一种微电网能量管理系统的制作方法

文档序号:7491932阅读:922来源:国知局
专利名称:一种微电网能量管理系统的制作方法
技术领域
本实用新型专利涉及一种适用于微电网的能量管理系统,属于微电网综合自动化技术领域。
背景技术
新世纪来,发展可再生能源已经成为国际社会应对能源危机、环境保护和自然灾害等问题的重要举措。分布式发电作为可再生能源利用的一种重要形式,在世界范围了得到了快速的发展。分布式发电的大规模接入对传统电力系统的运行和管理带来了新的问题,而微电网能够对分布式发电实现有效的整合及灵活、智能的控制,是解决分布式发电并网问题的一种重要的技术手段,近年来得到了普遍的关注。微电网作为促进可再生能源的友好接入的一种技术手段,是智能电网重要的组成 部分。近年来,我国能源行业对微电网的关注程度日趋增高,目前已有多个企业单位开展了微电网试点工程的建设,在商业街区、智能小区、工厂厂房以及偏远农牧区均有规划试点,部分项目已经建成并投入运行。风光资源、分布式电源、储能单元及用电负荷的多样化,给微电网综合自动化监控技术提出了更高的要求。

实用新型内容微电网能量管理系统将对整个微电网内设备运行状态进行监视,根据当前系统运行情况与外界应用请求制定相应的运行控制策略,针对分布式电源出力的特点,采用合理的能量管理优化技术使分布式电源得到最大利用,充分发挥微电网低碳、经济的优势。为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案一种微电网能量管理系统,其特征在于含有风力发电、光伏发电、微型燃气轮机等分布式电源和储能单兀的微电网系统提供监视与控制功能。微电网能量管理系统通过网络方式与微电网各就地控制器进行通信,接收微电网就地控制器上送的各种运行数据,进行数据的处理和存贮,以及图形化展示功能;同时向微电网各相关就地控制器下发调度控制命令,或下发功率交换计划曲线,或下发运行控制策略,对微电网各就地控制器的运行进行协调和管理。一个微电网能量管理系统可以管理和协调多个微电网系统,实现多个微电网之间的协调运行控制功能。微电网能量管系统与电网调度/监控系统进行通信,向电网调度/监控系统转发微电网的相关运行信息,同时接收电网调度/监控系统的各种调度和控制命令,以及功率交换计划曲线,并通过微电网能量管系统执行控制命令或下发功率交换曲线。该微电网能量管理系统可以对整个微电网内设备运行状态进行监视,还可以根据当前微电网系统运行情况与外界应用请求制定相应的优化控制策略,针对分布式电源出力的特点,采用合理的能量管理优化技术使分布式电源得到最大利用,充分发挥微电网低碳、经济的优势。

[0007]
以下结合附图对本发明专利作进一步的说明。图I为典型400V低压母线微电网结构图。图2为三层微电网监控系统典型结构图。图3为两层微电网监控系统典型结构图。
具体实施方式
名词解释分布式发电通常是指发电功率在几千瓦至数百兆瓦的小型模块化、分散式布置在用户附近的高效、可靠的发电单元。主要包括以液体或气体为燃料的内燃机、微型燃气轮 机、太阳能发电(光伏发电、光热发电)、风力发电、生物质能发电等,在我国主要以光伏发电和风力发电为主。微电网是一种由分布式发电、储能和负荷共同组成的低压系统。微电网内部的电源主要由电力电子设备实现电能的变换,并提供必需的控制。微电网相对于外部电网表现为单一的自治受控单元,可同时满足用户对电能质量和供电安全方面的需求。储能技术主要有物理储能(如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等)、化学储能(如各类蓄电池、锂电池、燃料电池、液流电池、超级电容器等)和电磁储能(如超导电磁储能等)等。储能系统一般由两大部分组成由储能元件组成的储能装置和由电力电子器件组成的电网接入装置。储能装置主要实现能量的储存、释放或快速功率交换。电网接入装置实现储能装置与电网之间的能量双向传递与转换,实现电力调峰、能源优化、提高供电可靠性和电力系统稳定性等功能。微电网就地控制器由所有针对负荷和线路的测控保护设备和分布式电源控制器组成,具体包括负荷控制器、分布式发电单元控制器、储能控制器,在微电网离网运行时,微电网就地控制器还将包括主电源控制器。无功功率补偿,简称无功补偿,在供电系统中起提高电网的功率因数的作用,降低供电变压器及输送线路的损耗,提高供电效率,改善供电环境。气象环境监测功能一般由微型气象站完成,对现场实时气温、湿度、风速、风向、气压、太阳能辐射量、日照时数、是否降雨等与微电网发电强相关的气象环境进行监测。光伏组件温度等微电网运行环境参数由相应的测量装置完成。有源滤波器(APF)是利用可关断电力电子器件,产生与负荷电流中谐波分量大小相等、相位相反的电流来抵消微电网系统内由电力电子变流装置弓I起的谐波电流的滤波装置。SCADA (Supervisor Control And Data Acquisition),即数据米集与监测系统,是微电网自动化控制的基础。典型400V低压母线微电网结构 图I是一个典型400V低压母线微电网结构图,包含分布式发电单元,储能系统,负荷,并网开关,电能质量监测装置、环境监测,监控系统等部分组成。在典型的400V低压微电网结构中,所有的分布式电源、储能、无功补偿器、用户负荷都连接到低压400V母线,并通过并网开关与外部配电网联接,可实现离网与并网运行模式之间的平滑切换。在结构上,微电网可以视作由若干“支路”组成。支路是指包含一个400V低压接入开关、一个主设备(光伏逆变器、通用变流器,储能变流器、负荷、APF、无功补偿器、电能质量监测装置、公共联接点)及附属设备(电能表)的一个物理设备集合。支路是相关设备的逻辑组合,支路的提出主要是为了将设备在逻辑上进行分组,便于微电网的监控分析和应用功能实现。微电网中的分布式发电单元多为小型电源,它们接在用户侧,具有成本低、电压低、低排放等特点。其主要可以分为两类,一类是经电力电子接口接入的分布式电源(<100kW)的机组,如光伏发电,风力发电,储能装置等,另一类为旋转设备,以传统方式直接并网,如分轴式微型燃气轮机,柴油机等。为了最大利用清洁能源,光伏发电,风力发电一般均按最大输出功率方式工作,因此其出力大小只与资源状况有关,一般不限制出力。此外,微电网内电能质量应满足国家相关标准,在微电网内设置有源滤波装置和无功补偿装置,分别对微电网内电能质量和无功功率进行合理的调节。微电网中的储能装置以能量型电池储能装置为主,在某些场合,为了满足特殊用 户电能质量需求,辅助以超级电容、飞轮等功率型储能装置。在微电网并网运行时,储能装置在微电网能量管理系统的控制下,平抑光伏、风力发电出力波动,调节微电网并网点功率交换。在微电网离网运行时,储能装置作为离网系统的功率平衡单元,弥补分布式发电单元出力与用电负荷之间的功率差额,维持微电网稳定运行。储能装置还作为微电网离网运行时的主电源,提供系统离网运行时的电压和频率,在离网运行中发挥电压和频率控制作用。微电网中的用电负荷根据其重要程度,可以将其分为可切负荷,可控负荷与敏感负荷。敏感负荷对电能质量要求较高,要求微电网提供连续不中断供电;可控负荷接受控制,在必要的情况下可以中断供电,停止运行;可切负荷是指一些对供电可靠性要求不高的负载,可以随时切除。就图I而言,一般情况下,敏感负荷和可控负荷供电要求较高,外部配电网故障时,并网点处的并网开关会快速动作使重要负荷与故障隔离且不间断正常供电,而可切负荷,系统则会根据网络功率平衡的需求,在必要的时候切除。微电网并网点所在的位置,一般选择为配电变压器的低压侧或主网与微电网的连接点处。在并网点处,设有电能质量监测装置,保证微电网的并网点各项技术指标满足相关技术规范的要求。微电网电能质量监测系统由安装在各个支路的电能质量监测装置组成,及时收集各条支路的电能质量信息上送至微电网监控系统,供其作出正确的策略。鉴于图I所示的微电网结构,所有设备都并联在同一根母线上,其电压水平相同,因此电能质量监测装置在母线处监测母线电压电能质量水平,在各支路上设置监测点,监测各支路流经电流的电能质量水平。微电网电能质量监测仪收集微电网电能质量实时数据,上送至微电网监控系统。微电网能量管理系统需求本微电网能量管理系统的主要功能分为四大部分,数据采集与监控功能,运行控制功能、优化控制功能和高级分析功能。( I)数据采集与监控功能主要完成微电网的运行数据采集、运行数据处理、公式计算、告警处理、画面显示、曲线显示、简单控制、报表打印、时钟同步、权限管理、拓扑着色以及网页浏览功能。微电网可以看作是由风力发电支路、光伏发电支路、储能支路、无功补偿支路、负荷支路、有源滤波支路、并网支路等,所有支路通过400V母线汇集。所有设备的信息都以支路为单位上送到微电网监控系统,具体数据如下(a)光伏支路直流汇流箱/柜电池串直流电压、电流、功率,直流汇流箱母线电压、电流、状态;光伏逆变器各逆变器直流输入电压、电流,交流输出电压、电流、频率、谐波,时钟,逆变器状态;交流汇流柜状态;支路数据支路开关状态,电压、电流、频率(可选),支路当前有功功率、无功功率、功率因数,日发电量,累积发电量,电能表状态;(b)风电支路风机控制器子转速,叶轮转速,偏航方向,调桨角度,输出交流电压、电流、频率、当前发出有功功率、无功功率、功率因数,风机发出总电量,风机状态;·风机逆变器各逆变器直流输入电压、电流,交流输出电压、电流、频率、谐波,时钟,逆变器状态;交流汇流柜状态;支路数据支路开关状态,电压、电流、频率(可选),支路当前有功功率、无功功率、功率因数,日发电量,累积发电量,电能表状态;(C)储能系统支路电池堆正负母线对地绝缘值、电池串电流、各电池串效率和循环次数、电池堆充放电电量及其剩余容量和可用容量、电池串充放电电量及其剩余容量与可用容量、电池串中各电池箱平均电压和温度双向变流器交流侧输出三相电压、三相电流、输出电量、输出功率、输出有功功率、输出有功电量、输出无功功率、输出无功电量、交流侧功率因数、直流侧电压、直流侧电流、直流侧功率、直流侧充电量、直流侧放电量,双向变换器效率、工作状态(启/停)、运行模式(并离网)、运行状态(充放电)。支路数据支路开关状态,电压、电流、频率(可选),支路当前有功功率、无功功率、功率因数,日发电量,累积发电量,电能表状态;(d)微型燃气轮机支路微型燃气轮机本体燃料进气量,转子转速,输出电压、电流、功率因数,输出功率,发电机状态,冷热机排气量、输出功率、冷热机状态、燃气温度、燃机工作温度;双向变流器各变换器直流输入电压、电流,交流输出电压、电流、频率、谐波,时钟,变换器器状态;交流汇流柜状态;支路数据支路开关状态,电压、电流、频率(可选),支路当前有功功率、无功功率、功率因数,日发电量,累积发电量,电能表状态;(e)负荷支路负荷组件负荷端电压,电流、功率因数,当前负荷量,每小时负荷量,每日负荷量,当前负荷预测值,负荷状态,负荷点各装置状态;支路数据支路开关状态,电压、电流、频率(可选),支路当前有功功率、无功功率、功率因数,日发电量,累积发电量,电能表状态;(f) APF 支路APF数据补偿前电流总谐波失真,补偿电流,补偿后电流总谐波失真,补偿后电流有效值,电压,频率,功率因数;[0054]支路数据支路开关状态,电压、电流、频率(可选),支路当前有功功率、无功功率、功率因数,电能表状态;(g)无功补偿支路静止无功补偿器电容器容量,投切状态,投切前端电压,投切后端电压,输出电流,频率,功率因数,是否自动控制;支路数据支路开关状态,电压、电流、频率(可选),支路当前有功功率、无功功率、功率因数,电能表状态;(h)并网点支路微电网侧微电网侧电压,电流,相角,频率,功率因数,有功功率,无功功率;
外电网侧大电网侧电压,电流,相角,频率,功率因数,有功功率,无功功率;支路数据并网开关状态,保护状态,支路当前有功功率、无功功率、功率因数,电能表状态;(i)环境监测支路支路数据现场实时气温、湿度、风速、风向、气压、太阳能辐射量、日照时数、光伏组件温度、是否降雨和各测量仪器的状态。(2)运行控制功能微电网的运行状态可以分为并网运行和离网运行两个稳定运行状态,并/离网模式切换和离/并网模式切换两种过渡状态,同时微电网还存在两种异常运行状态微电网故障或检修运行状态,微电网负荷大电网直接供电状态。运行控制包括微电网并网运行运行控制、离网运行运行控制,并/离网模式切换和离/并网模式切换。微电网并网运行时,运行控制策略分为基本控制策略和复合控制策略。基本控制策略包括有功功率控制、无功功率控制、电能质量治理;复合控制策略可以是基本控制策略的组合,也可以针对系统某个运行优化目标。微电网离网运行时,由于没有外部电网提供电压/频率支撑,所以需要内部设备相互协调,按照指定的电压/频率参数运行。因此微电网离网运行控制主要是有功功率控制,其次是无功功率控制和电能质量治理。微电网并网运行时,能量管理系统实时分析上送的各种运行数据,当检测到外部电网出现故障或收到切换指令时,能量管理系统对当前系统运行状况作出判断,根据微电网离网运行方式选择有缝切换方式或无缝切换方式,按照一定顺序控制相关设备完成微电网并/离网运行模式切换,控制微电网进入稳定离网运行状态。在微电网离网运行时,能量管理系统实时检测外部电网运行情况,一旦外部电网恢复供电,微电网启动并网流程,收到允许的回复后启动离/并网模式切换程序,按照设置选择有缝切换模式或者无缝切换模式,按拟定的模式切换程序投切各设备,转换主电源运行模式,实现微电网顺利重新并网运行。(3)优化控制功能微电网优化控制技术,充分考虑可再生能源随机性、微电网运行稳定性、储能充放电能力,根据微电网内的分布式能源系统组合建立模型,选择合适的控制量,进行多元能量的协调管理,将需求侧管理与能量管理相结合,选择合适的可控量进行控制。同时,在并网运行条件下,微电网接受配电网调度根据实际情况对微电网运行进行调整。[0072]微电网能量管理系统中的优化控制功能,在对微电网运行状态做出评估后,根据微电网的实时情况和外界命令,确定一个微电网优化运行目标,根据优化目标提出优化运行方法,根据优化运行方法给出运行控制策略,并将运行控制策略下发给相应就地控制器执行。(4)高级分析功能微电网能量管理系统高级分析功能包括设备运行诊断、数据统计分析、系统运行评价、气象资源分析、投资收益分析等,可以根据实际情况增加其它模块。微电网能量管理系统方案微电网能量管理系统接受电网调度/控制指令,通过优化计算形成综合运行控制指令,下发给微电网各就地控制器;同时收集分析就地控制器上送的微电网系统运行信息, 评估当前微电网运行状态,上送结果至电网调度/监控系统。图2为微电网监控系统硬件结构图,由图可见微电网能量管理系统主要由计算机系统组成,一般包括采集服务器、数据服务器、SCADA服务器、监控工作站、维护工作站、分析工作站、WEB服务器、终端服务器以及相关不间断电源、网络交换机、网络打印机、GPS对时设备组成。一般运行Unix/Linux混合操作系统或Linux操作系统,采用商用数据库系统。关键设备,如数据服务器、监控工作站、前置服务器采用冗余配置,服务器和工作站可以根据实际需求选配或者功能整合。管理网段一般采用双网结构,小型微电网可以选用单网结构,数采网段既可以采用双网结构也可以采用单网结构。0 数据采集服务器又称前置机,主要用于数据采集及预处理,通信原码监视及转发,与其他控制单元交换数据,以及向远方智能终端设备下发控制命令,完成对就地控制单元的远方控制。本地串口通信型(RS485/232等数据)就地控制器数据经终端服务器变换为以太网数据后送入前置机,本地以太网型就地控制器数据直接送入前置机。另外,离能量管理系统距离较远的微电网信息经现地采集装置汇总后,统一经过无线通信通道上送到前置机,这样该能量管理系统可以同时管理多个微电网系统。0 数据服务器是整个能量管理系统运行的核心,运行商用数据库的数据库管理系统,存放数据结构、数据定义及描述、历史告警数据、实时数据库采样数据、告警信息等。0 SCADA服务器提供整个系统的实时数据服务,完成遥信、遥测量的处理、越限判断、计算、控制等电网的实时监控功能。0 监控工作站给监控中心运行人员提供友好、丰富的人机交互界面和监控手段,如显示各种画面(包括系统图、接线图、曲线图、地理图、棒图、饼图、和仪表图等)、报表、告警信息和管理信息。运行人员可以检索各种历史数据、进行遥控、遥调操作和查询各种参数。0 分析工作站运行分析软件,可以完成设备运行诊断,数据统计分析,系统运行评价,气象资源分析,投资收益分析等高级应用功能。0 维护工作站供维护人员进行系统维护用,进行各种数据库的维护、各种图形的绘制及修改、报表的生成及维护、系统功能及权限维护、资料的扫描录入及管理等,可以通过modem进行远程拨号维护。0 报表工作站主要完成报表的相关功能,主要包括创建新的报表模板、删除报表模板、浏览报表、打印机设置、打印报表和定时打印等功能。[0085]0通过WEB服务器可以向MIS网提供浏览图形、报表、历史数据、各种告警操作记录等信息。WEB服务器不直接连接到实时运行系统上,而是通过电力系统专用物理隔离装置与实时数据网连接,由实时网的数据中心客户端实时向WEB发送数据,在WEB上建立镜像数据库。当需要浏览画面、报表、曲线时,WEB服务器通过应用程序向本机数据库发请求,实现WEB浏览功能。通过正向物理隔离装置,保证了实时运行系统的安全性,同时在WEB浏览功能上也保证了浏览的数据与实时运行数据的一致性。0 能量管理系统在经过纵向认真装置隔离后经调度转发数 据专网,与当地电网调度部门通信,上送运行信息并接受调度控制指令。微电网能量管理系统的软件结构主要包括五个层次,如图3所示(I)系统平台层次能量管理系统可以在ALPHA、Power_PC、Sparc、Itanium、Intel等处理器上运行,支持Linux/Unix等多种操作系统或混合操作系统,支持Oracle等多种商业数据库软件运行。(2)支撑平台层次支撑平台包括网络子系统,实时数据库子系统、商用数据库子系统、图形子系统、报表子系统、权限子系统、计算子系统。在实时支撑平台上,实时数据库子系统在系统启动时根据商用数据库的内容而产生,反应当前电网的状态,存放实时性要求比较高的数据;商用数据库用于存放数据结构、数据定义及描述、历史数据、实时数据库采样数据以及其它管理信息等。图形子系统器提供多种手段进行画面布局,自定义图形元素的放置、移动、拷贝、旋转、变形、变色以及定义和数据库的连接,从而生成所需的各种画面;报表子系统完成创建新的报表模板、删除报表模板、浏览报表、打印机的设置、打印一个报表、打印所有的报表和定时打印等一系列功能;权限子系统可以按照职能范围、工作性质、工作内容及责任区划分等给应用系统的使用者进行安全可靠、界限分明的权限分配等。(3)基础应用功能这里的基础应用功能主要指SCADA功能,有功功率控制和无功功率控制。SCADA功能包括分布式电源、储能、负荷、无功、APF、并网点各个支路的监控功能。SCADA实时收集微电网运行信息;处理存储采集上来的信息,可供用户实时查询,可对系统内设备进行简单控制。(4)协调控制功能协调控制功能可分为有功协调控制,无功协调控制。有功协调控制又称运行控制,是指通过有序地调整微电网内分布式电源的出力与负荷的投切,满足系统预设的控制目标,维持微电网稳定运行。有功协调控制可以分为并网有功运行控制,离网运行有功控制,并/离网模式切换控制,离/并网运行切换控制。无功协调控制是在微电网稳定运行时,为满足用户电能质量要求,控制微电网无功补偿设备、有源滤波设备,储能设备,调整微电网内无功分布,改善微电网电能质量,以满足用户要求。(5)闻级应用功能高级应用功能包括风光出力预测、负荷预测、控制策略优化、能量管理优化、高级分析等。风光出力预测是指总结光伏、风电之前的发电规律,根据项目所在地的环境实时数据,推测下一时间段风电、光伏的出力情况。负荷预测是指统计微电网内用电记录,总结用户的用电规律,推算出下一时间段负荷曲线。能量管理优化是指以微电网一个或几个运行指标为优化对象,评估当前微电网运行状态,采用一定的优化方法,提出相应的改善策略,交由下层设备执行,达到改善优化对象运行指标的目的。控制策略优化是指在同一控制目标下,能量管理系统有多种控制方案的情况时,根据分布式电源最大化利 用的原则,在保证各设备健康运行的前提下,选择环境效益高,运行成本低的方案 。
权利要求1.一种微电网能量管理系统,包括微电网能量管理系统、微电网协调控制器、微电网就地控制器;所述微电网就地控制器由所有针对负荷和线路的测控保护设备和分布式电源控制器组成,具体包括负荷控制器、分布式发电单元控制器、储能控制器,在微电网离网运行时,微电网就地控制器还将包括主电源控制器;负荷控制器用于接受并执行微电网协调控制器下达的指令,投入切除负荷,负荷控制器将负荷运行信息实时上送至协调控制器,供其参考;分布式发电单元控制器主要指光伏逆变器控制系统、风电变流器控制系统、柴油机控制系统,微型燃气轮机变流器。
专利摘要本实用新型专利提出一种适用微电网能量管理,能够为含有风力发电、光伏发电、微型燃气轮机等分布式电源和储能单元的微电网系统提供监视与控制功能。该能量管理系统可以对整个微电网内设备运行状态进行监视,还可以根据当前微电网系统运行情况与外界应用请求制定相应的优化控制策略,针对分布式电源出力的特点,采用合理的能量管理优化技术使分布式电源得到最大利用,充分发挥微电网低碳、经济的优势。
文档编号H02J3/28GK202586493SQ20112036058
公开日2012年12月5日 申请日期2011年9月25日 优先权日2011年9月25日
发明者吴福宝, 赫卫国, 华光辉, 刘海璇, 姚虹春, 张新龙, 汪春, 董大兴, 梁硕, 杭晗, 张祥文 申请人:国网电力科学研究院
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