本專利屬于發(fā)電領(lǐng)域，涉及一種需求側(cè)光儲(chǔ)一體化微網(wǎng)系統(tǒng)
背景技術(shù)：
隨著社會(huì)的快速發(fā)展，滿足工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和家庭需要的電能需求越來越大，而過度開發(fā)已導(dǎo)致常規(guī)化石能源逐漸枯竭且環(huán)境污染日益嚴(yán)重，世界各國(guó)都在開發(fā)各種各樣新能源，并都將發(fā)展新能源作為國(guó)家的一項(xiàng)長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略，尤其在德國(guó)和丹麥等國(guó)家，新能源已占能源系統(tǒng)很大的比例，中國(guó)也不甘落后，正在大力發(fā)展各種清潔能源和可再生能源發(fā)電技術(shù)，國(guó)家通過補(bǔ)貼等鼓勵(lì)措施，大力促進(jìn)新能源技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展。可再生能源、清潔能源等小型化、模塊化、分散式、布置在用戶附近為用戶供電的小型發(fā)電系統(tǒng)正在世界各地建設(shè)或計(jì)劃建設(shè)中，可再生能源和清潔能源等分布式發(fā)電技術(shù)通過與大電網(wǎng)連接為用戶提供穩(wěn)定、可靠的電能供應(yīng)，并且在大電網(wǎng)故障時(shí)能離網(wǎng)運(yùn)行，保證了供電的連續(xù)性和高的電能質(zhì)量。
太陽(yáng)能光伏發(fā)電等可再生能源以其取之不盡，用之不竭的特點(diǎn)，受到了廣泛關(guān)注。隨著分布式發(fā)電、微電網(wǎng)以及能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，分布式光伏發(fā)電在微網(wǎng)中所占的比例也越來也高。但獨(dú)立的光伏發(fā)電系統(tǒng)存在隨機(jī)性和波動(dòng)性等缺點(diǎn)，當(dāng)其在微電網(wǎng)系統(tǒng)中滲透率較大時(shí)，必將影響微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為了解決光伏發(fā)電和儲(chǔ)能組成的微電網(wǎng)系統(tǒng)中的功率平衡、穩(wěn)定性和電能質(zhì)量等問題，必須配備輸出功率更為穩(wěn)定的儲(chǔ)能系統(tǒng)，并按照預(yù)定的控制策略，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部能量的瞬時(shí)平衡，實(shí)現(xiàn)光伏儲(chǔ)能微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
微電網(wǎng)通常是由分布式發(fā)電電源、儲(chǔ)能裝置、能量變換裝置、相關(guān)負(fù)荷、監(jiān)控系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、電力傳輸設(shè)備等組成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理。微電網(wǎng)既可以接入當(dāng)?shù)赝ㄟ^配電網(wǎng)并與大型電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，形成一個(gè)聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)，也能獨(dú)立地為當(dāng)?shù)刎?fù)荷提供電力需求，大大提高了負(fù)荷側(cè)的供電可靠性，微電網(wǎng)通過單點(diǎn)接入電網(wǎng)，可以減少小功率分布式電源接入對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)的影響。此外，微電網(wǎng)將分散的、不同類型的小型發(fā)電源組合起來供電，有效的避免棄光現(xiàn)象。
近年來，隨著風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電等技術(shù)的發(fā)展，使得可再生能源發(fā)電得到了越來越多的利用，將可再生能源發(fā)電與微電網(wǎng)形式相結(jié)合的技術(shù)，是復(fù)雜度更高、應(yīng)用前景更廣闊的技術(shù)，成為了電力系統(tǒng)研究的新領(lǐng)域。
目前，現(xiàn)有的微電網(wǎng)系統(tǒng)通常由單一種類的分布式電源、負(fù)荷、電力傳輸設(shè)備簡(jiǎn)單組成。例如光伏電廠、風(fēng)電廠等。
工業(yè)企業(yè)和家庭等需求側(cè)迫切需要穩(wěn)定可靠和經(jīng)濟(jì)的多源互補(bǔ)功能系統(tǒng)來緩解能源緊張和經(jīng)濟(jì)性難題，特別在峰谷分時(shí)電價(jià)的條件下，為了更有效的利用電能，提高電能的綜合利用率，同時(shí)也為需求側(cè)家庭、工礦企業(yè)和工業(yè)園區(qū)節(jié)省電能成本，通過配備足夠容量的儲(chǔ)能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)電能的時(shí)空轉(zhuǎn)移，在谷價(jià)時(shí)對(duì)蓄電池充電，而在尖峰電價(jià)時(shí)，使用儲(chǔ)能發(fā)電，能實(shí)現(xiàn)電價(jià)的降低。本專利提出的光儲(chǔ)一體化系統(tǒng)有效地解決了這一問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
在峰谷分時(shí)電價(jià)的條件下，綜合分析目前存在的主要微電網(wǎng)運(yùn)行方案和光伏發(fā)電規(guī)模化利用存在的問題，本專利提出了一種應(yīng)用于需求側(cè)的基于峰谷分時(shí)電價(jià)的光儲(chǔ)一體化微電網(wǎng)系統(tǒng)，根據(jù)用戶的用電特點(diǎn)，合理地配置光伏發(fā)電的容量和儲(chǔ)能系統(tǒng)容量，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電量的全部應(yīng)用，避免棄光現(xiàn)象，同時(shí)合理利用峰谷電價(jià)差，減少用電成本。本發(fā)明設(shè)計(jì)合理，能源利用率高，完備的軟、硬件系統(tǒng)，便于規(guī)模化推廣。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
一種需求側(cè)光儲(chǔ)一體化微網(wǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)的設(shè)備組成，基礎(chǔ)設(shè)備層為系統(tǒng)的電源及負(fù)荷，電源包括大電網(wǎng)供電變壓器及線路、光伏陣列及其dc/ac變換器、儲(chǔ)能電池等，負(fù)荷主要是用戶的電負(fù)荷，以及用于采集電源和負(fù)荷功率的電表、控制開關(guān)等；中心控制層是系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行的中心系統(tǒng)，主要包括儲(chǔ)能系統(tǒng)的pcs系統(tǒng)、交換機(jī)、能量管理和調(diào)度系統(tǒng)等，為保證系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)視和決策分析，用電管理層包括用電可視化和決策分析等，在能源中心或用戶端可隨時(shí)監(jiān)視微電網(wǎng)的運(yùn)行。
其中，中心控制層為光儲(chǔ)一體化系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，主要包括功率預(yù)測(cè)模塊、經(jīng)濟(jì)優(yōu)化計(jì)算及能效管理模塊和控制模塊。
進(jìn)一步的，功率預(yù)測(cè)模塊包括負(fù)荷預(yù)測(cè)模塊和光伏出力預(yù)測(cè)模塊，其中負(fù)荷預(yù)測(cè)模塊是根據(jù)日前負(fù)荷曲線和當(dāng)日氣候及其他因素來預(yù)測(cè)當(dāng)日的負(fù)荷及負(fù)荷變化趨勢(shì)；光伏出力預(yù)測(cè)模塊是根據(jù)光伏的設(shè)計(jì)容量、當(dāng)?shù)厝照占爱?dāng)日的氣候來預(yù)測(cè)當(dāng)日光伏的出力。
控制模塊，是根據(jù)需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行的模式切換操作，在系統(tǒng)全黑時(shí)，進(jìn)入黑啟動(dòng)模式，儲(chǔ)能系統(tǒng)首先啟動(dòng)為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓和頻率，然后逐步投入光伏和負(fù)荷，保證重要負(fù)荷的供電，在大電網(wǎng)故障或停電時(shí)，由并網(wǎng)模式切換到孤島運(yùn)行模式，由光伏和儲(chǔ)能來為系統(tǒng)負(fù)荷供電，在電網(wǎng)恢復(fù)正常時(shí)，由孤島模式切換到并網(wǎng)模式。
經(jīng)濟(jì)優(yōu)化計(jì)算及能效管理模塊是軟件系統(tǒng)的核心模塊，根據(jù)系統(tǒng)用戶的負(fù)荷曲線和峰谷分時(shí)電價(jià)的特點(diǎn)，合理分配光伏出力的使用和對(duì)儲(chǔ)能蓄電池的充電時(shí)段，以及按最經(jīng)濟(jì)的計(jì)算模型計(jì)算儲(chǔ)能蓄電池的充放電時(shí)間、充放電流強(qiáng)度和充放深度，有效利用“削峰填谷”使需求側(cè)用戶用電最經(jīng)濟(jì)，保證系統(tǒng)按最經(jīng)濟(jì)、能效最高的方式運(yùn)行。
進(jìn)一步的，負(fù)荷預(yù)測(cè)模塊是以日前每小時(shí)的負(fù)荷記錄為基礎(chǔ)，區(qū)分基礎(chǔ)負(fù)荷(工作負(fù)荷等)、氣候敏感性負(fù)荷(冬天加熱、夏天制冷)和可能有的隨機(jī)性負(fù)荷(重大活動(dòng)等)，對(duì)歷史記錄中的各種負(fù)荷做線性回歸分析得到歷史負(fù)荷變化的趨勢(shì)，在歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上根據(jù)當(dāng)天的氣候變化對(duì)負(fù)荷的影響修正，考慮工作日和節(jié)假日的負(fù)荷變化以及重大活動(dòng)可能引起的負(fù)荷變化。由于園區(qū)基礎(chǔ)負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定，主要考慮氣候敏感性負(fù)荷和隨機(jī)負(fù)荷。負(fù)荷預(yù)測(cè)可為儲(chǔ)能出力提供控制決策依據(jù)。根據(jù)負(fù)荷曲線來決策儲(chǔ)能的充放電時(shí)間。
光伏出力預(yù)測(cè)模塊，由于光伏發(fā)電是間歇性能源，受太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度等影響，其輸出功率具有不確定性，不利于電網(wǎng)調(diào)度人員安排常規(guī)電源與其協(xié)調(diào)調(diào)度，因此需要對(duì)光伏發(fā)電出力進(jìn)行預(yù)測(cè)，獲得其輸出功率發(fā)展曲線，以利于協(xié)調(diào)調(diào)度，提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，先根據(jù)不同的氣候類型(如晴天、陰天、雨天等)對(duì)發(fā)電功率進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算出氣候類型平均發(fā)電功率與氣候類型之間的倍率關(guān)系，然后根據(jù)當(dāng)天的氣候類型和預(yù)測(cè)日前對(duì)應(yīng)時(shí)刻的發(fā)電功率進(jìn)行光伏發(fā)電出力進(jìn)行預(yù)測(cè)。
具體實(shí)施方法
一種需求側(cè)光儲(chǔ)一體化微網(wǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)的設(shè)備組成，基礎(chǔ)設(shè)備層為系統(tǒng)的電源及負(fù)荷，電源包括大電網(wǎng)供電變壓器及線路、光伏陣列及其dc/ac變換器、儲(chǔ)能電池等，負(fù)荷主要是用戶的電負(fù)荷，以及用于采集電源和負(fù)荷功率的電表、控制開關(guān)等；中心控制層是系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行的中心系統(tǒng)，主要包括儲(chǔ)能系統(tǒng)的pcs系統(tǒng)、交換機(jī)、能量管理和調(diào)度系統(tǒng)等，為保證系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)視和決策分析，用電管理層包括用電可視化和決策分析等，在能源中心或用戶端可隨時(shí)監(jiān)視微電網(wǎng)的運(yùn)行。
其中，中心控制層為光儲(chǔ)一體化系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，主要包括功率預(yù)測(cè)模塊、經(jīng)濟(jì)優(yōu)化計(jì)算及能效管理模塊和控制模塊。
功率預(yù)測(cè)模塊包括負(fù)荷預(yù)測(cè)模塊和光伏出力預(yù)測(cè)模塊，其中負(fù)荷預(yù)測(cè)模塊是根據(jù)日前負(fù)荷曲線和當(dāng)日氣候及其他因素來預(yù)測(cè)當(dāng)日的負(fù)荷及負(fù)荷變化趨勢(shì)；光伏出力預(yù)測(cè)模塊是根據(jù)光伏的設(shè)計(jì)容量、當(dāng)?shù)厝照占爱?dāng)日的氣候來預(yù)測(cè)當(dāng)日光伏的出力。
控制模塊，是根據(jù)需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行的模式切換操作，在系統(tǒng)全黑時(shí)，進(jìn)入黑啟動(dòng)模式，儲(chǔ)能系統(tǒng)首先啟動(dòng)為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓和頻率，然后逐步投入光伏和負(fù)荷，保證重要負(fù)荷的供電，在大電網(wǎng)故障或停電時(shí)，由并網(wǎng)模式切換到孤島運(yùn)行模式，由光伏和儲(chǔ)能來為系統(tǒng)負(fù)荷供電，在電網(wǎng)恢復(fù)正常時(shí)，由孤島模式切換到并網(wǎng)模式。
經(jīng)濟(jì)優(yōu)化計(jì)算及能效管理模塊是軟件系統(tǒng)的核心模塊，根據(jù)系統(tǒng)用戶的負(fù)荷曲線和峰谷分時(shí)電價(jià)的特點(diǎn)，合理分配光伏出力的使用和對(duì)儲(chǔ)能蓄電池的充電時(shí)段，以及按最經(jīng)濟(jì)的計(jì)算模型計(jì)算儲(chǔ)能蓄電池的充放電時(shí)間、充放電流強(qiáng)度和充放深度，有效利用“削峰填谷”使需求側(cè)用戶用電最經(jīng)濟(jì)，保證系統(tǒng)按最經(jīng)濟(jì)、能效最高的方式運(yùn)行。
負(fù)荷預(yù)測(cè)模塊是以日前每小時(shí)的負(fù)荷記錄為基礎(chǔ)，區(qū)分基礎(chǔ)負(fù)荷(工作負(fù)荷等)、氣候敏感性負(fù)荷(冬天加熱、夏天制冷)和可能有的隨機(jī)性負(fù)荷(重大活動(dòng)等)，對(duì)歷史記錄中的各種負(fù)荷做線性回歸分析得到歷史負(fù)荷變化的趨勢(shì)，在歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上根據(jù)當(dāng)天的氣候變化對(duì)負(fù)荷的影響修正，考慮工作日和節(jié)假日的負(fù)荷變化以及重大活動(dòng)可能引起的負(fù)荷變化。由于園區(qū)基礎(chǔ)負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定，主要考慮氣候敏感性負(fù)荷和隨機(jī)負(fù)荷。負(fù)荷預(yù)測(cè)可為儲(chǔ)能出力提供控制決策依據(jù)。根據(jù)負(fù)荷曲線來決策儲(chǔ)能的充放電時(shí)間。
光伏出力預(yù)測(cè)模塊，由于光伏發(fā)電是間歇性能源，受太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度等影響，其輸出功率具有不確定性，不利于電網(wǎng)調(diào)度人員安排常規(guī)電源與其協(xié)調(diào)調(diào)度，因此需要對(duì)光伏發(fā)電出力進(jìn)行預(yù)測(cè)，獲得其輸出功率發(fā)展曲線，以利于協(xié)調(diào)調(diào)度，提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，先根據(jù)不同的氣候類型(如晴天、陰天、雨天等)對(duì)發(fā)電功率進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算出氣候類型平均發(fā)電功率與氣候類型之間的倍率關(guān)系，然后根據(jù)當(dāng)天的氣候類型和預(yù)測(cè)日前對(duì)應(yīng)時(shí)刻的發(fā)電功率進(jìn)行光伏發(fā)電出力進(jìn)行預(yù)測(cè)。
具體分為：
光伏出力大于負(fù)荷。電價(jià)高峰時(shí)段，光伏給負(fù)荷供電，且多余的光伏為儲(chǔ)能電池充電；若儲(chǔ)能電池已充滿，多余光伏上網(wǎng)；電價(jià)低谷時(shí)段，儲(chǔ)能電池未充滿，多余光伏和主網(wǎng)共同為儲(chǔ)能電池充電；若儲(chǔ)能電池已充滿，多余光伏上網(wǎng)；電價(jià)平時(shí)段，儲(chǔ)能電池?zé)o充放，多余光伏上網(wǎng)。
2)光伏出力小于負(fù)荷。電價(jià)高峰時(shí)段，儲(chǔ)能電池soc高于m，光伏、儲(chǔ)能電池和主網(wǎng)共同對(duì)負(fù)荷供電；儲(chǔ)能電池不高于m，光伏和主網(wǎng)共同對(duì)負(fù)荷供電；電價(jià)低谷時(shí)段，儲(chǔ)能電池未充滿，除光伏和主網(wǎng)共同對(duì)負(fù)荷供電外，主網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)能電池充電；電價(jià)低谷時(shí)段，儲(chǔ)能電池已充滿，光伏和主網(wǎng)共同對(duì)負(fù)荷供電；電價(jià)平時(shí)段，儲(chǔ)能電池?zé)o充放，光伏和主網(wǎng)共同對(duì)負(fù)荷供電。
儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行策略
綜合分析光伏出力特性、負(fù)荷特性、儲(chǔ)能系統(tǒng)特性和分時(shí)電價(jià)，可得光伏微網(wǎng)內(nèi)儲(chǔ)能系統(tǒng)典型日內(nèi)充放電策略可概括為：1)夜間電價(jià)的低谷時(shí)段，從電網(wǎng)購(gòu)電對(duì)儲(chǔ)能電池的功率缺額進(jìn)行彌補(bǔ)；2)上午電價(jià)的平時(shí)或高峰時(shí)段，儲(chǔ)能電池對(duì)負(fù)荷供電；3)午間光伏出力大于負(fù)荷時(shí)段，將光伏對(duì)負(fù)荷供電的剩余電能對(duì)儲(chǔ)能電池充電。若儲(chǔ)能充滿，多余光伏上網(wǎng)；4)夜間電價(jià)的高峰時(shí)段，儲(chǔ)能電池對(duì)負(fù)荷供電，至儲(chǔ)能電池荷電狀態(tài)下降至初始值，放電停止。
可見，峰谷分時(shí)電價(jià)場(chǎng)景下，典型日內(nèi)儲(chǔ)能系統(tǒng)兩充兩放。隨著充放電循環(huán)的進(jìn)行，儲(chǔ)能電池實(shí)際可用容量逐漸減少。儲(chǔ)能容量保持率為其實(shí)際容量與額定容量之比，儲(chǔ)能電池利用與否的容量“分界點(diǎn)”通常取70％～80％。