2023智能微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

智能微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)目錄4國內(nèi)外微電網(wǎng)的研究現(xiàn)狀1235微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)概述微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的主要功能模塊微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的數(shù)學(xué)模型及求解算法技術(shù)難點(diǎn)及挑戰(zhàn)的總結(jié)前言微網(wǎng)發(fā)展的核心技術(shù)難點(diǎn)：控制問題發(fā)展關(guān)鍵：經(jīng)濟(jì)性（政策性）問題MEMS：使控制得更好、使運(yùn)行得更經(jīng)濟(jì)、使供電質(zhì)量提高微網(wǎng)與分布式發(fā)電電網(wǎng)連接和信息處理需要有比較核心的調(diào)節(jié)設(shè)備（比如儲能設(shè)備）有系統(tǒng)級的協(xié)調(diào)調(diào)度與控制國內(nèi)外微電網(wǎng)的研究現(xiàn)狀各國微網(wǎng)研究的側(cè)重點(diǎn)發(fā)展背景 研究側(cè)重點(diǎn)美國近年來發(fā)生了幾次較大的停電事故，使美國電力工業(yè)十分關(guān)注電能質(zhì)量和供電可靠性。美國對微電網(wǎng)的研究著重于利用微電網(wǎng)提高電能質(zhì)量和供電可靠性歐洲希望通過優(yōu)化從電源到用戶的價(jià)值鏈來推動和發(fā)展分布式電源，而且，歐洲互聯(lián)電網(wǎng)中的電源大體上靠近負(fù)荷，比較容易形成多個(gè)微電網(wǎng)，歐洲微電網(wǎng)的研究更多關(guān)注于多個(gè)微電網(wǎng)的互聯(lián)問題。日本本土資源匱乏，其對可再生能源的重視程度高于其他國家，但新能源隨機(jī)性，限制了其大規(guī)模應(yīng)用日本在微電網(wǎng)方面的研究更強(qiáng)調(diào)對微電源的控制與儲能。國外發(fā)達(dá)國家研究起步較早，在關(guān)鍵技術(shù)方面已取得一些突破，并在小規(guī)模微網(wǎng)中得到驗(yàn)證；目前正推動微網(wǎng)向更高電壓等級、更大容量發(fā)展。目錄4國內(nèi)外微電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀1235微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)概述微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的主要功能模塊微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的數(shù)學(xué)模型及求解算法技術(shù)難點(diǎn)及挑戰(zhàn)的總結(jié)微網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)概述System,MEMS)是微網(wǎng)調(diào)度自動化的總稱。為微網(wǎng)調(diào)度提供各種實(shí)時(shí)信息，對微網(wǎng)進(jìn)行調(diào)度決策管理與控制，保證微網(wǎng)安全運(yùn)行，提高微網(wǎng)質(zhì)量和改善微網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的基本概念微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)(Microgrid Energy Manangement國內(nèi)外能量管理的研究美國北方電力（Northern

Power

Systems）在

Vermont

州的

Waitsfield

建立了鄉(xiāng)村微網(wǎng)，開發(fā)了

Smart

View

TM能量管理軟件，對微網(wǎng)進(jìn)行調(diào)度管理。日本Kyoto

微網(wǎng)安裝了

4

臺

100kW

的內(nèi)燃機(jī)、250kW

的燃料電池以及

100kW

的鉛酸蓄電池。通過

ISDN

和ADSL

通訊線路，對系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對微網(wǎng)的能量管理，控制微網(wǎng)的供需平衡，監(jiān)測微網(wǎng)的電能質(zhì)量。日本Hachinohe

微網(wǎng)采用以沼氣為燃料的內(nèi)燃機(jī)，通過

5.4km

的

6.6kV

架空線路，給

6

個(gè)終端用戶供電，并采用光纖通訊，通過上層中央控制器對微網(wǎng)進(jìn)行能量調(diào)度管理。美國GE公司投資

400

萬美元，建設(shè)集控制、保護(hù)及能量管理于一體的微網(wǎng)示范工程，開發(fā)適應(yīng)于微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的本地監(jiān)控策略和算法，研究微網(wǎng)的商業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)模式，并且在新澤西州的Wayne城進(jìn)行實(shí)物演示。微網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)概述微網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)概述微網(wǎng)能量管理的對象可再生能源發(fā)電、用電負(fù)荷的功率預(yù)測與管理；

儲能設(shè)備的充、放電管理；柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等可調(diào)度機(jī)組的一次能源利用效率與啟停機(jī)管理；

可調(diào)度負(fù)荷的切負(fù)荷管理。微網(wǎng)能量管理的特點(diǎn)管理范圍??；電源種類多：風(fēng)電、光伏、燃料電池、儲能設(shè)備等；管理場景多：并網(wǎng)運(yùn)行、孤網(wǎng)運(yùn)行以及過渡過程；

穩(wěn)定性要求高：電壓穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定。微網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)概述微網(wǎng)能量管理的場景微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性管理； 微網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性管理；微網(wǎng)并網(wǎng)與解列的過渡過程管理； 微網(wǎng)的黑啟動管理。微網(wǎng)能量管理的目標(biāo)環(huán)境污染小運(yùn)行費(fèi)用少能源利用率高系統(tǒng)網(wǎng)損小切負(fù)荷量少目錄4國內(nèi)外微電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀1235微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)概述微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的主要功能模塊微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的數(shù)學(xué)模型及求解算法技術(shù)難點(diǎn)及挑戰(zhàn)的總結(jié)微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)動裝置RTU1公共信息如電價(jià)、氣價(jià)、天氣預(yù)報(bào)配網(wǎng)調(diào)度DER維護(hù)DER接入RTU2RTU3RTU4其它照明電氣量HVACScada系統(tǒng)DER控制器DER1DER2DER3DER4數(shù)據(jù)庫優(yōu)化決策數(shù)據(jù)預(yù)測信息發(fā)布MEMS微網(wǎng)系統(tǒng)報(bào)表統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)數(shù)據(jù)預(yù)測子系統(tǒng)歷史存儲子系統(tǒng)報(bào)表統(tǒng)計(jì)子系統(tǒng)優(yōu)化決策子系統(tǒng)管理信息發(fā)布子系統(tǒng)微網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)的主要功能模塊微網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)的主要功能模塊網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鲂畔⒉杉癄顟B(tài)估計(jì)功率預(yù)測決策管理層數(shù)據(jù)分析層經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度潮流計(jì)算無功優(yōu)化調(diào)度控制層常規(guī)機(jī)組發(fā)電調(diào)度儲能設(shè)備充放電管理負(fù)荷管理與調(diào)度儲能管理策略切負(fù)荷策略MEMS數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)管理微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能對可再生能源發(fā)電與負(fù)荷進(jìn)行功率預(yù)測；為儲能設(shè)備建立合理的充、放電管理策略為微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部每個(gè)分布式能源控制器提供功率和電壓設(shè)定點(diǎn)；確保滿足微網(wǎng)系統(tǒng)中的熱負(fù)荷和電負(fù)荷需求；盡可能的使排放量和系統(tǒng)損耗最??；最大限度地提高微電源的運(yùn)行效率；對無功功率進(jìn)行管理，維持微電網(wǎng)較好的電壓水平；提供微網(wǎng)系統(tǒng)故障情況下孤島運(yùn)行與重合閘的邏輯與控制方法。微網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)的主要功能模塊微網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)的主要功能模塊功率預(yù)測模塊風(fēng)電光伏預(yù)測預(yù)測預(yù)測包括負(fù)荷預(yù)測，可再生能源發(fā)電量預(yù)測。預(yù)測時(shí)間尺度包括小時(shí)級和分鐘級。電負(fù)荷和熱負(fù)荷微電網(wǎng)一般建立在居民區(qū)附近，使得風(fēng)速和光照條件受地理因素影響較大；負(fù)荷則以居民用電和商用電為主，用電量隨機(jī)性較大。因此，微網(wǎng)中的風(fēng)光出力及負(fù)荷預(yù)測將變得更加復(fù)雜。在微電網(wǎng)中，負(fù)荷預(yù)測以及風(fēng)電、光伏出力的預(yù)測對微電網(wǎng)的運(yùn)行重要指導(dǎo)意義，包括：安排微電源的啟停、制定經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行策略、指導(dǎo)儲能設(shè)備的充放電管理等。微網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)的主要功能模塊功率預(yù)測模塊負(fù)荷預(yù)測由數(shù)據(jù)外推的方法可能帶來較大誤差；設(shè)想根據(jù)主要用戶的用電特性進(jìn)行精細(xì)化建模；主要用戶用電信息與MEMS系統(tǒng)的交互；注意重要負(fù)荷的獨(dú)立預(yù)測；新能源預(yù)測基于發(fā)電單元的微觀建模；自然資源數(shù)據(jù)（風(fēng)、光等）和發(fā)電數(shù)據(jù)的挖掘；由自然資源轉(zhuǎn)換為發(fā)電時(shí)要采用精細(xì)的轉(zhuǎn)換公式；微網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)的主要功能模塊微網(wǎng)需求側(cè)管理模塊可控負(fù)荷根據(jù)負(fù)荷的優(yōu)先級，提供孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的切負(fù)荷策略；使并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微網(wǎng)有能力成為可調(diào)度負(fù)荷；負(fù)荷優(yōu)化安排切負(fù)荷策略需求側(cè)管理模塊微網(wǎng)的重要優(yōu)勢之一，就是在主網(wǎng)故障和檢修期間，可以孤網(wǎng)運(yùn)行，繼續(xù)為內(nèi)部重要負(fù)荷提供持續(xù)電能。由于微電網(wǎng)自身電源容量的限制，在電力不足時(shí)需要進(jìn)行主動切負(fù)荷管理，因此，首先需要對負(fù)荷按重要程度進(jìn)行優(yōu)先級排序，然后根據(jù)電力不足情況確定切負(fù)荷策略。微網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)的主要功能模塊微網(wǎng)儲能管理模塊儲能系統(tǒng)儲能管理系統(tǒng)制定儲能的并網(wǎng)控制策略；制定儲能的孤網(wǎng)控制策略；優(yōu)化儲能的充、放電安排，延長其使用壽命。充放電優(yōu)化安排儲能設(shè)備是微網(wǎng)中重要的供電電源，因此，儲能設(shè)備控制策略的優(yōu)劣直接影響到微網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性。同時(shí)，儲能設(shè)備成本較高，合理的充、放電管理，能有效延長其使用壽命，降低成本?，F(xiàn)階段儲能裝置的種類微電網(wǎng)中的儲能裝置蓄電池為主超級電容器配合蓄電池混合儲能為微電網(wǎng)的孤網(wǎng)運(yùn)行提供頻率和電壓支撐。作為主控電源混合儲能蓄電池超級電容器飛輪儲能超導(dǎo)儲能微網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)蓄電池的控制策略作為備用電源 ?

在其他電源不能滿足微網(wǎng)中重要負(fù)荷的需求時(shí)才放電作為調(diào)峰電源 ?

谷荷時(shí)充電，峰荷時(shí)放電；交替充放電 ?

配合新能源發(fā)電使用，緩解其波動性對配電網(wǎng)的影響；蓄電池的優(yōu)化控制 ?

采用控制理論對其充放電進(jìn)行管理；微網(wǎng)孤網(wǎng)時(shí)蓄電池的控制策略微網(wǎng)儲能管理模塊微網(wǎng)潮流計(jì)算模塊微網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)的主要功能模塊微網(wǎng)潮流計(jì)算的特點(diǎn)潮流計(jì)算主要針對多節(jié)點(diǎn)（多級）微網(wǎng)系統(tǒng)；電壓等級較低，線路R/X值較高；三相負(fù)荷存在不對稱問題，最好進(jìn)行三相潮流計(jì)算。微網(wǎng)接入點(diǎn)的潮流計(jì)算模型可能與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組模型（

PQ節(jié)點(diǎn)、PV節(jié)點(diǎn)或平衡節(jié)點(diǎn)）不同，而微網(wǎng)節(jié)點(diǎn)類型取決于其運(yùn)行方式和控制特性。分布式電源的接入改變了電網(wǎng)功率單向流動的特點(diǎn)，增加了微網(wǎng)潮流計(jì)算的復(fù)雜度。微網(wǎng)潮流的計(jì)算方法牛頓拉夫遜法ZBus/YBus方法前推回代法微電網(wǎng)電壓無功優(yōu)化模塊微網(wǎng)接入對配網(wǎng)的影響微電網(wǎng)的接入改變了配電網(wǎng)功率單相流動的特點(diǎn)；引入新能源發(fā)電形式后，輸出功率的波動性，對配網(wǎng)電壓影響較大。微網(wǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行無功優(yōu)化優(yōu)化目標(biāo)：

減小網(wǎng)損與運(yùn)行成本、保證較好電壓水平；實(shí)現(xiàn)方法1：通過逆變器控制策略維持電壓水平；實(shí)現(xiàn)方法2：基于規(guī)則的調(diào)整方法；微網(wǎng)的孤網(wǎng)運(yùn)行無功優(yōu)化以穩(wěn)定電壓為主要目標(biāo)，確定微電源的協(xié)調(diào)控制策略，維持母線較好的電壓水平。微網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)的主要功能模塊微網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)的主要功能模塊微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化模塊預(yù)測信息能量優(yōu)化電價(jià)和負(fù)荷可再生能源滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)運(yùn)行費(fèi)用最小的目標(biāo)。優(yōu)化功率分配，體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性。制定可控機(jī)組的開停機(jī)計(jì)劃，出力安排，負(fù)荷管理，以及與主網(wǎng)功率交換計(jì)劃。交換計(jì)劃公網(wǎng)出力安排可控機(jī)組負(fù)荷管理可調(diào)度負(fù)荷目錄4國內(nèi)外微電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀1235微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)概述微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的主要功能模塊微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的數(shù)學(xué)模型及求解算法技術(shù)難點(diǎn)及挑戰(zhàn)的總結(jié)風(fēng)光及負(fù)荷功率預(yù)測開始負(fù)荷分類與失負(fù)荷價(jià)值評估確定儲能設(shè)備管理策略建立目標(biāo)函數(shù)與約束條件建立發(fā)電機(jī)組成本模型模型優(yōu)化求解確定調(diào)度結(jié)果結(jié)束微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的組織流程對各類電源與負(fù)荷建立模型，分別預(yù)測；根據(jù)負(fù)荷重要程度進(jìn)行分類，通過調(diào)研方式進(jìn)行失負(fù)荷價(jià)值評估；儲能充放電管理，是微電網(wǎng)管理的重要組成部分；對各類機(jī)組進(jìn)行成本分析；在滿足潮流約束與機(jī)組容量等約束的基礎(chǔ)上達(dá)到微電網(wǎng)的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目標(biāo)；根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，確定各微電源的調(diào)度指令及切負(fù)荷操作。微網(wǎng)調(diào)度的時(shí)間區(qū)間及時(shí)間尺度Hachinohe

微網(wǎng)采用光纖通訊，通過上層中央控制器對微網(wǎng)進(jìn)行能量調(diào)度管理，內(nèi)容包括：每周供需計(jì)劃（控制目的為計(jì)及環(huán)境因素、燃料成本等情況下，最小化購電成本，最大化微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益）；每

3

分鐘一次的經(jīng)濟(jì)調(diào)度（根據(jù)預(yù)測需求和實(shí)際需求之差對分布式發(fā)電出力進(jìn)行調(diào)整）；1s

級的潮流控制（避免負(fù)載波動和分布式電源波動對電網(wǎng)產(chǎn)生影響）；0ms

的頻率控制（用于保障孤島運(yùn)行的電壓和頻率恒定，孤島運(yùn)行時(shí)，蓄電池首先作為電壓頻率控制單元，逐步過渡到由內(nèi)燃機(jī)提供電壓和頻率支持）日本八戶市(Hachinohe)調(diào)度管理軟件設(shè)計(jì)為例Hachineohe微網(wǎng)組成：3臺170kW以沼氣為燃料的內(nèi)燃機(jī)、130kW光伏、20kW風(fēng)機(jī)及100kW儲能蓄電池。通過5.4km的6.6kV架空線路為市政廳、供水公司、4所中小學(xué)共603kW負(fù)荷供電。微網(wǎng)調(diào)度的時(shí)間尺度采用多時(shí)間尺度配合，調(diào)度出力計(jì)算考慮小時(shí)級和分鐘級的時(shí)間尺度。預(yù)測誤差及功率波動產(chǎn)生的秒及毫秒級功率平衡考慮由穩(wěn)壓設(shè)備吸收。微網(wǎng)調(diào)度的時(shí)間區(qū)間及時(shí)間尺度微網(wǎng)調(diào)度的時(shí)間區(qū)間可以設(shè)計(jì)周前/日前的出力安排。考慮到時(shí)間區(qū)間變小時(shí)預(yù)測誤差減少，可以設(shè)計(jì)日內(nèi)的提前1-2小時(shí)的安排。微網(wǎng)調(diào)度的數(shù)學(xué)模型及求解算法微網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的目標(biāo)單目標(biāo)函數(shù)：總的調(diào)度周期內(nèi)微網(wǎng)運(yùn)行費(fèi)用最少。多目標(biāo)函數(shù)：運(yùn)行費(fèi)用最少；排污最少；交換功率最少等。分布式電源的經(jīng)濟(jì)模型對于微型燃?xì)廨啓C(jī)，燃料電源，柴油機(jī)等燃料機(jī)組，需要考慮其燃料費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用、啟停費(fèi)用。對于風(fēng)電，光伏以及儲能系統(tǒng)，其沒有燃料費(fèi)用，但需考慮其維護(hù)費(fèi)用。目錄4國內(nèi)外微電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀1235微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)概述