風光儲能智慧能源塔的能量管理策略的制作方法
【專利摘要】本發明公開了風光儲能智慧能源塔的能量管理策略，屬于微網儲能的技術領域，尤其涉及電動汽車充電能量管理的技術領域，用于智慧能源塔中微電網和儲能設備之間的能量管理，通過五種控制模式以及維持能源塔內功率平衡，實現了能源塔的穩定供電，在滿足負載需求時還能反饋多余出力給發電網，在維持能量塔內功率平衡的基礎上盡可能得延長了儲能設備的使用壽命。
【專利說明】
風光儲能智慧能源塔的能量管理策略
技術領域
[0001]本發明公開了風光儲能智慧能源塔的能量管理策略，屬于微網儲能的技術領域，尤其涉及電動汽車充電能量管理的技術領域。
【背景技術】
[0002]微電網實現了分布式電源和負荷的一體化運行，能夠靈活地接入和切出配電網，滿足用戶對于電能質量和供電可靠性的要求，也為可再生能源的綜合利用提供了一種有效的技術手段。但是可再生能源的高滲透率，使得微電網承受擾動的能力相對較弱，尤其是在孤島運行模式下，系統可能會面臨更高的風險。因此，必須針對微電網特點進行合理的能量調度，以在確保系統安全性和可靠性的前提下，實現經濟運行。
[0003]針對集中控制式微電網建立優化調度模型以實現能量調度的方案，沒有考慮可再生能源的隨機性和間歇性，難以符合微電網的實際運行要求，且未給出完整的微電網能量調度方法。為克服這一缺陷，考慮分布式能源處理特性和電力供需平衡特性建立約束條件，建立電網數學模型后通過優化算法求解目標函數，進而確定能量調度方案，計算量較大，能量管理效率不高。
[0004]在低碳經濟已逐漸融入社會主流意識的當今世界，電容汽車展現出廣闊的發展前景，充電配套設施的建設與電動汽車的發展息息相關。針對露天充電粧防雨防曬措施欠佳。難以保證充電設備使用安全性能和實用壽命的這一局限，將混合電網的工作原理延伸到充電粧，提出了一種能夠連續穩定供電且可以脫離電網獨立使用的風光儲能智慧能源塔(申請號為201520556685.8)，本發明旨在為該風光儲能智慧能源塔的能量管理提出一種可行方案，以實現連續穩定供電，延長儲能電池的使用壽命。
【發明內容】
[0005]本發明的發明目的是針對上述【背景技術】的不足，提供了風光儲能智慧能源塔的能量管理策略，通過對微電網和儲能設備之間的能量調度，實現了能源塔的穩定供電，解決了現有充電粧過度依賴傳統電網的技術問題。
[0006]本發明為實現上述發明目的采用如下技術方案:
風光儲能智慧能源塔的能量管理策略，用于智慧能源塔中微電網和儲能設備之間的能量管理，能量管理策略具體包括如下五種模式:
模式一:大電網正常運行，微電網并網運行，并網逆變器控制直流母線電壓，優先控制微電網中分布式電源向負載輸出功率，在分布式電源輸出功率足以滿足負載需求時回饋多余功率至大電網，在分布式電源輸出功率小于負載需求時控制大電網向負載輸出功率，在大電網輸出功率大于并網逆變器額定功率時切換至模式二；
模式二:大電網正常運行，微電網并網運行，儲能設備維持直流母線電壓，優先控制微電網中分布式電源向負載輸出功率，在分布式電源輸出功率足以滿足負載需求時回饋多余功率至儲能設備，在分布式電源輸出功率小于負載需求時控制儲能設備向負載輸出功率，并網逆變器限流運行，在大電網輸出功率小于或等于并網逆變器額定功率時切換至模式一，在大電網故障時切換至模式三；
模式三:微電網獨立運行，儲能設備維持直流母線電壓，優先控制微電網中分布式電源向負載輸出功率，在分布式電源輸出功率足以滿足負載需求時回饋多余功率至儲能設備，在分布式電源輸出功率少于負載需求時控制儲能設備向負載輸出功率，在大電網恢復正常后切換至模式一，在儲能設備荷電量大于或等于最大荷電量時切換至模式四，在儲能設備荷電量小于最小荷電量或儲能設備輸出功率大于自身額定功率時切換至模式五；
模式四:微電網獨立運行，分布式電源維持直流母線電壓，優先控制微電網中分布式電源向負載輸出功率，在分布式電源輸出功率足已滿足負載需求時調整分布式電壓工作模式以減少分布式電源的出力，在分布式電源輸出功率少于負載需求時控制儲能設備向負載輸出功率，在儲能設備荷電量小于最大荷電量時切換至模式三；
模式五:微電網獨立運行，儲能設備能夠維持直流母線電壓，優先控制微電網中分布式電源向負載輸出功率，在分布式電源輸出功率足以滿足負載需求時回饋多余功率至儲能設備，在分布式電源輸出功率少于負載需求時切除部分負荷，在儲能設備荷電量大于最小荷電量時切換至模式三。
[0007]進一步的，風光儲能智慧能源塔的能量管理策略模式一中在控制大電網向負載輸出功率的同時，僅在儲能設備荷電量小于最大荷電量時控制大電網向儲能設備恒功率充電。
[0008]進一步的，風光儲能智慧能源塔的能量管理策略模式二中在分布式電源輸出功率小于負載需求時控制儲能設備向負載輸出功率，具體為:
在儲能設備荷電量大于或等于最小荷電量時:
當負載功率與分布式電源輸出功率差額的絕對值小于或等于儲能系統最大放電功率時，控制儲能設備向負載恒壓放電，
否則，切除部分負荷，儲能設備進入低電待機狀態；
在儲能設備荷電量小于最小荷電量時，切除部分負荷，儲能設備進入低電待機狀態。
[0009]作為所述風光儲能智慧能源塔的能量管理策略的進一步優化方案，模式三中優先控制微電網中分布式電源向負載輸出功率的方法為:采用MPPT方法控制分布式電源向負載輸出最大功率。
[0010]作為所述風光儲能智慧能源塔的能量管理策略的再進一步優化方案，模式三中在分布式電源輸出功率足以滿足負載需求時回饋多余功率至儲能設備，具體為:
在儲能設備荷電量小于或等于最大荷電量時:
當負載功率與分布式電源輸出功率差額的絕對值小于或等于儲能系統最大充電功率時，以負載功率與分布式電源輸出功率的差額為儲能設備給定功率，分布式電源向儲能設備充電，
否則，控制分布式電源恒功率運行，以儲能系統最大充電功率為儲能設備給定功率，分布式電源向儲能設備恒定功率充電；
在儲能設備荷電量大于最大荷電量時:控制分布式電源恒功率運行，儲能設備進入滿電待機狀態。
[0011]作為所述風光儲能智慧能源塔的能量管理策略的更進一步優化方案，模式三中在分布式電源輸出功率少于負載需求時控制儲能設備向負載輸出功率，具體為:
在儲能設備荷電量大于或等于最小荷電量時:
當負載功率與分布式電源輸出功率的差額小于或等于儲能設備最大放電功率時，以負載功率與分布式電源輸出功率的差額為儲能設備給定功率，儲能設備向負載輸出功率，否則，減少負荷，以儲能設備最大放電功率為儲能設備給定功率，儲能設備向負載輸出功率；
在儲能設備荷電量小于最小荷電量時:減少負荷，儲能設備進入低電待機狀態。
[0012]進一步的，風光儲能智慧能源塔的能量管理策略模式四中分布式電源維持直流母線電壓的方法為:首先控制光伏電源工作于恒壓模式以維持直流母線電壓，在控制光伏電源工作模式后仍然無法滿足功率平衡需求時，調節風機電源的輸出功率。
[0013]本發明采用上述技術方案，具有以下有益效果:
(1)微電網并網運行，并網逆變器未飽和時，根據負載需求與電源輸出功率平衡的要求控制大電網或微電網向負載供電，將微電網多余出力回饋至大電網，大電網僅在儲能設備荷電量未滿時既向負載供電又向儲能設備充電，并網逆變器飽和時，控制儲能設備平衡功率差額;微電網離網運行，能源塔通過其內部的微電網和儲能設備向電動車充電，并在儲能設備荷電量過高或過低時給出了相應的直流母線電壓維持方案，使得能源塔能夠脫離電網獨立工作，能量管理策略的各模式維持能源塔內功率平衡，實現了能源塔的穩定供電，在滿足負載需求時還能反饋多余出力給發電網，相對于傳統的混合電網能量管理策略，簡化了算法，提高了能源管理效率；
(2)離網運行時，考慮到儲能設備荷電能力及時調整控制方式以維持直流母線電壓，在維持能量塔內功率平衡的基礎上盡可能得延長了儲能設備的使用壽命。
【附圖說明】
[0014]圖1為能源塔各部件組成的框圖結構。
[0015]圖2為微電網離網運行時各單元運行狀態協調控制的流程圖。
[0016]圖3為微電網并網運行時各單元運行狀態協調控制的流程圖。
[0017]圖4為五種模式的切換示意圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖對發明的技術方案進行詳細說明。
[0019]申請號為201520556685.8的專利公開的風光儲能智慧能源塔，包括作為安裝主體的能源塔、圍繞于能源塔上部設置的光伏板、設置在光伏板上部的微風發電機、儲能電池和圍繞于能源塔下部設置的充電粧體，光伏板和微風發電機的電能輸出端與儲能電池的電能輸入端連接，充電粧體的電能輸入端與儲能電池的電能輸出端連接。
[0020]能源塔各部件組成的框圖結構如圖1所示，光伏板和微風發電機組成了智慧能源塔的微電網，微風發電機輸出的交流電經過AC/DC匯入直流母線，光伏板輸出的交流電進過DC/DC匯入直流母線，直流母線和大電網之間接有并網逆變器DC/AC，直流母線與儲能設備之間接有DC/DC ο能量管理系統將光伏板和微風發電機轉化的電能儲存在由鋰電池和超級電容組成的儲能設備中，配合本申請提出的能量管理策略即可實現電能存儲的分配和調度。
[0021]如圖2所示，微電網離網運行時，首先由儲能設備建立母線電壓，之后啟動風電與光伏系統，并投入負載。為了實現能源塔內微電網、儲能設備和負載的功率平衡，需要儲能設備提供一定的功率來補充功率缺額，而在實際情況中，蓄電池等儲能設備會受到諸多限制，如:荷電量Q、最大充電功率Pb_x、最大放電功率Pbdmax。若此時，儲能設備荷電量不足，或者，所需提供的功率超過其最大放電功率時，需要選擇性的切除一定負荷來保證整個系統的穩定運行。
[0022 ]若儲能系統需要提供的功率Pnet小于O，Pnet=PL-PDG，說明分布式電源輸出的功率PdG大于負載需求Pu根據儲能設備電量、最大充電功率、最大放電功率控制儲能設備盡可能地吸收分布式電源輸出的多余功率;若儲能系統需要提供的功率Pnet大于0，說明分布式電源輸出的功率Pdg小于負載需求Pl，根據儲能設備荷電量、最大充電功率、最大放電功率控制儲能設備盡可能地向負載輸出功率以平衡功率差額。
[0023]Pnet<0: Q彡Qmax且I Pnet I彡Pb_^，以儲能系統需要提供的功率Pnet為儲能設備給定功率Pb，由儲能設備吸收分布式電源輸出的的多余功率;Q彡Qmax且I Pnet I >Pbcmax0t，調整風電電源、光伏電源轉為恒功率控制模式，以儲能系統最大充電功率Pb_x為儲能設備給定功率Pb，分布式電源向儲能設備充電；Q>Qmax時，調整風電電源、光伏電源轉為恒功率控制模式，儲能設備給定功率Pb為O，儲能系統進入滿電待機狀態。
[0024]Pnet=O:儲能設備給定功率Pb為O，儲能系統進入待機狀態。
[0025]Pnet>0: Q SQmir^PnetSPbdmJt，儲能系統需要提供的功率Pnet為儲能設備給定功率Pb，儲能設備放電向儲能設備提供功率差額;Q》Qmin且Pne3t>Pbd■時，減少負荷，以儲能系統最大放電功率Pbdmax為儲能設備給定功率Pb，儲能設備放電向儲能設備提供功率差額;Q〈Qmin時，減少負荷，儲能設備給定功率Pb為O，儲能系統進入低電待機狀態。
[0026]大電網正常運行，微電網工作于并網狀態，直流母線電壓由并網逆變器控制，蓄電池儲能系統工作在待機狀態，光電、風電系統均工作在MPPT模式，分布式電源功率大于負載功率時回饋多余的部分給大電網，分布式電源不足以提供負載功率時由大電網補充不足功率。若大電網輸出功率Pc大于并網逆變器的額定功率P?時，則并網逆變器工作在限流模式，輸出電流被鉗為Icmax,無法繼續穩定母線電壓，母線電壓必會發生變化，故轉由儲能系統維持母線電壓，而當負載功率降低時，并網逆變器退出飽和，母線電壓重新由并網逆變器控制。
[0027]如圖3所示，微電網并運行時，并網逆變器建立母線電壓，之后啟動風電與光伏系統，并投入負載。為了在并網逆變器飽和時仍可以平衡功率差額，根據儲能設備荷電量、最大放電功率控制儲能設備的充放電。若此時，儲能設備荷電量不足，或者，所需提供的功率超過其最大放電功率時，需要選擇性的切除一定負荷來保證整個系統的穩定運行。
[0028]PG<PGN:Q彡Qmax時，分布式電源或大電網向儲能設備恒功率充電；Q>Qmax時，儲能設備進入滿電待機狀態，停止充電。
[0029]PG>PGN:并網逆變器工作于限流模式，大電網輸出并網逆變器額定功率，Q彡Qmin且Pnet彡Pbd.時，儲能設備放電向負載輸出功率;Q彡Q—且Pnet>Pbd.時，減少負荷，儲能設備進入低電待機狀態;Q〈Qmin時，減少負荷，儲能設備進入低電待機狀態。
[0030]本發明根據上述離網運行和并網運行，提出了如圖4所示的用于智慧能源塔中微電網和儲能設備之間的能量管理的策略，具體包括五種模式。
[0031]模式一:大電網正常運行，微電網工作于并網狀態，直流母線電壓由并網逆變器控制，蓄電池儲能系統工作在待機狀態，光電、風電系統均工作在MPPT模式。優先控制微電網中分布式電源向負載輸出功率，在分布式電源輸出功率足以滿足負載需求時回饋多余功率至大電網，在分布式電源輸出功率小于負載需求時控制大電網向負載輸出功率，在控制大電網向負載輸出功率的同時，僅在儲能設備荷電量小于最大荷電量時控制大電網向儲能設備恒功率充電，在大電網輸出功率大于并網逆變器額定功率時切換至模式二。
[0032]模式二:微電網并網運行時，若電網輸出功率Pg大于并網逆變器的額定功率Pgn時，則并網逆變器工作在限流模式，輸出電流被鉗為Icmax,無法繼續穩定母線電壓，母線電壓必會發生變化，故轉由儲能設備維持母線電壓。優先控制微電網中分布式電源向負載輸出功率，在分布式電源輸出功率足以滿足負載需求時回饋多余功率至儲能設備，在分布式電源輸出功率小于負載需求時控制儲能設備向負載輸出功率，并網逆變器限流運行，在大電網輸出功率小于或等于并網逆變器額定功率時切換至模式一，在大電網故障時切換至模式
_- O
[0033]模式三:大電網故障時，并網逆變器斷開，微電網獨立運行，直流母線電壓由儲能設備控制。優先控制微電網中分布式電源工作在MPPT模式向負載輸出功率，在分布式電源輸出功率足以滿足負載需求時回饋多余功率至儲能設備，在分布式電源輸出功率少于負載需求時控制儲能設備向負載輸出功率，在大電網恢復正常后切換至模式一，在儲能設備荷電量大于或等于最大荷電量時切換至模式四，在儲能設備荷電量小于最小荷電量或儲能設備輸出功率大于自身額定功率時切換至模式五。
[0034]模式四:微電網獨立運行，蓄電池電量達到了滿電，而為了防止對蓄電池過充而造成傷害，應停止對蓄電池的充電，分布式電源維持直流母線電壓，而為了實現系統內功率平衡，分布式電源應退出MPPT模式。為了避免分機頻繁啟停，優先改變光電系統的工作模式。在此模式下，光電系統先退出MPPT模式，采取恒壓控制模式維持母線電壓。若僅控制光電系統仍無法滿足系統平衡，再調節風機的功率。該模式下，母線電壓由分布式電源控制。優先控制微電網中分布式電源向負載輸出功率，在分布式電源輸出功率足已滿足負載需求時調整分布式電壓工作模式以減少分布式電源的出力，在分布式電源輸出功率少于負載需求時控制儲能設備向負載輸出功率，在儲能設備荷電量小于最大荷電量時切換至模式三。
[0035]模式五:微電網獨立運行，儲能設備能夠維持直流母線電壓，當蓄電池需求功率大于其額定功率，或者蓄電池電量達到下限時，蓄電池工作在限流狀態或者過放狀態。需切除部分負載，以維持母線電壓，保證系統正常工作。優先控制微電網中分布式電源向負載輸出功率，在分布式電源輸出功率足以滿足負載需求時回饋多余功率至儲能設備，在分布式電源輸出功率少于負載需求時切除部分負荷，在儲能設備荷電量大于最小荷電量時切換至模式三。
[0036]可見，采用本發明涉及的能量管理策略:
本發明采用上述技術方案，具有以下有益效果:
(I)微電網并網運行，并網逆變器未飽和時，根據負載需求與電源輸出功率平衡的要求控制大電網或微電網向負載供電，將微電網多余出力回饋至大電網，大電網僅在儲能設備荷電量未滿時既向負載供電又向儲能設備充電，并網逆變器飽和時，控制儲能設備平衡功率差額;微電網離網運行，能源塔通過其內部的微電網和儲能設備向電動車充電，并在儲能設備荷電量過高或過低時給出了相應的直流母線電壓維持方案，使得能源塔能夠脫離電網獨立工作，能量管理策略的各模式維持能源塔內功率平衡，實現了能源塔的穩定供電，在滿足負載需求時還能反饋多余出力給發電網，相對于傳統的混合電網能量管理策略，簡化了算法，提高了能源管理效率；
(2)離網運行時，考慮到儲能設備荷電能力及時調整控制方式以維持直流母線電壓，在維持能量塔內功率平衡的基礎上盡可能得延長了儲能設備的使用壽命。
【主權項】
1.風光儲能智慧能源塔的能量管理策略，用于智慧能源塔中微電網和儲能設備之間的能量管理，其特征在于，所述能量管理策略具體包括如下五種模式: 模式一:大電網正常運行，微電網并網運行，并網逆變器控制直流母線電壓，優先控制微電網中分布式電源向負載輸出功率，在分布式電源輸出功率足以滿足負載需求時回饋多余功率至大電網，在分布式電源輸出功率小于負載需求時控制大電網向負載輸出功率，在大電網輸出功率大于并網逆變器額定功率時切換至模式二； 模式二:大電網正常運行，微電網并網運行，儲能設備維持直流母線電壓，優先控制微電網中分布式電源向負載輸出功率，在分布式電源輸出功率足以滿足負載需求時回饋多余功率至儲能設備，在分布式電源輸出功率小于負載需求時控制儲能設備向負載輸出功率，并網逆變器限流運行，在大電網輸出功率小于或等于并網逆變器額定功率時切換至模式一，在大電網故障時切換至模式三； 模式三:微電網獨立運行，儲能設備維持直流母線電壓，優先控制微電網中分布式電源向負載輸出功率，在分布式電源輸出功率足以滿足負載需求時回饋多余功率至儲能設備，在分布式電源輸出功率少于負載需求時控制儲能設備向負載輸出功率，在大電網恢復正常后切換至模式一，在儲能設備荷電量大于或等于最大荷電量時切換至模式四，在儲能設備荷電量小于最小荷電量或儲能設備輸出功率大于自身額定功率時切換至模式五； 模式四:微電網獨立運行，分布式電源維持直流母線電壓，優先控制微電網中分布式電源向負載輸出功率，在分布式電源輸出功率足已滿足負載需求時調整分布式電壓工作模式以減少分布式電源的出力，在分布式電源輸出功率少于負載需求時控制儲能設備向負載輸出功率，在儲能設備荷電量小于最大荷電量時切換至模式三； 模式五:微電網獨立運行，儲能設備能夠維持直流母線電壓，優先控制微電網中分布式電源向負載輸出功率，在分布式電源輸出功率足以滿足負載需求時回饋多余功率至儲能設備，在分布式電源輸出功率少于負載需求時切除部分負荷，在儲能設備荷電量大于最小荷電量時切換至模式三。2.根據權利要求1所述風光儲能智慧能源塔的能量管理策略，其特征在于，模式一中在控制大電網向負載輸出功率的同時，僅在儲能設備荷電量小于最大荷電量時控制大電網向儲能設備恒功率充電。3.根據權利要求1所述風光儲能智慧能源塔的能量管理策略，其特征在于，模式二中在分布式電源輸出功率小于負載需求時控制儲能設備向負載輸出功率，具體為: 在儲能設備荷電量大于或等于最小荷電量時: 當負載功率與分布式電源輸出功率差額的絕對值小于或等于儲能系統最大放電功率時，控制儲能設備向負載恒壓放電， 否則，切除部分負荷，儲能設備進入低電待機狀態； 在儲能設備荷電量小于最小荷電量時，切除部分負荷，儲能設備進入低電待機狀態。4.根據權利要求3所述風光儲能智慧能源塔的能量管理策略，其特征在于，模式三中優先控制微電網中分布式電源向負載輸出功率的方法為:采用MPPT方法控制分布式電源向負載輸出最大功率。5.根據權利要求4所述風光儲能智慧能源塔的能量管理策略，其特征在于，模式三中在分布式電源輸出功率足以滿足負載需求時回饋多余功率至儲能設備，具體為: 在儲能設備荷電量小于或等于最大荷電量時: 當負載功率與分布式電源輸出功率差額的絕對值小于或等于儲能系統最大充電功率時，以負載功率與分布式電源輸出功率的差額為儲能設備給定功率，分布式電源向儲能設備充電， 否則，控制分布式電源恒功率運行，以儲能系統最大充電功率為儲能設備給定功率，分布式電源向儲能設備恒定功率充電； 在儲能設備荷電量大于最大荷電量時:控制分布式電源恒功率運行，儲能設備進入滿電待機狀態。6.根據權利要求5所述風光儲能智慧能源塔的能量管理策略，其特征在于，模式三中在分布式電源輸出功率少于負載需求時控制儲能設備向負載輸出功率，具體為: 在儲能設備荷電量大于或等于最小荷電量時: 當負載功率與分布式電源輸出功率的差額小于或等于儲能設備最大放電功率時，以負載功率與分布式電源輸出功率的差額為儲能設備給定功率，儲能設備向負載輸出功率，否則，減少負荷，以儲能設備最大放電功率為儲能設備給定功率，儲能設備向負載輸出功率； 在儲能設備荷電量小于最小荷電量時:減少負荷，儲能設備進入低電待機狀態。7.根據權利要求1所述風光儲能智慧能源塔的能量管理策略，其特征在于，模式四中分布式電源維持直流母線電壓的方法為:首先控制光伏電源工作于恒壓模式以維持直流母線電壓，在控制光伏電源工作模式后仍然無法滿足功率平衡需求時，調節風機電源的輸出功率。
【文檔編號】H02J3/38GK106026168SQ201610488616
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月28日
【發明人】周光華, 卜飛飛
【申請人】江蘇現代能源微網系統有限公司