CN113364053B - 一种实现能量枢纽综合能源的运行决策方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种实现能量枢纽综合能源的运行决策方法，包括如下步骤：S1、接入点电压判断，当接入点电压低于接入点允许最低电压时，进入孤岛模式，设定高裕量场景和低裕量场景两个典型场景；S2、采集当前运行状态，包括储能电池组功率P、储能电池组荷电状态SOC、母线电压V；S3、计算当前运行状态与两个典型场景之间的距离D1和D2；S4、实用化决策，若D1＜D2，则切断发电单元或投入负载组，若D1＞D2，则切断负载组或投入发电单元；S5、当接入点电压高于接入点允许最低电压时，进入并网模式；本发明提供的运行决策方法，明确各种运行方式之间的切换条件，通过对整体运行的实用化决策，实现基于能量枢纽的综合能源系统在各种工况下的有序运行。

Description

一种实现能量枢纽综合能源的运行决策方法
技术领域
本发明属于多能源系统技术领域，具体涉及一种实现能量枢纽综合能源的运行决策方法。
背景技术
在常规能源危机和环境污染的双重压力下，新能源的分布式发电技术得到了越来越多的关注和应用，将分布式电源组成一个微网系统进行联合发电与控制，能够有效的解决分布式电源分散、随机变动等特点，并能提高分布式发电的效益。微网是由分布式电源、能量转换装置、负荷及保护装置、监控系统等组成的小型发配电系统，并具备自我控制、保护和管理功能。由于微网应用逐渐增多，安装容量不断增大，其控制策略的研究成了非常关键的环节。微网具有两个典型的运行模式：并网运行模式和孤岛运行模式。在并网运行模式下，微网与电网中、低压配电网并网运行，互为支撑，实现能量的双向交换，在孤岛运行模式下，微网断开与常规电网的连接，仅利用自身的分布式电源与储能设备满足微网内负荷的需求，运行模式之间的平滑切换是微网双模式安全稳定运行的基本要求。微网系统由并网运行模式平滑切换到孤岛运行模式能保证分布式电源向重要负荷持续可靠供电，由孤岛运行模式平滑切换到并网运行模式可避免切换过程中对电网造成大的冲击。
能量枢纽是多能源系统的重要组成部分，可容纳多种形式能源的输入和多元化的负荷类型，优化配置能量枢纽的设备类型和容量是保证能量枢纽安全经济运行的基础。基于能量枢纽的综合能源系统由风电、光伏、储能等典型单元组成，风电、光伏、储能等单元的控制策略决定了基于能量枢纽的综合能源系统运行模式，在综合能源系统并网运行模式以及离网运行模式下，需要调整各单元的控制策略，保障基于能量枢纽的综合能源系统复杂工况下的稳定、可靠运行。
基于能量枢纽的综合能源系统中风电、光伏、储能等不同类型能源单元的调节能力不同，协同运行时系统整体性能与分布式发电状况、储能状态等设备运行工况等因素密切相关，同时受到各单元自身物理特性的约束，充分甄别复杂工况下基于能量枢纽的综合能源系统运行模式，以及针对不同运行模式提取对应的切换条件是实现系统稳定运行的关键难点问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决背景技术中所提出的问题，而提供一种实现能量枢纽综合能源的运行决策方法，当负载组接入点电压低于接入点允许最低电压时，转入孤岛模式，接入点电压高于接入点允许最低电压时，转入并网模式，明确各种运行方式之间的切换条件，通过对整体运行的实用化决策，实现基于能量枢纽的综合能源系统在各种工况下的有序运行。
本发明的目的是这样实现的：
一种实现能量枢纽综合能源的运行决策方法，包括如下步骤：
S1、接入点电压判断，当接入点电压低于接入点允许最低电压时，进入孤岛模式，设定高裕量场景和低裕量场景两个典型场景；
S2、采集当前运行状态，包括储能电池组功率P、储能电池组荷电状态SOC、母线电压V；
S3、计算当前运行状态与两个典型场景之间的距离D1和D2；
S4、实用化决策，若D1＜D2，则切断发电单元或投入负载组，若D1＞D2，则切断负载组或投入发电单元；
S5、当接入点电压高于接入点允许最低电压时，进入并网模式。
优选的，S1中，设定高裕量场景：PMAX>0，SOCMAX>α1，VMAX>β1，其中PMAX为储能电池组最大吸收功率，SOCMAX为储能电池组最高荷电状态，VMAX为母线最高电压，α1为荷电状态允许上限值，β1为母线电压允许上限值。
优选的，S1中，设定低裕量场景：PMIN<0，SOCMIN<α2，VMIN<β2，其中PMIN为储能电池组最大输出功率，SOCMIN为储能电池组最低荷电状态，VMIN为母线最低电压，α2为荷电状态允许下限值，β2为母线电压允许下限值。
优选的，S3中，当前运行状态与高裕量场景之间的距离D1满足：
D1={PMAX/PBASE*P/PBASE+SOCMAX/SOCBASE*SOC/SOCBASE+VMAX/VBASE*V/VBASE}/{Sqrt(PMAX/PBASE*PMAX/PBASE+P/PBASE*P/PBASE)*Sqrt(SOCMAX/SOCBASE*SOCMAX/SOCBASE+SOC/SOCBASE*SOC/SOCBASE)*Sqrt(VMAX/VBASE*VMAX/VBASE+V/VBASE*V/VBASE)}；
其中PBASE为储能电池组的基础吸收功率，SOCBASE为储能电池组的基础荷电状态，VBASE为母线的基础电压。
优选的，S3中，当前运行状态与低裕量场景之间的距离D2满足：
D2={PMIN/PBASE*P/PBASE+SOCMIN/SOCBASE*SOC/SOCBASE+VMIN/VBASE*V/VBASE}/{Sqrt(PMIN/PBASE*PMIN/PBASE+P/PBASE*P/PBASE)*Sqrt(SOCMIN/SOCBASE*SOCMIN/SOCBASE+SOC/SOCBASE*SOC/SOCBASE)*Sqrt(VMIN/VBASE*VMIN/VBASE+V/VBASE*V/VBASE)}；
其中PBASE为储能电池组的基础吸收功率，SOCBASE为储能电池组的基础荷电状态，VBASE为母线的基础电压。
优选的，所述发电单元是由光伏阵列和风力发电机组组成的风-电、光-电互补供电系统，将风、光可再生能源转化成电能输出。
优选的，所述发电单元的出口处配置储能电池组，所述风力发电机组的输出端设有卸荷电路，用作风力发电机的保护电路。
优选的，所述发电单元和储能电池组由分控单元控制，所述分控单元通过转换开关连接到主控单元。
优选的，所述分控单元包括分控器和分控电路，所述分控单元的工作步骤如下：
1）通过DC/DC转换器将发电单元的输出电压控制在最大功率点电压，实现对发电单元的最大功率输出；
2）将电能输送给储能电池组或负载组；
3）通过储能电池组的充放电电路实现对储能组的控制，保证储能组的蓄电池不会因为过充过放影响其寿命。
优选的，所述分控器包括电压检测电路模块和电流检测电路模块，所述风力发电机组发出的电能经过三相整流输出直流电，作为双输入电路的一路，所述光伏阵列发电作为另一路，经过双输入Boost电路变为稳定的直流电供给储能电池组和负载组。
优选的，在所述分控电路中，所述风力发电机组产生的电能通过风能发电电路中的交直流转换电路，在分控器的单片机的控制下，转换成对储能电池组充电的电能，并供给给负载；
所述光伏阵列产生的电能通过光能发电电路中的直流稳压器电路，在分控器的单片机的控制下，转换成对储能电池组充电的电能，并供给给负载。
优选的，所述储能电池组是由两层储能组成的混合储能电池组，其中第一层储能组主要用于平滑快速波动的功率分量，适合用快速响应的储能，如飞轮储能、超级电容器储能、超导储能和一些化学电池储能，第二层储能组主要用于平滑波动速度较慢的功率分量，适合用慢速响应的储能，如抽水蓄能储能、压缩空气储能、热储能和部分化学储能。
优选的，所述分控单元的分控器采用储能平滑控制策略，以使储能电池组平抑风电和太阳能发电输出功率的波动，兼顾储能电池组的蓄电池的使用寿命，所述的储能平滑控制策略是在现有的低通滤波平滑控制策略的基础上，进行SOC可变时间常数的控制，并引入模糊控制，提高SOC的自动调节能力，减少储能电池组SOC的越限情况。
优选的，本发明的分控单元通过对储能电池组的蓄电池的充放电来改变风电和光伏发电输出功率的幅值，使注入配电网的功率更加平稳，基于低通滤波原理的储能平滑控制策略中，低通滤波之后储能电池组的目标输出功率P0满足：
P0=[1/（1+τs）]×Pwp；其中Pwp为风电和光伏发电总的输出功率，τ为储能电池组的平滑时间常数；
根据功率平衡有PB=P0-Pwp，PB为储能电池组吸收或放出的功率，当PB＞0时，储能电池组放出功率，当PB＜0时，储能电池组吸收功率。
优选的，设储能电池组的容量为EB，则有：
EB(k)=[τtPwp(k)+τEB(k-1)]/(τ+t)，EB(k)和EB(k-1)分别表示储能电池组在kt时刻和(k-1)t时刻的电量。
优选的，所述的储能平滑控制策略包括如下步骤：
A1、根据储能电池组的容量，在线实时调节一阶低通滤波器的时间常数τ；
A2、发电单元总的功率输出值Pwp经过一阶低通滤波后，根据PB=P0-Pwp计算得到储能电池组出力的给定参考值PB-ref，从而得出平滑后的并入配电网的功率值P0；
A3、加入SOC主动调节器，当发电单元的功率变化率较小时，在变时间常数的滤波器后加上一个功率调整量ΔPB，使储能电池更快的恢复到合理范围，延长电池的使用寿命，改善平滑控制效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明提供的一种实现能量枢纽综合能源的运行决策方法，当负载组接入点电压低于接入点允许最低电压时，转入孤岛模式，接入点电压高于接入点允许最低电压时，转入并网模式，明确各种运行方式之间的切换条件，通过对整体运行的实用化决策，实现基于能量枢纽的综合能源系统在各种工况下的有序运行。
2、本发明提供的一种实现能量枢纽综合能源的运行决策方法，将风力发电和太阳能发电作为整个供电系统的能源来源，风力发电系统的原理就是先将风能装换成机械能，然后机械能驱动发电机，最后发电机输出交流电，交流电通过AC/DC整流器处理后得到直流电，再通过DC/DC变换器得到平稳的电压，太阳能电池板将太阳能吸收转换为直流电，通过DC/DC变换器得到平稳的电压，分控单元将得到的电能供应给负载组，若在满足负载组正常工作的情况下，同时电能还有盈余，那么盈余的电能都存储到储能电池组中，当储能电池组中的蓄电池组电池充满时，通过卸荷电路将多余的电能卸荷掉，避免对设备造成损害。
3、本发明提供的一种实现能量枢纽综合能源的运行决策方法，在发电单元的出口处集中配置储能电池组，可以更好的利用风力发电机群自身的广域平滑作用以及风电和光伏发电天然的互补性，还可以降低所需储能的容量，节约成本。
4、本发明提供的一种实现能量枢纽综合能源的运行决策方法，采用储能平滑控制策略，以使储能电池组平抑风电和太阳能发电输出功率的波动，兼顾储能电池组的蓄电池的使用寿命，所述的储能平滑控制策略是在现有的低通滤波平滑控制策略的基础上，进行SOC可变时间常数的控制，并引入模糊控制，提高SOC的自动调节能力，减少储能电池组SOC的越限情况。
附图说明
图1是本发明一种实现能量枢纽综合能源的运行决策方法结构示意图。
图2是本发明一种实现能量枢纽综合能源的运行决策方法的发电单元示意图。
图3是本发明一种实现能量枢纽综合能源的运行决策方法的分控单元电路示意图示意图。
图4是本发明一种实现能量枢纽综合能源的运行决策方法的分控电路示意图。
图5是本发明一种实现能量枢纽综合能源的运行决策方法的分控器示意图。
图6是本发明一种实现能量枢纽综合能源的运行决策方法的分控器电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，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，都属于本发明保护的范围。
实施例1
结合图1，一种实现能量枢纽综合能源的运行决策方法，包括如下步骤：
S1、接入点电压判断，当接入点电压低于接入点允许最低电压时，进入孤岛模式，设定高裕量场景和低裕量场景两个典型场景；
设定高裕量场景：PMAX>0，SOCMAX>α1，VMAX>β1，其中PMAX为储能电池组最大吸收功率，SOCMAX为储能电池组最高荷电状态，VMAX为母线最高电压，α1为荷电状态允许上限值，β1为母线电压允许上限值；
设定低裕量场景：PMIN<0，SOCMIN<α2，VMIN<β2，其中PMIN为储能电池组最大输出功率，SOCMIN为储能电池组最低荷电状态，VMIN为母线最低电压，α2为荷电状态允许下限值，β2为母线电压允许下限值。
S2、采集当前运行状态，包括储能电池组功率P、储能电池组荷电状态SOC、母线电压V；
S3、计算当前运行状态与两个典型场景之间的距离D1和D2；
当前运行状态与高裕量场景之间的距离D1满足：
D1={PMAX/PBASE*P/PBASE+SOCMAX/SOCBASE*SOC/SOCBASE+VMAX/VBASE*V/VBASE}/{Sqrt(PMAX/PBASE*PMAX/PBASE+P/PBASE*P/PBASE)*Sqrt(SOCMAX/SOCBASE*SOCMAX/SOCBASE+SOC/SOCBASE*SOC/SOCBASE)*Sqrt(VMAX/VBASE*VMAX/VBASE+V/VBASE*V/VBASE)}，其中PBASE为储能电池组的基础吸收功率，SOCBASE为储能电池组的基础荷电状态，VBASE为母线的基础电压；
当前运行状态与低裕量场景之间的距离D2满足：
D2={PMIN/PBASE*P/PBASE+SOCMIN/SOCBASE*SOC/SOCBASE+VMIN/VBASE*V/VBASE}/{Sqrt(PMIN/PBASE*PMIN/PBASE+P/PBASE*P/PBASE)*Sqrt(SOCMIN/SOCBASE*SOCMIN/SOCBASE+SOC/SOCBASE*SOC/SOCBASE)*Sqrt(VMIN/VBASE*VMIN/VBASE+V/VBASE*V/VBASE)}，其中PBASE为储能电池组的基础吸收功率，SOCBASE为储能电池组的基础荷电状态，VBASE为母线的基础电压。
S4、实用化决策，若D1＜D2，则切断发电单元或投入负载组，若D1＞D2，则切断负载组或投入发电单元；
S5、当接入点电压高于接入点允许最低电压时，进入并网模式。
通过分析基于能量枢纽的综合能源系统的典型场景，通过所提出的基于能量枢纽的综合能源系统运行实用化决策方法，明确各种运行方式之间的切换条件，通过对整体运行的实用化决策，实现基于能量枢纽的综合能源系统在各种工况下的有序运行。
实施例2
结合图2，所述发电单元的出口处配置储能电池组，所述风力发电机组的输出端设有卸荷电路，用作风力发电机的保护电路，所述发电单元和储能电池组由分控单元控制，所述分控单元通过转换开关连接到主控单元，所述发电单元、储能电池组、分控单元和主控单元组成运行决策系统，其中发电单元包括由光伏阵列和风力发电机组组成的风-电、光-电互补供电系统，将风、光可再生能源转化成电能输出；储能电池组补充发电单元输出功率的波动，使发电单元满足并网要求，提高电网的电能质量，对电能进行储备，用于平衡负荷及能量的调节；分控单元对储能电池组的工作状态进行切换和调节，保护储能电池组过冲与过放，同时对发电单元进行功率跟踪，实现系统的过压过流保护。
所述风力发电机组的输出端设有卸荷电路，用作风力发电机的保护电路，所述发电单元的出口处配置储能电池组，所述分控单元通过转换开关连接到主控单元，当分控单元检测到发电单元的接入点电压高于接入点允许最低电压时，转换开关闭合，进入并网运行模式，主控单元将由分控单元控制的发电单元的电能输送到负载组；当分控单元检测到发电单元的接入点电压低于接入点允许最低电压时，转换开关断开，进入孤岛运行模式，所述发电单元通过分控单元将储存在储能电池组中的电能输送到负载组。
实施例3
结合图3-6，所述分控单元包括分控器和分控电路，所述分控单元的工作步骤如下：
1）通过 DC/DC 转换器将发电单元的输出电压控制在最大功率点电压，实现对发电单元的最大功率输出；
2）将电能输送给储能电池组或负载组；
3）通过储能电池组的充放电电路实现对储能组的控制，保证储能组的蓄电池不会因为过充过放影响其寿命。
所述分控器包括电压检测电路模块和电流检测电路模块，所述风力发电机组发出的电能经过三相整流输出直流电，作为双输入电路的一路，所述光伏阵列发电作为另一路，经过双输入Boost电路变为稳定的直流电供给储能电池组和负载组。
在所述分控电路中，所述风力发电机组产生的电能通过风能发电电路中的交直流转换电路，在分控器的单片机的控制下，转换成对储能电池组充电的电能，并供给给负载；
所述光伏阵列产生的电能通过光能发电电路中的直流稳压器电路，在分控器的单片机的控制下，转换成对储能电池组充电的电能，并供给给负载。
实施例4
本发明的分控单元通过对储能电池组的蓄电池的充放电来改变风电和光伏发电输出功率的幅值，使注入配电网的功率更加平稳，基于低通滤波原理的储能平滑控制策略中，低通滤波之后储能电池组的目标输出功率P0满足：
P0=[1/（1+τs）]×Pwp；其中Pwp为风电和光伏发电总的输出功率，τ为储能电池组的平滑时间常数；
根据功率平衡有PB=P0-Pwp，PB为储能电池组吸收或放出的功率，当PB＞0时，储能电池组放出功率，当PB＜0时，储能电池组吸收功率。
设储能电池组的容量为EB，则有：EB(k)=[τtPwp(k)+τEB(k-1)]/(τ+t)，EB(k)和EB(k-1)分别表示储能电池组在kt时刻和(k-1)t时刻的电量。
所述的储能平滑控制策略包括如下步骤：
A1、根据储能电池组的容量，在线实时调节一阶低通滤波器的时间常数τ；
A2、发电单元总的功率输出值Pwp经过一阶低通滤波后，根据PB=P0-Pwp计算得到储能电池组出力的给定参考值PB-ref，从而得出平滑后的并入配电网的功率值P0；
A3、加入SOC主动调节器，当发电单元的功率变化率较小时，在变时间常数的滤波器后加上一个功率调整量ΔPB，使储能电池更快的恢复到合理范围，延长电池的使用寿命，改善平滑控制效果。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的保护范围内所做的任何修改，等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种实现能量枢纽综合能源的运行决策方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、接入点电压判断，当接入点电压低于接入点允许最低电压时，进入孤岛模式，设定高裕量场景和低裕量场景两个典型场景；
S2、采集当前运行状态，包括储能电池组功率P、储能电池组荷电状态SOC、母线电压V；
S3、计算当前运行状态与两个典型场景之间的距离D1和D2；
S4、实用化决策，若D1＜D2，则切断发电单元或投入负载组，若D1＞D2，则切断负载组或投入发电单元；
S5、当接入点电压高于接入点允许最低电压时，进入并网模式；
高裕量场景的设定为：PMAX>0，SOCMAX>α1，VMAX>β1，其中PMAX为储能电池组最大吸收功率，SOCMAX为储能电池组最高荷电状态，VMAX为母线最高电压，α1为荷电状态允许上限值，β1为母线电压允许上限值；
低裕量场景的设定为：PMIN<0，SOCMIN<α2，VMIN<β2，其中PMIN为储能电池组最大输出功率，SOCMIN为储能电池组最低荷电状态，VMIN为母线最低电压，α2为荷电状态允许下限值，β2为母线电压允许下限值；
S3中，当前运行状态与高裕量场景之间的距离D1满足：
D1={PMAX/PBASE*P/PBASE+SOCMAX/SOCBASE*SOC/SOCBASE+VMAX/VBASE*V/VBASE}/{Sqrt(PMAX/PBASE*PMAX/PBASE+P/PBASE*P/PBASE)*Sqrt(SOCMAX/SOCBASE*SOCMAX/SOCBASE+SOC/SOCBASE*SOC/SOCBASE)*Sqrt(VMAX/VBASE*VMAX/VBASE+V/VBASE*V/VBASE)}；
其中PBASE为储能电池组的基础吸收功率，SOCBASE为储能电池组的基础荷电状态，VBASE为母线的基础电压；
S3中，当前运行状态与低裕量场景之间的距离D2满足：
D2={PMIN/PBASE*P/PBASE+SOCMIN/SOCBASE*SOC/SOCBASE+VMIN/VBASE*V/VBASE}/{Sqrt(PMIN/PBASE*PMIN/PBASE+P/PBASE*P/PBASE)*Sqrt(SOCMIN/SOCBASE*SOCMIN/SOCBASE+SOC/SOCBASE*SOC/SOCBASE)*Sqrt(VMIN/VBASE*VMIN/VBASE+V/VBASE*V/VBASE)}；
其中PBASE为储能电池组的基础吸收功率，SOCBASE为储能电池组的基础荷电状态，VBASE为母线的基础电压。
2.根据权利要求1所述的一种实现能量枢纽综合能源的运行决策方法，其特征在于：所述发电单元是由光伏阵列和风力发电机组组成的风-电、光-电互补供电系统，将风、光可再生能源转化成电能输出。
3.根据权利要求2所述的一种实现能量枢纽综合能源的运行决策方法，其特征在于：所述发电单元的出口处配置储能电池组，所述风力发电机组的输出端设有卸荷电路，用作风力发电机的保护电路。
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