一种离网运行时电-热联供微电网中功率自适应协同控制方法技术

针对光伏可再生能源的出力波动，本发明专利技术公开提出了一种离网运行时电‑热联供微电网中功率自适应协同控制方法，步骤包括：1.采用小波理论与EMD相结合的方式，对电站历史功率信号进行消噪、频带划分和获取若干固有模态函数，得到瞬时频率‑时间关系曲线，确定系统的分频频率；2.系统运行时采集光伏功率信号；3.按分频频率将实时的功率信号分为中高频和低频两个部分，低频部分由热泵进行平抑消纳；4.剩余中高频波动分量由混合储能进行自适应补偿，可将超级电容承担的功率缺额逐步转移给蓄电池，避免后者的频繁充放电。本发明专利技术控制系统将电热进行了耦合，进行能量的协同分配，且总体投资成本低于单纯的电储能系统，更具商业优势。

A Power Adaptive Cooperative Control Method for Electric-Thermal Co-generation Microgrid in Off-grid Operation

【技术实现步骤摘要】
一种离网运行时电-热联供微电网中功率自适应协同控制方法
本专利技术属于电热能源供给系统混合储能
，具体涉及一种离网运行时电-热联供微电网中功率自适应协同控制方法。
技术介绍
以我国青海省为代表的偏远地区，具有高寒、光照强、昼夜温差大等显著的特征，这类地区自然环境恶劣，居民居住分散，落实户户通电工程投资成本极高，用电难、用热难的问题亟需解决。考虑到偏远地区可再生能源的天然优势，发挥光伏发电的巨大潜力，为满足偏远地区的供电供热需求提供了重要的解决思路，基于此新型能源供给系统应运而生。新型能源供给系统以光伏发电为主，且以离网运行居多，而系统相对大电网而言，容量小、波动性强，电压和频率的波动也较大，一般均需要配置储能系统，以实现功率的平抑，使系统稳定运行。电-热联合微网是指面向终端用户电、热等多种用能需求，因地制宜、统筹开发、互补利用传统能源和新能源建设的一体化集成供能基础设施；电-热联合微网继承了能源互联网多网流耦合的思路，面向终端用户，以微网的形式将电能与热能耦合，通过储能技术、能量管理技术等为用户提供电与热两种形式的能量供应，是能源互联网的基础单元。微电网独立运行时的特点决定了对储能的特定要求，如内部出现能量缺额，或者黑启动、光伏微电网在夜晚或连续阴雨天气时，需要能量型储能提供长时功率支撑；而在可再生能源出力波动时，或者系统故障冲击、电能质量问题时，则需要具备快速功率响应特性的储能，即功率平滑的时间尺度从秒级到分钟、天。现阶段，国内外学者针对电-热转换技术在可再生能源出力波动抑制方面进行了相关的研究，并取得了一定成果。比如施金晓等人在电机工程学报中发表的论文《电-热联合微网中分布式可再生能源功率波动平抑策略》提出了一种深度平抑可再生能源出力波动的热泵-混合储能协同控制策略，通过分析能量流控制交换方式和根据运行特点建立电-热能流交换模型，最终采用模糊控制对可变时间系数进行调整，实现热泵和储能平抑功率的分离。但该技术方案所使用的模糊控制较为复杂，参数对系统平抑效果的影响较大，并且滤波处理后对信号产生延时，影响实时性。此外，公开号为CN103746397A的中国专利提出了一种热电混合储能系统的校正方法及系统，介绍了混合储能系统的影响指标体系，对热电混合储能系统进行仿真，获取其满足预设性能时各个影响指标的数值范围，按照各个影响指标的数值范围对热电混合储能系统的运行环境进行校正，但并未对系统的优化控制进行介绍。目前对热电联供系统运行方式的研究都较为局限，尚未实现电、热能流的相互耦合与统一协调控制，对功率平抑的策略未进行深入研究，亦未充分利用热力网的调节灵活性，既对电-热联合微网中的可再生能源出力波动进行有效抑制，同时又满足网内用户的热供应需求。
技术实现思路
鉴于上述，本专利技术提供了一种离网运行时电-热联供微电网中功率自适应协同控制方法，针对光伏可再生能源的出力波动，将电热进行了耦合，进行能量的协同分配，实现用户的供热需求。一种离网运行时电-热联供微电网中功率自适应协同控制方法，该方法应用于电-热混合储能系统，该系统包括电力网络和热力网络，电力网络包含光伏发电单元、基于蓄电池和超级电容的混合储能单元以及用电负荷，热力网络包含有热泵；光伏发电单元采用集中式变流器连接到微电网，混合储能则采用双级变流器连接到微电网；所述功率自适应协同控制方法包括较长时间尺度的电-热耦合协同控制和较短时间尺度的下层自适应控制两部分，其中耦合协同控制部分根据光伏发电单元的出力波动、混合储能单元的实时荷电状态、热泵和终端用户的用热需求情况制定电转热的策略，实现光伏功率在混合储能与热泵间的分配；下层自适应控制部分用于实现功率在超级电容与蓄电池间的平滑转移。所述功率自适应协同控制方法具体包括如下步骤：(1)通过采集光伏发电单元的历史功率数据或当地的光照数据，采用小波分解与EMD(EmpiricalModeDecomposition，经验模态分解)相结合的方式实现对非平稳功率或光照信号的消噪及频带划分，得到若干固有模态函数(IMF)，进而提取出瞬时频率-时间的关系曲线；(2)根据得到的瞬时频率-时间关系曲线，按照蓄电池充放电次数和超级电容容量最优确定系统的分频频率，进而将非平稳功率或光照信号分成低、中、高频，低频部分由热泵平移，中高频部分则由混合储能单元进行平移；(3)系统实际运行时，同时采集电力网络和热力网络的数据，实现能量由电到热的转换；采集的数据包括光照数据、光伏变流器的电压和电流、混合储能单元的荷电状态、交流母线电压、热泵功率以及用户的用热需求；(4)对光伏发电单元实时输出功率进行频谱计算，结合上述分频频率，将输出功率分为低频和中高频两部分，用以分别控制热泵和混合储能单元对应的平抑功率；(5)使混合储能单元根据自适应补偿策略平抑中高频部分功率，同时将超级电容承担的功率缺额逐步转移给蓄电池，实现功率的平滑过渡，避免蓄电池频繁充放电。本专利技术方法的应用系统为电力网络与热力网络的耦合，实现了混合网络的协同控制和调度，满足用户的不同用能需求。本专利技术方法在不同时间尺度的控制框架中分为电-热耦合协调控制以及快速响应的变流器自适应控制。所述电-热耦合协调控制过程中，热泵在参与功率平抑的同时，仍需要满足终端用户的用热需求，即考虑室温的波动，对热泵的热响应能力作进一步的约束。进一步地，所述步骤(1)中的小波分解方法选用db2小波基函数，对非平稳功率或光照信号进行消噪。进一步地，对非平稳功率或光照信号频带划分得到若干固有模态函数，在各固有模态函数的瞬时频率-时间关系曲线上，提取功率的中高频和低频部分，从而确定系统的分频频率。进一步地，所述步骤(5)中对于微电网中功率和能量的中高频部分由混合储能单元直接补偿，而变化较慢的低频部分则由热泵进行补偿，两部分的分界为分频频率。进一步地，所述步骤(5)中将超级电容承担的功率缺额逐步转移给蓄电池，具体实现方法为：使混合储能单元所需补偿的功率缺额与超级电容的参考值做差，再将差值经过PI控制环节，得到稳定的蓄电池参考功率，若该参考功率超出蓄电池的功率限值，则直接取蓄电池的功率限值进行转移。进一步地，所述光伏发电单元的出力波动满足以下关系式：P(t)＝Psc(t)+Psbess(t)+Phot(t)其中：P(t)为t时刻光伏发电单元的出力波动，Psc(t)为t时刻蓄电池的功率，Psbess(t)为t时刻超级电容的功率，Phot(t)为t时刻热泵参与系统功率波动抑制的分量，t表示时间。本专利技术离网运行时电-热联供微电网中功率自适应协同控制方法，在光伏等可再生能源功率波动时，能够保证微电网的安全稳定，并实现内部能量和功率的平衡，提高了微电网孤岛系统运行的可靠性和稳定性，为光伏系统与储能、储热实现经济有效的孤岛运行提供了技术支持。同时，本专利技术控制系统将电热进行了耦合，进行能量的协同分配，且总体投资成本低于单纯的电储能系统，更具商业优势。附图说明图1为电力网与热力网耦合系统的结构示意图。图2为本专利技术混合储能系统的双层控制框图。图3为本专利技术方法控制下的系统输出波形示意图。图4为无自适应平移控制下的系统输出波形示意图。图5(a)为负荷需求功率骤降或骤升时无自适应平移控制下蓄电池输出功率变化示意图。图5(b)为负荷需求功率骤降或骤升时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种离网运行时电‑热联供微电网中功率自适应协同控制方法，其特征在于：应用于电‑热混合储能系统，该系统包括电力网络和热力网络，电力网络包含光伏发电单元、基于蓄电池和超级电容的混合储能单元以及用电负荷，热力网络包含有热泵；光伏发电单元采用集中式变流器连接到微电网，混合储能则采用双级变流器连接到微电网；所述功率自适应协同控制方法包括较长时间尺度的电‑热耦合协同控制和较短时间尺度的下层自适应控制两部分，其中耦合协同控制部分根据光伏发电单元的出力波动、混合储能单元的实时荷电状态、热泵和终端用户的用热需求情况制定电转热的策略，实现光伏功率在混合储能与热泵间的分配；下层自适应控制部分用于实现功率在超级电容与蓄电池间的平滑转移。

【技术特征摘要】
1.一种离网运行时电-热联供微电网中功率自适应协同控制方法，其特征在于：应用于电-热混合储能系统，该系统包括电力网络和热力网络，电力网络包含光伏发电单元、基于蓄电池和超级电容的混合储能单元以及用电负荷，热力网络包含有热泵；光伏发电单元采用集中式变流器连接到微电网，混合储能则采用双级变流器连接到微电网；所述功率自适应协同控制方法包括较长时间尺度的电-热耦合协同控制和较短时间尺度的下层自适应控制两部分，其中耦合协同控制部分根据光伏发电单元的出力波动、混合储能单元的实时荷电状态、热泵和终端用户的用热需求情况制定电转热的策略，实现光伏功率在混合储能与热泵间的分配；下层自适应控制部分用于实现功率在超级电容与蓄电池间的平滑转移。2.根据权利要求1所述的离网运行时电-热联供微电网中功率自适应协同控制方法，其特征在于：所述功率自适应协同控制方法具体包括如下步骤：(1)通过采集光伏发电单元的历史功率数据或当地的光照数据，采用小波分解与EMD相结合的方式实现对非平稳功率或光照信号的消噪及频带划分，得到若干固有模态函数，进而提取出瞬时频率-时间的关系曲线；(2)根据得到的瞬时频率-时间关系曲线，按照蓄电池充放电次数和超级电容容量最优确定系统的分频频率，进而将非平稳功率或光照信号分成低、中、高频，低频部分由热泵平移，中高频部分则由混合储能单元进行平移；(3)系统实际运行时，同时采集电力网络和热力网络的数据，实现能量由电到热的转换；采集的数据包括光照数据、光伏变流器的电压和电流、混合储能单元的荷电状态、交流母线电压、热泵功率以及用户的用热需求；(4)对光伏发电单元实时输出功率进行频谱计算，结合上述分频频率，将输出功率分为低频和中高频两部分，用以分别控制热泵和混合储能单元对应的平抑功率；(5)使混合储能单元根据自适应补偿策略平抑中高频部分功率，同时将超级电容承担的功率缺额逐步转移给蓄电池，实现功率的平滑过渡，避免蓄电池频繁充放电。3.根据权利要求1所述的离网运行时电-热联供微电网中功率自适应协同控制方法，其特征在于：该方法的应用系统为电力网络与热力网络的耦合，实现了混合网络的协同...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵建勇，年珩，李延和，孔亮，徐有蕊，张真，董凌，方保民，吴超，马丽山，
申请(专利权)人：浙江大学，国网青海省电力公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33