专利名称：一种基于四维能量管理空间的多级微电网控制方法
技术领域：
本发明涉及电力系统领域，具体涉及一种基于四维能量管理空间的多级微电网控制方法。
背景技术：
近年来随着环境的日益恶化和不可再生能源的稀缺，以风能、太阳能为代表的可再生清洁能源发电技术得到了迅猛发展。其中，将小型风力发电、光伏发电等灵活、分散地接入用户侧配网，能提高局部供电可靠性、减少输电损耗、提高一次能源的利用率和减少废气排放。以这种方式接入配网的风、光发电系统等被统称为分布式电源。由于风能和光能具有随机性、间歇性的特点，独立的分布式电源系统难以提供稳
定、连续的功率输出，同时大量分布式电源并网也会对接入电网造成冲击。因此为了能够系统、高效管理分布式电源，提高供电可靠性和改善电能质量，人们提出了分布式电源以微电网形式接入大电网。此处微电网是指由分布式电源、储能装置、负荷和保护控制装置一起集成的独立智能系统，它既可以并网运行，也可以离网运行。目前的微电网并网的动态特性和能量管理问题，现有控制策略已经不再适用，因此能量管理系统要想保持良好运行，必须有完善的控制策略支持。但是现有的能量管理策略往往只考虑设备层的频率电压控制，或者管理层的有功无功调度。当大量分布式电源和微电网以多级形式并网的情形时，考虑影响因子相对较少，系统化程度不足，很容易造成关键控制环节丢失的现象。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于四维能量管理空间的多级微电网控制方法，有效解决了在不同模式、不同时序和多约束条件下的微电网系统能量优化管理问题。本发明所述的微电网系统包含多级微电网和分布式电源，在该系统中，通过微电网能量管理系统，管理多个微网控制器；一个微网控制器，控制多个分布式电源和负荷。本发明提供的一种基于四维能量管理空间的多级微电网控制方法，所述微电网系统包括多级微电网或分布式电源；其改进之处在于，所述方法包括如下步骤( I)建立四维能量管理空间模型；(2)建立模型对应的控制策略库；(3)执行系统的能量管理与控制。其中，步骤(I)建立四维能量管理空间模型包括如下步骤I)根据工程情况生成基础元素表；2)确认第一维度表；3)确认填入第二维度表；4)确认第三维度表；5)确认第四维度表。
其中，步骤I)所述基础元素包括分布式电源类、负荷类、储能类和其他类。本发明的其他类，是指在实际微电网系统中，有时会考虑电能质量治理而添加的一些额外设备，如有源滤波、无功补偿等。通过所述分布式电源类、负荷类、储能类和其他类，以网络拓扑结构进行集成，并与外部系统互联，形成基础元素表。本发明的网络拓扑结构根据实需求际、功能应用等条件而设计。其中，步骤2)第一维度为系统的运行模式，包括模式一分布式电源/微网联合并网运行；模式二 分布式电源/微网联合离网运行；模式三微电网独立并网运行；模式四微电网独立离网运行；模式五分布式电源独立并网运行。其中，步骤3)第二维度为系统运行的时间序列，包括TO时刻根据风力、光伏的预测功率、冷热电预测负荷需求、电网运行状态和电力市场价格机制，制定生产调度计划；Tl时刻根据风力、光伏的实时功率、负荷需求和储存电量水平，进行生产调度调整；T2时刻根据调整的生产情况与TO时刻计划比对，再次进行调整。其中，4)确认第三维度表为判定参数的优先级别，又高到低包括第一级电网状态；第二级功率状态；第三级荷电状态。其中，5)确认第四维度表为系统的运行控制策略，包括第一类并网交换功率；第二类±曾/减分布式电源；第三类增/减各类型负荷；第四类调节储能装置。其中，步骤(2)建立模型对应的控制策略库是根据步骤(I)建立的四维能量管理空间模型，在不同的管理控制设备中建立对应的策略库及逻辑程序。其中，步骤(3)执行系统的能量管理与控制包括系统运行时，根据采集的数据信息和外部系统的调度命令，主站能量管理系统自动判定，并选择对应策略指令下发给各级微电网控制器，进行系统级的能量优化配置；各级微电网控制器接到传来的策略指令，调用事先编好的逻辑控制程序，针对实时信息，执行小区域协调控制；底层设备根据实时参数，和事先写入的逻辑控制程序，执行单个设备的控制。本发明的对应策略是指在微电网系统在不同运行条件约束下，对应产生的不同控制策略；小区域为一个微网控制器所能控制的设备区域；底层设备主要为风电逆变器、光伏逆变器、储能双向逆变器等。与现有技术比，本发明的有益效果为
本发明提出了四维能量管理空间的理论，并基于该理论提出了一种基于四维能量管理空间的多级微电网控制方法。该方法通过多维度组合，有效解决了在不同模式、不同时序和多约束条件下的多级分布式电源/微电网能量优化管理问题；同时该理论通过集总化约束，还可灵活用于单极微网/单个设备的运行控制。在实际应用时，根据需求，可以自由灵活的选择各维度的层/级数，全面考虑各种状况和约束下的影响因子，系统化地推导出对应的控制策略库并实时调用，从而保证多级分布式电源/微电网并网系统的经济调度和优化运行。
该方法不仅适用于大区域多级分布式电源/微电网系统，也适用于只有一极的分布式电源/微电网系统，根据不同项目情况，可以选用该方法的对应部分。
图I为本发明提供的四维能量管理空间模型。图2为本发明提供的多级分布式电源/微电网控制结构图。图3为本发明提供的多级分布式电源/微电网电气结构图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步的详细说明。本实施例提供的一种基于四维能量管理空间的多级微电网控制方法，主要采用集中管理和分散控制的思想，对整个系统中的分布式电源或微电网进行分层/分级控制，解决各级系统之间的协调控制和能量优化问题，其包括如下步骤( I)建立四维能量管理空间模型；本发明提出的四维能量管理空间模型如图I所示，主要由元素基础B (Basic)、运行模式M (Model)、时间序列T (Time)、优先级别P (Priority)、控制策略C (Control)五部分构成，它通过多维度组合的方式，综合考虑各类影响因子并有效选用，对整个系统在不同运行模式下进行分层/分级/分类的优化控制，其根据工程实际情况，将已选用的各级分布式电源、储能和负荷的种类、容量、接入点等信息对应填入基础元素表；然后将该系统所具有的几种运行模式以穷举的方式填入第一维度表；将所需进行能量管理的时间点进行排列并填入第二维度表；将各类影响因子按优先考虑的顺序填入第三维度表；最后将对分布式电源、储能和负荷的控制策略填入第四维度表，形成四维能量管理空间模型，从而是整个系统的能量资源达到最优配置。模型结构如图I所示。该模型不仅适用于多级系统，也适用于单个设备，根据不同情况，合理选用相关影响因子，可以充分发挥该模型的引导作用。建立空间模型包括如下步骤I)模型构成元素基础B (Basic)本发明提出的四维能量管基础理空间的元素基础B(Basic)，主要是根据元素的电源特性和负荷特性来进行划分的。以选取的含风光储气型的多级分布式电源/微电网系统为例，其主要元素有分布式电源类通常根据分布式电源的出力情况，再划分为间歇型分布式电源(如风力发电、光伏发电等)和可控型分布式电源(如微型燃气轮机、燃料电池等)。负荷类根据负荷的种类划分，主要有电力负荷、热力负荷、制冷负荷等。
储能类根据储能原理的不同，主要有物理储能、化学储能、电磁储能等。其他类根据实际情况，模型中的其他构成基础元素，用以扩展备用。将这些基础元素，以一定的网络拓扑结构进行集成，并与外部系统互联，从而构建四维能量管理空间的模型基础，即多级分布式电源/微电网并网系统。2)第一维度运行模式M (Model)本发明提出的四维能量管理空间的第一维度为系统的运行模式M (Model)。该运行模式主要是指系统的基础元素，即各种分布式电源、负荷及储能装置在不同网络架构下的运行方式。以选取的含风光储气型的多级分布式电源/微电网系统为例，其主要运行模式有模式一分布式电源/微网联合并网运行模式二 分布式电源/微网联合离网运行模式三微电网独立并网运行模式四微电网独立离网运行模式五分布式电源独立并网运行模式六......在不同的运行模式下，其对分布式电源、负荷及储能的控制策略和能量分配策略也不一样。3)第二维度时间序列T(Time)本发明提出的四维能量管理空间的第二维度为系统运行的时间序列T(Time)。该时间序列主要是指系统在第一时刻TO对第二时刻Tl的能量生产及消耗情况做出预测，并制定能量分配计划；在第二时刻Tl来临时，结合该时刻能量的实际生产及消耗情况，对各基础元素，即各种分布式电源、负荷及储能装置进行调整，以期在第三时刻T2时，能够达到全局资源最优配置，以此类推，形成整个系统运行的时间序列。TO时刻根据风力、光伏的出力预测，冷热电等负荷需求预测，外部电网运行状态、电力市场价格机制等，做出下一步的生产调度计划。如电池充放计划、购售电计划等。Tl时刻根据风力、光伏的实际出力情况、负荷需求、储存电量水平等，进行生产调度调整，如指定电源出力、管理负荷、控制交换功率等。T2时刻根据调整的生产情况与期望值比对，再次进行优化调整；T3 时刻......4)第三维度优先级别P(Priority)本发明提出的四维能量管理空间的第三维度为判定参数的优先级别P(Priority)。该优先级别主要是指系统在运行时，通过对运行参数的优先判定和逐级分解，将相关约束条件全部集成，为进一步的控制策略制定提供前提。以选取的含风光储气型的多级分布式电源/微电网系统为例，其主要优先级别有第一级电网状态(如用电高峰、用电低谷等)第二级功率状态(如功率富余、功率缺额等)第三级荷电状态(如电池SOC值过低或过高)第四级:……5)第四维度控制策略C (Control)
本发明提出的四维能量管理空间的第四维度为系统的运行控制策略C(Control)。该控制策略主要是指在不同模式、不同时序和多约束条件下对基础元素进行的操作控制。以选取的含风光储气型的多级分布式电源/微电网系统为例，其主要控制策略有第一类并网交换功率(如向电网返送富余功率等)第二类分布式电源(如增减或投切分布式电源等)第三类各类型负荷(如增减或投切各类型负荷等)第四类储能装置调节(如储能不同功率的充放电等)第五类……(2)建立模型对应的控制策略库；根据已经建立的四维能量管理空间模型，在不同的管理控制设备中建立对应的策略库及逻辑程序。多级分布式电源/微电网控制系统将从配电网调度层、微电网集中控制层(微网主站及各级控制器)、各级分布式电源和负荷就地控制层三个层面进行对运行方式、时间序列和优先级别下的策略控制。实现整个系统的运行监测、协调控制和能量管理。其控制结构图如图2所示。配电网调度层的配电网调度系统通过以太网与微电网几种控制层的微电网能量管理系统通信，并通过以太网控制微电网集中控制器指令每一级的微电网控制器。在主站的能量管理系统中，建立系统级的能量管理策略库和对应的指令库。在各级微网控制器中，建立该级控制器所管理的子系统级控制策略库；在底层设备中编写该设备的控制策略。本实施例的控制策略库根据不同的运行条件，进行判断，然后执行对应的控制。例如当多级微网在联合并网运行时，分布式电源出力大于负荷需求，电网处于用电高峰时段，电池SOC处于高容量状态，则通过对各个逆变器的控制，使微电网内富裕电量全部返送电网。(3)执行系统的能量管理与控制。系统运行时，根据采集的数据信息和外部系统的调度命令，主站能量管理系统自动判定，并选择对应策略指令下发给各级微电网控制器，进行系统级的能量优化配置；各级微电网控制器接到传来的策略指令，调用事先编好的逻辑控制程序，针对实时信息，执行小区域协调控制；底层设备根据实时参数，和事先写入的逻辑控制程序，执行单个设备的控制。具体的，本实施例选取含风光储气型的多级微电网为例，结合附图3对本发明作详细说明。I)微电网中主要含有风力发电、光伏发电、锂电池组、微型燃气轮机、重要负荷(如电力系统中定义的一级负荷)、居民负荷以及无功补偿装置，其均通过继电器并联后，通过微电网PCC开关与电网连接。该系统具有灵活的拓扑结构，可在不同的运行方式下进行多级分布式电源/微电网的联合并/离网运行。首先根据该工程网络拓扑结构，如图3所示，将已选用的微型燃气轮机、光伏发电、风力发电、储能装置、重要负荷和居民负荷的相关信息对应填入基础元素表。将该系统所具有的几种运行模式，如整个系统的互联并网运行，整个系统的互联离网运行等等，以穷举的方式填入第一维度运行模式表；将所需进行能量管理的时间点进行排列，如能量预测计划阶段、能量实际状况、能量优化配置等填入第二维度表；
将各类影响因子，如外部电网状态、母线功率状态、电池荷电状态、生产经济成本，运行安全约束等等按优先考虑的顺序填入第三维度表；将对分布式电源、储能和负荷的控制策略，如联络线交换功率控制、分布式电源出力控制、电池充放电控制、负荷用电控制等填入第四维度表；2)根据已经建立的四维能量管理空间模型，在不同的管理控制设备中建立对应的策略库及逻辑程序。系统运行时，根据采集的数据信息和外部调度命令，主站能量管理系统自动判定，并选择对应策略指令下发给各级微网控制器，进行系统级的能量优化配置；
3)各级微网控制器接到传来的策略指令，调用事先编好的逻辑控制程序，针对实时信息，执行小区域协调控制；底层设备根据实时参数，和事先写入的逻辑控制程序，执行单个设备的控制。最后应当说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明的具体实施方式
进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种基于四维能量管理空间的多级微电网控制方法，所述微电网系统包括多级微电网或分布式电源；其特征在于，所述方法包括如下步骤 (1)建立四维能量管理空间模型； (2)建立模型对应的控制策略库； (3)执行系统的能量管理与控制。
2.如权利要求I所述的控制方法，其特征在于，步骤 (I)建立四维能量管理空间模型包括如下步骤 1)根据工程情况生成基础元素表； 2)确认第一维度表； 3)确认填入第二维度表； 4)确认第三维度表； 5)确认第四维度表。
3.如权利要求I所述的控制方法，其特征在于，步骤I)所述基础元素包括分布式电源类、负荷类、储能类和其他类。
通过所述分布式电源类、负荷类、储能类和其他类，以网络拓扑结构进行集成，并与外部系统互联，形成基础元素表。
4.如权利要求I所述的控制方法，其特征在于，步骤2)第一维度为系统的运行模式，包括 模式一分布式电源/微网联合并网运行； 模式二 分布式电源/微网联合离网运行； 模式三微电网独立并网运行； 模式四微电网独立离网运行； 模式五分布式电源独立并网运行。
5.如权利要求I所述的控制方法，其特征在于，步骤3)第二维度为系统运行的时间序列，包括 TO时刻根据风力、光伏的预测功率、冷热电预测负荷需求、电网运行状态和电力市场价格机制，制定生产调度计划； Tl时刻根据风力、光伏的实时功率、负荷需求和储存电量水平，进行生产调度调整； T2时刻根据调整的生产情况与TO时刻计划比对，再次进行调整。
6.如权利要求I所述的控制方法，其特征在于，4)确认第三维度表为判定参数的优先级别，又高到低包括 第一级电网状态； 第二级功率状态； 第二级荷电状态。
7.如权利要求I所述的控制方法，其特征在于，5)确认第四维度表为系统的运行控制策略，包括 第一类并网交换功率； 第二类增/减分布式电源； 第三类增/减各类型负荷；第四类调节储能装置。
8.如权利要求I所述的控制方法，其特征在于，步骤(2)建立模型对应的控制策略库是根据步骤(I)建立的四维能量管理空间模型，在不同的管理控制设备中建立对应的策略库及逻辑程序。
9.如权利要求I所述的控制方法，其特征在于，步骤(3)执行系统的能量管理与控制包括 系统运行时，根据采集的数据信息和外部系统的调度命令，主站能量管理系统自动判定，并选择对应策略指令下发给各级微电网控制器，进行系统级的能量优化配置；各级微电网控制器接到传来的策略指令，调用事先编好的逻辑控制程序，针对实时信息，执行小区域协调控制；底层设备根据实时参数，和事先写入的逻辑控制程序，执行单个设备的控制。
全文摘要
本发明提供一种基于四维能量管理空间的多级微电网控制方法，所述微电网系统包括多级微电网和分布式电源；该方法包括步骤有(1)建立四维能量管理空间模型；(2)建立模型对应的控制策略库；(3)执行系统的能量管理与控制。本发明通过多维度组合，有效解决了在不同模式、不同时序和多约束条件下的多级分布式电源/微电网能量优化管理问题；同时该理论通过集总化约束，还可灵活用于单极微网/单个设备的运行控制。在实际应用时，根据需求，可以自由灵活的选择各维度的层/级数，全面考虑各种状况和约束下的影响因子，系统化地推导出对应的控制策略库并实时调用，从而保证多级分布式电源/微电网并网系统的经济调度和优化运行。
文档编号G06Q50/06GK102882206SQ201210309449
公开日2013年1月16日 申请日期2012年8月28日 优先权日2012年8月28日
发明者李洋, 盛万兴, 苏剑, 刘海涛, 吴鸣, 吕志鹏 申请人:中国电力科学研究院, 国家电网公司