CN106026168A - 风光储能智慧能源塔的能量管理策略 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了风光储能智慧能源塔的能量管理策略，属于微网储能的技术领域，尤其涉及电动汽车充电能量管理的技术领域，用于智慧能源塔中微电网和储能设备之间的能量管理，通过五种控制模式以及维持能源塔内功率平衡，实现了能源塔的稳定供电，在满足负载需求时还能反馈多余出力给发电网，在维持能量塔内功率平衡的基础上尽可能得延长了储能设备的使用寿命。
Description
技术领域
本发明公开了风光储能智慧能源塔的能量管理策略，属于微网储能的技术领域，尤其涉及电动汽车充电能量管理的技术领域。
背景技术
微电网实现了分布式电源和负荷的一体化运行，能够灵活地接入和切出配电网，满足用户对于电能质量和供电可靠性的要求，也为可再生能源的综合利用提供了一种有效的技术手段。但是可再生能源的高渗透率，使得微电网承受扰动的能力相对较弱，尤其是在孤岛运行模式下，***可能会面临更高的风险。因此，必须针对微电网特点进行合理的能量调度，以在确保***安全性和可靠性的前提下，实现经济运行。
针对集中控制式微电网建立优化调度模型以实现能量调度的方案，没有考虑可再生能源的随机性和间歇性，难以符合微电网的实际运行要求，且未给出完整的微电网能量调度方法。为克服这一缺陷，考虑分布式能源处理特性和电力供需平衡特性建立约束条件，建立电网数学模型后通过优化算法求解目标函数，进而确定能量调度方案，计算量较大，能量管理效率不高。
在低碳经济已逐渐融入社会主流意识的当今世界，电容汽车展现出广阔的发展前景，充电配套设施的建设与电动汽车的发展息息相关。针对露天充电桩防雨防晒措施欠佳。难以保证充电设备使用安全性能和实用寿命的这一局限，将混合电网的工作原理延伸到充电桩，提出了一种能够连续稳定供电且可以脱离电网独立使用的风光储能智慧能源塔（申请号为201520556685.8），本发明旨在为该风光储能智慧能源塔的能量管理提出一种可行方案，以实现连续稳定供电，延长储能电池的使用寿命。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了风光储能智慧能源塔的能量管理策略，通过对微电网和储能设备之间的能量调度，实现了能源塔的稳定供电，解决了现有充电桩过度依赖传统电网的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
风光储能智慧能源塔的能量管理策略，用于智慧能源塔中微电网和储能设备之间的能量管理，能量管理策略具体包括如下五种模式：
模式一：大电网正常运行，微电网并网运行，并网逆变器控制直流母线电压，优先控制微电网中分布式电源向负载输出功率，在分布式电源输出功率足以满足负载需求时回馈多余功率至大电网，在分布式电源输出功率小于负载需求时控制大电网向负载输出功率，在大电网输出功率大于并网逆变器额定功率时切换至模式二；
模式二：大电网正常运行，微电网并网运行，储能设备维持直流母线电压，优先控制微电网中分布式电源向负载输出功率，在分布式电源输出功率足以满足负载需求时回馈多余功率至储能设备，在分布式电源输出功率小于负载需求时控制储能设备向负载输出功率，并网逆变器限流运行，在大电网输出功率小于或等于并网逆变器额定功率时切换至模式一，在大电网故障时切换至模式三；
模式三：微电网独立运行，储能设备维持直流母线电压，优先控制微电网中分布式电源向负载输出功率，在分布式电源输出功率足以满足负载需求时回馈多余功率至储能设备，在分布式电源输出功率少于负载需求时控制储能设备向负载输出功率，在大电网恢复正常后切换至模式一，在储能设备荷电量大于或等于最大荷电量时切换至模式四，在储能设备荷电量小于最小荷电量或储能设备输出功率大于自身额定功率时切换至模式五；
模式四：微电网独立运行，分布式电源维持直流母线电压，优先控制微电网中分布式电源向负载输出功率，在分布式电源输出功率足已满足负载需求时调整分布式电压工作模式以减少分布式电源的出力，在分布式电源输出功率少于负载需求时控制储能设备向负载输出功率，在储能设备荷电量小于最大荷电量时切换至模式三；
模式五：微电网独立运行，储能设备能够维持直流母线电压，优先控制微电网中分布式电源向负载输出功率，在分布式电源输出功率足以满足负载需求时回馈多余功率至储能设备，在分布式电源输出功率少于负载需求时切除部分负荷，在储能设备荷电量大于最小荷电量时切换至模式三。
进一步的，风光储能智慧能源塔的能量管理策略模式一中在控制大电网向负载输出功率的同时，仅在储能设备荷电量小于最大荷电量时控制大电网向储能设备恒功率充电。
进一步的，风光储能智慧能源塔的能量管理策略模式二中在分布式电源输出功率小于负载需求时控制储能设备向负载输出功率，具体为：
在储能设备荷电量大于或等于最小荷电量时：
当负载功率与分布式电源输出功率差额的绝对值小于或等于储能***最大放电功率时，控制储能设备向负载恒压放电，
否则，切除部分负荷，储能设备进入低电待机状态；
在储能设备荷电量小于最小荷电量时，切除部分负荷，储能设备进入低电待机状态。
作为所述风光储能智慧能源塔的能量管理策略的进一步优化方案，模式三中优先控制微电网中分布式电源向负载输出功率的方法为：采用MPPT方法控制分布式电源向负载输出最大功率。
作为所述风光储能智慧能源塔的能量管理策略的再进一步优化方案，模式三中在分布式电源输出功率足以满足负载需求时回馈多余功率至储能设备，具体为：
在储能设备荷电量小于或等于最大荷电量时：
当负载功率与分布式电源输出功率差额的绝对值小于或等于储能***最大充电功率时，以负载功率与分布式电源输出功率的差额为储能设备给定功率，分布式电源向储能设备充电，
否则，控制分布式电源恒功率运行，以储能***最大充电功率为储能设备给定功率，分布式电源向储能设备恒定功率充电；
在储能设备荷电量大于最大荷电量时：控制分布式电源恒功率运行，储能设备进入满电待机状态。
作为所述风光储能智慧能源塔的能量管理策略的更进一步优化方案，模式三中在分布式电源输出功率少于负载需求时控制储能设备向负载输出功率，具体为：
在储能设备荷电量大于或等于最小荷电量时：
当负载功率与分布式电源输出功率的差额小于或等于储能设备最大放电功率时，以负载功率与分布式电源输出功率的差额为储能设备给定功率，储能设备向负载输出功率，
否则，减少负荷，以储能设备最大放电功率为储能设备给定功率，储能设备向负载输出功率；
在储能设备荷电量小于最小荷电量时：减少负荷，储能设备进入低电待机状态。
进一步的，风光储能智慧能源塔的能量管理策略模式四中分布式电源维持直流母线电压的方法为：首先控制光伏电源工作于恒压模式以维持直流母线电压，在控制光伏电源工作模式后仍然无法满足功率平衡需求时，调节风机电源的输出功率。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
（1）微电网并网运行，并网逆变器未饱和时，根据负载需求与电源输出功率平衡的要求控制大电网或微电网向负载供电，将微电网多余出力回馈至大电网，大电网仅在储能设备荷电量未满时既向负载供电又向储能设备充电，并网逆变器饱和时，控制储能设备平衡功率差额；微电网离网运行，能源塔通过其内部的微电网和储能设备向电动车充电，并在储能设备荷电量过高或过低时给出了相应的直流母线电压维持方案，使得能源塔能够脱离电网独立工作，能量管理策略的各模式维持能源塔内功率平衡，实现了能源塔的稳定供电，在满足负载需求时还能反馈多余出力给发电网，相对于传统的混合电网能量管理策略，简化了算法，提高了能源管理效率；
（2）离网运行时，考虑到储能设备荷电能力及时调整控制方式以维持直流母线电压，在维持能量塔内功率平衡的基础上尽可能得延长了储能设备的使用寿命。
附图说明
图1为能源塔各部件组成的框图结构。
图2为微电网离网运行时各单元运行状态协调控制的流程图。
图3为微电网并网运行时各单元运行状态协调控制的流程图。
图4为五种模式的切换示意图。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
申请号为201520556685.8的专利公开的风光储能智慧能源塔，包括作为安装主体的能源塔、围绕于能源塔上部设置的光伏板、设置在光伏板上部的微风发电机、储能电池和围绕于能源塔下部设置的充电桩体，光伏板和微风发电机的电能输出端与储能电池的电能输入端连接，充电桩体的电能输入端与储能电池的电能输出端连接。
能源塔各部件组成的框图结构如图1所示，光伏板和微风发电机组成了智慧能源塔的微电网，微风发电机输出的交流电经过AC/DC汇入直流母线，光伏板输出的交流电进过DC/DC汇入直流母线，直流母线和大电网之间接有并网逆变器DC/AC，直流母线与储能设备之间接有DC/DC。能量管理***将光伏板和微风发电机转化的电能储存在由锂电池和超级电容组成的储能设备中，配合本申请提出的能量管理策略即可实现电能存储的分配和调度。
如图2所示，微电网离网运行时，首先由储能设备建立母线电压，之后启动风电与光伏***，并投入负载。为了实现能源塔内微电网、储能设备和负载的功率平衡，需要储能设备提供一定的功率来补充功率缺额，而在实际情况中，蓄电池等储能设备会受到诸多限制，如：荷电量Q、最大充电功率Pbcmax、最大放电功率Pbdmax。若此时，储能设备荷电量不足，或者，所需提供的功率超过其最大放电功率时，需要选择性的切除一定负荷来保证整个***的稳定运行。
若储能***需要提供的功率Pnet小于0，Pnet=PL-PDG，说明分布式电源输出的功率PDG大于负载需求PL，根据储能设备电量、最大充电功率、最大放电功率控制储能设备尽可能地吸收分布式电源输出的多余功率；若储能***需要提供的功率Pnet大于0，说明分布式电源输出的功率PDG小于负载需求PL，根据储能设备荷电量、最大充电功率、最大放电功率控制储能设备尽可能地向负载输出功率以平衡功率差额。
Pnet<0：Q≤Qmax且│Pnet│≤Pbcmax时，以储能***需要提供的功率Pnet为储能设备给定功率Pb，由储能设备吸收分布式电源输出的的多余功率；Q≤Qmax且│Pnet│>Pbcmax时，调整风电电源、光伏电源转为恒功率控制模式，以储能***最大充电功率Pbcmax为储能设备给定功率Pb，分布式电源向储能设备充电；Q>Qmax时，调整风电电源、光伏电源转为恒功率控制模式，储能设备给定功率Pb为0，储能***进入满电待机状态。
Pnet=0：储能设备给定功率Pb为0，储能***进入待机状态。
Pnet>0：Q≥Qmin且Pnet≤Pbdmax时，储能***需要提供的功率Pnet为储能设备给定功率Pb，储能设备放电向储能设备提供功率差额；Q≥Qmin且Pnet>Pbdmax时，减少负荷，以储能***最大放电功率Pbdmax为储能设备给定功率Pb，储能设备放电向储能设备提供功率差额；Q<Qmin时，减少负荷，储能设备给定功率Pb为0，储能***进入低电待机状态。
大电网正常运行，微电网工作于并网状态，直流母线电压由并网逆变器控制，蓄电池储能***工作在待机状态，光电、风电***均工作在MPPT模式，分布式电源功率大于负载功率时回馈多余的部分给大电网，分布式电源不足以提供负载功率时由大电网补充不足功率。若大电网输出功率PG大于并网逆变器的额定功率PGN时，则并网逆变器工作在限流模式，输出电流被钳为IGmax，无法继续稳定母线电压，母线电压必会发生变化，故转由储能***维持母线电压，而当负载功率降低时，并网逆变器退出饱和，母线电压重新由并网逆变器控制。
如图3所示，微电网并运行时，并网逆变器建立母线电压，之后启动风电与光伏***，并投入负载。为了在并网逆变器饱和时仍可以平衡功率差额，根据储能设备荷电量、最大放电功率控制储能设备的充放电。若此时，储能设备荷电量不足，或者，所需提供的功率超过其最大放电功率时，需要选择性的切除一定负荷来保证整个***的稳定运行。
PG≤PGN：Q≤Qmax时，分布式电源或大电网向储能设备恒功率充电；Q>Qmax时，储能设备进入满电待机状态，停止充电。
PG>PGN：并网逆变器工作于限流模式，大电网输出并网逆变器额定功率，Q≥Qmin且Pnet≤Pbdmax时，储能设备放电向负载输出功率；Q≥Qmin且Pnet>Pbdmax时，减少负荷，储能设备进入低电待机状态；Q<Qmin时，减少负荷，储能设备进入低电待机状态。
本发明根据上述离网运行和并网运行，提出了如图4所示的用于智慧能源塔中微电网和储能设备之间的能量管理的策略，具体包括五种模式。
模式一：大电网正常运行，微电网工作于并网状态，直流母线电压由并网逆变器控制，蓄电池储能***工作在待机状态，光电、风电***均工作在MPPT模式。优先控制微电网中分布式电源向负载输出功率，在分布式电源输出功率足以满足负载需求时回馈多余功率至大电网，在分布式电源输出功率小于负载需求时控制大电网向负载输出功率，在控制大电网向负载输出功率的同时，仅在储能设备荷电量小于最大荷电量时控制大电网向储能设备恒功率充电，在大电网输出功率大于并网逆变器额定功率时切换至模式二。
模式二：微电网并网运行时，若电网输出功率PG大于并网逆变器的额定功率PGN时，则并网逆变器工作在限流模式，输出电流被钳为IGmax，无法继续稳定母线电压，母线电压必会发生变化，故转由储能设备维持母线电压。优先控制微电网中分布式电源向负载输出功率，在分布式电源输出功率足以满足负载需求时回馈多余功率至储能设备，在分布式电源输出功率小于负载需求时控制储能设备向负载输出功率，并网逆变器限流运行，在大电网输出功率小于或等于并网逆变器额定功率时切换至模式一，在大电网故障时切换至模式三。
模式三：大电网故障时，并网逆变器断开，微电网独立运行，直流母线电压由储能设备控制。优先控制微电网中分布式电源工作在MPPT模式向负载输出功率，在分布式电源输出功率足以满足负载需求时回馈多余功率至储能设备，在分布式电源输出功率少于负载需求时控制储能设备向负载输出功率，在大电网恢复正常后切换至模式一，在储能设备荷电量大于或等于最大荷电量时切换至模式四，在储能设备荷电量小于最小荷电量或储能设备输出功率大于自身额定功率时切换至模式五。
模式四：微电网独立运行，蓄电池电量达到了满电，而为了防止对蓄电池过充而造成伤害，应停止对蓄电池的充电，分布式电源维持直流母线电压，而为了实现***内功率平衡，分布式电源应退出MPPT模式。为了避免分机频繁启停，优先改变光电***的工作模式。在此模式下，光电***先退出MPPT模式，采取恒压控制模式维持母线电压。若仅控制光电***仍无法满足***平衡，再调节风机的功率。该模式下，母线电压由分布式电源控制。优先控制微电网中分布式电源向负载输出功率，在分布式电源输出功率足已满足负载需求时调整分布式电压工作模式以减少分布式电源的出力，在分布式电源输出功率少于负载需求时控制储能设备向负载输出功率，在储能设备荷电量小于最大荷电量时切换至模式三。
模式五：微电网独立运行，储能设备能够维持直流母线电压，当蓄电池需求功率大于其额定功率，或者蓄电池电量达到下限时，蓄电池工作在限流状态或者过放状态。需切除部分负载，以维持母线电压，保证***正常工作。优先控制微电网中分布式电源向负载输出功率，在分布式电源输出功率足以满足负载需求时回馈多余功率至储能设备，在分布式电源输出功率少于负载需求时切除部分负荷，在储能设备荷电量大于最小荷电量时切换至模式三。
可见，采用本发明涉及的能量管理策略：
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
（1）微电网并网运行，并网逆变器未饱和时，根据负载需求与电源输出功率平衡的要求控制大电网或微电网向负载供电，将微电网多余出力回馈至大电网，大电网仅在储能设备荷电量未满时既向负载供电又向储能设备充电，并网逆变器饱和时，控制储能设备平衡功率差额；微电网离网运行，能源塔通过其内部的微电网和储能设备向电动车充电，并在储能设备荷电量过高或过低时给出了相应的直流母线电压维持方案，使得能源塔能够脱离电网独立工作，能量管理策略的各模式维持能源塔内功率平衡，实现了能源塔的稳定供电，在满足负载需求时还能反馈多余出力给发电网，相对于传统的混合电网能量管理策略，简化了算法，提高了能源管理效率；
（2）离网运行时，考虑到储能设备荷电能力及时调整控制方式以维持直流母线电压，在维持能量塔内功率平衡的基础上尽可能得延长了储能设备的使用寿命。
Claims (7)
1.风光储能智慧能源塔的能量管理策略，用于智慧能源塔中微电网和储能设备之间的能量管理，其特征在于，所述能量管理策略具体包括如下五种模式：
模式一：大电网正常运行，微电网并网运行，并网逆变器控制直流母线电压，优先控制微电网中分布式电源向负载输出功率，在分布式电源输出功率足以满足负载需求时回馈多余功率至大电网，在分布式电源输出功率小于负载需求时控制大电网向负载输出功率，在大电网输出功率大于并网逆变器额定功率时切换至模式二；
模式二：大电网正常运行，微电网并网运行，储能设备维持直流母线电压，优先控制微电网中分布式电源向负载输出功率，在分布式电源输出功率足以满足负载需求时回馈多余功率至储能设备，在分布式电源输出功率小于负载需求时控制储能设备向负载输出功率，并网逆变器限流运行，在大电网输出功率小于或等于并网逆变器额定功率时切换至模式一，在大电网故障时切换至模式三；
模式三：微电网独立运行，储能设备维持直流母线电压，优先控制微电网中分布式电源向负载输出功率，在分布式电源输出功率足以满足负载需求时回馈多余功率至储能设备，在分布式电源输出功率少于负载需求时控制储能设备向负载输出功率，在大电网恢复正常后切换至模式一，在储能设备荷电量大于或等于最大荷电量时切换至模式四，在储能设备荷电量小于最小荷电量或储能设备输出功率大于自身额定功率时切换至模式五；
模式四：微电网独立运行，分布式电源维持直流母线电压，优先控制微电网中分布式电源向负载输出功率，在分布式电源输出功率足已满足负载需求时调整分布式电压工作模式以减少分布式电源的出力，在分布式电源输出功率少于负载需求时控制储能设备向负载输出功率，在储能设备荷电量小于最大荷电量时切换至模式三；
模式五：微电网独立运行，储能设备能够维持直流母线电压，优先控制微电网中分布式电源向负载输出功率，在分布式电源输出功率足以满足负载需求时回馈多余功率至储能设备，在分布式电源输出功率少于负载需求时切除部分负荷，在储能设备荷电量大于最小荷电量时切换至模式三。
2.根据权利要求1所述风光储能智慧能源塔的能量管理策略，其特征在于，模式一中在控制大电网向负载输出功率的同时，仅在储能设备荷电量小于最大荷电量时控制大电网向储能设备恒功率充电。
3.根据权利要求1所述风光储能智慧能源塔的能量管理策略，其特征在于，模式二中在分布式电源输出功率小于负载需求时控制储能设备向负载输出功率，具体为：
在储能设备荷电量大于或等于最小荷电量时：
当负载功率与分布式电源输出功率差额的绝对值小于或等于储能***最大放电功率时，控制储能设备向负载恒压放电，
否则，切除部分负荷，储能设备进入低电待机状态；
在储能设备荷电量小于最小荷电量时，切除部分负荷，储能设备进入低电待机状态。
4.根据权利要求3所述风光储能智慧能源塔的能量管理策略，其特征在于，模式三中优先控制微电网中分布式电源向负载输出功率的方法为：采用MPPT方法控制分布式电源向负载输出最大功率。
5.根据权利要求4所述风光储能智慧能源塔的能量管理策略，其特征在于，模式三中在分布式电源输出功率足以满足负载需求时回馈多余功率至储能设备，具体为：
在储能设备荷电量小于或等于最大荷电量时：
当负载功率与分布式电源输出功率差额的绝对值小于或等于储能***最大充电功率时，以负载功率与分布式电源输出功率的差额为储能设备给定功率，分布式电源向储能设备充电，
否则，控制分布式电源恒功率运行，以储能***最大充电功率为储能设备给定功率，分布式电源向储能设备恒定功率充电；
在储能设备荷电量大于最大荷电量时：控制分布式电源恒功率运行，储能设备进入满电待机状态。
6.根据权利要求5所述风光储能智慧能源塔的能量管理策略，其特征在于，模式三中在分布式电源输出功率少于负载需求时控制储能设备向负载输出功率，具体为：
在储能设备荷电量大于或等于最小荷电量时：
当负载功率与分布式电源输出功率的差额小于或等于储能设备最大放电功率时，以负载功率与分布式电源输出功率的差额为储能设备给定功率，储能设备向负载输出功率，
否则，减少负荷，以储能设备最大放电功率为储能设备给定功率，储能设备向负载输出功率；
在储能设备荷电量小于最小荷电量时：减少负荷，储能设备进入低电待机状态。
7.根据权利要求1所述风光储能智慧能源塔的能量管理策略，其特征在于，模式四中分布式电源维持直流母线电压的方法为：首先控制光伏电源工作于恒压模式以维持直流母线电压，在控制光伏电源工作模式后仍然无法满足功率平衡需求时，调节风机电源的输出功率。
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