浅谈基于模型预测的微电网混合储能能量管理系统
摘 要:针对由蓄电池和氢储能装置的混合储能系统，提出一种基于模型预测－动态规划的混合储能系统能量管理策略，协调能源并网对电网造成的冲击、降低系统能量损耗和储能运行成本建立混合储能系统功率预测模型。构建惩罚函数将三个评价目标转化为单一目标求解，约束储能系统的容量、功率等指标，并采用动态规划算法优化蓄电池充、放电控制，算例结果表明，该控制策略协调了混合储能的功率分配，具有更好的并网平波抵制效果，降低能耗效果，使微网运行具有良好的经济性。
关键词:混合储能、模型预测、动态规划
0 引言
集成光伏发电、风力发电、蓄电池－氢储能混合储能系统的交流微网既可以平抑新能源输出的功率波动，削减并网时对电网的冲击影响。还可以克服单一蓄电池储能功率受限的问题，提高能源利用率。并网系统要求微网具有不间断运行的能力，如何平滑微网内各储能装置的出力，使得能量输出满足并网标准，同时降低系统能量损耗是混合储能系统的重要研究内容。
本文以光/风/蓄电池－氢储能构成的交流微网为对象，提出一种基于模型预测－动态规划的能量调度策略，实现面向混合储能出力的有限时域优化控制。充分结合蓄电池和氢燃料电池的储能特性，设计满足并网标准、降低储能充放电成本和降低系统能量损失的三个目标函数，结合约束条件，采用动态规划算法构建控制方程得到混合储能系统能量调度方案，实现微网的稳定运行。
１ 交流微网混合储能模型
交流微网混合储能系统包含光伏发电、风力发电以及蓄电池－氢混合储能系统，微网通过交流母线与大电网连接，氢储能装置由电解水、燃料电池、储氢装置三个部分组成。电解水装置消纳光伏和风电制氢，产生的氢气存储在储氢装置中作为燃料电池的反应物，蓄电池－氢储能混合储能系统具有调节速度快、稳定性好等优点，交流微网结构如图１所示。
图 １ 交流微网结构
图中PPV为光伏出力，单位为KWH。PW为风电出力，单位为KW。PB为蓄电池功率，单位为KW。充电时，PB<0，放电时PB>0，PH为氢储能装置的充放电功率，单位为KW。燃料电池发出功率时，PH>0电解槽吸收功率时，PH<0，PL为负载消耗功率，单位为KW。
蓄电池模型
式中:EB(t)为蓄电池剩余电量，EBmax为蓄电池额定容量，ηB为光伏/ 风电能量经蓄电池存储及放电并网过程中的转换效率，ηBC为蓄电池充电效率，ηBD为蓄电池放电效率，SOC(State Of Charge)为蓄电池荷电状态，Δt为采样时间。
氢储能模型
式中:ηH 为氢储能系统的充放电效率，ηHC为电解槽的电－氢转换效率，ηHD为燃料电池放电效率。
2 混合储能预测模型
模型预测是结合采样时刻测量值和前瞻预测值，将模型输出反馈作用于被控对象，对目标函数滚动优化，修正预测模型，预测模型输出控制量施加于混合储能系统，根据混合储能系统中蓄电池和氢储能装置的剩余能量决定储能装置的出力，执一个步长后，更新状态变量值和光伏/风电功率预行测值，滚动优化直至调度周期结束。
2.1 预测模型
采用灰色模型GM(1.N)与BP 神经网络组合预测方法,得到前瞻预测周期内光伏和风电功率预测值。预测周期 Ts内,预测模型接收光伏、风电功率预测值,预测周期内有N次滚动优化,t+ kΔt对应k个采样点。
通过对混合储能出力控制,实现储能设备在良好状态下运行。在采样时刻k,取控制变量为:
2.2 目标函数
对于混合储能的交流微网，既要考虑输出电能符合并网标准，还要考虑系统运行经济性成本，同时保障系统能量效率，减少损失。
(1)并网功率波动: 为体现储能系统平抑波动的能力,以微网中光伏和风电的并网功率波动小为控制目标,并网波动越限幅值ΔＰＧ、越限时间占比 ΔＰＴ 表示为:
式中:PPVmax、PWmax分别为光伏发电和风力发电的日前预测值，Det为大电网允许功率波动下限。
（2）储能充放电成本， 为合理利用储能系统，提高经济性，储能充放电成本小为目标。燃料电池充放电成本很低，忽略不计，因此只计及蓄电池充放电成本。
式中:γＢ 为蓄电池充放电成本系数，PBC、PBD分别为充放电功率。
（3）系统能量损耗，微网系统能量损耗包括受并网功率影响导致的能量损失、蓄电池－氢混合储能系统在能量转换损耗，微网系统能量转换损耗为:
式中:ΔEPW(t)为并网能量损耗，ΔEB(t)为蓄电池能量转换损耗，ΔEH(t)为氢储能系统能量转换损耗。
（4）惩罚函数
利用惩罚函数对以上三个评价目标转化为单一目标求解，在保证储能运行成本小、降低系统能量损耗前提下，将并网功率波动约束在一定范围内。提高并网稳定性，构建惩罚函数如下：
3动态规划能量管理策略
对于多阶段函数控制模型,采用动态规划算法将预测模型中多时间阶段多目标求解转化为多个单一时间阶段求解,实现不同时间段混合储能功率分配优化控制。
与蓄电池相比,氢-电转换效率相对较低,氢储能仅作为储能的辅助手段,动态规划时不考虑氢储能变化。为保证蓄电池平缓出力,将不同阶段储能能量管理优化问题看作蓄电池SOC的变化过程,采用动态规划算法优化多时间段蓄电池充放电过程的步骤:
步骤1 设定状态变量
以储能装置当前荷电状态S0为初始规划状态，相邻采样时刻间荷电状态值为 ΔS
步骤2 列些k时刻的状态转移方程
式中:l为 k-1 时刻的状态值。
状态转移中需满足功率约束和混合储能的容量约束,每个采样周期获得目标函数小的控制变量，继续下一次滚动优化,直至k=Ts时结束。
4安科瑞Acrel-2000ES储能能量管理系统解决方案
4.1概述
安科瑞Acrel-2000ES储能能量管理系统具有完善的储能监控与管理功能，涵盖了储能系统设备(PCS、BMS、电表、消防、空调等)的详细信息，实现了数据采集、数据处理、数据存储、数据查询与分析、可视化监控、报警管理、统计报表等功能。在应用上支持能量调度，具备计划曲线、削峰填谷、需量控制、备用电源等控制功能。系统对电池组性能进行实时监测及历史数据分析、根据分析结果采用智能化的分配策略对电池组进行充放电控制，优化了电池性能，提高电池寿命。系统支持Windows操作系统，数据库采用SQLServer。本系统既可以用于储能一体柜，也可以用于储能集装箱，是专门用于储能设备管理的一套软件系统平台。
4.2适用场合
4.2.1系统可应用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。
4.2.2工商业储能四大应用场景
1）工厂与商场：工厂与商场用电习惯明显，安装储能以进行削峰填谷、需量管理，能够降低用电成本，并充当后备电源应急；
2）光储充电站：光伏自发自用、供给电动车充电站能源，储能平抑大功率充电站对于电网的冲击；
3）微电网：微电网具备可并网或离网运行的灵活性，以工业园区微网、海岛微网、偏远地区微网为主，储能起到平衡发电供应与用电负荷的作用；
4）新型应用场景：工商业储能探索融合发展新场景，已出现在5G基站、换电重卡、港口岸电等众多应用场景。
4.3系统结构
4.4系统功能
4.4.1实时监测
微电网能量管理系统人机界面友好，应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中，各子系统回路电参量主要有：三相电流、三相电压、总有功功率、总无功功率、总功率因数、频率和正向有功电能累计值；状态参数主要有：开关状态、断路器故障脱扣告警等。
系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理，使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。
系统应可以对储能系统进行状态管理，能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警，并支持定期的电池维护。
微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电桩及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求，也可将充电，储能及光伏系统信息进行显示。
图2系统主界面
子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电桩信息、通讯状况及一些统计列表等。
光伏界面
图3光伏系统界面
本界面用来展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。
储能界面
图4储能系统界面
本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。
图5储能系统PCS参数设置界面
本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置，包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。
图6储能系统BMS参数设置界面
本界面用来展示对BMS的参数进行设置，主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。
图7储能系统PCS电网侧数据界面
本界面用来展示对PCS电网侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。
图8储能系统PCS交流侧数据界面
本界面用来展示对PCS交流侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。
图9储能系统PCS直流侧数据界面
本界面用来展示对PCS直流侧数据，主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。
图10储能系统PCS状态界面
本界面用来展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。
图11储能电池状态界面
本界面用来展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。
图12储能电池簇运行数据界面
本界面用来展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的电压、温度值及所对应的位置。
风电界面
图13风电系统界面
本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。
充电桩界面
图14充电桩界面
本界面用来展示对充电桩系统信息，主要包括充电桩用电总功率、交直流充电桩的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电桩的运行数据等。
视频监控界面
图15微电网视频监控界面
本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。
4.4.2 发电预测
系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划，便于用户对该系统新能源发电的集中管控。
图16光伏预测界面
4.4.3策略配置
系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、有序充电、动态扩容等。
图17策略配置界面
4.4.4运行报表
应能查询各子系统、回路或设备规定时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能等。
图18运行报表
4.4.5 实时报警
应具有实时报警功能，系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位，及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警，应能实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。
图19实时告警
4.4.6历史事件查询
应能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度（锂离子电池）、压力（液流电池）、光照、风速、气压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。
图20历史事件查询
4.4.7电能质量监测
应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。
1）在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度和正序/负序/零序电流值；
2）谐波分析功能：系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电流含有率；
3）电压波动与闪变：系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值；应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线；应能显示电压偏差与频率偏差；
4）功率与电能计量：系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率；应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素；应能提供有功负荷曲线，包括日有功负荷曲线（折线型）和年有功负荷曲线（折线型）；
5）电压暂态监测：在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时，系统应能产生告警，事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员；系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。
6）电能质量数据统计：系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据，包括均值、95%概率值、方均根值。
7）事件记录查看功能：事件记录应包含事件名称、状态（动作或返回）、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。
图21微电网系统电能质量界面
4.4.8遥控功能
应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作，并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。
图22遥控功能
4.4.9曲线查询
应可在曲线查询界面，可以直接查看各电参量曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。
图23曲线查询
4.4.10统计报表
具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析；对系统运行的节能、收益等分析；具备对微电网供电可靠性分析，包括年停电时间、年停电次数等分析；具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。
图24统计报表
4.4.11网络拓扑图
系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。
图25微电网系统拓扑界面
本界面主要展示微电网系统拓扑，包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。
4.4.12通信管理
可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序，然后选择通信控制启动所有端口或某个端口，快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。
图26通信管理
4.4.13用户权限管理
应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控操作，运行参数修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。
图27用户权限
4.4.14故障录波
应可以在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条，每条录波可触发6段录波，每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形，总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个vwin 量、10个开关量波形。
图28故障录波
4.4.15事故追忆
可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据，包括开关位置、保护动作状态、遥测量等，形成事故分析的数据基础。
用户可自定义事故追忆的启动事件，当每个事件发生时，存储事故前10个扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户规定和随意修改。
图29事故追忆
4.5系统硬件配置清单
| 序号 | 设备 | 型号 | 图片 | 说明 |
| 1 | 能量管理系统 | Acre1-2000ES |
 |
内部设备的数据采集与监控，由通信管理机、工业平板电脑、串口服务器、遥信模块及相关通信辅件组成。 数据采集、上传及转发至服 务器及协同控制装置。 策略控制:计划曲线、需量控制、削峰填谷、备用电源等。 |
| 2 | 工业平板电脑 | PPX133L |
 |
承接系统软件 2)可视化展示:显示系统运行信息 |
| 3 | 交流计量电表 | DTSD1352 |
 |
集成电力参数测量及电能计量及考核管理，提供上48月的各类电能数据统计:具有 2~31 次分次谐波与总谐波含量检测，带有开关量输入和开关量输出可实现“遜信”和“遥控”功能， 并具备报警输出。带有 RS485 通信接口，可选用MODBUS-RTU或 DL/T645 协议。 |
| 4 | 直流计量电表 | DJSF1352 |
 |
表可测量直流系统中的电压、电流、功率以及正反向电能等； 具有红外通讯接口和 RS-485 通讯接口，同时支持 Modbus-RTU 协议和 DLT645 协议:可带维电器报警输出和开关量输入功能； |
| 5 | 通信管理机 | ANet-2E8S1 |
 |
能够根据不同的采集规约进行水表、气表、电表、微机保护等设备终端的数据采集汇总； 提供规约转换、透明转发、数据加密压缩、数据转换、边缘计算等多项功能； 实时多任务并行处理数据采集和数据转发，可多链路上送平台据； |
| 6 | 串口服务器 | Aport |
 |
功能:转换“辅助系统”的状态数据，反馈到能量管理系统中 1)空调的开关，调温，及完全断电(二次开关实现) 2)上传配电柜各个空开信号 3)上传UPS内部电量信息等 4)接入电表、BSMU等设备 |
| 7 | 遥信模块 | ARTU-K16 |
 |
反馈各个设备状态，将相关数据到串口服务器； 读消防 I/0 信号，并转发给到上层(关机、事件上报等) 采集水浸传感器信息，并转发给到上层(水浸信号事件上报) 4)读取门禁程传感器信息，并转发给到上层(门禁事件上报) |
5结论
针对光伏/风电/蓄电池－氢混合储能微网系统调度运行问题,本文提出基于模型预测－动态规划的能量管理策略，该策略可以协调蓄电池和燃料电池的功率分配，具有并网平波抵制功能且具有良好的经济性，算例分析表明，优化后的储能系统可有效提升电源能量管理的经济性和可靠性水平，为新能源高渗透率下的电网灵活调控提供有力支撑。未来还需要进一步开展储能健康管理、多时间尺度协调优化等方面的深入研究，促进储能技术与电源能量管理的深度融合。
参考文献
[1]朱永强,王甜婧,许阔,等. 基于动态规划－遗传算法的混合储能系统实时协调调度和经济运行[Ｊ]. 太阳能学报,2019，40（4）:1059-1066.
[2]杜祥伟,沈艳霞,李静. 基于模型预测控制的直流微网混合储能能量管理策略[Ｊ]. 电力系统保护与控制,2020,48（16）:69-75.
[3]孙近文.大中型风电场混合储能系统优化配置及控制策略研究[Ｄ].武汉:华中科技大学,2017.
[4]祖其武,牛玉刚,陈蓓. 基于改进粒子群算法的微网多目标经济运行策略研究[Ｊ]. 电力系统保护与控制,2017，45（14）:57-63.
[5]王承民,孙伟卿,衣涛,等. 智能电网中储能技术应用规划及其效益评估方法综述[Ｊ]. 中国电机工程学报,2013,33（7）:33-41,21.
[6]刘晓艳.基于模型预测-动态规划的微网混合储能能量管理.
[7]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022年05版.
作者介绍：闻什益 手机:13564425781（微信同号）
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