用于控制微電網(wǎng)的操作的微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請(qǐng)涉及微電網(wǎng)，并且更具體地涉及控制微電網(wǎng)的操作。
【背景技術(shù)】
[0002] 微電網(wǎng)是本地區(qū)域內(nèi)的分布式能量資源(分布式發(fā)電和儲(chǔ)能）和負(fù)載的半自主分 組。該負(fù)載可以是實(shí)用"客戶"、若干站點(diǎn)的分組或以協(xié)調(diào)方式進(jìn)行操作的分布式站點(diǎn)。分布 式發(fā)電機(jī)可以包括往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)型發(fā)電機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池、光伏/太陽能或 其他小規(guī)模可再生發(fā)電機(jī)。所有可控制分布式能量資源和負(fù)載以下述方式互連，該方式使 得設(shè)備能夠執(zhí)行特定的微電網(wǎng)控制功能。例如，該系統(tǒng)的能量平衡必須通過調(diào)度來保持，并 且非關(guān)鍵負(fù)載可能在能量短缺或高操作成本的時(shí)間期間被縮短或削減。在能夠獨(dú)立于宏電 網(wǎng)（以孤島模式)進(jìn)行操作的同時(shí)，微電網(wǎng)通常與變電站或電網(wǎng)（即宏電網(wǎng)）互連地起作用， 從宏電網(wǎng)購買能量資源并且可能在不同的時(shí)間向回銷售能量和輔助服務(wù)。宏電網(wǎng)通常是基 于微電網(wǎng)的總的系統(tǒng)能量要求來設(shè)計(jì)的。功率質(zhì)量和可靠性的非均勻電平通常被供應(yīng)給終 端用戶。微電網(wǎng)通常對(duì)宏電網(wǎng)呈現(xiàn)為單個(gè)可控實(shí)體。
[0003] 大多數(shù)微電網(wǎng)控制系統(tǒng)采用集中式或分布式機(jī)制。分布式微電網(wǎng)控制系統(tǒng)大多在 孤島偏遠(yuǎn)地區(qū)和弱電網(wǎng)連接的微電網(wǎng)中使用，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性是主要問題，并且控制目標(biāo) 主要是保持微電網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。集中式微電網(wǎng)控制在中央控制器中執(zhí)行微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)管 理，中央控制器監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)的操作狀況，根據(jù)最小化操作成本來進(jìn)行最優(yōu)控制決定，減少 化石燃料消耗，提供用于公共電網(wǎng)的服務(wù)等，并且然后將功率設(shè)定點(diǎn)傳送到分布式能量資 源并且將控制命令傳送到微電網(wǎng)內(nèi)的可控制負(fù)載。大多數(shù)傳統(tǒng)的集中式微電網(wǎng)控制系統(tǒng)在 多個(gè)時(shí)間間隔中實(shí)現(xiàn)與在線經(jīng)濟(jì)調(diào)度(ED)或在線ED相結(jié)合的所謂的"提前一天"DER(分布 式能量資源)調(diào)度過程。這些解決方案嘗試在考慮到可再生發(fā)電和負(fù)載預(yù)測的同時(shí)在預(yù)定 義的時(shí)間段中提供優(yōu)化的操作策略。
[0004] 具有在線ED方法的提前一天DER調(diào)度基于用于微電網(wǎng)的提前一天可再生發(fā)電和負(fù) 載預(yù)測來生成用于接下來24小時(shí)時(shí)段的最優(yōu)操作計(jì)劃。由于不精確預(yù)測技術(shù)和可再生能量 資源發(fā)電和負(fù)載需求的高可變性而導(dǎo)致在提前一天的時(shí)間范圍中執(zhí)行的DER調(diào)度無法提供 可靠的操作計(jì)劃，并且因此不利地影響在線H)。
[0005] 在多個(gè)時(shí)間間隔中的在線ED將最近發(fā)電和負(fù)載預(yù)測包含在操作決定中。然而，該 方法在每個(gè)執(zhí)行間隔（例如，每5到15分鐘)實(shí)時(shí)地具有顯著的計(jì)算復(fù)雜度，以提供不僅用于 當(dāng)前間隔而且用于未來間隔的控制決定。由于沉重的計(jì)算負(fù)擔(dān)，通常布置僅考慮微電網(wǎng)的 功率平衡的簡化優(yōu)化，而不是通過功率流分析提供的更具體的操作限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 根據(jù)本文描述的示例性實(shí)施例，提供了一種微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)(EMS)，其使得能 夠以電網(wǎng)連接和孤島模式進(jìn)行微電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定狀態(tài)操作。微電網(wǎng)EMS系統(tǒng)保持系 統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)經(jīng)濟(jì)操作。
[0007] 根據(jù)控制微電網(wǎng)的控制操作的方法的實(shí)施例，微電網(wǎng)包括多個(gè)分布式能量資源， 分布式能量資源包括可控分布式發(fā)電機(jī)和電能存儲(chǔ)設(shè)備，該方法包括:周期性地更新用于 微電網(wǎng)的能量資源調(diào)度，微電網(wǎng)包括可控制分布式發(fā)電機(jī)的開/關(guān)狀態(tài)以及電能存儲(chǔ)設(shè)備 的充電/放電狀態(tài)和速率，并且至少部分地基于用于微電網(wǎng)的可再生能量生成和負(fù)載預(yù)測 來滿足預(yù)定義的時(shí)間窗中的第一控制目標(biāo)；以及周期性地確定用于可控制分布式能量資源 的功率設(shè)定點(diǎn)，這滿足在預(yù)定義的時(shí)間窗內(nèi)當(dāng)前時(shí)間間隔的第二控制目標(biāo)，第二控制目標(biāo) 是至少用于微電網(wǎng)的分布式能量資源調(diào)度的功能。
[0008] 根據(jù)用于控制微電網(wǎng)的操作的微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的實(shí)施例，微電網(wǎng)包括多個(gè)分 布式能量資源，分布式能量資源包括可控分布式發(fā)電機(jī)和電能存儲(chǔ)設(shè)備，微電網(wǎng)管理系統(tǒng) 包括:處理電路，可操作為周期性地更新用于微電網(wǎng)的能量資源調(diào)度，微電網(wǎng)包括可控制分 布式發(fā)電機(jī)的開/關(guān)狀態(tài)以及電能存儲(chǔ)設(shè)備的充電/放電狀態(tài)和速率，并且至少部分地基于 用于微電網(wǎng)的可再生能量生成和負(fù)載預(yù)測來滿足預(yù)定義的時(shí)間窗中的第一控制目標(biāo)。處理 電路進(jìn)一步可操作為周期性地確定用于可控制分布式能量資源的功率設(shè)定點(diǎn)，這滿足在預(yù) 定義的時(shí)間窗內(nèi)當(dāng)前時(shí)間間隔的第二控制目標(biāo)，第二控制目標(biāo)是至少用于微電網(wǎng)的分布式 能量資源調(diào)度的函數(shù)。
[0009] 本領(lǐng)域技術(shù)人員將在閱讀以下具體描述之后并且在查看附圖、附圖的簡要描述之 后認(rèn)識(shí)到其他特征和優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0010]附圖中的部件不一定按比例繪制，而是將重點(diǎn)放在說明本發(fā)明的原理。此外，在附 圖中，相同附圖標(biāo)記表示相應(yīng)的部分。在附圖中：
[0011]圖1圖示了用于控制微電網(wǎng)的操作的微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的實(shí)施例的框圖；
[0012] 圖2圖示了控制微電網(wǎng)的操作的方法的實(shí)施例的流程圖；
[0013] 圖3圖示了周期性地更新用于微電網(wǎng)的分布式能量資源調(diào)度并且周期性地確定包 括在微電網(wǎng)中的可控制分布式能量資源的功率設(shè)定點(diǎn)的實(shí)施例的示意圖；
[0014] 圖4圖示了控制微電網(wǎng)的操作的方法的另一實(shí)施例的流程圖；以及
[0015] 圖5圖示了包括甩負(fù)荷的控制微電網(wǎng)的操作的方法的實(shí)施例的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 根據(jù)本文描述的示例性實(shí)施例，提供了微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)(EMS)，該微電網(wǎng)能量 管理系統(tǒng)(EMS)在特定時(shí)間段中考慮到各種因素的同時(shí)生成最優(yōu)調(diào)度決策。微電網(wǎng)EMS協(xié)調(diào) 在多個(gè)時(shí)間間隔中的微電網(wǎng)內(nèi)的各種可控制設(shè)備之間的控制動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)總體優(yōu)化目標(biāo)函 數(shù)。例如，微電網(wǎng)EMS可以使用用于未來時(shí)間段的可再生能量資源發(fā)電和負(fù)載預(yù)測信息來最 大化可再生能量資源利用并且減少化石燃料的依賴性。此外，可以在多個(gè)時(shí)間間隔中最優(yōu) 地調(diào)度能量存儲(chǔ)充電/放電操作，使得包括在微電網(wǎng)中的電能存儲(chǔ)設(shè)備可以在輕負(fù)載時(shí)段 期間存儲(chǔ)低價(jià)能量，并且在重負(fù)載或高價(jià)能量時(shí)段期間遞送能量。
[0017] 微電網(wǎng)EMS還可以利用微電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)模型。例如，平衡網(wǎng)絡(luò)模式對(duì)于特定為電網(wǎng)可 能不是有效的。微電網(wǎng)EMS可以在可用時(shí)使用具體的不平衡網(wǎng)絡(luò)模型，增加控制復(fù)雜度和準(zhǔn) 確性。微電網(wǎng)EMS可以在微電網(wǎng)以不同模式(如，電網(wǎng)連接或孤島模式)進(jìn)行操作時(shí)考慮不同 的操作特征，并且提供相應(yīng)的控制策略，這提高了微電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟(jì)操作。微電網(wǎng)EMS還 可以考慮包括在微電網(wǎng)中的各種可控制設(shè)備的物理限制，諸如發(fā)電機(jī)容量、啟動(dòng)時(shí)間、下降 速率、啟動(dòng)/關(guān)機(jī)/發(fā)電成本、能量存儲(chǔ)充電/放電速率、充電狀態(tài)等。
[0018]概括地說，本文描述的微電網(wǎng)EMS使用數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)來解決微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)操作，使 得作出在特定時(shí)間段中考慮了各種因素的最優(yōu)發(fā)電調(diào)度決定。
[0019] 圖1圖示了EMS 100以及由微電網(wǎng)EMS 100控制的微電網(wǎng)實(shí)施例。微電網(wǎng)包括在本 地區(qū)域內(nèi)的分布式能量資源(分布式能量資源)和負(fù)載102。負(fù)載102可以是單個(gè)實(shí)用客戶、 若干站點(diǎn)的分組、或以協(xié)作方式進(jìn)行操作的分布式站點(diǎn)。DER可以包括一個(gè)或多個(gè)分布式發(fā) 電機(jī)，諸如往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)型發(fā)電機(jī)104、微型燃?xì)廨啓C(jī)106、燃料電池108、光伏/太陽能 發(fā)電機(jī)110、風(fēng)力渦輪機(jī)112和其他小型可再生發(fā)電機(jī)，并且還包括電能存儲(chǔ)設(shè)備114 AER和 負(fù)載102通過電網(wǎng)絡(luò)116互連。每個(gè)DER和負(fù)載102可以通過諸如保險(xiǎn)絲、斷路器、繼電器、降 壓變壓器等的保護(hù)設(shè)備(PD)118來連接到電網(wǎng)絡(luò)116。微電網(wǎng)可以在電網(wǎng)連接模式下連接到 變電站或者宏電網(wǎng)120?？梢蕴峁┮粋€(gè)或多個(gè)公共耦合點(diǎn)(PCC)122用于將微電網(wǎng)的電網(wǎng)絡(luò) 116連接到變電站或宏電網(wǎng)120。微電網(wǎng)可以在孤島模式下通過PCC 122的適當(dāng)控制來與所 有電網(wǎng)、變電站等隔尚。
[0020] 包括在微電網(wǎng)中的所有可控制DER和負(fù)載102通過通信和控制網(wǎng)絡(luò)124互連，使得 可控制設(shè)備可以執(zhí)行特定微電網(wǎng)控制功能。微電網(wǎng)EMS 100具有對(duì)微電網(wǎng)的通信和控制網(wǎng) 絡(luò)124的遠(yuǎn)程或直接接入，以用于通過本地控制代理(CA)126來控制DER和負(fù)載102。微電網(wǎng) EMS 100包括處理電路128,處理電路128可以包括諸如一個(gè)或多個(gè)控制器、處理器、ASIC(專 用集成電路)等的數(shù)字和/或模擬電路，用于執(zhí)行程序代碼，程序代碼執(zhí)行本文描述的能量 管理控制操作。為此，微電網(wǎng)EMS 100包括在用于執(zhí)行能量管理控制操作的處理電路128中 包括的或與之相關(guān)聯(lián)的DER調(diào)度單元130、ED/0PF(經(jīng)濟(jì)調(diào)度/最優(yōu)功率流)單元132和斷電緩 解單元133。微電網(wǎng)EMS 100還具有由諸如DRM(動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）134和HDD(硬盤驅(qū)動(dòng) 器）136的一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)，用于存儲(chǔ)程序代碼和由處理電路128、DER調(diào)度單元130、ED/ 0PF單元132和斷電緩解單元133在程序代碼的執(zhí)行期間處理和接入的相關(guān)數(shù)據(jù)。該存儲(chǔ)介 質(zhì)還存儲(chǔ)由微電網(wǎng)EMS 100生成的結(jié)果。
[0021] 微電網(wǎng)EMS 100還具有1/0(輸入/輸出）電路138,用于經(jīng)由