CN113131516A - 一种光储柴孤岛微电网系统的能量管理及协调控制策略的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光储柴孤岛微电网系统的能量管理及协调控制策略的方法，包括步骤：1)建立光储柴孤岛微电网系统的整体数学模型；2)根据步骤1)建立微电源数学模型；3)在步骤2)的基础上建立绿色节能型能量管理策略模型；4)依据步骤1)、步骤2)、步骤3)建立各微源控制策略；5)根据步骤4)建立准同期并网控制；6)根据步骤5)建立基于能量管理的微电网系统协调控制策略研究。本发明为基于光储柴的孤岛微电网规划、设计和运行提供理论依据，进一步促进太阳能等清洁能源的发展和利用。
Description
技术领域
本发明属于储能控制策略领域，具体涉及一种光储柴孤岛微电网系统的能量管理及协调控制策略的方法。
背景技术
面对紧张的资源环境，世界各国都加快了对清洁能源的研发，我国的电力需求也逐渐依赖于清洁能源。不同于化石能源的高昂成本及燃烧后对环境产生污染的不好影响，风、光、水等清洁能源对环境无污染，并且有着取之不尽用之不竭的天然优势，将有不可限量的发展空间。然而，由于受日照强度、温度等气象条件的影响，太阳能具有间接以及波动的特点，这些特点也给电网的电能质量、可靠运行等方面都带来了严峻的挑战。为了更加合理地利用清洁能源发电，削弱其负面影响，需加入储能装置来平抑功率波动，使得系统的电压、频率能维持稳定，微电网的概念应运而生。微电网既可以在并网模式下运行，也可以在孤岛模式下运行。其中，孤岛微电网是指能独立运行、无需接入大电网的微电网。孤岛微电网中，通常会加入常规的发电机组(如微燃机、柴油机等)来配合清洁能源发电机组(如风力发电、光伏发电等)对整个微电网进行供电，同时加入储能装置(如蓄电池、超级电容等)来维持系统的电压和频率的稳定。微网中的微源种类多样，相较于单一的能源发电，微网更加复杂，如果不能合理利用各个微源，合理配置其容量，不仅发挥不出清洁能源的优势，还会使系统的电能质量下降，并且增加不必要的经济成本，对电网造成负面影响。截止目前为止，与微电网相关的各个领域的研究工作已经验证了其发展的可行性，但是在可靠性、环保性等方面综合考虑的仍然不够。由于这些指标往往是相互牵制的，因此如何合理的对能源进行优化配置，用有效的控制手段增强系统的可靠性是一重要问题。
发明内容
本发明基于改进鲸鱼算法研究了混合储能系统的优化配置。本发明围绕光储柴孤岛微电网系统，重点开展了微电网的容量优化配置和多源协调控制策略的研究。以充分利用太阳能发电、优化储能电池的工作状态、使系统稳定经济运行为目标，提出了一种绿色节能型能量管理策略；在此策略的基础上提出了种光储柴孤岛微电网系统的能量管理及协调控制策略的方法。
本发明采取如下技术方案来实现的：
一种光储柴孤岛微电网系统的能量管理及协调控制策略的方法，包括以下步骤：
1)建立光储柴孤岛微电网系统的整体数学模型；
2)根据步骤1)建立微电源数学模型；
3)在步骤2)的基础上建立绿色节能型能量管理策略模型；
4)依据步骤1)、步骤2)、步骤3)建立各微源控制策略；
5)根据步骤4)建立准同期并网控制；
6)根据步骤5)建立基于能量管理的微电网系统协调控制策略研究。
本发明进一步的改进在于，步骤1)建立的光储柴孤岛微电网系统的整体数学模型为：
从微源组合和调度控制两个方面建立网架，该光储柴孤岛微电网系统由光伏模块、蓄电池模块和柴油机模块组成；调度控制通过中央控制器实现；
其中光伏模块是主要功率输出部分，蓄电池模块用来平抑光伏发电中产生的频率波动，柴油发电机模块是在极端天气下接入系统以保证其稳定运行；
中央控制器是光储柴孤岛微电网系统的大脑，控制着光伏系统的发电量，储能电池充放电的切换及柴油发电机的投入或退出运行；当PV的发电量大于负荷所需要的电能时，中央控制器将发信号给PV控制器和储能控制器，从而将多发的电能给蓄电池充电；当蓄电池也充满时，为保证系统的安全性，切断线路，即“弃光”；当PV的发电量无法满足负荷需求时，中央控制器进行调控，发信号给储能控制器使蓄电池提供负荷所需的功率缺额；当蓄电池的发电量达到下限时，控制器控制蓄电池不再放电，同时发信号给柴油机控制器，使其开始工作以额定功率运行，当蓄电池的荷电状态达到设定值，且柴油机满足最小运行时间时，停止柴油机工作，以保证蓄电池不会因为过放电而造成寿命降低。
本发明进一步的改进在于，步骤2)的具体实现方法为：建立光伏发电机组数学模型，令Iph为光生电流；Id为二极管饱和电流；I为光伏电池的输出电流；V为光伏电池的输出电压；Rs为串联等效电阻；Rsh为并联等效电阻，得到光伏电池的输出电流为
建立储能电池数学模型电状态模型为：
其中，SOC(t)表示蓄电池当前荷电状态，SOC0表示蓄电池初始荷电状态，Qbat表示电池额定容量，Ib表示蓄电池流经的电流值，dt表示时间积分微量；
建立柴油机数学模型，该模型基于如下假定：(1)忽略定子绕组的D、Q绕组的暂态过程；(2)设定子电压方程中1p.u.，使得转速变化较小时，在暂态过程中引起的误差亦较小；(3)对于被忽略的D、Q绕组，在转子运动方程中以补充阻尼的方式来代替；在实际推导中，删去七阶park方程中的D、Q绕组的相应方程和变量，保留udqf,idqf,dqf及Tm，对应有d，q，f三个绕组的电压、磁链方程及2个转子的运动方程；然后将转子变量uf，if，f分别用Ef，Eq，Eq代替，用磁链方程消去d，q，if，最终的同步机模型保留udq，idq，Ef，Eq和Tm和状态变量，同步电机的三阶模型如下：
本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体实现方法为：具体的能量管理策略方案如下：在给定时间内，优先使用光伏发电给负荷提供所需功率，若有剩余的能量则储存在蓄电池内，若电池充满后仍有多余能量则弃光；如果光伏发电的功率无法达到负荷需求，则先考虑蓄电池放电以补充所需功率，若达到蓄电池放电最小值仍不满足要求，则通过柴油机发电来补充所需的功率；建立a-e 5个相应的时间周期内系统的工作状态，如下所示：
a：光伏发电优先提供给负荷，达到负荷要求功率后的剩余功率Pnet(t)用来给蓄电池充电，Pbat(t)＝Pc(t)＝Pnet(t)；b：增加系统部分可控负荷Pload 2(t)，使∑ΔP(t+1)≥Pload(t+1)-Preal(t+1)；c：光伏发电优先给负荷供电，其功率小于负荷需求，缺额功率Pnet(t)将由蓄电池补充，Pbat(t)＝-Pd(t)＝-Pnet(t)；d：光伏发电系统功率和蓄电池最大量之和小于负荷所需功率，此时缺额功率Pnet(t)由蓄电池和柴油机一起补充，
e：切除系统部分可控负荷Pload 2(t)，使∑ΔP(t+1)≥Pload(t+1)-Preal(t+1)。
本发明进一步的改进在于，步骤4)的具体实现方法为：
1)将光伏机组作为从电源，并采用PQ控制方式，即按照设定的功率工作；2)采用V/f控制以保证微网电压以及频率的恒定；3)在孤岛状态下，储能电池将根据微网的需要采取PQ控制或V/f控制；当蓄电池容量足够供给负荷时，就选取蓄电池为主电源并采用V/f控制；否则选取柴油机为主电源，此时储能电池作为从电源采用PQ控制，以额定的功率进行充放电；其中，当储能电池的控制方式发生改变时，将出现开关切换的过程；为了预防瞬时微网内功率失衡，在切换时将预启动柴油机作为备用电源来保障微网内电压及频率的稳定。
本发明进一步的改进在于，步骤5)的具体实现方法为：并网单元的频率、波形及电压不可能与电网完全一致，会产生些许偏差；因此规定了偏差值的范围，将满足该范围所需的条件称作准同期并网条件，即：(1)并网元件与系统电压的误差为(5％～10％)Un；(2)并网元件与系统电压相角差为0～5；(3)并网元件与系统频率的误差为±(0.2％～0.5％)fn；微网中柴油机的准同期控制具体步骤如下：首先根据锁相环测得的相位值对发电机的转速进行控制，使其与电网相位一致；其次通过对励磁电流的控制，使发电机的电压幅值与微网基本一致；最后通过对原动机的转速进行控制，使其频率与电网基本相同，当三者的值都在允许范围内后，合闸并网。
本发明进一步的改进在于，步骤6)的具体实现方法为：在孤岛条件下，为了保证各微源之间的协调控制，采用基于能量管理的微电网系统协调控制策略，光储柴孤岛微电网的协调控制策略的控制逻辑如下：1)当蓄电池为主电源时，由上层协调控制单元先把解列开关合上，然后测量交流母线的电压以及频率；如果需要切换柴油机为主电源，则由上层协调控制单元发送信号给柴油机控制单元，使其控制柴油机的电压及频率以满足准同期并网条件；2)当上层协调控制单元检测到柴油机已经合闸后，向储能电池的控制器发送模式切换命令，储能电池在收到控制器发送的命令后，将无缝切换到相应的控制模式。
本发明进一步的改进在于，在切换过程中保证储能电池的输出功率不变，当切换完成后再逐渐减小其输出功率，使柴油机做主电源给负荷供电。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：
1.提出了一种绿色节能型能量管理策略，该策略以系统稳定经济运行为目标，充分利用光伏发电提供电能，优化储能电池的工作状态，尽可能减少柴油机的运行。
2.本发明重点分析了储能电池和柴油机的无缝切换及准同期并网条件，提出了一种基于能量管理的光储柴孤岛微电网系统的协调控制策略。
综上，本发明为基于光储柴的孤岛微电网规划、设计和运行提供理论依据，进一步促进太阳能等清洁能源的发展和利用。
附图说明
图1为光储柴孤岛微电网系统的结构图；
图2为光储柴微网系统能量管理策略图；
图3为切换过程的等效相量图；
图4为协调控制系统结构图。
具体实施方式
下面通过附图，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1所示，该图主要从微源组合和调度控制两个方面建立网架。该系统由光伏模块、蓄电池模块、柴油机模块等组成。其中光伏阵列是主要功率输出部分，储能电池用来平抑光伏发电中产生的频率波动，柴油发电机是在极端天气下接入系统以保证其稳定运行。为了更好地利用系统中太阳能发电，同时缓解甚至消除光伏发电中不确定因素带来的影响，设置系统中合理的容量大小、采取有效的控制手段来确保微网系统的运行经济性和供电质量高是非常必要的。中央控制器是光储柴孤岛微电网系统的大脑，控制着光伏系统的发电量，储能电池充放电的切换及柴油发电机的投入或退出运行。当PV的发电量大于负荷所需要的电能时，中央控制器将发信号给PV控制器和储能控制器，从而将多发的电能给蓄电池充电；当蓄电池也充满时，为保证系统的安全性，切断线路，即“弃光”。当PV的发电量无法满足负荷需求时，中央控制器进行调控，发信号给储能控制器使蓄电池提供负荷所需的功率缺额；当蓄电池的发电量达到下限时，控制器控制蓄电池不再放电，同时发信号给柴油机控制器，使其开始工作以额定功率运行，当蓄电池的荷电状态达到设定值，且柴油机满足最小运行时间时，停止柴油机工作，以保证蓄电池不会因为过放电而造成寿命降低。
如图2所示，该策略是以系统稳定经济运行为目标，充分利用光伏发电提供电能，优化储能电池的工作状态，尽可能减少柴油机的运行。具体的能量管理策略方案如下：在某给定时间内，优先使用光伏发电给负荷提供所需功率，若有剩余的能量则储存在蓄电池内，若电池充满后仍有多余能量则弃光；如果光伏发电的功率无法达到负荷需求，则先考虑蓄电池放电以补充所需功率，若达到蓄电池放电最小值仍不满足要求，则通过柴油机发电来补充所需的功率。建立a-e 5个相应的时间周期内系统的工作状态，如下所示：a：光伏发电优先提供给负荷，达到负荷要求功率后的剩余功率Pnet(t)用来给蓄电池充电，Pbat(t)＝Pc(t)＝Pnet(t)。b：增加系统部分可控负荷Pload 2(t)，使∑ΔP(t+1)≥Pload(t+1)-Preal(t+1)。c：光伏发电优先给负荷供电，其功率小于负荷需求，缺额功率Pnet(t)将由蓄电池补充，Pbat(t)＝-Pd(t)＝-Pnet(t)；d：光伏发电系统功率和蓄电池最大量之和小于负荷所需功率，此时缺额功率Pnet(t)由蓄电池和柴油机一起补充，
切除系统部分可控负荷Pload 2(t)，使∑ΔP(t+1)≥Pload(t+1)-Preal(t+1)。
如图3所示，为切换过程等效相量图。流向电网的电流ig可表示为
ug为微网内电压，
u0为需要并网的逆变器输出电压，
zg为网侧的等效阻抗；ig为流向微网的电流。其中，当ug＝u0，其大小相差1/1000时，
由上可得，由相位差引起的冲击电流远远大于由幅值差引起的冲击电流。因此要满足无缝切换的条件，应保证电压的幅值大小和相位都需与微网一致，尤其是相位应相同。由于储能电池的两种控制方式下电压外环和电流内环均保持不变，因此能平滑快速的对模式进行切换，从而满足要求。
如图4所示，为控制策略结构图，光储柴孤岛微电网的协调控制策略的控制逻辑如下：1)当蓄电池为主电源时，由上层协调控制单元先把解列开关合上，然后测量交流母线的电压以及频率；如果需要切换柴油机为主电源，则由上层协调控制单元发送信号给柴油机控制单元，使其控制柴油机的电压及频率以满足准同期并网条件。2)当上层协调控制单元检测到柴油机已经合闸后，向储能电池的控制器发送模式切换命令。储能电池在收到控制器发送的命令后，将无缝切换到相应的控制模式。需注意在切换过程中应该保证储能电池的输出功率不变，当切换完成后再逐渐减小其输出功率，使柴油机做主电源给负荷供电。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (8)
1.一种光储柴孤岛微电网系统的能量管理及协调控制策略的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立光储柴孤岛微电网系统的整体数学模型；
2)根据步骤1)建立微电源数学模型；
3)在步骤2)的基础上建立绿色节能型能量管理策略模型；
4)依据步骤1)、步骤2)、步骤3)建立各微源控制策略；
5)根据步骤4)建立准同期并网控制；
6)根据步骤5)建立基于能量管理的微电网系统协调控制策略研究。
2.根据权利要求1所述的光储柴孤岛微电网系统的能量管理及协调控制策略的方法，其特征在于，步骤1)建立的光储柴孤岛微电网系统的整体数学模型为：
从微源组合和调度控制两个方面建立网架，该光储柴孤岛微电网系统由光伏模块、蓄电池模块和柴油机模块组成；调度控制通过中央控制器实现；
其中光伏模块是主要功率输出部分，蓄电池模块用来平抑光伏发电中产生的频率波动，柴油发电机模块是在极端天气下接入系统以保证其稳定运行；
中央控制器是光储柴孤岛微电网系统的大脑，控制着光伏系统的发电量，储能电池充放电的切换及柴油发电机的投入或退出运行；当PV的发电量大于负荷所需要的电能时，中央控制器将发信号给PV控制器和储能控制器，从而将多发的电能给蓄电池充电；当蓄电池也充满时，为保证系统的安全性，切断线路，即“弃光”；当PV的发电量无法满足负荷需求时，中央控制器进行调控，发信号给储能控制器使蓄电池提供负荷所需的功率缺额；当蓄电池的发电量达到下限时，控制器控制蓄电池不再放电，同时发信号给柴油机控制器，使其开始工作以额定功率运行，当蓄电池的荷电状态达到设定值，且柴油机满足最小运行时间时，停止柴油机工作，以保证蓄电池不会因为过放电而造成寿命降低。
3.权利要求1所述的光储柴孤岛微电网系统的能量管理及协调控制策略的方法，其特征在于，步骤2)的具体实现方法为：建立光伏发电机组数学模型，令Iph为光生电流；Id为二极管饱和电流；I为光伏电池的输出电流；V为光伏电池的输出电压；Rs为串联等效电阻；Rsh为并联等效电阻，得到光伏电池的输出电流为I＝Iph-Id-Ish，
建立储能电池数学模型电状态模型为：
其中，SOC(t)表示蓄电池当前荷电状态，SOC0表示蓄电池初始荷电状态，Qbat表示电池额定容量，Ib表示蓄电池流经的电流值，dt表示时间积分微量；
建立柴油机数学模型，该模型基于如下假定：(1)忽略定子绕组的D、Q绕组的暂态过程；(2)设定子电压方程中1p.u.，使得转速变化较小时，在暂态过程中引起的误差亦较小；(3)对于被忽略的D、Q绕组，在转子运动方程中以补充阻尼的方式来代替；在实际推导中，删去七阶park方程中的D、Q绕组的相应方程和变量，保留udqf,idqf,dqf及Tm，对应有d，q，f三个绕组的电压、磁链方程及2个转子的运动方程；然后将转子变量uf，if，f分别用Ef，Eq，Eq代替，用磁链方程消去d,q,if，最终的同步机模型保留udq,idq,Ef,Eq和Tm和状态变量，同步电机的三阶模型如下：
4.权利要求3所述的光储柴孤岛微电网系统的能量管理及协调控制策略的方法，其特征在于，步骤3)的具体实现方法为：具体的能量管理策略方案如下：在给定时间内，优先使用光伏发电给负荷提供所需功率，若有剩余的能量则储存在蓄电池内，若电池充满后仍有多余能量则弃光；如果光伏发电的功率无法达到负荷需求，则先考虑蓄电池放电以补充所需功率，若达到蓄电池放电最小值仍不满足要求，则通过柴油机发电来补充所需的功率；建立a—e 5个相应的时间周期内系统的工作状态，如下所示：
a：光伏发电优先提供给负荷，达到负荷要求功率后的剩余功率Pnet(t)用来给蓄电池充电，Pbat(t)＝Pc(t)＝Pnet(t)；b：增加系统部分可控负荷Pload2(t),使∑ΔP(t+1)≥Pload(t+1)-Preal(t+1)；c：光伏发电优先给负荷供电，其功率小于负荷需求，缺额功率Pnet(t)将由蓄电池补充，Pbat(t)＝-Pd(t)＝-Pnet(t)；d：光伏发电系统功率和蓄电池最大量之和小于负荷所需功率，此时缺额功率Pnet(t)由蓄电池和柴油机一起补充，
e：切除系统部分可控负荷Pload2(t),使∑ΔP(t+1)≥Pload(t+1)-Preal(t+1)。
5.权利要求4所述的光储柴孤岛微电网系统的能量管理及协调控制策略的方法，其特征在于，步骤4)的具体实现方法为：
1)将光伏机组作为从电源，并采用PQ控制方式，即按照设定的功率工作；2)采用V/f控制以保证微网电压以及频率的恒定；3)在孤岛状态下，储能电池将根据微网的需要采取PQ控制或V/f控制；当蓄电池容量足够供给负荷时，就选取蓄电池为主电源并采用V/f控制；否则选取柴油机为主电源，此时储能电池作为从电源采用PQ控制，以额定的功率进行充放电；其中，当储能电池的控制方式发生改变时，将出现开关切换的过程；为了预防瞬时微网内功率失衡，在切换时将预启动柴油机作为备用电源来保障微网内电压及频率的稳定。
6.权利要求5所述的光储柴孤岛微电网系统的能量管理及协调控制策略的方法，其特征在于，步骤5)的具体实现方法为：并网单元的频率、波形及电压不可能与电网完全一致，会产生些许偏差；因此规定了偏差值的范围，将满足该范围所需的条件称作准同期并网条件，即：(1)并网元件与系统电压的误差为(5％～10％)Un；(2)并网元件与系统电压相角差为0～5；(3)并网元件与系统频率的误差为±(0.2％～0.5％)f n；微网中柴油机的准同期控制具体步骤如下：首先根据锁相环测得的相位值对发电机的转速进行控制，使其与电网相位一致；其次通过对励磁电流的控制，使发电机的电压幅值与微网基本一致；最后通过对原动机的转速进行控制，使其频率与电网基本相同，当三者的值都在允许范围内后，合闸并网。
7.权利要求5所述的光储柴孤岛微电网系统的能量管理及协调控制策略的方法，其特征在于，步骤6)的具体实现方法为：在孤岛条件下，为了保证各微源之间的协调控制，采用基于能量管理的微电网系统协调控制策略，光储柴孤岛微电网的协调控制策略的控制逻辑如下：1)当蓄电池为主电源时，由上层协调控制单元先把解列开关合上，然后测量交流母线的电压以及频率；如果需要切换柴油机为主电源，则由上层协调控制单元发送信号给柴油机控制单元，使其控制柴油机的电压及频率以满足准同期并网条件；2)当上层协调控制单元检测到柴油机已经合闸后，向储能电池的控制器发送模式切换命令，储能电池在收到控制器发送的命令后，将无缝切换到相应的控制模式。
8.权利要求7所述的光储柴孤岛微电网系统的能量管理及协调控制策略的方法，其特征在于，在切换过程中保证储能电池的输出功率不变，当切换完成后再逐渐减小其输出功率，使柴油机做主电源给负荷供电。
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