智能微电网能量管理系统的设计与实现V4.0_西安交大王建学0528-lyh审不需复审

智能微电网 能量 管理系统 设计 与实现 西安交大电力工程系 王 建学 jxwangxjtu.edu.cn 目录 4 国内外微电网的研究现状1 2 3 5 微网能量管理系统概述 微电网能量管理系统的主要功能模块 微网优化调度的数学模型及求解算法 技术难点及挑战的总结 前言 微网发展的核心 技术难点控制问题 发展关键经济性（政策 性）问题 MEMS使控制得更好、 使运行得更经济、使供电 质量提高 微网与分布式发电 电网连接和信息处理 需要有比较核心的调节设备 （比如储能设备） 有系统级的协调调度与控制 国内外微电网的研究现状 各国微网研究的侧重点 发展背景 研究侧重点 美国近年来发生了几次较大的停电事 故，使美国电力工业十分关注电能质 量和供电可靠性。 美国对微电网的研究着重于利用微电 网 提高电能质量和供电可靠性 欧洲希望通过优化从电源到用户的价 值链来推动和发展分布式电源，而且， 欧洲互联电网中的电源大体上靠近负 荷，比较容易形成多个微电网， 欧洲微电网的研究更多 关注于多个微 电网的互联问题 。 日本本土资源匮乏，其对可再生能源 的重视程度高于其他国家，但新能源 随机性，限制了其大规模应用 日本在微电网方面的研究更强调对 微 电源的控制与储能。 国外发达国家研究起步较早，在关键技术方面已取得一些突破，并在小 规模微网中得到验证；目前正推动微网向更高电压等级、更大容量发展。 目录 4 国内外微电网的发展现状1 2 3 5 微网能量管理系统概述 微电网能量管理系统的主要功能模块 微网优化调度的数学模型及求解算法 技术难点及挑战的总结 微网的能量管理系统概述 微网能量管理系统 Microgrid Energy Manangement System, MEMS是微网调度自动化的总称 。 为微网调度提供各种实时信息 ， 对微网进行调度决策管理与控制 ， 保证微网安全运行 ， 提高微网质 量和改善微网运行的经济性 。 微网能量管理系统的基本概念 美国北方电力 （ Northern Power Systems） 在 Vermont 州的 Waitsfield 建立了 乡村微网 ， 开发了 Smart View TM能量管理软件 ， 对微网进行调度管理 。 日本 Kyoto 微网安装了 4 台 100kW 的内燃机 、 250kW 的燃料电池以 及 100kW 的铅酸蓄电池 。 通过 ISDN 和 ADSL 通讯线路 ， 对 系统进行远 程监控 ， 实现对微网的能量管理 ， 控制微网的供需平衡 ， 监测微网的电 能质量 。 日本 Hachinohe 微网采用以沼气为燃料的内燃机 ， 通 过 5.4km 的 6.6kV 架空线路 ， 给 6 个终端用户供电 ， 并采用光纤通讯 ， 通过上层中央控制器对微网进行能量 调度管理 。 美国 GE公司投资 400 万美元 ， 建设集控 制 、 保护及能量管理于一体的微网示范工 程 ， 开发适应于微网能量管理系统的本地 监控策略和算法 ， 研究微网的商业运转模 式 ， 并且在新泽西州的 Wayne城进行实物 演示 。 国内外能量管理的研究 微网的能量管理系统概述 微网的能量管理系统概述  微网能量管理的对象  可再生能源发电、用电负荷的功率预测与管理；  储能设备的充、放电管理；  柴油机、燃气轮机等可调度机组的一次能源利用效率与启停机管理；  可调度负荷的切负荷管理。  微网能量管理的特点  管理范围小；  电源种类多风电、光伏、燃料电池、储能设备等；  管理场景多并网运行、孤网运行以及过渡过程；  稳定性要求高电压稳定、频率稳定。 微网的能量管理系统概述  微网能量管理的场景  微网能量管理的目标 微网并网运行经济性管理； 微网孤网运行的稳定性与经济性管理； 微网并网与解列的过渡过程管理； 微网的黑启动管理。 环境污 染小 运行费 用少 能源利 用率高 系统网 损小 切负荷 量少 目录 4 国内外微电网的发展现状1 2 3 5 微网能量管理系统概述 微电网能量管理系统的主要功能模块 微网优化调度的数学模型及求解算法 技术难点及挑战的总结 微网能量管理系统的总体结构 远 动 装 置 R T U 1 公 共 信 息 如 电 价 、 气 价 、 天 气 预 报 配 网 调 度 D E R 维 护 D E R 接 入 R T U 2 R T U 3 R T U 4 其 它 照 明 电 气 量 H V A C S c a d a 系 统 D E R 控 制 器 D E R 1 D E R 2 D E R 3 D E R 4 数 据 库 优 化 决 策 数 据 预 测 信 息 发 布 M E M S 微 网 系 统 报 表 统 计 数据采集子系统 数据预测子系统 历史存储子系统 报表统计子系统 优化决策子系统 管理信息发布子系统 微网的能量管理系统的主要功能模块 微网的能量管理系统的主要功能模块 网络拓 扑分析 信息采集 状态估计 功率预测 决 策 管 理 层 数 据 分 析 层 经济优 化调度 潮流计算 无功优化 调 度 控 制 层 常规机组 发电调度 储能设备充 放电管理 负荷管理与调度 储能管 理策略 切负荷 策略 MEMS 数据管理 系统管理  对可再生能源发电与负荷进行功率预测；  为储能设备建立合理的充、放电管理策略  为微网系统内部每个分布式能源控制器提供功率和电压设定点；  确保满足微网系统中的热负荷和电负荷需求；  尽可能的使排放量和系统损耗最小；  最大限度地提高微电源的运行效率；  对无功功率进行管理，维持微电网较好的电压水平；  提供微网系统故障情况下孤岛运行与重合闸的逻辑与控制方法。 微网能量管理系统实现的主要功能 微网的能量管理系统的主要功能模块 微网的能量管理系统的主要功能模块 功率预测模块 风电 光伏 电负荷和热负荷 预测 预测 预测  包括负荷预测，可再生能源发电量预测 。  预测时间尺度包括小时级和分钟级 。 微电网一般建立在居民区附近，使得风速和光 照条件受地理因素影响较大；负荷则以居民用 电和商用电为主，用电量随机性较大。因此， 微网中的风光出力及负荷预测将变得更加复杂。 在微电网中，负荷预测以及风 电、光伏出力的预测对微电网 的运行重要指导意义，包括 安排微电源的启停、制定经济 的运行策略、指导储能设备的 充放电管理等。 微网的能量管理系统的主要功能模块 功率预测模块 负荷预测  由数据外推的方法可能带来较大误差；  设想根据主要用户的用电特性进行精细化建模；  主要用户用电信息与 MEMS系统的交互；  注意重要负荷的独立预测；  新能源预测  基于发电单元的微观建模；  自然资源数据（风、光等）和发电数据的挖掘；  由自然资源转换为发电时要采用精细的转换公式； 微网的能量管理系统的主要功能模块 微网需求侧管理模块  根据负荷的优先级，提供孤网运行时的切负荷策略；  使并网运行时，微网有能力成为可调度负荷； 可控负荷 需求侧管理模块 负荷优化安排 切负荷策略  微网的重要优势之一，就是在主网故障和检修期间，可以 孤网运行，继续为内部重要负荷提供持续电能。  由于微电网自身电源容量的限制，在电力不足时需要进行 主动切负荷管理，因此，首先需要对负荷按重要程度进行 优先级排序，然后根据电力不足情况确定切负荷策略。 微网的能量管理系统的主要功能模块 微网储能管理模块  制定储能的并网控制策略；  制定储能的孤网控制策略；  优化储能的充、放电安排，延长其使用寿命。 储能系统储能管理系统 充放电优化安排 储能设备是微网中重要的供电电源，因此，储能设备控制策略的优劣直接影响 到微网运行的经济性、稳定性。同时，储能设备成本较高，合理的充、放电管 理，能有效延长其使用寿命，降低成本。  现阶段储能装置的种类  微电网中的储能装置 蓄电池为主 超级电容器 配合蓄电池 混合储能  微网并网时蓄电池的控制策略  微网孤网时蓄电池的控制策略 在其他电源不能满足微网中重要负荷的需求时才放电作为备用电源 谷荷时充电，峰荷时放电；作为调峰电源 配合新能源发电使用，缓解其波动性对配电网的影响；交替充放电 采用控制理论对其充放电进行管理；蓄电池的优化控制 为微电网的孤网运行提供频率和电压支撑。作为主控电源 混合储 能 蓄电池 超级电容器 飞轮储能 超导储能 微网储能管理模块 微网潮流计算模块  微网潮流计算的特点  潮流计算主要针对多节点 （ 多级 ） 微网系统；  电压等级较低 ， 线路 R/X值较高；三相负荷存在不对称问 题 ， 最好进行三相潮流计算 。  微网接入点的潮流计算模型可能与传统发电机组模型 （ PQ节点 、 PV节点或平衡节点 ） 不同 ， 而微网节点类型 取决于其运行方式和控制特性 。  分布式电源的接入改变了电网功率单向流动的特点 ， 增加 了微网潮流计算的复杂度 。 微网的能量管理系统的主要功能模块  微网潮流的计算方法  牛顿拉夫逊法  ZBus/YBus方法  前推回代法 微电网电压无功优化模块 微网的并网运行无功优化  优化目标 减小网损与运行成本、保证较好电压水平；  实现方法 1 通过逆变器控制策略维持电压水平 ；  实现方法 2基于规则的调整方法； 微网接入对配网的影响  微电网的接入改变了配电网功率单相流动的特点；  引入新能源发电形式后，输出功率的波动性，对配网电压影响较大。 微网的孤网运行无功优化  以稳定电压为主要目标，确定微电源的协调控制策略，维持母线较好 的电压水平。 微网的能量管理系统的主要功能模块 微网的能量管理系统的主要功能模块 微网经济运行优化模块  满足系统稳定运行的基础上 ， 实现微网运行费用最小的目标 。  优化功率分配 ， 体现经济性 。  制定可控机组的开停机计划 ， 出力安排 ， 负荷管理 ， 以及与主网功率交 换计划 。 预测信息 公网 能量优化 电价和负荷 可再生能源 交换计划 出力安排 可控机组 负荷管理 可调度负荷 目录 4 国内外微电网的发展现状1 2 3 5 微网能量管理系统概述 微电网能量管理系统的主要功能模块 微网优化调度的数学模型及求解算法 技术难点及挑战的总结 风光及负荷功率预测 开始 负荷分类与失负荷价值评估 确定储能设备管理策略 建立目标函数与约束条件 建立发电机组成本模型 模型优化求解 确定调度结果 结束 微网优化调度的组织流程 对各类电源与负荷建立模型，分别预测； 根据负荷重要程度进行分类，通过调研 方式进行失负荷价值评估； 储能充放电管理，是微电网管理的重要 组成部分； 对各类机组进行成本分析； 在满足潮流约束与机组容量等约束的基 础上达到微电网的最优经济运行的目标； 根据优化结果，确定各微电源的调度指 令及切负荷操作。 微网调度的时间区间及时间尺度 Hachinohe 微网采用光纤通讯 ， 通过上 层中央控制器对微网进行能量调度管理 ， 内容包括 a） 每周供需计划 （ 控制目的为计及环境 因素 、 燃料成本等情况下 ， 最小化购电 成本 ， 最大化微网经济效益 ） ； b） 每 3 分钟一次的经济调度 （ 根据预 测需求和实际需求之差对分布式发电出 力进行调整 ） ； c） 1s 级的潮流控制 （ 避免负载波动和 分布式电源波动对电网产生影响 ） ； d） 10ms 的频率控制 （ 用于保障孤岛运 行的电压和频率恒定 ， 孤岛运行时 ， 蓄 电池首先作为电压频率控制单元 ， 逐步 过渡到由内燃机提供电压和频率支持 ） 日本八户市 Hachinohe调度管理软件设计为例 Hachineohe微网组成 3台 170kW以沼气为燃料 的内燃机 、 130kW光伏 、 20kW风机及 100kW储 能蓄电池 。 通过 5.4km的 6.6kV架空线路为市政 厅 、 供水公司 、 4所中小学共 603kW负荷供电 。 微网调度的时间区间 微网调度的时间尺度 采用多时间尺度配合，调度出力计算考虑小时级和分钟级的时间尺度。 预测误差及功率波动产生的秒及毫秒级功率平衡考虑由稳压设备吸收。 微网调度的时间区间及时间尺度 可以设计周前 /日前的出力安排。 考虑到时间区间变小时预测误差减少，可以设计日内的提前 1-2小时的安排。 微网经济调度的目标 分布式电源的经济模型 对于微型燃气轮机 ， 燃料电源 ， 柴油机等燃料机组 ， 需要 考虑其燃料费用 、 维护费用 、 启停费用 。 对于风电 ， 光伏以及储能系统 ， 其没有燃料费用 ， 但需考 虑其维护费用 。 微网调度的数学模型及求解算法 单目标函数总的调度周期内微网运行费用最少 。 多目标函数运行费用最少；排污最少；交换功率最少等 。 目录 4 国内外微电网的发展现状1 2 3 5 微网能量管理系统概述 微电网能量管理系统的主要功能模块 微网优化调度的数学模型及求解算法 技术难点及挑战的总结 新能源出力不确定性的影响 微网能量管理的难点与挑战  微网中的负荷和新能源的可预测性差，且功率变化范围较大，预 测误差较大，造成调度困难。 优化算法合理选取  微网能量管理中很多问题是复杂的系统优化问题，基于规则的启 发方法和数学优化算法各有特色，如何兼顾算法最优性和可靠性 需要深入研究。 储能系统的管理  储能系统在微网起到重要的维持稳定的作用，各种储能技术各具 优缺点，单一的储能技术很难在技术性和经济性上适应需求。储 能技术的优化配合以及多储系统的联合调度是一个难点。 冷热电的联合管理  多能量形式输出作为微网的重要特征之一，使得冷、热、电联合 管理将给微网能量管理系统的研究带来更大的挑战。 课题组在微网方向的简介 在微网方向 ， 由西安交通大学王秀丽教授 、 王建学教授带 队 ， 组成了强有力的研究团队 。 历经多年的积累和研究 ， 很多技术都已在实际微网工程中得到应用 ， 并于 2015年通 过了中国电机工程协会的鉴定 。 当前主要研究方向  含多种 DG和冷 /热 /电 负荷 的微网规划与设计  微网内各类新能源出力 、 冷 /热 /电 负荷的预测技术  微 网能量管理系统核心计算功能的设计与开发 联系方式 029-82668868 jxwangxjtu.edu.cn 王建学 jxwangxjtu.edu.cn