淺談基於模型預測的微電網混合儲能能量管理係統

hth下载地址 陳聰

摘 要:針對由蓄電池和氫儲(chu) 能裝置的混合儲(chu) 能係統，提出一種基於(yu) 模型預測－動態規劃的混合儲(chu) 能係統能量管理策略，協調能源並網對電網造成的衝(chong) 擊、降低係統能量損耗和儲(chu) 能運行成本建立混合儲(chu) 能係統功率預測模型。構建懲罰函數將三個(ge) 評價(jia) 目標轉化為(wei) 單一目標求解，約束儲(chu) 能係統的容量、功率等指標，並采用動態規劃算法優(you) 化蓄電池充、放電控製，算例結果表明，該控製策略協調了混合儲(chu) 能的功率分配，具有更好的並網平波抵製效果，降低能耗效果，使微網運行具有良好的經濟性。

關(guan) 鍵詞:混合儲(chu) 能、模型預測、動態規劃

0 引言

集成光伏發電、風力發電、蓄電池－氫儲(chu) 能混合儲(chu) 能係統的交流微網既可以平抑新能源輸出的功率波動，削減並網時對電網的衝(chong) 擊影響。還可以克服單一蓄電池儲(chu) 能功率受限的問題，提高能源利用率。並網係統要求微網具有不間斷運行的能力，如何平滑微網內(nei) 各儲(chu) 能裝置的出力，使得能量輸出滿足並網標準，同時降低係統能量損耗是混合儲(chu) 能係統的重要研究內(nei) 容。

本文以光/風/蓄電池－氫儲(chu) 能構成的交流微網為(wei) 對象，提出一種基於(yu) 模型預測－動態規劃的能量調度策略，實現麵向混合儲(chu) 能出力的有*時域優(you) 化控製。充分結合蓄電池和氫燃料電池的儲(chu) 能特性，設計滿足並網標準、降低儲(chu) 能充放電成本和降低係統能量損失的三個(ge) 目標函數，結合約束條件，采用動態規劃算法構建控製方程得到混合儲(chu) 能係統能量調度方案，實現微網的穩定運行。

１ 交流微網混合儲(chu) 能模型

交流微網混合儲(chu) 能係統包含光伏發電、風力發電以及蓄電池－氫混合儲(chu) 能係統，微網通過交流母線與(yu) 大電網連接，氫儲(chu) 能裝置由電解水、燃料電池、儲(chu) 氫裝置三個(ge) 部分組成。電解水裝置消納光伏和風電製氫，產(chan) 生的氫氣存儲(chu) 在儲(chu) 氫裝置中作為(wei) 燃料電池的反應物，蓄電池－氫儲(chu) 能混合儲(chu) 能係統具有調節速度快、穩定性好等優(you) 點，交流微網結構如圖１所示。

圖 １ 交流微網結構

圖中PPV為(wei) 光伏出力，單位為(wei) KWH。PW為(wei) 風電出力，單位為(wei) KW。PB為(wei) 蓄電池功率，單位為(wei) KW。充電時，PB<0，放電時PB>0，PH為(wei) 氫儲(chu) 能裝置的充放電功率，單位為(wei) KW。燃料電池發出功率時，PH>0電解槽吸收功率時，PH<0，PL為(wei) 負載消耗功率，單位為(wei) KW。

1. 蓄電池模型

式中:EB(t)為(wei) 蓄電池剩餘(yu) 電量，EBmax為(wei) 蓄電池額定容量，ηB為(wei) 光伏/ 風電能量經蓄電池存儲(chu) 及放電並網過程中的轉換效率，ηBC為(wei) 蓄電池充電效率，ηBD為(wei) 蓄電池放電效率，SOC(State Of Charge)為(wei) 蓄電池荷電狀態，Δt為(wei) 采樣時間。

1. 氫儲(chu) 能模型

式中:ηH 為(wei) 氫儲(chu) 能係統的充放電效率，ηHC為(wei) 電解槽的電－氫轉換效率，ηHD為(wei) 燃料電池放電效率。

2 混合儲(chu) 能預測模型

模型預測是結合采樣時刻測量值和前瞻預測值，將模型輸出反饋作用於(yu) 被控對象，對目標函數滾動優(you) 化，修正預測模型，預測模型輸出控製量施加於(yu) 混合儲(chu) 能係統，根據混合儲(chu) 能係統中蓄電池和氫儲(chu) 能裝置的剩餘(yu) 能量決(jue) 定儲(chu) 能裝置的出力，執一個(ge) 步長後，更新狀態變量值和光伏/風電功率預行測值，滾動優(you) 化直至調度周期結束。

2.1 預測模型

采用灰色模型GM(1.N)與(yu) BP 神經網絡組合預測方法,得到前瞻預測周期內(nei) 光伏和風電功率預測值。預測周期 Ts內(nei) ,預測模型接收光伏、風電功率預測值,預測周期內(nei) 有N次滾動優(you) 化,t+ kΔt對應k個(ge) 采樣點。

通過對混合儲(chu) 能出力控製,實現儲(chu) 能設備在良好狀態下運行。在采樣時刻k,取控製變量為(wei) :

2.2 目標函數

對於(yu) 混合儲(chu) 能的交流微網，既要考慮輸出電能符合並網標準，還要考慮係統運行經濟性成本，同時保障係統能量效率，減少損失。

(1)並網功率波動: 為(wei) 體(ti) 現儲(chu) 能係統平抑波動的能力,以微網中光伏和風電的並網功率波動小為(wei) 控製目標,並網波動越限幅值ΔＰＧ、越*時間占比 ΔＰＴ 表示為(wei) :

式中:PPVmax、PWmax分別為(wei) 光伏發電和風力發電的日前預測值，Det為(wei) 大電網允許功率波動下限。

（2）儲(chu) 能充放電成本， 為(wei) 合理利用儲(chu) 能係統，提高經濟性，儲(chu) 能充放電成本小為(wei) 目標。燃料電池充放電成本很低，忽略不計，因此隻計及蓄電池充放電成本。

式中:γＢ 為(wei) 蓄電池充放電成本係數，PBC、PBD分別為(wei) 充放電功率。

（3）係統能量損耗，微網係統能量損耗包括受並網功率影響導致的能量損失、蓄電池－氫混合儲(chu) 能係統在能量轉換損耗，微網係統能量轉換損耗為(wei) :

式中:ΔEPW(t)為(wei) 並網能量損耗，ΔEB(t)為(wei) 蓄電池能量轉換損耗，ΔEH(t)為(wei) 氫儲(chu) 能係統能量轉換損耗。

（4）懲罰函數

利用懲罰函數對以上三個(ge) 評價(jia) 目標轉化為(wei) 單一目標求解，在保證儲(chu) 能運行成本小、降低係統能量損耗前提下，將並網功率波動約束在一定範圍內(nei) 。提高並網穩定性，構建懲罰函數如下：

3動態規劃能量管理策略

對於(yu) 多階段函數控製模型,采用動態規劃算法將預測模型中多時間階段多目標求解轉化為(wei) 多個(ge) 單一時間階段求解,實現不同時間段混合儲(chu) 能功率分配優(you) 化控製。

與(yu) 蓄電池相比,氫-電轉換效率相對較低,氫儲(chu) 能僅(jin) 作為(wei) 儲(chu) 能的輔助手段,動態規劃時不考慮氫儲(chu) 能變化。為(wei) 保證蓄電池平緩出力,將不同階段儲(chu) 能能量管理優(you) 化問題看作蓄電池SOC的變化過程,采用動態規劃算法優(you) 化多時間段蓄電池充放電過程的步驟:

步驟1 設定狀態變量

以儲(chu) 能裝置當前荷電狀態S0為(wei) 初始規劃狀態，相鄰采樣時刻間荷電狀態值為(wei) ΔS

步驟2 列些k時刻的狀態轉移方程

式中:l為(wei) k-1 時刻的狀態值。

狀態轉移中需滿足功率約束和混合儲(chu) 能的容量約束,每個(ge) 采樣周期獲得目標函數小的控製變量，繼續下一次滾動優(you) 化,直至k=Ts時結束。

4hth下载地址Acrel-2000ES儲(chu) 能能量管理係統解決(jue) 方案

4.1概述

hth下载地址Acrel-2000ES儲(chu) 能能量管理係統具有完善的儲(chu) 能監控與(yu) 管理功能，涵蓋了儲(chu) 能係統設備(PCS、BMS、電表、消防、空調等)的詳細信息，實現了數據采集、數據處理、數據存儲(chu) 、數據查詢與(yu) 分析、可視化監控、報警管理、統計報表等功能。在應用上支持能量調度，具備計劃曲線、削峰填穀、需量控製、備用電源等控製功能。係統對電池組性能進行實時監測及曆史數據分析、根據分析結果采用智能化的分配策略對電池組進行充放電控製，優(you) 化了電池性能，提高電池壽命。係統支持Windows操作係統，數據庫采用SQLServer。本係統既可以用於(yu) 儲(chu) 能一體(ti) 櫃，也可以用於(yu) 儲(chu) 能集裝箱，是專(zhuan) 門用於(yu) 儲(chu) 能設備管理的一套軟件係統平台。

4.2適用場合

4.2.1係統可應用於(yu) 城市、高速公路、工業(ye) 園區、工商業(ye) 區、居民區、智能建築、海島、無電地區可再生能源係統監控和能量管理需求。

4.2.2工商業(ye) 儲(chu) 能四大應用場景

1）工廠與(yu) 商場：工廠與(yu) 商場用電習(xi) 慣明顯，安裝儲(chu) 能以進行削峰填穀、需量管理，能夠降低用電成本，並充當後備電源應急；

2）光儲(chu) 充電站：光伏自發自用、供給電動車充電站能源，儲(chu) 能平抑大功率充電站對於(yu) 電網的衝(chong) 擊；

3）微電網：微電網具備可並網或離網運行的靈活性，以工業(ye) 園區微網、海島微網、偏遠地區微網為(wei) 主，儲(chu) 能起到平衡發電供應與(yu) 用電負荷的作用；

4）新型應用場景：工商業(ye) 儲(chu) 能探索融合發展新場景，已出現在5G基站、換電重卡、港口岸電等眾(zhong) 多應用場景。

4.3係統結構

4.4係統功能

4.4.1實時監測

微電網能量管理係統人機界麵友好，應能夠以係統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態，實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各回路斷路器、隔離開關(guan) 等合、分閘狀態及有關(guan) 故障、告警等信號。其中，各子係統回路電參量主要有：三相電流、三相電壓、總有功功率、總無功功率、總功率因數、頻率和正向有功電能累計值；狀態參數主要有：開關(guan) 狀態、斷路器故障脫扣告警等。

係統應可以對分布式電源、儲(chu) 能係統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元的出力信息、收益信息、儲(chu) 能荷電狀態及發電單元與(yu) 儲(chu) 能單元運行功率設置等。

係統應可以對儲(chu) 能係統進行狀態管理，能夠根據儲(chu) 能係統的荷電狀態進行及時告警，並支持定期的電池維護。

微電網能量管理係統的監控係統界麵包括係統主界麵，包含微電網光伏、風電、儲(chu) 能、充電樁及總體(ti) 負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲(chu) 能及光伏係統信息進行顯示。

圖2係統主界麵

子界麵主要包括係統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲(chu) 能信息、充電樁信息、通訊狀況及一些統計列表等。

光伏界麵

圖3光伏係統界麵

本界麵用來展示對光伏係統信息，主要包括逆變器直流側(ce) 、交流側(ce) 運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、並網櫃電力監測及發電量統計、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對係統的總功率、電壓電流及各個(ge) 逆變器的運行數據進行展示。

儲能界麵

圖4儲(chu) 能係統界麵

本界麵主要用來展示本係統的儲(chu) 能裝機容量、儲(chu) 能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖5儲(chu) 能係統PCS參數設置界麵

本界麵主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關(guan) 機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖6儲(chu) 能係統BMS參數設置界麵

本界麵用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖7儲(chu) 能係統PCS電網側(ce) 數據界麵

本界麵用來展示對PCS電網側(ce) 數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖8儲(chu) 能係統PCS交流側(ce) 數據界麵

本界麵用來展示對PCS交流側(ce) 數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側(ce) 的異常信息進行告警。

圖9儲(chu) 能係統PCS直流側(ce) 數據界麵

本界麵用來展示對PCS直流側(ce) 數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側(ce) 的異常信息進行告警。

圖10儲(chu) 能係統PCS狀態界麵

本界麵用來展示對PCS狀態信息，主要包括通訊狀態、運行狀態、STS運行狀態及STS故障告警等。

圖11儲(chu) 能電池狀態界麵

本界麵用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲(chu) 能電池的運行狀態、係統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲(chu) 能電池的SOC信息。

圖12儲(chu) 能電池簇運行數據界麵

本界麵用來展示對電池簇信息，主要包括儲(chu) 能各模組的電芯電壓與(yu) 溫度，並展示當前電芯的電壓、溫度值及所對應的位置。

風電界麵

圖13風電係統界麵

本界麵用來展示對風電係統信息，主要包括逆變控製一體(ti) 機直流側(ce) 、交流側(ce) 運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對係統的總功率、電壓電流及各個(ge) 逆變器的運行數據進行展示。

充電樁界麵

圖14充電樁界麵

本界麵用來展示對充電樁係統信息，主要包括充電樁用電總功率、交直流充電樁的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個(ge) 充電樁的運行數據等。

視頻監控界麵

圖15微電網視頻監控界麵

本界麵主要展示係統所接入的視頻畫麵，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與(yu) 控製等。

4.4.2 發電預測

係統應可以通過曆史發電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發電進行短期、超短期發電功率預測，並展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發電計劃，便於(yu) 用戶對該係統新能源發電的集中管控。

圖16光伏預測界麵

4.4.3策略配置

係統應可以根據發電數據、儲(chu) 能係統容量、負荷需求及分時電價(jia) 信息，進行係統運行模式的設置及不同控製策略配置。如削峰填穀、周期計劃、需量控製、有序充電、動態擴容等。

圖17策略配置界麵

4.4.4運行報表

應能查詢各子係統、回路或設備規定時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能等。

圖18運行報表

4.4.5 實時報警

應具有實時報警功能，係統能夠對各子係統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關(guan) 閉等遙信變位，及設備內(nei) 部的保護動作或事故跳閘時應能發出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；並應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關(guan) 人員。

圖19實時告警

4.4.6曆史事件查詢

應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲(chu) 和管理，方便用戶對係統事件和報警進行曆史追溯，查詢統計、事故分析。

圖20曆史事件查詢

4.4.7電能質量監測

應可以對整個(ge) 微電網係統的電能質量包括穩態狀態和暫態狀態進行持續監測，使管理人員實時掌握供電係統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。

1）在供電係統主界麵上應能實時顯示各電能質量監測點的監測裝置通信狀態、各監測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度和正序/負序/零序電流值；

2）諧波分析功能：係統應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；

3）電壓波動與(yu) 閃變：係統應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與(yu) 頻率偏差；

4）功率與(yu) 電能計量：係統應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；

5）電壓暫態監測：在電能質量暫態事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發生時，係統應能產(chan) 生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關(guan) 人員；係統應能查看相應暫態事件發生前後的波形。

6）電能質量數據統計：係統應能顯示1min統計整2h存儲(chu) 的統計數據，包括均值、95%概率值、方均根值。

7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續時間、事件發生的時間。

圖21微電網係統電能質量界麵

4.4.8遙控功能

應可以對整個(ge) 微電網係統範圍內(nei) 的設備進行遠程遙控操作。係統維護人員可以通過管理係統的主界麵完成遙控操作，並遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度係統或站內(nei) 相應的操作命令。

圖22遙控功能

4.4.9曲線查詢

應可在曲線查詢界麵，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

圖23曲線查詢

4.4.10統計報表

具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自係統正常運行以來任意時間段內(nei) 各配電節點的用電情況，即該節點進線用電量與(yu) 各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與(yu) 外部係統間電能量交換進行統計分析；對係統運行的節能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對並網型微電網的並網點進行電能質量分析。

圖24統計報表

4.4.11網絡拓撲圖

係統支持實時監視接入係統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個(ge) 係統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動在界麵上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖25微電網係統拓撲界麵

本界麵主要展示微電網係統拓撲，包括係統的組成內(nei) 容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

4.4.12通信管理

可以對整個(ge) 微電網係統範圍內(nei) 的設備通信情況進行管理、控製、數據的實時監測。係統維護人員可以通過管理係統的主程序右鍵打開通信管理程序，然後選擇通信控製啟動所有端口或某個(ge) 端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

圖26通信管理

4.4.13用戶權限管理

應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）。可以定義(yi) 不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為(wei) 係統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

圖27用戶權限

4.4.14故障錄波

應可以在係統發生故障時，自動準確地記錄故障前、後過程的各相關(guan) 電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力係統安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個(ge) 周波、故障後4個(ge) 周波波形，總錄波時間共計46s。每個(ge) 采樣點錄波至少包含12個(ge) 模擬量、10個(ge) 開關(guan) 量波形。

圖28故障錄波

4.4.15事故追憶

可以自動記錄事故時刻前後一段時間的所有實時掃描數據，包括開關(guan) 位置、保護動作狀態、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。

用戶可自定義(yi) 事故追憶的啟動事件，當每個(ge) 事件發生時，存儲(chu) 事故*10個(ge) 掃描周期及事故後10個(ge) 掃描周期的有關(guan) 點數據。啟動事件和監視的數據點可由用戶規定和隨意修改。

圖29事故追憶

4.5係統硬件配置清單

5　結　論

針對光伏/風電/蓄電池－氫混合儲(chu) 能微網係統調度運行問題,本文提出基於(yu) 模型預測－動態規劃的能量管理策略，該策略可以協調蓄電池和燃料電池的功率分配，具有並網平波抵製功能且具有良好的經濟性，算例分析表明，優(you) 化後的儲(chu) 能係統可有效提升電源能量管理的經濟性和可靠性水平，為(wei) 新能源高滲透率下的電網靈活調控提供有力支撐。未來還需要進一步開展儲(chu) 能健康管理、多時間尺度協調優(you) 化等方麵的深入研究，促進儲(chu) 能技術與(yu) 電源能量管理的深度融合。

參考文獻

[1]朱永強,王甜婧,許闊,等. 基於(yu) 動態規劃－遺傳(chuan) 算法的混合儲(chu) 能係統實時協調調度和經濟運行[Ｊ]. 太陽能學報,2019，40（4）:1059-1066.

[2]杜祥偉(wei) ,沈豔霞,李靜. 基於(yu) 模型預測控製的直流微網混合儲(chu) 能能量管理策略[Ｊ]. 電力係統保護與(yu) 控製,2020,48（16）:69-75.

[3]孫近文.大中型風電場混合儲(chu) 能係統優(you) 化配置及控製策略研究[Ｄ].武漢:華中科技大學,2017.

[4]祖其武,牛玉剛,陳蓓. 基於(yu) 改進粒子群算法的微網多目標經濟運行策略研究[Ｊ]. 電力係統保護與(yu) 控製,2017，45（14）:57-63.

[5]王承民,孫偉(wei) 卿,衣濤,等. 智能電網中儲(chu) 能技術應用規劃及其效益評估方法綜述[Ｊ]. 中國電機工程學報,2013,33（7）:33-41,21.

[6]劉曉豔.基於(yu) 模型預測-動態規劃的微網混合儲(chu) 能能量管理.

[7]hth下载地址企業(ye) 微電網設計與(yu) 應用手冊(ce) .2022年05版.