CN113708402A - 一种离网型微电网的能量分配管理系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种离网型微电网的能量分配管理系统及其方法，包括数据信息比对处理模块，云计算数据中心对自然能数据和气候预测数据进行比对并处理，数据接收存储模块，远端客户端输入端对外界自然能能量数据和云端气候预测数据进行接收并存储于数据库中。本发明在对发电机电量储能数据传递的同时进行气候预测数据接收，配合微电网系统的实时监测与管理，在提高能源的利用率的同时实现了对能源的有效控制，此外，通过设置的系统控制方案，结合输出功率的波动频率、电池提供的功率和负载设备的功率波动频率等参数，利用微电网分布式电源的自身优势，使之不仅可以维持直流母线的电压，而且可以平抑由于可再生能源造成的功率波动问题。

Description

一种离网型微电网的能量分配管理系统及其方法
技术领域
本发明涉及微电网运用技术领域，尤其涉及一种离网型微电网的能量分配管理系统及其方法。
背景技术
由于海岛与陆地隔离，其开发和研究长期以来受到电力、交通等的制约，偏远海岛用电保障十分困难，现行的最主要供电途径是大陆远距离供油发电，但其由于柴油供应等外界因素而受到制约，此外，在海岛使用柴油发电生产成本高，同时会产生了大量的水源污染和噪声污染，严重影响和破坏了海岛生态环境，而海岛风能、太阳能等可再生能源资源丰富，若能将其充分合理利用对海岛可持续发展具有重大意义，且离网型微电网可独立自主运行，能够自给自足，满足系统能量需求，具有广阔的发展前景。
但在以往的运行设备的实时监视和数据的采集过程中容易因网络、天气情况以及地理环境等因素的影响，造成数据反馈到终端时可能存在延时，而无法及时对运行设备进行调整，降低了微电网的性能，此外，微电网运行中涉及传感器、显示器等电子元件易受损坏，从而可能会影响整个系统正常的运行但在本方案中由于光伏电池的输出功率，存在间歇性和随机性，风电间歇式电源输出功率也具有波动性。
为解决上述问题，提出了一种离网型微电网的能量分配管理系统及其方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种离网型微电网的能量分配管理系统及其方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种离网型微电网的能量分配管理系统及其方法，包括：
数据信息比对处理模块，云计算数据中心对自然能数据和气候预测数据进行比对并处理；
数据接收存储模块，远端客户端输入端对外界自然能能量数据和云端气候预测数据进行接收并存储于数据库中；
电池充放电管理模块，能源路由器根据功率比对数据进行电池的充放电工序；
柴油机运行管理模块，能源路由器根据输入根据功率比对数据进行柴油机的运转工序；
运行信息反馈及调控模块，能源路由器将电池充放电和柴油机的运行信号传递至近端控制器进行调控。
优选地，所述数据信息比对处理模块包括自然能储能与储能数据接收单元和云端气候预测单元，所述自然能储能与储能数据接收单元通过传感器对风机发电机和光伏发电机发出地输入功率信号进行接收；
所述云端气候预测单元包含统计预测组块和物理预测组块；
所述统计预测组块通过统计分析历史数据，发现其内在规律并最终用于发电功率预测，从而直接预测输出功率、太阳辐射强度和地区风能强度；
所述物理预测组件是在已知太阳辐射强度和风力转动预测值的情况下，研究光能与风能转化的物理过程，采用物理方程考虑光照温度、风力系数和发电机使用寿命等影响因素，由预测的太阳辐射强度得到光伏系统和风机系统的发电功率预测值。
优选地，所述电池充放电管理模块通过能源路由器比较输入功率，包括风机输入功率Pw、光伏发电功率Pl、储能电池供电功率Pb，和负载功率Pload的大小来决定电池的充电与放电的步骤选取。
优选地，所述柴油机运行管理模块能源路由器比较输入功率，包括风机输入功率Pw、光伏发电功率Pl、储能电池供电功率Pb，和负载功率Pload的大小，对存储的自然能源剩余量进行判定，进一步对柴油机的使用与停机进行程序选控，所述电池充放电管理模块设置有电池剩余电量的阈值n％。当电池小于该电量阈值时，将停止电池供电，转而使用采用柴油机发电。
优选地，所述运行信息反馈及调控模块通过传感器动态监视微电网的各个设备工况特征参数的变化，以及负载端的运行情况，并将这些特征参数信号实时传入能源路由器中，通过识别系统的识别算法识别出电网设备所运行的工况，并将设备工况信号向“最优协调控制选择模式”输入，“最优协调控制选择模式”收到设备工况设备后，执行基于规则的能量管理控制算法，并将模式选择命令传入控制器，最终控制器实现提高新能源消纳能力及系统运行稳定性实现各个设备的最优运行控制。
优选地，所述自然能储能与储能数据接收单元中采用一种改进后的混合储能系统拓扑结构，所述混合储能系统拓扑结构将风能转换为机械能，发电机将动能转换为电能，并通过DC/DC变换器与直流母线相连，光伏阵列将太阳能直接转换为电能并通过AC/DC变换器与直流母线连接，电池由DC/DC2变换器与超级电容连接构成混合储能单元，再通过DC/DC1变换器与直流母线连接。
优选地，所述数据信息比对处理模块的风机发电过程中，不考虑风力机械的利用系数，单位面积获得的风功率称为风能密度,其公式为:
W＝0.5ρv3；
推动风力机械运转的风能功率是P1＝0.5ρv3F；
其中ρ空气质量密度(kg/m3),v风速(m/s),F风力机械叶轮扫掠的面积(m2)；
由于实际上风力机械不可能将桨叶旋转的风能全部转变为轴的机械能，因而风轮的实际功率应为ρ＝0.5ρv3FCP；
其中CP为风轮所接受风的动能与通过风轮扫掠面积F全部风的动能比值，称之为风能利用系数。
优选地，所述数据信息比对处理模块的光伏发电机的过程中，整体的发电效PRE公式为：
Figure BDA0003209154640000041
PDR为测试时间间隔内的实际发电量；
PT为测试时间间隔内的理论发电量；
理论发电量PT公式中；
T为光伏电站测试时间间隔内对应STC条件下的实际有效发电时间；
Figure BDA0003209154640000051
Р为光伏电站STC条件下组件容量标称值；
Io为STC条件下太阳辐射总量值，I0＝1000w/m2；
Ii为测试时间内的总太阳辐射值；
优选的，一种离网型微电网的能量分配方法，其步骤包括：
传感器收集风机和光伏发电机的波动频率、电池提供的功率以及负载涉笔的功率波动频率，同时将数据传递至能源管理系统中进行比对；
能源路由器连接网络云端数据计算中，实时接收气候变化的数据并向能源管理系统提供相应的数据，预备即将变化的工作情况；
能源管理系统根据能源路由器反馈和传感器提供的发电工况数据进行比对判断，从而调整能源分配策略并进行实行；
远程控制平台实时监控发电情况并将各发电机组工作参数进行存储，同时对异常发电情况进行调整。
相比现有技术，本发明的有益效果为：
1、本发明通过网络云端数据计算中心和控制器的连接配合，从而对发电机电量储能数据传递的同时进行气候预测数据接收，配合微电网系统的实时监测与管理，在提高能源的利用率的同时实现了对能源的有效控制。
2、本发明通过设置的系统控制方案，结合输出功率的波动频率、电池提供的功率和负载设备的功率波动频率等参数，利用微电网分布式电源的自身优势，使之不仅可以维持直流母线的电压，而且可以平抑由于可再生能源造成的功率波动问题，从而提高了设备在使用过程中的稳定性。
附图说明
图1为本发明提出的一种离网型微电网的能量分配管理系统的系统概述框图；
图2为本发明提出的一种离网型微电网的能量分配管理系统的微电网能源管理系统的基础框架示意图；
图3为本发明提出的一种离网型微电网的能量分配管理系统的能源分配方案示意图；
图4为本发明提出的一种离网型微电网的能量分配管理系统的电池充放电判断模块示意图；
图5为本发明提出的一种离网型微电网的能量分配管理系统的柴油机工作状态判断模块示意图；
图6为本发明提出的一种离网型微电网的能量分配管理系统的能源分配方案系统流程示意图
图7为本发明提出的一种离网型微电网的能量分配方法的整体步骤示意图。
具体实施方式
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。
参照图1-7，一种离网型微电网的能量分配管理系统，包括：
数据信息比对处理模块，云计算数据中心对自然能数据和气候预测数据进行比对并处理；
数据接收存储模块，远端客户端输入端对外界自然能能量数据和云端气候预测数据进行接收并存储于数据库中；
电池充放电管理模块，能源路由器根据功率比对数据进行电池的充放电工序；
柴油机运行管理模块，能源路由器根据输入根据功率比对数据进行柴油机的运转工序；
运行信息反馈及调控模块，能源路由器将电池充放电和柴油机的运行信号传递至近端控制器进行调控。
数据信息比对处理模块包括自然能储能与储能数据接收单元和云端气候预测单元，自然能储能与储能数据接收单元通过传感器对风机发电机和光伏发电机发出地输入功率信号进行接收；
云端气候预测单元包含统计预测组块和物理预测组块；
统计预测组块通过统计分析历史数据，发现其内在规律并最终用于发电功率预测，从而直接预测输出功率、太阳辐射强度和地区风能强度；
物理预测组件是在已知太阳辐射强度和风力转动预测值的情况下，研究光能与风能转化的物理过程，采用物理方程考虑光照温度、风力系数和发电机使用寿命等影响因素，由预测的太阳辐射强度得到光伏系统和风机系统的发电功率预测值。
电池充放电管理模块通过能源路由器比较输入功率，包括风机输入功率Pw、光伏发电功率Pl、储能电池供电功率Pb，和负载功率Pload的大小来决定电池的充电与放电的步骤选取。
柴油机运行管理模块能源路由器比较输入功率，包括风机输入功率Pw、光伏发电功率Pl、储能电池供电功率Pb，和负载功率Pload的大小，对存储的自然能源剩余量进行判定，进一步对柴油机的使用与停机进行程序选控，电池充放电管理模块设置有电池剩余电量的阈值n％。当电池小于该电量阈值时，将停止电池供电，转而使用采用柴油机发电。
运行信息反馈及调控模块通过传感器动态监视微电网的各个设备工况特征参数的变化，以及负载端的运行情况，并将这些特征参数信号实时传入能源路由器中，通过识别系统的识别算法识别出电网设备所运行的工况，并将设备工况信号向“最优协调控制选择模式”输入，“最优协调控制选择模式”收到设备工况设备后，执行基于规则的能量管理控制算法，并将模式选择命令传入控制器，最终控制器实现提高新能源消纳能力及系统运行稳定性实现各个设备的最优运行控制。
自然能储能与储能数据接收单元中采用一种改进后的混合储能系统拓扑结构，混合储能系统拓扑结构将风能转换为机械能，发电机将动能转换为电能，并通过DC/DC变换器与直流母线相连，光伏阵列将太阳能直接转换为电能并通过AC/DC变换器与直流母线连接，电池由DC/DC2变换器与超级电容连接构成混合储能单元，再通过DC/DC1变换器与直流母线连接。
数据信息比对处理模块的风机发电过程中，不考虑风力机械的利用系数，单位面积获得的风功率称为风能密度,其公式为:
W＝0.5ρv3；
推动风力机械运转的风能功率是P1＝0.5ρv3F；
其中ρ空气质量密度(kg/m3),v风速(m/s),F风力机械叶轮扫掠的面积(m2)；
由于实际上风力机械不可能将桨叶旋转的风能全部转变为轴的机械能，因而风轮的实际功率应为ρ＝0.5ρv3FCP；
其中CP为风轮所接受风的动能与通过风轮扫掠面积F全部风的动能比值，称之为风能利用系数。
数据信息比对处理模块的光伏发电机的过程中，整体的发电效PRE公式为：
Figure BDA0003209154640000091
PDR为测试时间间隔内的实际发电量；
PT为测试时间间隔内的理论发电量；
理论发电量PT公式中；
T为光伏电站测试时间间隔内对应STC条件下的实际有效发电时间；
Figure BDA0003209154640000092
Р为光伏电站STC条件下组件容量标称值；
Io为STC条件下太阳辐射总量值，I0＝1000w/m2；
Ii为测试时间内的总太阳辐射值；
一种离网型微电网的能量分配方法，其步骤包括：
传感器收集风机和光伏发电机的波动频率、电池提供的功率以及负载涉笔的功率波动频率，同时将数据传递至能源管理系统中进行比对；
能源路由器连接网络云端数据计算中，实时接收气候变化的数据并向能源管理系统提供相应的数据，预备即将变化的工作情况；
能源管理系统根据能源路由器反馈和传感器提供的发电工况数据进行比对判断，从而调整能源分配策略并进行实行；
远程控制平台实时监控发电情况并将各发电机组工作参数进行存储，同时对异常发电情况进行调整。
根据图2可知，能源管理系统粗略为三大部分，分别为能源输入、能源管理和能源输出，其中能源管理部分是本课题的研究重点。
本发明的具体实施方式通过下文进行阐述：
当海岛上出现海风吹动和阳光照射的过程中，发电机所产生的电能进行储能，此时云计算中心对存储电能的输入功率信息进行保存，同时通过云计算数据中心接入网路大数据，获取最新的气候状况，向能源管理系统提供相应的数据，预备即将变化的工作情况，从而提高能源的利用率；
根据图2可知，当海岛上到达晚上时，通过能源路由器对输入功率进行比对，为实现本系统的能源分配方案，通过电池充放电管理模块以及柴油机运行管理模块的数据比对进行实施：
实施例1
根据图3可知，已知风机输入功率为Pw、光伏发电功率为Pl、储能电池供电功率为Pb，负载功率为Pload；
当Pw和Pl之和大于Pload时，即负载功率小于自然能的产能功率总和，此时由于产生能量的溢出，多余的能量通过储能电池进行存储，由于此时产能较多，控制器不进行柴油机工作信号的传递，柴油机此时为停机状态。
实施例2
本实施例跟实施例1不同之处在于，自然能产能等于负载消耗的能量；
根据图3可知，当Pw和Pl之和等于Pload时，即负载功率等于自然能的产能功率总和，此时由于产生的能量与消耗能量相同，无多余的能量产生，电池不进行工作，但由于能量的平衡使用状态，控制器不进行柴油机工作信号的传递，柴油机此时为停机状态。
实施例3
本实施例跟实施例1、实施例2不同之处在于，自然能产能小于负载消耗的能量，但储能电池内部存储能量与自然能产生之和大于负载消耗的能量；
根据图3可知，当Pw和Pl之和小于Pload时，即负载功率等于自然能的产能功率总和，此时由于产生的能量比消耗能量小，控制器向储能端传递供电信号，此时Pw、Pl和Pb之和大于Pload时，即储能电池内部存储能量与自然能产生之和大于负载消耗的能量，此时电池开始进行供电判定，当存储电量大于电池的供电阀值n％时，电池开始进行供电，由于电池能量的供应量和自然能之和大于负载消耗能量，控制器不进行柴油机工作信号的传递，柴油机此时为停机状态。
实施例4
本实施例跟上述实施例不同之处在于，自然能产能小于负载消耗的能量，但储能电池内部存储能量与自然能产生之和大于负载消耗的能量，但电池电量低于供电阀值；
根据图3可知，当Pw和Pl之和小于Pload时，即负载功率等于自然能的产能功率总和，此时由于产生的能量比消耗能量小，控制器向储能端传递供电信号，此时Pw、Pl和Pb之和大于Pload时，即储能电池内部存储能量与自然能产生之和大于负载消耗的能量，此时电池开始进行供电判定，当存储电量小于电池的供电阀值n％时，电池不进行供电，由于自然能小于负载消耗能量且电池无法进行供电，控制器开始进行柴油机工作信号的传递，柴油机此时为工作状态，在供能的同时对电池进行充电保护。
实施例5
本实施例跟上述实施例不同之处在于，储能电池内部存储能量与自然能产生之和小于负载消耗的能量，电池电量大于电池的供电阀值；
根据图3可知，当Pw和Pl之和小于Pload时，即负载功率等于自然能的产能功率总和，此时由于产生的能量比消耗能量小，控制器向储能端传递供电信号，此时Pw、Pl和Pb之和小于Pload时，即储能电池内部存储能量与自然能产生之和小于负载消耗的能量，此时电池开始进行供电判定，当存储电量大于电池的供电阀值n％时，电池进行供电，由于自然能和电池供应电能小于负载消耗能量，控制器开始进行柴油机工作信号的传递，柴油机开始工作与电池一同为系统提供电能。
实施例6
本实施例跟上述实施例不同之处在于，储能电池内部存储能量与自然能产生之和小于负载消耗的能量，电池电量小于电池的供电阀值；
根据图3可知，当Pw和Pl之和小于Pload时，即负载功率等于自然能的产能功率总和，此时由于产生的能量比消耗能量小，控制器向储能端传递供电信号，此时Pw、Pl和Pb之和小于Pload时，即储能电池内部存储能量与自然能产生之和小于负载消耗的能量，此时电池开始进行供电判定，当存储电量小于电池的供电阀值n％时，电池不进行供电，由于自然能小于负载消耗能量且电池不进行供电工序，控制器开始进行柴油机工作信号的传递，柴油机此时为工作状态，在供能的同时对电池进行充电保护。
分配方案通过云计算数据中心，共享微电网的软硬件资源和信息，按需提供给计算机和其他设备进行显示以及实时监控。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种离网型微电网的能量分配管理系统,该系统包括：
数据信息比对处理模块，云计算数据中心对自然能数据和气候预测数据进行比对并处理；
数据接收存储模块，远端客户端输入端对外界自然能能量数据和云端气候预测数据进行接收并存储于数据库中；
电池充放电管理模块，能源路由器根据功率比对数据进行电池的充放电工序；
柴油机运行管理模块，能源路由器根据输入根据功率比对数据进行柴油机的运转工序；
运行信息反馈及调控模块，能源路由器将电池充放电和柴油机的运行信号传递至近端控制器进行调控。
2.根据权利要求1所述的一种离网型微电网的能量分配管理系统，其特征在于，所述数据信息比对处理模块包括自然能储能与储能数据接收单元和云端气候预测单元，所述自然能储能与储能数据接收单元通过传感器对风机发电机和光伏发电机发出地输入功率信号进行接收；
所述云端气候预测单元包含统计预测组块和物理预测组块；
所述统计预测组块通过统计分析历史数据，发现其内在规律并最终用于发电功率预测，从而直接预测输出功率、太阳辐射强度和地区风能强度；
所述物理预测组件是在已知太阳辐射强度和风力转动预测值的情况下，研究光能与风能转化的物理过程，采用物理方程考虑光照温度、风力系数和发电机使用寿命等影响因素，由预测的太阳辐射强度得到光伏系统和风机系统的发电功率预测值。
3.根据权利要求1所述的一种离网型微电网的能量分配管理系统，其特征在于，所述电池充放电管理模块通过能源路由器比较输入功率，包括风机输入功率Pw、光伏发电功率Pl、储能电池供电功率Pb，和负载功率Pload的大小来决定电池的充电与放电的步骤选取。
4.根据权利要求3所述的一种离网型微电网的能量分配管理系统，其特征在于，所述柴油机运行管理模块能源路由器比较输入功率，包括风机输入功率Pw、光伏发电功率Pl、储能电池供电功率Pb，和负载功率Pload的大小，对存储的自然能源剩余量进行判定，进一步对柴油机的使用与停机进行程序选控，所述电池充放电管理模块设置有电池剩余电量的阈值n％。当电池小于该电量阈值时，将停止电池供电，转而使用采用柴油机发电。
5.根据权利要求1所述的一种离网型微电网的能量分配管理系统，其特征在于，所述运行信息反馈及调控模块通过传感器动态监视微电网的各个设备工况特征参数的变化，以及负载端的运行情况，并将这些特征参数信号实时传入能源路由器中，通过识别系统的识别算法识别出电网设备所运行的工况，并将设备工况信号向“最优协调控制选择模式”输入，“最优协调控制选择模式”收到设备工况设备后，执行基于规则的能量管理控制算法，并将模式选择命令传入控制器，最终控制器实现提高新能源消纳能力及系统运行稳定性实现各个设备的最优运行控制。
6.根据权利要求2所述的一种离网型微电网的能量分配管理系统，其特征在于，所述自然能储能与储能数据接收单元中采用一种改进后的混合储能系统拓扑结构，所述混合储能系统拓扑结构将风能转换为机械能，发电机将动能转换为电能，并通过DC/DC变换器与直流母线相连，光伏阵列将太阳能直接转换为电能并通过AC/DC变换器与直流母线连接，电池由DC/DC2变换器与超级电容连接构成混合储能单元，再通过DC/DC1变换器与直流母线连接。
7.根据权利要求2所述的一种离网型微电网的能量分配管理系统，其特征在于，所述数据信息比对处理模块的风机发电过程中，不考虑风力机械的利用系数，单位面积获得的风功率称为风能密度,其公式为:
W＝0.5ρv3；
推动风力机械运转的风能功率是P1＝0.5ρv3F；
其中ρ空气质量密度(kg/m3),v风速(m/s),F风力机械叶轮扫掠的面积(m2)；
由于实际上风力机械不可能将桨叶旋转的风能全部转变为轴的机械能，因而风轮的实际功率应为ρ＝0.5ρv3FCP；
其中CP为风轮所接受风的动能与通过风轮扫掠面积F全部风的动能比值，称之为风能利用系数。
8.根据权利要求2所述的一种离网型微电网的能量分配管理系统，其特征在于,所述数据信息比对处理模块的光伏发电机的过程中，整体的发电效PRE公式为：
Figure FDA0003209154630000041
PDR为测试时间间隔内的实际发电量；
PT为测试时间间隔内的理论发电量；
理论发电量PT公式中；
T为光伏电站测试时间间隔内对应STC条件下的实际有效发电时间；
Figure FDA0003209154630000042
Р为光伏电站STC条件下组件容量标称值；
Io为STC条件下太阳辐射总量值，I0＝1000w/m2；
Ii为测试时间内的总太阳辐射值。
9.一种离网型微电网的能量分配方法，其步骤包括：
传感器收集风机和光伏发电机的波动频率、电池提供的功率以及负载涉笔的功率波动频率，同时将数据传递至能源管理系统中进行比对；
能源路由器连接网络云端数据计算中，实时接收气候变化的数据并向能源管理系统提供相应的数据，预备即将变化的工作情况；
能源管理系统根据能源路由器反馈和传感器提供的发电工况数据进行比对判断，从而调整能源分配策略并进行实行；
远程控制平台实时监控发电情况并将各发电机组工作参数进行存储，同时对异常发电情况进行调整。
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