專利名稱：微電網(wǎng)能量智能控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)，特別涉及一種包含多種分布式電源的微型供用電系統(tǒng)。
技術(shù)背景2003年8月北美大停電事故之后，歐美等國家深刻意識到電力系統(tǒng)可靠性的重要性。一 種將發(fā)電機(jī)、負(fù)荷、儲能裝置及控制裝置等結(jié)合、形成一個單一可控的單元、同時向用戶供 給電能和熱能的微電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。微電網(wǎng)中的電源多為微電源，亦即含有電力電子界面 的小型機(jī)組(一般小于100kW)，包括微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、太陽能發(fā)電裝置、風(fēng)力發(fā) 電機(jī)、生物質(zhì)能發(fā)電裝置以及超級電容、飛輪電池、蓄電池等儲能裝置，這些發(fā)電裝置通過 電力電子裝置相互連接來完成微電網(wǎng)系統(tǒng)所需要的功能。它們接在用戶側(cè)，具有低成本、低 電壓、低污染等特點(diǎn)。系統(tǒng)容量為20kW 10麗；網(wǎng)內(nèi)的用戶配電電壓等級為380V，或者包括 10.5kV (如與外部電網(wǎng)進(jìn)行能量交換，電壓等級由微電網(wǎng)的具體應(yīng)用等情況而定)。除了歐美國家，日本近年來也對微電網(wǎng)的研究十分重視，例如在2005年的愛知縣世博會 上，三菱公司展示了以燃料電池為主的供能系統(tǒng)，采用自主負(fù)載跟隨控制來減小對電網(wǎng)的影 響，系統(tǒng)采用了燃料電池、太陽能發(fā)電、NaS蓄電池等先進(jìn)能源技術(shù)，使用木材和廢棄物來 生產(chǎn)燃料電池的氣體燃料，燃料電池產(chǎn)生的熱能用于建筑物的空調(diào)系統(tǒng)，試驗證明這種能源 系統(tǒng)是一種十分環(huán)保的供電、供熱系統(tǒng)。日本京都的生態(tài)能源項目，采用生物燃?xì)獍l(fā)動機(jī)、 溶解碳酸燃料電池、太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、蓄電池等構(gòu)成微電網(wǎng)系統(tǒng)，和公用電網(wǎng)連接， 通過系統(tǒng)內(nèi)部各單元之間的調(diào)度控制，來盡量降低并網(wǎng)時對電力系統(tǒng)的影響，使用以生物燃 氣為燃料的發(fā)動機(jī)和燃料電池發(fā)電向建筑物提供電能，此項目總的裝機(jī)容量達(dá)到850kW。 2006年7月日本清水公司建成了以燃?xì)獍l(fā)動機(jī)、鎳氫電池和電氣雙層電容器等裝置構(gòu)成的微 電網(wǎng)系統(tǒng)，采用遠(yuǎn)程控制對斷路器等開關(guān)進(jìn)行操作，在并網(wǎng)連接點(diǎn)進(jìn)行恒功率控制，系統(tǒng)獨(dú) 立運(yùn)行時進(jìn)行電壓和頻率的穩(wěn)定化控制。綜合世界各國微電網(wǎng)的研究成果，微電網(wǎng)具有如下特征1)微電網(wǎng)通常是指在負(fù)荷中心附近包含了一種或多種分布式微型電源的配電網(wǎng)，包括 但不限于微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、太陽能發(fā)電裝置、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、生物質(zhì)能發(fā)電裝置以及 超級電容、飛輪電池、蓄電池等儲能裝置。微電網(wǎng)可與大電網(wǎng)連接，也可以獨(dú)立運(yùn)行(比如 海島、沙漠等特殊地理環(huán)境下構(gòu)建的微電網(wǎng))。2) 微電網(wǎng)中包含了兩個網(wǎng)絡(luò)。 一個由母線、輸電線路、刀閘、開關(guān)、電源、負(fù)荷、供 熱管線、熱源等構(gòu)成，是能量的產(chǎn)生、傳輸與消費(fèi)網(wǎng)絡(luò)。另一個是微電網(wǎng)控制系統(tǒng)與多個微 型能量源、負(fù)荷、開關(guān)、線路、管線等被控對象之間的、依靠MODBUS或現(xiàn)場總線等協(xié)議或以 太網(wǎng)(但不僅限于上述協(xié)議，既可以是有線的，也可以是無線的)所構(gòu)建的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)。 微電網(wǎng)控制系統(tǒng)是微電網(wǎng)的核心，對微電網(wǎng)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并根據(jù)實(shí)際情況依照預(yù)先制定 的控制策略自動實(shí)現(xiàn)整體運(yùn)行的實(shí)時控制，是微電網(wǎng)系統(tǒng)確保安全、可靠運(yùn)行的前提。3) 微電網(wǎng)中包含了一個或多個電力負(fù)荷。按照電力負(fù)荷的重要程度和對供電可靠性的 要求不同，這類負(fù)荷可以分為一類負(fù)荷、二類負(fù)荷和三類負(fù)荷，重要程度依次遞減。微電網(wǎng) 中也可以包含熱負(fù)荷和供熱管線。4) 微電網(wǎng)可以對用戶冷、熱、電聯(lián)供，也可以僅提供電能。5) 微電網(wǎng)中還包括母線、開關(guān)、刀閘、輸電線路、繼電保護(hù)裝置、電能表等用于電能 量傳輸、計量和確保配電網(wǎng)安全運(yùn)行的裝置和單元。開關(guān)、刀閘、繼電保護(hù)裝置等與控制系 統(tǒng)結(jié)合，成為整個微電網(wǎng)能量智能管理的執(zhí)行單元的一部分。微電網(wǎng)控制系統(tǒng)是微電網(wǎng)的核心，它對微電網(wǎng)整個系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并根據(jù)實(shí) 際情況依照預(yù)先制定的控制策略對微電網(wǎng)的運(yùn)行進(jìn)行管理。關(guān)于微電網(wǎng)控制技術(shù)方面的專利 請參見中國專利CN101207284A和CN1964152A。上述兩個專利均以微電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)為核心，雖然提出了一些控制方法，但都忽略 了一個重要問題——對負(fù)荷的能量消耗、儲能單元的能量水平和儲能能力、系統(tǒng)供能水平( 各類發(fā)電單元)的預(yù)測，也沒有考慮到儲能單元的可控性在提高微電網(wǎng)可靠性、電能質(zhì)量方 面的特殊作用。對于微電網(wǎng)這樣一個復(fù)雜的分布式系統(tǒng)，如果沒有預(yù)測的話，其控制是比較 困難的。同時，這兩個專利也沒有明確提及危險情況的自動預(yù)警和緊急控制。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，就是提供一種能夠利用預(yù)測信息對微電網(wǎng)進(jìn)行控制的智能 能量控制系統(tǒng)。本發(fā)明解決所述技術(shù)問題，采用的技術(shù)方案是，微電網(wǎng)能量智能控制系統(tǒng)，包括微電網(wǎng) 系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；所述微電網(wǎng)系統(tǒng)包括電源單元、儲能單元和負(fù)荷單元；所述控制系統(tǒng)包括 信息采集系統(tǒng)和中央處理單元；其特征在于，所述中央處理單元包括負(fù)荷預(yù)測模塊應(yīng)用包括但不限于專家系統(tǒng)、模糊邏輯技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、時間序列 法對微電網(wǎng)中的大容量負(fù)荷進(jìn)行超短期消耗電能預(yù)測；微電網(wǎng)在線狀態(tài)估計模塊根據(jù)信息采集單元的實(shí)測數(shù)據(jù)，對微電網(wǎng)中各單元的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因素、工作狀態(tài)進(jìn)行估計；間歇式電源能量預(yù)測、儲能單元能量預(yù)測模塊這一部分將根據(jù)氣象信息和信息采集單 元采集的儲能單元的狀態(tài)信息，對微電網(wǎng)的能量轉(zhuǎn)換與儲存能力進(jìn)行分析；微電網(wǎng)系統(tǒng)分析模塊在狀態(tài)估計的基礎(chǔ)上，進(jìn)行微電網(wǎng)的故障分析、穩(wěn)定性分析、電 能質(zhì)量分析和經(jīng)濟(jì)性分析，保證整個系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；微電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化運(yùn)行和綜合協(xié)調(diào)控制模塊根據(jù)微電網(wǎng)不同的運(yùn)行方式和控制要求， 在微電網(wǎng)狀態(tài)估計與系統(tǒng)分析基礎(chǔ)上，分析微電網(wǎng)系統(tǒng)不同運(yùn)行模式下間歇式電源與儲能單 元控制策略、系統(tǒng)性能指標(biāo)三者之間的關(guān)系，按照預(yù)先制定的控制目標(biāo)對各單元給出具體的 量化指令；對整個微電網(wǎng)內(nèi)部的各單元進(jìn)行聯(lián)合最優(yōu)控制，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的閉環(huán)運(yùn)行；所述信息采集系統(tǒng)包括電源單元信息采集模塊用于檢測各種電源的電壓、電流、有功功率、無功功率、系統(tǒng) 頻率以及工作狀態(tài)，并向中央處理單元傳遞信息；儲能單元信息采集模塊用于檢測儲能單元中蓄電池、超級電容、飛輪電池的參數(shù)以及 工作狀態(tài)，并向中央處理單元傳遞信息；負(fù)荷單元信息采集模塊用于檢測負(fù)荷單元中各種負(fù)荷的輸出功率、電能消耗參數(shù)，并 向中央處理單元傳遞信息；進(jìn)一步的，所述中央處理單元還包括分布式靈活儲能控制模塊，用于在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ) 上，根據(jù)系統(tǒng)儲能單元運(yùn)行特性的差異和當(dāng)前狀態(tài)及其對系統(tǒng)的影響，以及未來一段時間負(fù) 荷預(yù)測和間歇式電源輸出功率預(yù)測的數(shù)據(jù)，按照協(xié)調(diào)運(yùn)行的原則，確定由何種儲能單元進(jìn)行 動態(tài)地儲能和釋放能量的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)的能量匹配；具體的，所述大容量負(fù)荷是指消耗功率》微電網(wǎng)容量5 %的負(fù)荷；具體的，所述超短期消耗電能預(yù)測是指5分鐘到1個小時的時間內(nèi)消耗電能預(yù)測；具體的，所述間歇式電源包括但不限于風(fēng)力發(fā)電裝置、太陽能發(fā)電裝置以及小型水力發(fā)電裝置；進(jìn)一步的，所述中央處理單元還包括緊急控制單元，用于處理整個微電網(wǎng)的緊急故障進(jìn)一步的，所述微電網(wǎng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成一個自治系統(tǒng)，既可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以通 過控制系統(tǒng)的計算機(jī)進(jìn)行人機(jī)交互，在人工干預(yù)下運(yùn)行。本發(fā)明的有益效果是，提出了微電網(wǎng)預(yù)測控制的方法，進(jìn)一步完善了微電網(wǎng)的控制功能 ，更容易實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜系統(tǒng)的分布式控制，提高了微電網(wǎng)的控制精度和有效性。


圖l是微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是控制系統(tǒng)工作原理示意圖；圖3是微電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化運(yùn)行和綜合協(xié)調(diào)控制流程示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案。本發(fā)明的微電網(wǎng)能量智能控制系統(tǒng)是微電網(wǎng)正常運(yùn)行的控制中樞。它以MODBUS或其他通 訊協(xié)議連接微電網(wǎng)中的發(fā)電、儲能、供熱、負(fù)荷、輸電線路、繼電保護(hù)裝置、開關(guān)刀閘等各 單元的監(jiān)控部分，并且可以與大電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)(EMS)之間交換信息，實(shí)現(xiàn)對微電網(wǎng) 運(yùn)行的狀態(tài)監(jiān)控和自動多目標(biāo)綜合最優(yōu)運(yùn)行?？刂葡到y(tǒng)刷新的時間在秒級左右。實(shí)施例整個微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖l所示，圖中僅畫出了與電能有關(guān)的部分。本例的控制系統(tǒng)工 作原理見圖2。要對圖l所示的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行有效控制，本發(fā)明的控制系統(tǒng)除了常規(guī)系統(tǒng)的一些控制控 功能外，增加了各個單元的預(yù)測控制等功能，本例的控制系統(tǒng)可以分為信息采集單元、通信 網(wǎng)絡(luò)和中央處理單元等部分，各部分所對應(yīng)的功能模塊及工作原理如下信息采集單元一般情況下，采集的信息包括微電網(wǎng)中各單元的狀態(tài)檢測信息、大電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)傳 來的數(shù)據(jù)以及氣象信息。后面兩個信息源主要用于微電網(wǎng)的負(fù)荷預(yù)測和受氣象因素影響較大 的發(fā)電裝置的預(yù)測。如果微電網(wǎng)系統(tǒng)中的監(jiān)測裝置能夠?qū)崟r檢測微電網(wǎng)與大電網(wǎng)相聯(lián)節(jié)點(diǎn)的 電參數(shù)信息，并且微電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間的能量交換不大(對微電網(wǎng)的運(yùn)行沒有大的影響)的情況下，可以不需來自大電網(wǎng)EMS的數(shù)據(jù)。另外，如果微電網(wǎng)中的負(fù)荷對于氣象不敏感，并 且其中不包含太陽能等受氣象因素影響較大的電源，則也無需氣象信息輸入。因此，信息采 集系統(tǒng)可以只包含微電網(wǎng)中各單元的狀態(tài)檢測信息。這里微電網(wǎng)的各單元包電源電單元、儲能單元、開關(guān)刀閘、繼電保護(hù)裝置、負(fù)荷單元、 交直流整流器或逆變器、輸電線路以及微電網(wǎng)中其他的各類監(jiān)控裝置。對這些單元、裝置， 信息采集系統(tǒng)中的傳感器檢測的電壓、電流、有功功率、無功功率、系統(tǒng)頻率等信息以及各 單元狀態(tài)(比如開關(guān)閉合或斷開，電源單元輸出的有功功率，與外界交換的無功功率，負(fù)荷 的功率因素等)信息，然后通過通信網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)傳入控制系統(tǒng)，參見圖l。通信網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)將信息采集單元中的信息傳入控制系統(tǒng)，同時將控制系統(tǒng)的控制指令發(fā)往各被控單元，并且有關(guān)的信息顯示在人機(jī)交互界面上，也可以支持遠(yuǎn)程Web瀏覽。信息傳輸?shù)耐ㄓ崊f(xié)議包括但不限于MODBUS、現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)等協(xié)議。在實(shí)現(xiàn)方式上，既可以是有線的，也可以是無線的，既可以利用光纖通訊，也可以是微波通訊或電力線載波等其他通訊方式。 中央處理單元微電網(wǎng)控制系統(tǒng)的中央處理單元通過信息傳輸單元接收來自各單元的檢測信息，然后其 中的計算機(jī)控制軟件將根據(jù)這些信息進(jìn)行分析和控制。中央處理單元具體的功能模塊包括(1) 負(fù)荷預(yù)測模塊對中央處理單元提供5分鐘到1個小時的負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)。微電網(wǎng)的特點(diǎn)在于利用可再生能源并對各類負(fù)荷提供有針對性的能量服務(wù)。由于風(fēng)能、太陽能等可再 生能源輸出功率受氣象條件影響較大，因此在微電網(wǎng)運(yùn)行過程中，必須格外重視負(fù)荷的超短 期預(yù)測，以便及早采取控制措施，確保供電的可靠性。對于一個微電網(wǎng)而言，通常情況下，其中負(fù)荷的數(shù)量和用電特性往往是可以預(yù)知的，比 如微電網(wǎng)中的負(fù)荷可以分為城市民用負(fù)荷、商業(yè)負(fù)荷、農(nóng)村負(fù)荷、工業(yè)負(fù)荷及其他負(fù)荷(其 他負(fù)荷包括市政用電、公用事業(yè)、政府辦公、鐵路與電車、軍用等)。這些不同性質(zhì)的負(fù)荷 接在微電網(wǎng)中的不同母線上，各自有著不同的用電特性。在負(fù)荷預(yù)測的時候，可以根據(jù)這些 負(fù)荷的特性(如對天氣溫度和時間的敏感性等)，各自選用適合的負(fù)荷預(yù)測方法或不同方法 的組合(如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、時間序列、模糊邏輯和專家系統(tǒng)、小波分析等)，對每一個微電 網(wǎng)母線上的負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測，并且對預(yù)測的結(jié)果和實(shí)際母線上的負(fù)荷進(jìn)行對比分析，在線調(diào)整 負(fù)荷預(yù)測工具的某些系數(shù)，從而得到適合某種母線上負(fù)荷特性的負(fù)荷預(yù)測工具。同時，對于 實(shí)際的母線負(fù)荷結(jié)果，也應(yīng)結(jié)合當(dāng)時的氣象條件、節(jié)假日因素、負(fù)荷行業(yè)特性等對其進(jìn)行歸 類存入數(shù)據(jù)庫。這樣，在以后負(fù)荷預(yù)測的時候，碰到類似氣象、節(jié)假日的時候，可以把這些 實(shí)測數(shù)據(jù)作為歷史數(shù)據(jù)參與預(yù)測。一般的微電網(wǎng)，其控制系統(tǒng)通常所控制的微電網(wǎng)負(fù)荷數(shù)量在數(shù)百個以下(通常為幾十個負(fù)荷)，這使得某個大、中容量的負(fù)荷(如消耗功率》微電網(wǎng)容量5%的負(fù)荷)，其消耗功 率的變化，往往會對整個微電網(wǎng)具有較顯著的影響(尤其是在微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行的時候)。同 時這些負(fù)荷的特性(如屬于哪個行業(yè)、用電特性等)往往能夠提前知曉。因此和大電網(wǎng)相比 ，微電網(wǎng)控制中心在對負(fù)荷建模的時候，可以針對負(fù)荷的特性在線調(diào)整負(fù)荷預(yù)測工具及其參數(shù)。(2) 微電網(wǎng)在線狀態(tài)估計模塊系統(tǒng)狀態(tài)是微電網(wǎng)管理和運(yùn)行控制的基礎(chǔ)，系統(tǒng)分析 是微電網(wǎng)運(yùn)行控制的前提。由于微電網(wǎng)系統(tǒng)中間歇式電源及儲能單元的工作特性，以及整個8系統(tǒng)運(yùn)行方式的復(fù)雜性，現(xiàn)有電力系統(tǒng)的分析理論與方法不能直接應(yīng)用于微電網(wǎng)的狀態(tài)估計 和系統(tǒng)分析?？紤]到間歇式電源輸出功率的隨機(jī)波動性以及分布式儲能單元的影響，這里需 要采用基于隨機(jī)潮流的狀態(tài)估計技術(shù)。與大電網(wǎng)的EMS不同的是，微電網(wǎng)的EMS需要幾秒鐘刷 新，因此，這也對于系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)和計算提出了更高的要求。間歇式電源能量預(yù)測、儲能單元能量預(yù)測模塊這一部分將根據(jù)氣象信息和信息采集系 統(tǒng)傳輸回來的儲能單元的狀態(tài)信息，對微電網(wǎng)的能量轉(zhuǎn)換與儲存能力進(jìn)行分析，以便于進(jìn)行 供電的可靠性分析和分布式靈活儲能技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。微電網(wǎng)中的間歇式電源， 一般包括風(fēng)力發(fā) 電裝置、太陽能發(fā)電裝置、小型水力發(fā)電裝置、潮汐發(fā)電裝置等?？紤]到微電網(wǎng)中電源的容量通常都比較小，并且來自不同的生產(chǎn)廠家，而且微電網(wǎng)的應(yīng) 用環(huán)境多變(比如海島、沙漠、居民社區(qū)等，因此微電網(wǎng)控制系統(tǒng)所面對的應(yīng)用對象也是多 變的)，因此在微電網(wǎng)的能量預(yù)測方面，通常不去建立精確的數(shù)學(xué)模型，而考慮采用實(shí)測的 歷史數(shù)據(jù)、結(jié)合天氣預(yù)報數(shù)據(jù)與電源輸出功率的關(guān)系，應(yīng)用統(tǒng)計方法進(jìn)行預(yù)測。通常所用的 預(yù)測方法有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法(artificial neural networks, ANN)、專家系統(tǒng)法( experts systems, ES)、 禾口支持向量機(jī)(support vector machines, SVM)等。對于蓄電池、飛輪電池、超級電容等儲能單元，其中儲存的能量和可以釋放(含存儲) 出來的能量，則主要依靠廠家提供的設(shè)備特性曲線或由微電網(wǎng)控制中心事先測定的設(shè)備特性 曲線進(jìn)行儲能狀態(tài)的預(yù)測和可釋放(含存儲)能量的預(yù)測。通常，這些特性曲線考慮了氣象 信息變化、設(shè)備運(yùn)行總時間、能量輸出變化的速率、設(shè)備效率等因素的影響。(3)微電網(wǎng)系統(tǒng)分析模塊與大電網(wǎng)類似，微電網(wǎng)可以在狀態(tài)估計的基礎(chǔ)上，進(jìn)行微 電網(wǎng)的故障分析、穩(wěn)定性分析、電能質(zhì)量分析和經(jīng)濟(jì)性分析。故障分析是微電網(wǎng)在當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)下，在失去(或投入)任一間歇式電源或儲能裝置或 或負(fù)荷之后，分析穩(wěn)態(tài)情況下系統(tǒng)過電壓、過電流等狀態(tài)，確保系統(tǒng)運(yùn)行安全和供電可靠。 如果上述情況發(fā)生的時候，系統(tǒng)將會出現(xiàn)安全問題，則可以采取諸如調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行方式、釋 放/增加儲能單元中的能量、切掉某些不重要負(fù)荷的能量等措施改變系統(tǒng)的運(yùn)行方式，確保 系統(tǒng)的運(yùn)行安全。微電網(wǎng)中的負(fù)荷多為中小負(fù)荷，其投、切可能并不由控制中心下發(fā)控制命 令，因此與大電網(wǎng)類似，微電網(wǎng)在調(diào)度過程中需要滿足N—1原則，也就是電力系統(tǒng)N—l分析 。即正常運(yùn)行方式下的電力系統(tǒng)中任一裝置(如線路、發(fā)電機(jī)、變壓器、負(fù)荷等)無故障或 因故障斷開(這些斷開的線路、變壓器、發(fā)電機(jī)、負(fù)荷等即為預(yù)想故障集)，電力系統(tǒng)應(yīng)能 保持穩(wěn)定運(yùn)行和正常供電，其他裝置不過負(fù)荷，電壓和頻率均在允許范圍內(nèi)。但是考慮到微 電網(wǎng)中的負(fù)荷投、切可以并不由控制中心下發(fā)控制命令，并且與微型電網(wǎng)的容量相比，這些負(fù)荷的投切對微電網(wǎng)的運(yùn)行有比較大的影響，在進(jìn)行微電網(wǎng)故障分析的時候，還需要考慮某 個負(fù)荷投入的情況，S卩N+1的情況。
穩(wěn)定性分析是微電網(wǎng)在當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)下受到微小的或大的擾動之后，系統(tǒng)能否恢復(fù)到原 有的運(yùn)行狀態(tài)或過渡到新的穩(wěn)定狀態(tài)的能力。這里微小的擾動包括某一間歇式電源或儲能裝 置輸出功率，輸電導(dǎo)線阻抗、負(fù)荷消耗功率等的微小變化等等。大的擾動是指輸電線路停運(yùn) 、三相短路、 一相接地、系統(tǒng)失去某一電源或儲能裝置、系統(tǒng)失去某一負(fù)荷等。如果穩(wěn)定性 分析的結(jié)果是不穩(wěn)定，則應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，控制中心制定相應(yīng)的緊急控制措施，通過 切負(fù)荷、儲能單元釋放或增儲能量、調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行方式等手段，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定。
電能質(zhì)量分析是根據(jù)當(dāng)前電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析微電網(wǎng)電能質(zhì)量的現(xiàn)狀，并制定電能 質(zhì)量在線補(bǔ)償控制的策略。
經(jīng)濟(jì)性分析是研究系統(tǒng)在某一運(yùn)行狀態(tài)下，運(yùn)行成本最低而效益最高的方法。由于不同 的間歇式電源的發(fā)電成本不同、不同類型儲能裝置的儲能成本差異、以及不同負(fù)荷運(yùn)行所產(chǎn) 生的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益不同，因此，對于微電網(wǎng)而言，通過經(jīng)濟(jì)性分析，可以實(shí)現(xiàn)整個系 統(tǒng)運(yùn)行成本最低、而效益最高的運(yùn)行方式。
(4)微電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化運(yùn)行和綜合協(xié)調(diào)控制模塊根據(jù)微電網(wǎng)不同的運(yùn)行方式和控制
要求，在微電網(wǎng)狀態(tài)估計與系統(tǒng)分析理論的基礎(chǔ)上，分析并網(wǎng)/獨(dú)立運(yùn)行模式下的微電網(wǎng)系 統(tǒng)狀態(tài)、間歇式電源與儲能單元控制策略、系統(tǒng)性能指標(biāo)三者之間的關(guān)系，對整個微電網(wǎng)系 統(tǒng)內(nèi)部的各單元進(jìn)行聯(lián)合最優(yōu)控制，對各單元給出具體的量化指令，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的閉環(huán)運(yùn)行 。同時根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時狀態(tài)和預(yù)測信息，按照預(yù)先制定的控制目標(biāo)，在線調(diào)整控制策略。常
見的控制目標(biāo)包括系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)、供電可靠性、能量儲存分布最優(yōu)等。 一般情況下，是 優(yōu)先考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。但對于某些重要的負(fù)荷，如果對其供電可靠性和電能質(zhì)量有特殊 要求的話，則可以將這些特定的要求列為優(yōu)先考慮的控制目標(biāo)，在人機(jī)交互界面上設(shè)定。微 電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化運(yùn)行和綜合協(xié)調(diào)控制流程圖如圖3所示。
本例中央處理單元還包含了分布式靈活儲能控制模塊和電能質(zhì)量聯(lián)合補(bǔ)償控制模塊。分 布式靈活儲能是基于儲能單元能量轉(zhuǎn)換的可控性，并且考慮到處于微電網(wǎng)不同空間的不同儲 能裝置的動態(tài)特性的差異提出的。其基本原理是在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)各儲能裝置運(yùn)行 特性的差異和當(dāng)前狀態(tài)(如各儲能裝置當(dāng)前點(diǎn)的儲能效率、充放電特性、預(yù)測的當(dāng)前剩余電 能等)及其對系統(tǒng)的影響，以及未來一段時間負(fù)荷預(yù)測和間歇式電源輸出功率預(yù)測的數(shù)據(jù)， 按照協(xié)調(diào)運(yùn)行的原則，確定由何種儲能單元進(jìn)行動態(tài)地儲能和釋放能量的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最 優(yōu)的能量匹配，從而保證系統(tǒng)當(dāng)前或者未來一段時間內(nèi)能夠在優(yōu)化的狀態(tài)下運(yùn)行。電能質(zhì)量是某些重要電力用戶關(guān)注的焦點(diǎn)，也是微電網(wǎng)的特色和優(yōu)勢。電能質(zhì)量的實(shí)時 檢測與聯(lián)合補(bǔ)償技術(shù)針對微電網(wǎng)典型電能質(zhì)量問題(頻率偏差、電壓幅值偏差和波形質(zhì)量) ，根據(jù)不同補(bǔ)償單元(電源、儲能單元和補(bǔ)償設(shè)備)的動態(tài)特性及空間關(guān)系，確定最優(yōu)的電 能質(zhì)量補(bǔ)償策略。
微電網(wǎng)中的儲能單元可以分為兩種， 一種是不受控制系統(tǒng)控制的儲能單元，這類儲能單 元的控制策略一般是設(shè)備自身的本地控制策略。另一種是受控制系統(tǒng)控制的儲能單元，其能 量的流動方向和大小由控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。為充分利用位于微電網(wǎng)不同空間位置、不同動態(tài) 響應(yīng)特性的儲能裝置能量輸出/輸入的可控性，發(fā)揮儲能裝置對其附近的負(fù)荷供電可靠性、 電能質(zhì)量等提供支撐的優(yōu)勢，在儲能狀況評估環(huán)節(jié)，依靠小型專家系統(tǒng)制定的規(guī)則實(shí)施分布 式靈活儲能的策略，確保系統(tǒng)的負(fù)荷單元、儲能單元和電源單元的協(xié)調(diào)最優(yōu)。
分布式靈活儲能控制模塊需要考慮的第一個因素，是保證儲能單元儲存的能量能夠和系 統(tǒng)的負(fù)荷與發(fā)電預(yù)測相匹配；第二個因素是考慮負(fù)荷特性對儲能單元控制的影響；第三個因 素是考慮儲能單元的不同動態(tài)特性有可能對負(fù)荷供電產(chǎn)生影響；第四個因素是考慮到儲能的 經(jīng)濟(jì)性因素；第五個因素是儲能單元的充放電次數(shù)限制、充放電時間限制等(比如，蓄電池 儲能單元就不能進(jìn)行頻繁的充放電操作，否則會影響蓄電池的壽命)。這些均需要考慮在分 布式靈活儲能控制模塊中。
電能質(zhì)量評估和儲能狀態(tài)評估之后，如果需要采取調(diào)整措施，而這類調(diào)整措施一般是對 某些受控的儲能單元發(fā)布調(diào)整儲能的指令或者某些受控的電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置發(fā)布投切的指令 ， 一般情況下，這類指令延時執(zhí)行不會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性造成嚴(yán)重的影響，因此不直 接在當(dāng)前控制周期進(jìn)行故障校核和穩(wěn)定性分析。由于本能量管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是自動閉環(huán)控制 ，并且刷新時間在秒級左右，可以在下一周期評估中，將這類控制指令計入系統(tǒng)狀態(tài)變化， 再進(jìn)行的故障校核和穩(wěn)定性分析。
本例中央處理單元的另一個附加的控制模塊是緊急控制單元，用于處理整個微電網(wǎng)的緊 急故障。具有危險情況自動預(yù)警及輔助決策、緊急控制功能。能夠根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)和 控制策略，對系統(tǒng)的安全狀況自動進(jìn)行評估。如果因為某些原因?qū)е孪到y(tǒng)發(fā)生了危險情況( 比如突然的雷電造成的系統(tǒng)危害)，或者預(yù)測可能出現(xiàn)危險情況，則自動進(jìn)行計算機(jī)輔助決 策，并以聲、光報警等方式提示有關(guān)工作人員，然后將危險源、解決建議等信息顯示在人機(jī) 界面上，并可以自動或人工干預(yù)下實(shí)施系統(tǒng)的緊急控制。
與上面的多目標(biāo)優(yōu)化運(yùn)行和綜合協(xié)調(diào)控制相比，緊急控制的優(yōu)先級最高。
通常，保護(hù)開關(guān)裝置能在事故時自己判斷分合，然后將自身的狀態(tài)與中央處理單元進(jìn)行通信，并接受和執(zhí)行控制指令。 本例的人機(jī)交互界面模塊
在微電網(wǎng)運(yùn)行過程中，將會出現(xiàn)一些技術(shù)信息，比如系統(tǒng)狀態(tài)，可再生發(fā)電裝置工作狀 態(tài)，微電網(wǎng)系統(tǒng)分析有關(guān)結(jié)論，微電網(wǎng)預(yù)警分析結(jié)論及輔助決策策略等等，這些信息將顯示 在控制中心的計算機(jī)屏幕上。同時，也可以借助現(xiàn)有的編程語言及網(wǎng)絡(luò)，以Web瀏覽的方式 實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)運(yùn)行的遠(yuǎn)程監(jiān)測。
控制系統(tǒng)工作流程
控制系統(tǒng)依照信息采集、分析決策、執(zhí)行單元動作、人機(jī)界面信息顯示這一流程實(shí)現(xiàn)了 在線閉環(huán)控制。
首先，信息采集單元負(fù)責(zé)收集來自微電網(wǎng)各單元、大電網(wǎng)EMS傳來的數(shù)據(jù)、氣象預(yù)報信 息等，然后通過現(xiàn)場總線或其他通訊方式將這些信息輸入控制系統(tǒng)。
控制系統(tǒng)根據(jù)輸入的信息，自動實(shí)施負(fù)荷預(yù)測、儲能情況分析、狀態(tài)估計，然后進(jìn)行微 電網(wǎng)的故障分析、可靠性分析、經(jīng)濟(jì)性分析、穩(wěn)定性分析、自動預(yù)警分析，然后根據(jù)上述分 析結(jié)論給出微電網(wǎng)控制策略。
微電網(wǎng)的狀態(tài)、控制策略、緊急控制措施等信息，將會顯示在人機(jī)界面上，供運(yùn)行監(jiān)控 人員參考。
與現(xiàn)有技術(shù)微電網(wǎng)的控制系統(tǒng)相比，本發(fā)明具有幾個特點(diǎn)
1、 智能性。增加了諸如負(fù)荷預(yù)測、發(fā)電預(yù)測、在線學(xué)習(xí)及動態(tài)調(diào)整優(yōu)化參數(shù)、專家系 統(tǒng)、多目標(biāo)優(yōu)化、故障分析與緊急控制等模塊和算法，保證系統(tǒng)可以在無人干預(yù)的情況下自 治運(yùn)行。
2、 分布式協(xié)調(diào)閉環(huán)控制。綜合協(xié)調(diào)的控制信息經(jīng)微電網(wǎng)系統(tǒng)級控制和各子單元控制模 塊之后，傳遞給各控制單元，然后再經(jīng)過系統(tǒng)狀態(tài)估計重新獲取微電網(wǎng)系統(tǒng)狀態(tài)，并用于制 定新的控制策略。這樣形成了一個分布式協(xié)調(diào)閉環(huán)控制系統(tǒng)，有助于克服微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)各單 元動態(tài)特性差異對系統(tǒng)的影響，保證系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時最優(yōu)。考慮到微電網(wǎng)中存在快速響應(yīng)的 單元以及微電網(wǎng)運(yùn)行方式多變，所以控制系統(tǒng)的刷新時間在秒級。
3、 明確提出微電網(wǎng)中的負(fù)荷預(yù)測為超短期/實(shí)時負(fù)荷預(yù)測。負(fù)荷預(yù)測的方式可以根據(jù)各 自負(fù)荷的特性，選用合適的負(fù)荷預(yù)測方法，并且根據(jù)預(yù)測的誤差對預(yù)測方法或者預(yù)測工具中 的某些參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整。
4、 明確提出微電網(wǎng)中的發(fā)電預(yù)測方法、儲能單元儲能分析方法。
5、 明確提出了微電網(wǎng)中故障分析時候需要考慮大、中容量負(fù)荷的投入。并且提出了故障分析和穩(wěn)定性分析所用的數(shù)學(xué)模型和分析工具不同。
6、 明確提出電能質(zhì)量在線分析與聯(lián)合補(bǔ)償由于微電網(wǎng)的運(yùn)行方式多變，能量管理系 統(tǒng)通過協(xié)調(diào)控制儲能單元和其他電能質(zhì)量補(bǔ)充單元，實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的在線分析和聯(lián)合補(bǔ)償。
7、 明確提出分布式靈活儲能控制儲能單元是微電網(wǎng)中能量輸出可控的單元，對于微 電網(wǎng)的安全運(yùn)行有著重要的作用。能量管理系統(tǒng)將根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時狀態(tài)以及控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn) 能量的最優(yōu)儲存。
8、 增加了系統(tǒng)危險情況自動預(yù)警及輔助決策功能，并將有關(guān)信息顯示在人機(jī)界面上。
權(quán)利要求
1.微電網(wǎng)能量智能控制系統(tǒng)，包括微電網(wǎng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；所述微電網(wǎng)系統(tǒng)包括電源單元、儲能單元和負(fù)荷單元；所述控制系統(tǒng)包括信息采集系統(tǒng)和中央處理單元；其特征在于，所述中央處理單元包括負(fù)荷預(yù)測模塊應(yīng)用包括但不限于專家系統(tǒng)、模糊邏輯技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、時間序列法對微電網(wǎng)中的大容量負(fù)荷進(jìn)行超短期消耗電能預(yù)測；微電網(wǎng)在線狀態(tài)估計模塊根據(jù)信息采集單元的實(shí)測數(shù)據(jù)，對微電網(wǎng)中各單元的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因素、工作狀態(tài)進(jìn)行估計；間歇式電源能量預(yù)測、儲能單元能量預(yù)測模塊這一部分將根據(jù)氣象信息和信息采集單元采集的儲能單元的狀態(tài)信息，對微電網(wǎng)的能量轉(zhuǎn)換與儲存能力進(jìn)行分析；微電網(wǎng)系統(tǒng)分析模塊在狀態(tài)估計的基礎(chǔ)上，進(jìn)行微電網(wǎng)的故障分析、穩(wěn)定性分析、電能質(zhì)量分析和經(jīng)濟(jì)性分析，保證整個系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；微電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化運(yùn)行和綜合協(xié)調(diào)控制模塊根據(jù)微電網(wǎng)不同的運(yùn)行方式和控制要求，在微電網(wǎng)狀態(tài)估計與系統(tǒng)分析基礎(chǔ)上，分析微電網(wǎng)系統(tǒng)不同運(yùn)行模式下間歇式電源與儲能單元控制策略、系統(tǒng)性能指標(biāo)三者之間的關(guān)系，按照預(yù)先制定的控制目標(biāo)對各單元給出具體的量化指令；對整個微電網(wǎng)內(nèi)部的各單元進(jìn)行聯(lián)合最優(yōu)控制，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的閉環(huán)運(yùn)行；所述信息采集系統(tǒng)包括電源單元信息采集模塊用于檢測各種電源的電壓、電流、有功功率、無功功率、系統(tǒng)頻率以及工作狀態(tài)，并向中央處理單元傳遞信息；儲能單元信息采集模塊用于檢測儲能單元中蓄電池、超級電容、飛輪電池的參數(shù)以及工作狀態(tài)，并向中央處理單元傳遞信息；負(fù)荷單元信息采集模塊用于檢測負(fù)荷單元中各種負(fù)荷的輸出功率、電能消耗參數(shù)，并向中央處理單元傳遞信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的微電網(wǎng)能量智能控制系統(tǒng)，其特征在于，所 述中央處理單元還包括分布式靈活儲能控制模塊，用于在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)儲能單元運(yùn)行特性的差異和當(dāng)前狀態(tài)及其對系統(tǒng)的影響，以及未來一段時間負(fù)荷預(yù)測和間歇式電 源輸出功率預(yù)測的數(shù)據(jù)，按照協(xié)調(diào)運(yùn)行的原則，確定由何種儲能單元進(jìn)行動態(tài)地儲能和釋放 能量的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)的能量匹配。
3 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微電網(wǎng)能量智能控制系統(tǒng)，其特征在于，所 述大容量負(fù)荷是指消耗功率》微電網(wǎng)容量5 %的負(fù)荷。
4 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微電網(wǎng)能量智能控制系統(tǒng)，其特征在于，所 述超短期消耗電能預(yù)測是指5分鐘到1個小時的時間內(nèi)消耗電能預(yù)測。
5 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微電網(wǎng)能量智能控制系統(tǒng)，其特征在于，所 述中央處理單元還包括緊急控制單元，用于處理整個微電網(wǎng)的緊急故障。
6 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微電網(wǎng)能量智能控制系統(tǒng)，其特征在于，所 述微電網(wǎng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成一個自治系統(tǒng)，既可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以通過控制系統(tǒng)的計算 機(jī)進(jìn)行人機(jī)交互，在人工干預(yù)下運(yùn)行。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包含多種分布式電源的微型供用電系統(tǒng)。本發(fā)明公開了一種能夠利用預(yù)測信息對微電網(wǎng)進(jìn)行控制的智能能量控制系統(tǒng)。本發(fā)明的微電網(wǎng)能量智能控制系統(tǒng)，包括微電網(wǎng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；所述微電網(wǎng)系統(tǒng)包括電源單元、儲能單元和負(fù)荷單元；所述控制系統(tǒng)包括信息采集系統(tǒng)和中央處理單元。中央處理單元包括負(fù)荷預(yù)測模塊；微電網(wǎng)在線狀態(tài)估計模塊；間歇式電源能量預(yù)測、儲能單元能量預(yù)測模塊；微電網(wǎng)系統(tǒng)分析模塊；微電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化運(yùn)行和綜合協(xié)調(diào)控制模塊。本發(fā)明的微電網(wǎng)能量智能控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)預(yù)測信息對微電網(wǎng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的智能化運(yùn)行。
文檔編號H02J3/00GK101630840SQ20091030553
公開日2010年1月20日 申請日期2009年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月12日
發(fā)明者實(shí) 井, 霞 劉, 劉群英, 張昌華, 易建波, 堅 李, 勇 陳, 琦 黃 申請人:電子科技大學(xué)