值第一修正量、消耗功率参考值第二修正量以及动态负荷需求求和，获得储能电池功率单元的最终输出量以及配电网接口功率单元的最终消耗量，最后用最终输出量修正储能电池功率单元自身控制算法的输出功率参考值以及用最终消耗量修正配电网接口功率单元自身控制算法的消耗功率参考值，实现多端口电能路由器的能量协调控制作用。本发明基于电能路由器中各供能功率单元与负荷单元的功率偏差、系统直流母线电压偏差和负荷动态变化三个变量对各功率单元自身控制器的输出功率参考值进行修正，可以提高系统的稳定性和动态性能。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种多端口电能路由器能量协调控制方法流程图；
图2为本发明实施例提供的一种电能调度优化算法的流程图；
图3为本发明实施例提供的一种电能平衡协调控制算法的原理图；
图4为本发明实施例提供的一种能量协调控制方法作用于多端口电能路由器的原理图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
下面根据附图，对本实施例提供的多端口电能路由器能量协调控制方法进行详细介绍。图1为本发明实施例提供的一种多端口电能路由器能量协调控制方法流程图，如图1所示，该方法具体包括如下步骤：
S1：通过电能调度优化算法获得储能电池功率单元的输出功率参考值第一修正量和配电网接口功率单元的消耗功率参考值第一修正量。
图2为本发明实施例提供的一种电能调度优化算法的流程图，如图2所示，通过电能调度优化算法获得储能电池功率单元的输出功率参考值第一修正量和配电网接口功率单元的消耗功率参考值第一修正量的具体步骤包括
S11：采集电能路由器所在地的实时环境参数，环境参数包括光照强度、环境温度、风速。
电能调度优化算法包括电能优化调度参数采集、电能调度优化计算和电能调度优化结果输出三个步骤。电能优化调度参数采集是通过控制系统中的信号采集电路采集电能路由器所在地的实时环境参数和工作电参数，环境参数包括光照强度测量值、环境温度测量值、风速测量值；电参数包括交流负荷实时功率、直流负荷实时功率、储能电池荷电状态、配电网工作状态。
S12：根据环境参数计算获得光伏发电功率单元的最大输出功率理论值、风力发电功率单元的最大输出功率理论值。
光伏发电和风力发电功率单元的最大输出功率理论值计算，是基于电能路由器所在地的光照强度测量值、环境温度测量值、风速测量值，根据光伏发电系统和风力发电系统厂家提供的数学模型计算光伏发电和风力发电功率单元的最大输出功率理论值。如光伏发电的最大输出功率理论可按下式计算：
式(1)中，pPV为工作点的输出功率；PSTC为光伏组件在标准测试条件(太阳能入射强度为1kW/m2，电池表面温度TSTC为25℃，相对大气光学质量为AM1.5)下的光伏阵列的最大测试输出功率；nPV为光伏阵列中光伏电池总数，pstc为光伏电池的额定输出功率，则PSTC＝nPVpstc；GSTC为标准测试条件下的光照强度，Gc为工作点的光照强度；k为功率温度系数，其值为-0.47％/K；Tc为电池表面温度，它是环境温度Ta和太阳能辐射强度的函数：
Tc＝Ta+30 Gc/10 (2)
式(2)中，Tc为工作点组件温度；Ta为环境温度；Gc为受到的太阳能辐射值。
如风力发电功率单元的最大输出功率理论值可按下式计算：
式(3)中，vci为切入风速；vco为切出风速；vr为额定风速；Pr为风力发电机组额定输出功率。当风速介于vci和vr之间时，风力发电机输出功率为风速函数η(v)，即
η(v)＝Pr(v-vci)/(vr-vci) (4)
S13：采集交流负荷功率单元的实际功率、直流负荷单元的实际功率、储能电池荷电状态系数。
通过控制系统中的信号采集电路采集电能路由器交流负荷功率单元的实际功率、直流负荷单元的实际功率、储能电池荷电状态系数。
S14：计算获得储能电池功率单元和配电网接口功率单元的可调度容量。
为避免储能电池过度放电，将储能电池荷电状态系数减去0.3之后再与储能电池额定容量PbatN相乘得到储能电池功率单元的可调度容量[SOC(t)-0.3]×PbatN。
配电网接口功率单元的可调度容量计算，是用配电网接口功率单元的额定容量PinvN减去配电网接口功率单元的实时功率PinvF(t)。
S15：比较光伏发电功率单元的最大输出功率理论值、风力发电功率单元的最大输出功率理论值的总和与交流负荷功率单元的实际功率、直流负荷单元的实际功率的总和，获得功率偏差值。
将计算获得的光伏发电功率单元的最大输出功率理论值pPV(t)、风力发电功率单元的最大输出功率理论值pWTG(t)求和，获得不可调度的光伏发电功率单元、风力发电功率单元的总输出功率理论值pPV(t)+pWTG(t)；将采集获得的交流负荷功率单元的实际功率pLA(t)、直流负荷单元的实际功率pLD(t)求和，获得交直流负荷总功率实测值pLA(t)+pLD(t)；比较pPV(t)+pWTG(t)与pLA(t)+pLD(t)获得功率偏差值，即功率偏差值为(pLA(t)+pLD(t))－(pLA(t)+pLD(t))。
S16：在储能电池功率单元和配电网接口功率单元的可调度容量约束条件下，根据功率偏差值和储能电池功率单元单位电能的发电成本和配电网接口功率单元单位电能的消纳成本，获得储能电池功率单元的输出功率参考值第一修正量和配电网接口功率单元的消耗功率参考值第一修正量。
根据光伏发电和风力发电的总输出功率pPV(t)+pWTG(t)与交直流总负荷pLA(t)+pLD(t)的功率差，在储能电池功率单元和配电网接口功率单元的可调度容量约束条件下，根据储能电池功率单元的单位电能发电成本和配电网消纳电能的单位电能成本，按低发电成本优先分配的原则，分配储能电池功率单元输出功率参考值第一修正量ΔPBESS1和配电网接口功率单元的消耗功率参考值第一修正量ΔPGRID1。
S2：通过电能平衡协调控制算法获得储能电池功率单元的输出功率参考值第二修正量、配电网接口功率单元的消耗功率参考值第二修正量和动态负荷需求。
图3为本发明实施例提供的一种电能平衡协调控制算法的原理图，如图3所示，电能平衡协调控制算法包括：电能第二平衡控制算法和电能动态响应算法。
电能第二平衡控制算法包括：采集系统内部直流母线电压实测值UDC；将直流母线电压实测值UDC与额定电压UDC0进行比较，获得电压偏差值；电压偏差值经过PI控制器调节得到储能电池功率单元的输出功率参考值第二修正量ΔPBESS2和配电网接口功率单元的消耗功率参考值第二修正量ΔPGRID2。
电能动态响应算法包括：获得各负荷接入端口的动态负荷需求，各负荷接入端口的动态负荷需求为负荷控制系统指令循环周期的前后两次总负荷测量值之差的平均值ΔP(ΔP＝[pLA(k)+pLD(k)-pLA(k-1)-pLD(k-1)]/2)，将动态负荷需求用于修正储能电池功率单元的输出功率参考值和配电网接口功率单元的消耗功率参考值，最终获得功能功率单元(储能电池功率单元、配电网接口功率单元)输出功率修正量ΔPBESS、ΔPGRID，实现动态负荷需求的快速协同响应。
S3：将储能电池功率单元的输出功率参考值第一修正量、储能电池功率单元的输出功率参考值第二修正量和动态负荷需求求和，获得储能电池功率单元的最终输出量，最终输出量用于修正储能电池功率单元自身控制算法的输出功率参考值。
S4：将配电网接口功率单元的消耗功率参考值第一修正量、配电网接口功率单元的消耗功率参考值第二修正量和动态负荷需求求和，获得配电网接口功率单元的最终消耗量，最终消耗量用于修正配电网接口功率单元自身控制算法的消耗功率参考值。
图4为本发明实施例提供的一种能量协调控制方法作用于多端口电能路由器的原理图，如图4所示，通过前述步骤，本发明最后为储能电池功率单元自身控制器的输出功率参考值提供修正量ΔPBESS1、ΔPBESS2和ΔP，为配电网接口功率单元自身控制器的输出功率参考值提供修正量ΔPGRID1、ΔPGRID2和ΔP。ΔPBESS1、ΔPBESS2、ΔP和ΔPGRID1、ΔPGRID2、ΔP分别与多端口电能路由器中储能电池功率单元和配电网接口功率单元自身控制器的输出功率参考值相加，分别获得储能电池功率单元输出功率参考值修正量ΔPBESS和配电网接口功率单元消耗功率参考值修正量ΔPGRID，即可实现多端口电能路由器的能量协调控制作用。基于电能路由器中各供能功率单元与负荷单元的功率偏差、系统直流母线电压偏差和负荷动态变化三个变量对各功率单元自身控制器的输出功率参考值进行修正，可以提高系统的稳定性和动态性能。
本说明书中的实施例采用递进的方式描述。各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
需要说明的是，除非另有规定和限定，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或顺序。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的电路结构、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，有语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本文使用的术语“和\或”包括一个或多个相关的所列项目的任一的和所有的组合。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确步骤，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (5)
1.一种多端口电能路由器能量协调控制方法，其特征在于，所述方法包括：
通过电能调度优化算法获得储能电池功率单元的输出功率参考值第一修正量和配电网接口功率单元的消耗功率参考值第一修正量，包括：采集电能路由器所在地的实时环境参数，所述环境参数包括光照强度、环境温度、风速；根据所述环境参数计算获得光伏发电功率单元的最大输出功率理论值、风力发电功率单元的最大输出功率理论值；采集交流负荷功率单元的实际功率、直流负荷单元的实际功率、储能电池荷电状态系数；计算获得所述储能电池功率单元和所述配电网接口功率单元的可调度容量；比较所述光伏发电功率单元的最大输出功率理论值、所述风力发电功率单元的最大输出功率理论值的总和与所述交流负荷功率单元的实际功率、所述直流负荷单元的实际功率的总和，获得功率偏差值；在所述储能电池功率单元和所述配电网接口功率单元的可调度容量约束条件下，根据所述功率偏差值和储能电池功率单元单位电能的发电成本和配电网接口功率单元单位电能的消纳成本，获得所述储能电池功率单元的输出功率参考值第一修正量和所述配电网接口功率单元的消耗功率参考值第一修正量；
通过电能平衡协调控制算法获得所述储能电池功率单元的输出功率参考值第二修正量、所述配电网接口功率单元的消耗功率参考值第二修正量和动态负荷需求；
将所述储能电池功率单元的输出功率参考值第一修正量、所述储能电池功率单元的输出功率参考值第二修正量和动态负荷需求求和，获得所述储能电池功率单元的最终输出量，所述最终输出量用于修正所述储能电池功率单元自身控制算法的输出功率参考值；
将所述配电网接口功率单元的消耗功率参考值第一修正量、所述配电网接口功率单元的消耗功率参考值第二修正量和动态负荷需求求和，获得所述配电网接口功率单元的最终消耗量，所述最终消耗量用于修正所述配电网接口功率单元自身控制算法的消耗功率参考值。
2.根据权利要求1所述的多端口电能路由器能量协调控制方法，其特征在于，通过电能平衡协调控制算法获得所述储能电池功率单元的输出功率参考值第二修正量、所述配电网接口功率单元的消耗功率参考值第二修正量和动态负荷需求，包括：
所述电能平衡协调控制算法包括：电能第二平衡控制算法和电能动态响应算法；
所述电能第二平衡控制算法包括：
采集系统内部直流母线电压实测值；
将所述直流母线电压实测值与额定电压进行比较，获得电压偏差值；
所述电压偏差值经过PI控制器调节得到所述储能电池功率单元的输出功率参考值第二修正量和所述配电网接口功率单元的消耗功率参考值第二修正量；
所述电能动态响应算法包括：
获得各负荷接入端口的动态负荷需求，将所述动态负荷需求用于修正所述储能电池功率单元的输出功率参考值和所述配电网接口功率单元的消耗功率参考值。
3.根据权利要求1所述的多端口电能路由器能量协调控制方法，其特征在于，根据所述环境参数计算获得光伏发电功率单元的最大输出功率理论值、风力发电功率单元的最大输出功率理论值，包括：
根据电能路由器所在地的光照强度测量值、环境温度测量值、风速测量值，利用光伏发电系统和风力发电系统厂家提供的数学模型计算光伏发电和风力发电功率单元的最大输出功率理论值。
4.根据权利要求1所述的多端口电能路由器能量协调控制方法，其特征在于，计算获得所述储能电池功率单元和所述配电网接口功率单元的可调度容量，包括：
将所述储能电池荷电状态系数减去0.3，再与储能电池额定容量相乘，获得储能电池功率单元的可调度容量；
将所述配电网接口功率单元的额定容量减去所述配电网接口功率单元的实时功率，获得所述配电网接口功率单元的可调度容量。
5.根据权利要求2所述的多端口电能路由器能量协调控制方法，其特征在于，所述动态负荷需求为负荷控制系统指令循环周期的前后两次总负荷测量值之差的平均值。
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2020
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