[发明专利]一种负荷曲线可配置的储能微网控制方法

摘要

本发明公开了一种负荷曲线可配置的储能微网控制方法。它以直接向用户供电的大容量储能阵列为核心控制对象，在并网状态下通过有序充、放电策略，按需配置储能阵列所在微网对外的负荷曲线，使微网并网功率可控，其具体步骤为根据功率调节需求和储能关键特征，以储能调节量最小为目标，以分时段负荷曲线为约束，自动生成全时段控制策略。本发明在风电、光伏发电大规模、集中式并网，导致调峰、调频、备用等电网有功调节需求激增的情况下，使电力用户能在不影响自身供电可靠性的前提下参与电网有功调节，规避高峰电价给电力用户带来的经济风险，提高用电经济性；同时有利于降低储能的充、放电循环次数，延长电池寿命，提高了微网运行的经济性。

主权项

一种负荷曲线可配置的储能微网控制方法，其特征在于，该方法利用微网控制模块内新加入的负荷预测模块的信息，根据并网运行状态时对储能微网用电功率的调节需求，优化储能充、放电过程，构成新的并网运行控制策略，其具体包括以下过程：使用时，通过闭合连接中压交流网和低压交流网的断路开关，处于低压部分的所述储能微网可以实现联网运行；反之所述储能微网进入孤网运行；当处于联网运行状态时，如果闭合公共连接点处的断路开关，使联网运行的所述储能微网再通过中压交流网与外网电源相连接，则所述储能微网进入并网运行状态；能量管理模块负责相连微网群的并网功率控制、有功功率互济及中压交流网的监控和保护，同时管理员通过其中的能量监控与显示模块观察全网运行情况，发出调度和控制指令，通过拓扑控制模块实现对全网断路开关的控制；每过Δt的时间间隔，通过所述能量管理模块中网控信息模块收集时钟信号、外网发电功率信息、相连微网群中各微网发电、用电功率信息、微网负荷预测信息、储能阵列状态信息以及网络拓扑信息；所述网控信息模块收集的信息通过所述能量监控与显示模块以数字和图形的方式向管理员展示；管理员或通过所述能量监控与显示模块输入分阶段用电计划，分阶段用电计划包括调度周期内多个计划跟踪期的起止时间、计划期内用电功率曲线的信息；计划期内用电功率曲线即为用电计划曲线，其值用PREG表示，且PREG应在‑PC到PC范围变动，以保证交流变压器功率不超过最大通过容量PC；给出用电功率曲线的方法为：限制最大用电功率；在负荷预测或实测曲线基础上变动一个固定或固定比例的数值，或该数值由额外的动态数据源给出；限制负荷预测或实测曲线变动时斜率的最大或最小值；要求维持设定功率一段时间，或要求一段时间内跟踪设定曲线，或要求中断供电一段时间；相邻2个计划跟踪期之间需由1个电量调节期分隔；分阶段用电计划以1个电量调节期始，需为每个所述储能微网分别指定各自的分阶段用电计划；分阶段用电计划需先通过用电计划管理模块内的储能充放电优化模块转换为全时段用电计划方能用于功率调度；所述储能充放电优化模块按照如下规则计算得出所述储能微网的全时段用电计划：1）读取分阶段用电计划；2）求取所述储能微网内储能阵列在计划跟踪期到来前需具备的电量上、下限值，按如下步骤计算：2.1） 对其中每个计划跟踪期设定，在计划跟踪期起止时段内，对管理员设定的阶段用电计划曲线PREG和负荷预测曲线PLFOR之差关于时间作积分计算，下列以符号i表示枚举到的计划跟踪期，即，其中ti1、ti2分别表示第i个计划跟踪期的起、止时刻；2.2）如果EINTi大于0，即如果负荷预测准确并忽略损耗，该计划跟踪期将使所述储能阵列充入的电量，则设定该计划跟踪期的阶段电量上限EUi为EC‑EINTi，即在该计划跟踪期起始时刻不可使所述储能阵列的荷电量（SOC）超过EUi；2.3）如果EINTi不大于0，即如果负荷预测准确并忽略损耗，该计划跟踪期将使所述储能阵列放出的电量，则设定该计划跟踪期的阶段电量下限EDi为‑EINTi，即在该计划跟踪期起始时刻不可使所述储能阵列的荷电量（SOC）低于EDi；3）以所述储能阵列阶段调整量最小为目标，计算各个电量调整期所述储能阵列的初始阶段电量调整量，第1轮按照时间从前往后的顺序计算各个电量调整期的调整量：3.1）从所述储能阵列的当前工况开始，将计算电量ECAL设置为所述储能阵列的当前电量值ECUR；3.2）对分阶段用电计划内每个电量调节期设定，确定阶段电量的变动范围，下列以符号i表示枚举到的电量调节期：3.2.1）如果紧接该电量调节期的计划跟踪期已设置阶段电量上限EUi，则阶段电量变动范围REi为[EMIN, EUi‑EBAK]，其中EMIN为避免过度放电影响电池组寿命而为所述储能阵列设置的最小电量阈值，EBAK为管理员在考虑负荷预测误差、风光发电量、损耗的因素后为所述储能阵列留存的备用电量或备用电量存储空间；3.2.2）如果该计划跟踪期已设置阶段电量下限EDi，则阶段电量变动范围REi为[EDi+EBAK, EC]，其中EC为所述储能阵列的最大可容纳电量；3.2.3）通过比较计算电量ECAL与阶段电量变动范围REi的相对位置关系，找出REi范围内距ECAL最近的点作为阶段计划调整量ESCHi，具体步骤如下：3.2.3.1）如果计算电量ECAL比阶段电量变动范围REi的最大值还大，则阶段计划调整量设置为REi的最大值；3.2.3.2）如果计算电量ECAL比阶段电量变动范围REi的最小值还小，则阶段计划调整量设置为REi的最小值；3.2.3.3）如果计算电量ECAL在阶段电量变动范围REi内，则阶段计划调整量设置为ECAL；3.2.4）所述储能阵列的最大充、放电功率限制或导致实际可供调整量不足，不足部分记为待调节电量EDIFi，具体步骤如下：3.2.4.1）如果该电量调节期内电量调节所需的平均功率满足所述储能阵列的最大充、放电功率限制要求，即，其中PR为所述储能阵列的最大可用充电总功率，已充满的所述储能阵列功率应计为0，PD为所述储能阵列的最大可用放电总功率，放电仅剩EMIN的所述储能阵列功率应计为0，tQRi为该电量调节期的时长，则待调节电量为0；3.2.4.2）如果该电量调节期内电量调节所需的平均功率不满足所述储能阵列的最大充、放电功率限制要求，且比最大放电功率还大，即，则EDIFi=；3.2.4.3）如果该电量调节期内电量调节所需的平均功率不满足所述储能阵列的最大充、放电功率限制要求，且比最大充电功率的相反数还小，即，则EDIFi=；3.2.5）将计算电量ECAL设置为ESCHi；3.2.6）如果枚举尚未结束，返回步骤3.2）；否则结束本轮计算；4）将第1轮计算所得待调节电量按照时间从后往前的顺序重新分配，以消除待调节电量，第2轮计算的具体步骤如下：4.1）从最后1个电量调节期开始，按逐一递减（i‑1）方向枚举，枚举操作的第1次迭代时i= NQR，辅助变量ERM=0；其中NQR为电量调节期总数，符号i表示枚举到的电量调节期：4.1.1）如果该电量调节期的待调节电量为0，进入步骤4.1.5）；4.1.2）如果该电量调节期的待调节电量不为0，则第i‑1个电量调整期的临时调整量ETMP设置为ESCH(i‑1)+EDIFi；如果ETMP超出阶段电量变动范围RE(i‑1)，则以最小调整量ERM将ETMP限制在RE(i‑1)内；4.1.3）给出第i‑1个调整期的电量起点：4.1.3.1）如果i大于2，则计算电量ECAL=ESCH(i‑2)+EINT(i‑2)；4.1.3.2）如果i不大于2，则计算电量ECAL=ECUR；4.1.4）尝试将第i个电量调节期的待调节电量转移给第i‑1个电量调节期，利用前面多段电量调节期的调节空间渐次消化待调节电量：4.1.4.1）如果第i‑1个电量调节期内电量调节所需的平均功率满足所述储能阵列的最大充、放电功率限制要求，即，则进入步骤4.1.5）；4.1.4.2）如果第i‑1个电量调节期内电量调节所需的平均功率不满足所述储能阵列的最大充、放电功率限制要求，且比最大放电功率还大，即，则EDIF(i‑1)=EDIF(i‑1)+，并进入步骤4.1.5）；4.1.4.3）如果该电量调节期内电量调节所需的平均功率不满足所述储能阵列的最大充、放电功率限制要求，且比最大充电功率的相反数还小，即，则EDIF(i‑1)=，并进入步骤4.1.5）；4.1.5）将第i‑1个电量调节期的阶段计划调整量ESCH(i‑1)设置为ETMP, 将第i个电量调节期的待调节电量EDIFi和辅助变量均设为0，如果i>1，进入枚举的下一迭代步，返回步骤4.1）；否则结束本轮计算；5）根据以上结果形成全时段用电计划：5.1）如果不存在待调节电量不为0的电量调节期，则对于各个电量调节期，采用下述线性调节方法，自动生成所述储能阵列的阶段起始电量至阶段计划调整量所需的功率曲线：5.1.1）从所述储能阵列的当前工况开始，将计算电量ECAL设置为所述储能阵列的当前电量值ECUR；5.1.2）对每个电量调节期，下列以符号i表示枚举到的电量调节期：5.1.2.1）计算阶段起始电量至阶段计划调整量所需的最短时间tSCHi：如果ECAL大于ESCHi，则tSCHi=(ECAL‑ESCHi)/PD，P=‑PD；如果ECAL不大于ESCHi，则tSCHi=(ESCHi‑ECAL)/PR，P=PR；5.1.2.2）该电量调节期的所述储能阵列的充、放电功率曲线PS为时间‑功率平面上由(tSTi, P)、(tSTi+tSCHi, P)、(tSTi+tSCHi, 0)、(tEDi, 0)构成的4点连线；因此，该电量调节期的阶段用电计划线PREG为PS与同一时段的负荷预测线PLFOR之和；5.1.3）将各个电量调节期、计划跟踪期的阶段用电计划线按时间先后顺序拼接，即构成全时段用电计划；5.2）如果仍存在待调节电量不为0的电量调节期，则向所述能量监控与显示模块报告；管理员通过所述储能充放电优化模块检测所设定的分阶段用电计划是否能成功转换为全时段用电计划；管理员或通过所述能量监控与显示模块启动用电计划跟踪功能，该功能根据启动前工况，同样运行所述储能充放电优化模块，获取全时段用电计划；当获取成功后，通过启动用电计划跟踪模块断开功率互济模块的输出端，接通用电计划所述跟踪模块的输出端，以实现对管理员设定用电计划的跟踪功能；所述用电计划跟踪模块按照满足用电计划跟踪功能的要求设定交换功率定值，即从全时段用电计划中找到计划时刻与当前时刻相等时的用电计划功率值PREG，取‑PREG作为所述储能微网的交换功率定值；当不处于用电计划周期，或管理员所述能量监控与显示模块关闭用电计划跟踪功能后，启动所述用电计划跟踪模块断开所述用电计划跟踪模块的输出端，接通所述功率互济模块的输出端，所述功率互济模块根据所述网控信息模块传入的信息，按照如下规则计算得出相连微网群各网的交换功率定值：6）将并网状态先分为协议外源非调整期和多个协议外源调整期，通过所述能量监控与显示模块增减协议外源调整期及设置其起止时间、调整功率等信息：6.1）在协议外源非调整期，对相连微网群中任一所述储能微网，由外网电源满足各所述储能微网负荷用电及所述储能阵列充电需求，风光发电功率仍优先利用，具体为：其交换功率定值PT取‑PC和最大可吸收功率PA中的较大值，负值表示流入所述储能微网的功率；其中，PC为该微网所述交流变压器的最大通过容量，PA等于‑(PL+PR‑PW)，PL为网内全部交流负荷实测总功率，PW为网内全部风、光出力参考值之和；6.2）在协议外源调整期，当外网电源不足以满足全部用电、充电需求时，等比例降低各微网的交换功率；同时在调整期逐步释放功率调整量以减缓对电能质量的冲击，如果为功率向上调整，即外网电源增加供给，应在调整期内逐步减小所述储能阵列发出的功率；反之如果为功率向下调整，即外网电源减少供给，应在调整期内逐步增加所述储能阵列发出的功率，具体调整方法为：按照时间‑功率平面上2点连线，在直线上取对应时刻的功率作为外网功率定值PX；如果PX大于所有微网的Gi值之和，则将PX设置为所有微网的Gi值之和，Gi为‑PC和最大可吸收功率PA中的较大值；对相连微网群中任一所述储能微网，以符号i表示受关注的枚举个体，其交换功率定值PT等于权重系数Wi与PX的乘积，其中Wi取Gi除以所有微网的Gi值之和；7）在联网状态下，对相连微网群中任一所述储能微网，PT按照以下规则计算：7.1）在第1次计算时，获得各所述储能微网的功率不平衡量：7.1.1）如果连接风、光、油电单元与逆变单元的断路开关闭合，并且风、光、油电最大出力超过负荷，即PW+PO >PL+ε，且ε为足够小正数时， PT设置为0，同时设置不平衡功率辅助变量ΔP为PW+PO‑PL和PC之中的较小值；7.1.2）如果连接风、光、油电单元与逆变单元的断路开关闭合，并且风、光、油最大出力不大于负荷，即PW+PO ≤PL+ε时，PT和ΔP均设置为PW+PO‑PL与‑PC之中的较大值；7.1.3）如果连接风、光、油电单元与逆变单元的断路开关未闭合，并且所述储能阵列最大放电功率大于负荷，即PD>PL+ε时，PT设置为0，ΔP设置为PD‑PL和PC之中的较小值；7.1.4）如果连接风、光、油电单元与逆变单元的断路开关未闭合，并且所述储能阵列最大放电功率不大于负荷，即PD≤PL+ε时，PT和ΔP均设置为PD‑PL与‑PC之中的较大值；7.2）在第2次计算时，实现各所述储能微网功率不平衡量在具备互济条件的邻近所述储能微网的分配：7.2.1）如果需向外寻求功率互济，即ΔP<‑ε时，记Δ=‑ΔP，读取互济队列，按照队列次序，对遍历到的任一队列中的所述储能微网，根据以下规则修改PT：7.2.1.1）如果遍历所及所述储能微网具备向外提供功率互济的能力，但供应不大于需求时，即ΔP>ε并且ΔP≤Δ时，将ΔP累加到PT，Δ设置为Δ‑ΔP，ΔP设置为0；7.2.1.2）如果遍历所及所述储能微网具备向外提供功率互济的能力，但供应大于需求时，即ΔP>ε并且ΔP>Δ时，将Δ累加到PT，Δ设置为0，ΔP设置为ΔP‑Δ；7.2.1.3）如果遍历结束并且Δ>ε，通过所述能量监控与显示模块显示功率不平衡告警信息，提醒管理员采取手动控制措施；8）在孤网状态下，对所述储能微网，PT设置为0，并进行如下计算：8.1）如果连接风、光、油电单元与逆变单元的断路开关闭合，并且风、光、油最大出力小于负荷，即PW+PO <PL‑ε时，通过所述能量管理模块显示功率不平衡告警信息，提醒管理员采取手动控制措施；8.2）如果连接风、光、油电单元与逆变单元的断路开关未闭合，并且所述储能阵列最大放电功率小于负荷，即PD<PL‑ε时，通过所述能量管理模块显示功率不平衡告警信息，提醒管理员采取手动控制措施；所述功率互济模块将计算得到的相连微网群中各个所述储能微网的交换功率定值PT送入信息总线；此外，如果处于联网或并网状态、外网电源未停止供电时，所述能量管理模块内的相位同步模块从中压交流量测单元获取交流电压的相位信号；如果外网电源停止供电，周边输电网停电时，所述相位同步模块利用自身产生的工频交流信号作为逆变单元的相位信号；该信号用于同步相连微网群各所述储能微网逆变单元的相位；当由所述相位同步模块产生相位信号时，以最后1次接收到来自外网电源的相位信号为起点，产生工频交流信号及其相位信号；所述能量管理模块内的保护控制模块负责监测中压交流网及外网电源的各类电压、频率的异常波动，若通过所述中压交流量测单元获得的电压、电流、频率超过安全限值，则通过所述能量管理模块内断路开关控制模块断开连接各所述储能微网与中压交流网的开关，实施保护；当通过所述中压交流量测单元获得的电压、频率满足安全要求，则通过所述能量管理模块内所述断路开关控制模块闭合连接各所述储能微网与中压交流网的开关；储能所述微网控制模块负责所述储能微网内部的有功和无功功率平衡，执行所述能量管理模块通过信息总线下发的交换功率定值和其它调度、保护指令，同时对低压交流网及网内所述储能阵列、各分布式发电单元和负荷实现监控和保护；其中，功率调节模块按Δt的周期刷新控制策略，通过交流变压容量限制模块确定交换功率增量ΔPT，步骤如下：9）从信息总线获取所述储能微网的交换功率定值PT；如果从信息总线上在设定时长内检测不到PT的刷新，采用最后1次刷新值；如果在设定时长外仍检测不到PT的刷新，则立即判断所述储能微网进入孤网运行状态，设置PT为0；10）输入通过交流变压量测单元得到的所述储能微网与中压交流网的实际交换功率Pt；11）如果不超过ε：11.1）如果实际交换功率未超过变压器容量，即，则ΔPT=0；11.2）如果实际交换功率超过变压器容量，即，则ΔPT=，其中表示取符号函数，若括号内为负数，返回‑1；若括号内为正数，返回1；若括号内为0，返回0；12）如果超过ε：12.1）如果实际交换功率未超过变压器容量，即，则ΔPT=PT‑Pt；12.2）如果实际交换功率超过变压器容量，即，则ΔPT=；同时，所述功率调节模块从用电负荷量测单元取得用电功率PL，计算出实测发电需求PN=PL‑Pt；则净发电需求；将净发电需求、储能单元最大容量EC、剩余荷电量ER、风电、光电单元出力参考值之和PW送入有功控制模块，所述有功控制模块按照风光、储、油调度顺序，根据如下具体规则设置所述储能阵列、风电单元、光电单元、油电单元的定值：13）计算储、油待发功率定值；14）如果储、油待发功率定值为正，并且储能单元剩余荷电量足够，即并且，则风光功率定值PWS为PW，储能功率定值PSS等于PΣ，油电功率定值POS等于0；15）如果储、油待发功率定值为正，并且储能单元剩余荷电量不足，即并且，则：15.1）油电功率定值POS等于油电单元额定功率PO；15.2）如果剩余功率额大于风电、光电单元出力参考值，即，风光功率定值PWS为PW，储能功率定值PSS等于PO+PW，将所述储能微网功率不平衡量向所述能量监控与显示模块告警；15.3）如果剩余功率额小于等于风电、光电单元出力参考值，即，风光功率定值PWS为，储能功率定值PSS等于PΣ；16）如果储、油待发功率定值为负，并且储能单元有足够容量，即并且，则风光功率定值PWS为PW，储能功率定值PSS等于PΣ，油电功率定值POS等于0；17）如果储、油待发功率定值为负，并且储能单元没有足够容量，即并且，则：17.1）油电功率定值POS等于0；17.2）如果储、油待发功率定值与风电、光电单元出力参考值之和为负，即，则风光功率定值PWS为0，储能功率定值PSS等于0，将所述储能微网功率不平衡量PΣ向所述能量监控与显示模块告警；17.3）如果储、油待发功率定值与风电、光电单元出力参考值之和不为负，即，则风光功率定值PWS为PΣ，储能功率定值PSS等于PΣ；调压控制模块负责所述储能微网范围内及其邻近网络无功功率的精细反馈调节控制，以达到交流电网中电压满足安全用电要求的目标，包括下述线性控制方法；所述调压控制模块将电压参考值与通过低压交流量测单元采集的电压量测值的差值传入第一有界比例积分器，该比例积分器将无功补偿单元及储能单元所连逆变单元的最大无功容量之和作为无功出力上限，将该值的相反数作为无功出力下限，比例积分器的参数由管理员事先给定，输出无功参考值QΣ给所述功率调节模块；所述功率调节模块将QΣ转发给无功控制模块，并优先分配给所述无功补偿单元；若所述无功补偿单元容量QC不足，再将剩余无功需求QΣ‑QC分配给逆变单元；当逆变单元收发无功功率接近其无功功率上、下限时，通过所述能量监控与显示模块向管理员提示告警；储能控制模块通过储能量测单元对所述储能阵列进行实时监控，接收所述有功控制模块送来的储能功率定值PSS，根据该值设定逆变单元的有功功率；同时设置作为充电器使用、与所述储能阵列相连的D/D转换单元的功率定值等于风、光、油实测发电功率之和；如果信息总线上的相位信号在设定时长内正常刷新，则所述储能控制模块将该信号作为逆变单元的相位信号；反之，如果信息总线上的相位信号不能在设定时长内正常刷新，则采用最后1次接收到来自所述相位同步模块的相位信号为起点，生成工频相位信号，作为逆变单元的相位信号；通过储能测温单元监视所述储能阵列中各储能单元过热、过压或过充的状态，在检测到过热、过压或过充的状态后，断开相关储能单元与其它储能单元的连接；当过热、过压或过充的状态消失后，自动恢复相关储能单元与其他储能单元的连接；油电控制模块通过油电量测单元对油电单元的工作状态、出力情况进行监测，接收所述有功控制模块送来的油电功率定值POS；若POS大于ε，并且油电单元状态正常且并未启动，则立即启动油电单元并达到额定出力；若POS不大于ε且油电单元已启动，则立即关闭油电单元；若油电单元工作状态异常，应关闭运行中的油电单元，并通过所述能量监控与显示模块向管理员告警提示；风光控制模块通过风电量测单元、光电量测单元对风电单元、光电单元的工作状态、出力情况进行监测，接收所述有功控制模块送来的风光功率定值PWS，计算风光功率调节系数，将所述储能微网内各风电、光电单元根据风电、光电量测单元获得的功率参考值PWi，符号i表示受关注的参与枚举的风电、光电单元，按照设置各风电、光电单元的出力参考值，并送入与各风电、光电单元有关的A/D或D/D转换单元的控制回路；当出现风电或光电单元故障时，通过所述能量监控与显示模块向管理员告警提示；风电、光电、油电、所述储能量测单元除提供实测功率数据外，还记录并向信息总线提供相关风电、光电、油电单元和所述储能阵列的最大输出或输入功率，当配置于某个分布式发电单元、所述储能阵列附近的断路开关因保护的原因断开后，该发电单元或所述储能阵列的最大输出或输入功率应即刻置0；若断开的断路开关重新闭合，相关发电单元或所述储能阵列的最大输出或输入功率也应即刻恢复到其实际容量的设置；储能所述微网控制模块内的所述保护控制模块负责监测低压交流网的各类电压、频率的异常波动并作出保护动作，并协调不停电检修时的系统运行：18）若通过低压交流量测单元获得的电压、电流、频率超过安全限值，则通过所述能量监控与显示模块向管理员告警提示；19）当监测到危险的过电压、过电流事件，则通过储能所述微网控制模块内的所述断路开关控制模块断开风电、光电、油电单元、逆变单元以及所述储能微网连接中压交流网的开关，并标记所述储能微网为故障状态，通过所述储能微网内停电保护设备和人身安全，并通过所述能量监控与显示模块向管理员告警提示；当故障排除后，由管理员通过所述能量监控与显示模块手动控制，先检测储能单元是否尚有足够电量，如果电量太少先闭合连接油电单元的开关，通过油电单元给所述储能阵列充电；待电量达到要求，闭合除故障微网连接中压交流网的开关以外被所述保护控制模块断开的开关，重启微网并以孤网方式运行；当中压和低压交流网的电压、电流、频率均在安全限值内达足够长时间，再闭合连接所述储能微网与中压交流网的开关，实现联网或并网运行；20）当储能单元需整体不停电检修时，通过所述能量监控与显示模块，通知所述断路开关控制模块断开所述储能阵列与逆变单元间的断路开关，同时闭合连接风、光、油电单元与逆变单元的断路开关，在孤网状态下为实现平稳的状态迁移，可提前手动启动油电单元并达到额定出力；当检修结束，再通知所述断路开关控制模块闭合所述储能阵列与逆变单元间的断路开关，同时断开风、光、油电单元与逆变单元之间的开关，关闭因检修开启的油电单元。