淺談基于模型預測的微電網混合儲能能量管理系統

安科瑞 陳聰

摘 要:針對由蓄電池和氫儲能裝置的混合儲能系統，提出一種基于模型預測－動態規劃的混合儲能系統能量管理策略，協調能源并網對電網造成的沖擊、降低系統能量損耗和儲能運行成本建立混合儲能系統功率預測模型。構建懲罰函數將三個評價目標轉化為單一目標求解，約束儲能系統的容量、功率等指標，并采用動態規劃算法優化蓄電池充、放電控制，算例結果表明，該控制策略協調了混合儲能的功率分配，具有更好的并網平波抵制效果，降低能耗效果，使微網運行具有良好的經濟性。

關鍵詞:混合儲能、模型預測、動態規劃

0 引言

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

本文以光/風/蓄電池－氫儲能構成的交流微網為對象，提出一種基于模型預測－動態規劃的能量調度策略，實現面向混合儲能出力的有*時域優化控制。充分結合蓄電池和氫燃料電池的儲能特性，設計滿足并網標準、降低儲能充放電成本和降低系統能量損失的三個目標函數，結合約束條件，采用動態規劃算法構建控制方程得到混合儲能系統能量調度方案，實現微網的穩定運行。

１ 交流微網混合儲能模型

交流微網混合儲能系統包含光伏發電、風力發電以及蓄電池－氫混合儲能系統，微網通過交流母線與大電網連接，氫儲能裝置由電解水、燃料電池、儲氫裝置三個部分組成。電解水裝置消納光伏和風電制氫，產生的氫氣存儲在儲氫裝置中作為燃料電池的反應物，蓄電池－氫儲能混合儲能系統具有調節速度快、穩定性好等優點，交流微網結構如圖１所示。

圖 １ 交流微網結構

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

1. 蓄電池模型

式中:EB(t)為蓄電池剩余電量，EBmax為蓄電池額定容量，ηB為光伏/ 風電能量經蓄電池存儲及放電并網過程中的轉換效率，ηBC為蓄電池充電效率，ηBD為蓄電池放電效率，SOC(State Of Charge)為蓄電池荷電狀態，Δt為采樣時間。

1. 氫儲能模型

式中:ηH 為氫儲能系統的充放電效率，ηHC為電解槽的電－氫轉換效率，ηHD為燃料電池放電效率。

2 混合儲能預測模型

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于被控對象，對目標函數滾動優化，修正預測模型，預測模型輸出控制量施加于混合儲能系統，根據混合儲能系統中蓄電池和氫儲能裝置的剩余能量決定儲能裝置的出力，執一個步長后，更新狀態變量值和光伏/風電功率預行測值，滾動優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BP 神經網絡組合預測方法,得到前瞻預測周期內光伏和風電功率預測值。預測周期 Ts內,預測模型接收光伏、風電功率預測值,預測周期內有N次滾動優化,t+ kΔt對應k個采樣點。

通過對混合儲能出力控制,實現儲能設備在良好狀態下運行。在采樣時刻k,取控制變量為:

2.2 目標函數

對于混合儲能的交流微網，既要考慮輸出電能符合并網標準，還要考慮系統運行經濟性成本，同時保障系統能量效率，減少損失。

(1)并網功率波動: 為體現儲能系統平抑波動的能力,以微網中光伏和風電的并網功率波動小為控制目標,并網波動越限幅值ΔＰＧ、越*時間占比 ΔＰＴ 表示為:

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

（2）儲能充放電成本， 為合理利用儲能系統，提高經濟性，儲能充放電成本小為目標。燃料電池充放電成本很低，忽略不計，因此只計及蓄電池充放電成本。

式中:γＢ 為蓄電池充放電成本系數，PBC、PBD分別為充放電功率。

（3）系統能量損耗，微網系統能量損耗包括受并網功率影響導致的能量損失、蓄電池－氫混合儲能系統在能量轉換損耗，微網系統能量轉換損耗為:

式中:ΔEPW(t)為并網能量損耗，ΔEB(t)為蓄電池能量轉換損耗，ΔEH(t)為氫儲能系統能量轉換損耗。

（4）懲罰函數

利用懲罰函數對以上三個評價目標轉化為單一目標求解，在保證儲能運行成本小、降低系統能量損耗前提下，將并網功率波動約束在一定范圍內。提高并網穩定性，構建懲罰函數如下：

3動態規劃能量管理策略

對于多階段函數控制模型,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多個單一時間階段求解,實現不同時間段混合儲能功率分配優化控制。

與蓄電池相比,氫-電轉換效率相對較低,氫儲能僅作為儲能的輔助手段,動態規劃時不考慮氫儲能變化。為保證蓄電池平緩出力,將不同階段儲能能量管理優化問題看作蓄電池SOC的變化過程,采用動態規劃算法優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

以儲能裝置當前荷電狀態S0為初始規劃狀態，相鄰采樣時刻間荷電狀態值為 ΔS

步驟2 列些k時刻的狀態轉移方程

式中:l為 k-1 時刻的狀態值。

狀態轉移中需滿足功率約束和混合儲能的容量約束,每個采樣周期獲得目標函數小的控制變量，繼續下一次滾動優化,直至k=Ts時結束。

4安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統解決方案

4.1概述

安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統具有完善的儲能監控與管理功能，涵蓋了儲能系統設備(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、數據查詢與分析、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、削峰填谷、需量控制、備用電源等控制功能。系統對電池組性能進行實時監測及歷史數據分析、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制，優化了電池性能，提高電池壽命。系統支持Windows操作系統，數據庫采用SQLServer。本系統既可以用于儲能一體柜，也可以用于儲能集裝箱，是專門用于儲能設備管理的一套軟件系統平臺。

4.2適用場合

4.2.1系統可應用于城市、高速公路、工業園區、工商業區、居民區、智能建筑、海島、無電地區可再生能源系統監控和能量管理需求。

4.2.2工商業儲能四大應用場景

1）工廠與商場：工廠與商場用電習慣明顯，安裝儲能以進行削峰填谷、需量管理，能夠降低用電成本，并充當后備電源應急；

2）光儲充電站：光伏自發自用、供給電動車充電站能源，儲能平抑大功率充電站對于電網的沖擊；

3）微電網：微電網具備可并網或離網運行的靈活性，以工業園區微網、海島微網、偏遠地區微網為主，儲能起到平衡發電供應與用電負荷的作用；

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

4.3系統結構

4.4系統功能

4.4.1實時監測

微電網能量管理系統人機界面友好，應能夠以系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、隔離開關等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。其中，各子系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：開關狀態、斷路器故障脫扣告警等。

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

系統應可以對儲能系統進行狀態管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態進行及時告警，并支持定期的電池維護。

微電網能量管理系統的監控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電樁及總體負荷組成情況，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，儲能及光伏系統信息進行顯示。

圖2系統主界面

子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電樁信息、通訊狀況及一些統計列表等。

光伏界面

圖3光伏系統界面

本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、并網柜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；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

儲能界面

圖4儲能系統界面

本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖5儲能系統PCS參數設置界面

本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖6儲能系統BMS參數設置界面

本界面用來展示對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儲能系統PCS電網側數據界面

本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖8儲能系統PCS交流側數據界面

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

圖9儲能系統PCS直流側數據界面

本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。

圖10儲能系統PCS狀態界面

本界面用來展示對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儲能電池狀態界面

本界面用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲能電池的運行狀態、系統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。

圖12儲能電池簇運行數據界面

本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的電壓、溫度值及所對應的位置。

風電界面

圖13風電系統界面

本界面用來展示對風電系統信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側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；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

充電樁界面

圖14充電樁界面

本界面用來展示對充電樁系統信息，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、各個充電樁的運行數據等。

視頻監控界面

圖15微電網視頻監控界面

本界面主要展示系統所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。

4.4.2 發電預測

系統應可以通過歷史發電數據、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，并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，便于用戶對該系統新能源發電的集中管控。

圖16光伏預測界面

4.4.3策略配置

系統應可以根據發電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、有序充電、動態擴容等。

圖17策略配置界面

4.4.4運行報表

應能查詢各子系統、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，系統能夠對各子系統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內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；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。

圖19實時告警

4.4.6歷史事件查詢

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和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

圖20歷史事件查詢

4.4.7電能質量監測

應可以對整個微電網系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系統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。

1）在供電系統主界面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：系統應能實時顯示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）電壓波動與閃變：系統應能顯示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頻率偏差；

4）功率與電能計量：系統應能顯示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，系統應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統應能查看相應暫態事件發生前后的波形。

6）電能質量數據統計：系統應能顯示1min統計整2h存儲的統計數據，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微電網系統電能質量界面

4.4.8遙控功能

應可以對整個微電網系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統維護人員可以通過管理系統的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度系統或站內相應的操作命令。

圖22遙控功能

4.4.9曲線查詢

應可在曲線查詢界面，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系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的用電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與外部系統間電能量交換進行統計分析；對系統運行的節能、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；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。

圖24統計報表

4.4.11網絡拓撲圖

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

圖25微電網系統拓撲界面

本界面主要展示微電網系統拓撲，包括系統的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

4.4.12通信管理

可以對整個微電網系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監測。系統維護人員可以通過管理系統的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，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）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、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

應可以在系統發生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，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、提高電力系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個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。

圖28故障錄波

4.4.15事故追憶

可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。

用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發生時，存儲事故*10個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數據。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系統硬件配置清單

5　結　論

針對光伏/風電/蓄電池－氫混合儲能微網系統調度運行問題,本文提出基于模型預測－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，具有并網平波抵制功能且具有良好的經濟性，算例分析表明，優化后的儲能系統可有效提升電源能量管理的經濟性和可靠性水平，為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能健康管理、多時間尺度協調優化等方面的深入研究，促進儲能技術與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. 基于動態規劃－遺傳算法的混合儲能系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,沈艷霞,李靜. 基于模型預測控制的直流微網混合儲能能量管理策略[Ｊ]. 電力系統保護與控制,2020,48（16）:69-75.

[3]孫近文.大中型風電場混合儲能系統優化配置及控制策略研究[Ｄ].武漢:華中科技大學,2017.

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

[5]王承民,孫偉卿,衣濤,等. 智能電網中儲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]劉曉艷.基于模型預測-動態規劃的微網混合儲能能量管理.

[7]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022年05版.