一种考虑多微网互动的能源局域网及控制方法与流程

本发明涉及一种能源局域网，尤其是涉及一种考虑多微网互动的能源局域网及控制方法。

背景技术：

最高限度地提高可再生能源的利用率和管理水平是能源互联网的核心内涵，但由于可再生能源发电方式往往具有地理分散性、间歇性、随机性和不可控性，它的高渗透率接入势必对电力系统造成冲击，影响电力系统的安全稳定运行。微电网(Micro Grid，MG)作为本地分布式发电(distributed generation，DG)、分布式储能(electrical energy storage，EES)、可控负荷(controllable load，CL)等的有效组织形式，成为管理DER现有最好的自治系统，将成为未来能源互联网终端的最小形式。因此，如何通过灵活的网络技术以及MG协同控制技术实现MG接入能源互联网后双向潮流的有效管理，实现在合理的监管环境和接入准则下对能源互联网的智能高效管理和最优运行成为亟待解决的问题之一。

对此，一些专家学者已对能源互联网构架以及相关技术展开讨论。文献“狭义能源互联网优化控制框架及实现.中国电机工程学报，2015，35(18)：4571-4580”认为狭义能源互联网应包含电能和热能两个核心网络，对其核心硬件设备能源路由器(energy router，ER)、能源交换机(energy switch，ES)和能源接口(energy interface，EI)提出了功能要求，并进行了校园狭义能源互联网的搭设试验。文献“Design of a novel energy router and its application in energy Internet.Chinese Automation Congress(CAC)，Wuhan，China，2015”致力于对能源路由器本身结构和功能的研究来减少DG波动性对系统的影响以及对配电网的干扰。文献“能源互联网与能源路由器.中国科学：信息科学，2014，44(6)：714-727”探讨了以ER为核心交换装置的能源互联网实现模型，从ER的实现目标，已有支撑技术和实现部署方式等方面分析了涉及的关键技术，并结合已有研究成果说明了该领域亟需突破的研究方向。文献“Energy Router:Architectures and Functionalities toward Energy Internet//Smart Grid Communications(Smart Grid Comm)，2011 IEEE International Conference on.IEEE，2011:31-36”从电力电子变换、通讯和智能控制三个方面提出了对能源路由器设计的要求并展示了研究成果。

目前各国对能源互联网的研究重点多集中在信息互联网层面、ER等主要设备的拓扑结构，虽然若干学者提出了能源互联网的架构，但大多侧重于对ER等设备的多样化功能进行探讨，对如何有效实现高渗透率可再生能源平滑接入并消纳的研究较少。虽然MG通过具有“即插即用”功能的EI将DER、CL以及EES有效组织为局部自治的分布式发电系统，但因其具有间歇性、波动性，并不能充分的保证自发自用，因此需要与其它分布式电网互联或并网，实行自发自用、余量上网、电网调剂的运行机制。如若MG采用直接并网，则电网中将出现多个换流站电气距离接近的网架结构，即多馈入系统。然而多馈入系统之间电气距离短、相互影响大，受端网络需要具备足够坚强的电压支撑能力，这将大幅增大能源互联网建设的成本和管控水平。因此对能源互联网的构架及协调控制方案进行合理的设计至关重要。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可以提高分布式能源的利用率和管理水平、提高能源局域网对分布式能源高渗透率的消纳能力的考虑多微网互动的能源局域网及控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种考虑多微网互动的能源局域网，包括自上而下依次连接的能源路由器、多个能源交换机和多个微电网，所述的微电网与能源交换机一一对应，各微电网包括可控负荷、分布式储能和分布式电源。具有分布式智能识别功能的即插即用接口为各种分布式发电(distributed generation，DG)、储能(energy storage system，ESS)、可控负荷(controllable load，CL)和电动汽车(electric vehicle，EV)等提供快速、高可靠性的电气接口，实现各种分布式设备的“即插即用”，构建区域自治的微电网系统；当能源交换机处于闭合状态时，低压直流母线(LVDC)实现相邻微电网间能量流的双向互通、协同互补，在不同区域间实现能量的二次均衡；能源路由器位于低压直流母线和中压直流母线(MVDC)之间，实现两者能量流的交互。

能源路由器(energy router，ER)、能源交换机(energy switch，ES)和即插即用接口(plug&play interface，PPI)之间不仅存在电气连接，而且存在信息连接。微电网中的能源接口将各自的运行状态及信息反馈给ES用于实时数据分析和指令调整，ES对这些信息进行综合优化计量，一方面将处理后的信息反馈给能源路由器，一方面将各个指令发送给对应的PPI，使各个通过通信总线相连的PPI能够自主协调、共同响应ES的运行指令。因此，即便与主网DGI没有任何通讯，微电网在能源交换机DGI的管理下也具有独立自主的协调能力。

各能源交换机将微电网总电压、频率及运行状态反馈给能源路由器，能源路由器根据反馈结果调控各个能源交换机切换微电网的运行模式，运行模式包括孤岛模式和互联模式，所述的互联模式为：微电网接入低压直流母线，与低压直流母线上的其他微电网进行功率平衡互补。

能源局域网运行模式还包括单端供电模式、多端供电模式和多端隔离模式。每条低压母线均能通过两种方式与能源路由器的电气端口进行能量交互：1)直接连接至能源路由器电气接口、2)通过联络线及其它母线间接与电气接口交互。只通过其中一种方式进行交互的称为单端供电模式；同时通过两种方式进行交互的称为多端供电模式。所谓的多端隔离模式是指多个低压直流母线互联但却与能源路由器所有电气接口隔离的运行模式。

一种采用所述的考虑多微网互动的能源局域网进行电压频率控制的方法，该方法采用主从控制，以容量最大的微电网作为主控单元，维持低压直流母线电压恒定，其他微电网为从控单元，当运行于孤岛模式的微电网的总电压或频率超出正常范围时，能源交换机将其切换至互联模式，当运行于互联模式的微电网的功率满足切换条件时，能源交换机将其切换至孤岛模式。微电网互动是若干微电网在孤岛运行和互联运行两种模式之间依据相应的准则进行能量动态协调的运行方案。

能源路由器根据反馈结果进行功率差额最优匹配，若几个微电网的冗余功率和缺额功率之和小于设定值，则将所述的几个微电网接入低压直流母线。

所述的微电网的电压正常范围确定方法为：绘制微电网允许最大负荷对应的静态特性曲线、允许最小负荷对应的静态特性曲线、分布式电源最大出力对应的静态特性曲线以及分布式电源最小出力对应的静态特性曲线，将四条曲线围成区域的最大电压或频率值和最小电压或频率值作为正常范围的上下限。

所述的切换条件为：

其中，U为微电网母线电压，U_N为微电网母线电压参考值，U_max、U_min分别为微电网母线电压上下限，∑P_S为微电网中分布式电源的总输出功率，P_CH为微电网与低压直流母线间的交换功率(微电网从低压直流母线吸收功率则系数为正，微电网向低压直流母线输出功率则系数为负)，系数为正的P_Bmax为分布式储能的最大输出功率，系数为负的P_Bmax为分布式储能的最大吸收功率。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)替代现有研究中微电网直接通过路由器并入主网的结构，提出新的基于多微网互动的能源局域网三层架构，有效增强能源局域网对多馈入系统的电压支撑能力，自上而下依次连接的能源路由器、多个能源交换机和多个微电网所构成的能源局域网架构具有层次清晰、各层功能简明等优点，通过综合计量、总体配置、分层整合，可以有效解决通信过程中的信息瓶颈以及优化控制与自治控制的协调问题，并达到能量协调的整体最佳。

(2)提出了微网互动方案，通过微电网间能量流的双向互通、协同互补，在不同区域间实现能量的二次均衡，削弱波动性与间歇性，最大限度的实现区域内能源的综合利用，简化或克服可再生能源发电间歇性与不稳定性带来的功率预测、备用容量等难题，缓解高比例分布式能源接入造成的调峰压力，降低集中并网有功波动，避免主网频繁参与系统调节，保障电网稳定性。

(3)能源路由器总是依据优化方案控制相应的能源交换机将冗余较大和缺额较大的若干微电网切入互联模式，进行功率差额的最优匹配，实现邻近区域间能量的协同互补，简化调度指令并减少投入微电网的个数，避免过多微电网同时投切造成对电网扰动的叠加，同时可避免主网频繁参与系统调节并减小主网的消纳负担。

(4)本发明提出的微电网的电压正常范围确定方法是综合拟合了电力系统功频静态特性而得出的，能够合理准确的模拟微电网运行特性，在此基础上得出的切换条件能够使模式之间的切换更加准确和智能。

(5)由互联模式切换至孤岛模式时，以直流微电网为例，微电网母线电压已是多微电网互动后的电压水平，不能视为切换至孤岛模式后的电压水平，因此不能将微电网母线电压作为由互联模式投入孤岛模式的切换准则，故而本发明提出的切换条件可确保各种模式切换的准确性。

(6)各层协调控制策略以及多种运行模式，能够提高可再生能源的利用率，充分实现高渗透率分布式能源的接入和消纳，确保安全、可靠供电，实现能源局域网在多种工况下经济高效运行。

附图说明

图1为本实施例能源局域网分层管理构架；

图2为基于MOSFET的交流能源路由器拓扑结构；

图3为本实施例基于MOSFET的直流能源路由器拓扑结构；

图4为电力系统P-U(f)静态特性；

图5为本实施例针对图1结构考虑多微网互动的能量管理与协调控制流程图；

图6(a)-6(c)为本实施例采用本文所提协调控制策略下交流微电网孤岛模式且设置负荷扰动时的运行特性，其中6(a)为交流微电网母线电压，6(b)为交流微电网负载电流，6(c)为交流微电网负荷功率变化；

图7(a)-7(c)为本实施例多微网互动模式，其中7(a)为主站微电网1母线电压，7(b)为微电网2母线电压，7(c)为微电网3母线电压，7(d)为各微电网交换功率。

图8为本实施例所采用的直流能源路由器仿真波形；

图9为本实施例接入能源交换机对单端供电模式运行特性进行验证的仿真波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

以下面从分层架构、多微网互动方案及切换策略、运行模式、有效性验证等几个方面对本发明做进一步说明。

(1)基于多微网互动和两电压等级母线的直流能源局域网架构，能源局域网三层结构如图1所示。本实施例中，子网即微电网。

为使能源交换机控制简单，无需考虑频率、相位同步等问题以便于各个子网的接入，低压侧公共母线采用直流形式；

为了简化能源路由器的结构，减少电能的变换环节、使得控制简单，特提出直流能源路由器，将三级变换简化为一级变换(如图3所示)，因此在中压侧依然采用直流形式。

在子网和中压直流母线间，提出通过能源交换机将若干子网连接于公共低压直流母线的多子网互动的能源交换机层，以使相邻的子网在自身消纳失衡时通过互动达到能量的互补，最大限度的实现能源的就地消纳和减小子网并网前电能质量波动的幅度和频次。同时也避免了子网间通过余量上网间接进行能量交换所造成的损失。

(2)多微网互动方案及切换策略

互动方案：

为克服可再生能源发电间歇性与不稳定性带来的功率预测、备用容量等难题，降低集中并网有功波动，减小甚至消除系统调峰压力，保障电网稳定性，本文在能源局域网研究基础上提出了子网互动方案，如图5所示。

子网互动是若干子网在孤岛运行和互联运行两种模式之间依据相应的准则进行能量动态协调的运行方案。此方案中各ES只需向ER提供自身的运行状态(投入、切除、故障等)以及所连接的子网母线电压(频率)信息。当某一ES检测出子网母线电压(频率)偏差超出设定值时主动切换至子网互联模式。为了简化调度指令并减少投入子网的个数，避免过多子网同时投切造成对电网扰动的叠加，ER总是依据优化方案控制相应的ES将冗余较大和缺额较大的若干子网切入互联模式，进行功率差额的最优匹配，实现邻近区域间能量的协同互补，避免主网频繁参与系统调节并减小主网的消纳负担。能源路由器根据反馈结果进行功率差额最优匹配，若几个微电网的冗余功率和缺额功率之和小于设定值，则将所述的几个微电网接入低压直流母线。功率的冗余和不足是相对而言的，当U＞U_N时，各分布式电源发出的总功率∑P_S相对于子网在电压U_N下消耗的总负荷功率∑P_Load是冗余的，正因为∑P_S＞∑P_Load才使得母线电压升高达到新电压水平下的功率平衡；当U＜U_N时，各分布式电源发出的总功率∑P_S相对于子网在电压U_N下消耗的总负荷功率∑P_Load是不足的，正因为∑P_S＜∑P_Load才使得母线电压降低达到新电压水平下的功率平衡。因此，只要子网电压U≠U_N，均视为功率冗余或不足，只是优先选择功率冗余或不足较大的子网切入互联模式进行能量交互，避免不必要的投切，减少功率损失，延长元器件的寿命。

当能源交换机DGI检测到投入互联模式的各个子网供需恢复正常，则依据切换策略投入孤岛运行模式。

切换策略：

由孤岛模式切换至互联模式时，可由ES检测出子网母线电压(频率)偏差超出允许值时主动切换至子网互联模式。

由互联模式切换至孤岛模式时，以直流子网为例，子网母线电压已是多子网互动后的电压水平，不能视为切换至孤岛模式后的电压水平，因此需要以其它条件作为退出互联模式的切换准则。

电力系统P-U(f)静态特性如图4所示。假设子网中允许的最大、最小负荷静态特性曲线分别为l₂和l₁，子网中各种电源最大、最小出力所对应的静态特性曲线分别为m₁和m₂，则图中由ABCD所围成的区域是正常运行范围。以电压或频率作为控制对象，则A、D两点为子网正常运行与否的临界点。

以直流子网为例，当互联模式的子网母线电压U≥U_N时，则对临界点A进行分析。其中U为子网母线电压，U_N为子网的参考电压。在A点电压水平下，如果子网中各种能源出力之和小于储能最大吸收功率和负载消耗功率之和时，电压便会回落至正常运行范围内，由此可得：

其中，∑P_S表示子网中各能源总的输出功率，P_Bmax表示储能系统的最大输出容量，为定值(负号表示吸收能力)，R_L为子网的等效负载电阻。又：

其中P_CH为互联模式时子网与其他子网的交换功率(子网吸收为正，输出为负)。带入式(1)可得：

同理对临界点D进行分析，可得U＜U_N时的切换条件为：

由此可知：能源交换机智能能量管理中心检测到U≤U_min或U≥U_max时由孤岛模式切换至互联模式；由互联模式切换至孤岛模式的条件则为：

子网互动能够使能量流在子网之间双向互通、协同互补，实现不同区域间能量的二次均衡，削弱波动性与间歇性，最大限度的实现区域内能源的综合利用，减小主网的调峰压力。

(3)运行模式

基于分层的能量管理系统(energy management systerm，EMS)通过综合计量、总体配置、分层整合，逐层细化来简化通信系统和控制管理系统，可以有效解决通信过程中的信息瓶颈以及优化控制与自治控制的协调问题，并达到能量协调的整体最佳。总体方案如图5所示。

孤岛模式：

风光等均采用MPPT控制，储能装置采用恒压(恒频)控制，以保证独立运行时母线电压(频率)恒定；只有ES检测出MG母线电压(频率)偏差超出允许值时才主动切换至互联模式。

此种协调控制策略下，各PPI对所接设备进行状态监测、数据收集并发送给能源交换机DGI，DGI只需检测MG的母线电压(频率)，结合所接收到的信息进行能量协调优化方案的实时计算并按照指令控制各能源接口，实现MG的最佳运行。

互联模式：

为了简化控制策略的复杂性，避免同一ES在不同控制策略之间频繁切换对电网造成的扰动，能源交换机层采取主从控制，选择容量大、出力较稳定的子网或储能电站作为主站并采用恒压控制以稳定ES层直流母线电压，接于同一公共直流母线上的其它ES均采用控制子网母线电压的下垂控制，在子网无力维持孤岛运行时提供电压支撑。

单端供电模式和多端供电模式：

依据低压直流母线从中压直流母线获得功率的途径可分为两种运行模式：单端供电模式和多端供电模式。每条低压母线均能通过两种方式与能源路由器的电气端口进行能量交互：1)直接通过电气接口、2)通过联络线及其它母线间接与电气接口交互。只通过其中一种方式进行交互的称为单端供电模式；同时通过两种方式进行交互的称为多端供电模式。

多端隔离模式：

当MG互联模式中某一低压直流母线电压难以维持在正常水平，而路由器层发生故障时，网群之间可以通过备用的联络开关和联络线实现低压母线互联，进行能量协同互补，此时运行在多端隔离模式(此种模式运营成本较高，因此只在能源路由器层发生上述故障被完全隔离时采用)。

(4)算例分析

由于多端隔离模式和多端供电模式是在其它三种模式的基础上通过联络开关实现能源交换机层母线功率交互而得到的运行模式，旨在进一步提高能源子网的供电可靠性和稳定性，因此本实施例只对孤岛模式、互动模式以及单端供电模式进行Matlab/Simulink仿真，证明所提构架及运行方案的有效性。各个子网或储能均以吸收功率为正。

1)孤岛模式。

图6表示交流子网的孤岛运行模式。其中，在0.4s时设置扰动，负荷功率由3kW增加到6kW左右。由图可知当负荷功率发生变化时，负载电流发生相应的变化，但依然能够维持母线电压恒定，说明在一定的源荷功率波动范围内，子网在孤岛模式下具备一定的自治能力，能够保证区域内负荷供电的稳定性和可靠性。

2)互动模式。

图7为三个子网互动模式的运行特性。此模式中，子网1作为主站，与之连接的能源交换机采用恒压控制，控制对象是在切入互联模式时控制互联母线电压恒定；与其它子网相连的能源交换机则采用下垂控制，控制对象是该子网内部母线电压。

本实施例规定各子网电压偏差超出10V则主动切入互联模式。仿真开始时各子网电压均在允许范围内。0.2s时子网2由于光伏出力增加导致电压上升至412V左右，此时经由能源交换机智能能量管理系统(DGI)发送指令后立即切入互联模式，同时主站投入，经功率协调交换1000W功率后将电压维持在403V左右。0.5s时子网2光伏出力减少，经由能源交换机DGI系统预算并发送操作指令切入孤岛运行，电压维持在396V左右。0.8s时，主站子网1光伏出力增加，导致母线电压上升至411V，使得子网2和子网3同时切入互联模式，将电压维持在400V。图7(d)表示三个子网间的交换功率。

由此可见，在子网超出自己调控能力时可以通过与其他子网投入互动模式提高自己的供电可靠性，减小波动的幅度和频次，减小对大电网的扰动以及传输功率的损耗。

3)单端供电模式。

当互联模式不足以平复分布式能源的扰动时，就需要通过能源交换机与能源局域网相连实现并网，实行“自发自用、余量上网、电网调剂”的运行机制。此模式能源路由器负责控制直流互联母线电压恒定。本实施例使用交流和直流子网互联进行验证。

本实施例采用的直流能源路由器是将10kV直流经DC-DC环节变换为10kV-10kHz高频方波，再经高频变压器变换为400V-10kHz高频方波，最后由DC-DC变换为低压侧400V直流电压。验证结果如图8所示。

图9为单端供电模式运行特性，0.15s之前直流子网电压稳定在400V，0.15s时由于光伏出力接近于0导致电压严重跌落，在290V左右。在0.3s时将该子网与交流子网投入互联模式，但只能将直流子网电压提升至350V，而且导致交流子网自身电压幅值跌落。在0.45s时投入能源交换机，切换至单端供电模式，此后两子网电压均恢复到额定值。