離網狀態下光儲微電網的能量管理方法及系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種離網狀態下光儲微電網的能量管理方法和系統，包括：獲取光伏發電數據及相關的歷史天氣數據；根據歷史天氣數據和光伏發電數據計算歷史上光伏發電的理論功率；將各理論功率與歷史上的實際功率進行比較，將相對誤差大于第一閾值的實際功率用相應的理論功率替代；根據歷史上的實際功率、替代后的理論功率及相應的天氣數據，預測光伏發電功率；預測負荷功率；比較預測的光伏發電功率和負荷功率，若光伏發電功率大于負荷功率，則通過光伏對蓄電池充電；否則計算蓄電池的輸出功率，在負荷功率大于光伏發電功率與蓄電池的輸出功率之和的情況下甩負荷。本發明能夠保持光伏功率的差異性，提高預測算法的預測精度。
【專利說明】
離網狀態下光儲微電網的能量管理方法及系統
技術領域
[0001] 本發明涉及配電領域，特別是涉及一種離網狀態下光儲微電網的能量管理方法， 還涉及一種離網狀態下光儲微電網的能量管理系統。
【背景技術】
[0002] 現有的技術中，對孤島狀態的經濟調度研究甚少，大部分的經濟調度目標函數變 量太多，過于復雜。在實際的工程中，對于簡單的光儲微電網能量管理系統，模型相對比較 簡單，現有的模型不適合。在實際工程中，光伏系統采集的天氣數據等存在遺漏、重復、錯誤 等值，研究中都是采用將相關數據橫向或縱向值求平均。該方法使天氣數據趨于相同，使預 測算法優化出來的調度結果誤差較大。
【發明內容】
[0003] 基于此，有必要提供一種離網狀態下光儲微電網的能量管理方法。
[0004] -種離網狀態下光儲微電網的能量管理方法，包括:獲取光伏發電數據及相關的 歷史天氣數據;根據所述歷史天氣數據和光伏發電數據計算歷史上光伏發電的理論功率； 將各所述理論功率與歷史上的實際功率進行比較，剔除相對誤差大于第一閾值的實際功率 并用相應的理論功率替代;根據歷史上的實際功率、替代后的理論功率及相應的天氣數據， 采用預測算法預測光伏發電功率;預測負荷功率;比較預測的光伏發電功率和負荷功率，若 所述光伏發電功率大于負荷功率，則通過光伏對蓄電池充電；若所述光伏發電功率小于負 荷功率，則計算所述蓄電池的輸出功率，在負荷功率大于所述光伏發電功率與蓄電池的輸 出功率之和的情況下甩負荷;所述計算蓄電池的輸出功率，是以電池壽命費用最小化和能 源使用最大化為目標函數，計算蓄電池最優荷電狀態，再通過所述蓄電池最優荷電狀態計 算蓄電池的輸出功率。
[0005] 在其中一個實施例中，所述歷史天氣數據包括氣溫和太陽輻射強度。
[0006] 在其中一個實施例中，所述根據所述歷史天氣數據和光伏發電數據計算歷史上光 伏發電的理論功率的步驟采用如下方式進行計算：
[0007] Ps = 1000 nSG[1-0.005(Tm0d+25)]；
[0008] 其中Ps是光伏陣列的輸出功率，η是光伏陣列的光電轉換效率，S是光伏陣列的總 面積，G是光伏陣列接收到的太陽輻射強度，T mcid是光伏陣列的太陽能板的工作溫度。
[0009] 在其中一個實施例中，所述Tmcid通過如下公式計算：
[0010] Tmod = Tamd+30*G/1000；
[0011] 其中Tamd為環境溫度。
[0012] 在其中一個實施例中，所述以電池壽命費用最小化和能源使用最大化為目標函 數，計算蓄電池最優荷電狀態的步驟是通過如下公式進行計算：
[0013]
[0014] 其中SOC為所述蓄電池荷電狀態，參數UO和參數m為根據電池的制造商提供的電池 放電深度和周期衰減進行擬合得到的參數，dR為額定安培-小時放電速率，Dr為額定放電深 度，是一個常數。
[0015] 在其中一個實施例中，還包括為所述目標函數引入網損的步驟，
[0016] F(soc) =deff+Af;
[0017]其中f為網損函數，λ為將所述f轉換為費用相關的系數，且
[0018]
[0019] 其中ri為支路i的電阻，Pl、Ql分別為支路i末端各個時間段內流過的有功功率和無 功功率,V 1為支路i末端的節點電壓，b為支路數，Iu為開關i的狀態變量，0表示打開，1代表閉 合。
[0020] 在其中一個實施例中，所述通過所述蓄電池最優荷電狀態計算蓄電池的輸出功率 的步驟是通過如下公式進行計算：
[0021]
[0022] 其中soct+At為t+At時刻的蓄電池荷電狀態；soct為t時刻的蓄電池荷電狀態； Pbat-t為t至t+Λ t時間段內蓄電池功率;Cbat為蓄電池的容量。
[0023] 在其中一個實施例中，所述第一閾值的取值范圍為0.3~0.5。。
[0024] 在其中一個實施例中，述采用預測算法預測光伏發電功率的步驟和所述預測負荷 功率的步驟，均是采用支持向量機的方式進行預測。
[0025]還有必要提供一種離網狀態下光儲微電網的能量管理系統。
[0026] 一種離網狀態下光儲微電網的能量管理系統，包括預測模塊和經濟調度模塊，所 述預測模塊包括:光伏及天氣數據獲取單元，用于獲取光伏發電數據及相關的歷史天氣數 據;理論功率計算單元，用于根據所述歷史天氣數據和光伏發電數據計算歷史上光伏發電 的理論功率;光伏數據整理單元，用于將各所述理論功率與歷史上的實際功率進行比較，剔 除相對誤差大于第一閾值的實際功率并用相應的理論功率替代;光伏功率預測單元，用于 根據歷史上的實際功率、替代后的理論功率及相應的天氣數據，采用預測算法預測光伏發 電功率;負荷功率預測單元，用于預測負荷功率;所述經濟調度模塊包括:負荷判斷單元，用 于比較光伏發電功率預測值和負荷功率預測值的大小；充電單元，用于在所述光伏發電功 率預測值大于負荷功率預測值時通過光伏對蓄電池充電；甩負荷單元，用于在所述光伏發 電功率預測值小于負荷功率預測值時，計算所述蓄電池的輸出功率，在負荷功率預測值大 于所述光伏發電功率預測值與蓄電池的輸出功率之和的情況下甩負荷;所述計算蓄電池的 輸出功率，是以電池壽命費用最小化和能源使用最大化為目標函數，計算蓄電池最優荷電 狀態，再通過所述蓄電池最優荷電狀態計算蓄電池的輸出功率。
[0027]上述離網狀態下光儲微電網的能量管理方法和系統，將歷史數據中光伏發電的理 論值與實際值進行比較，通過求出他們的相對誤差，判定實際值是否為壞值。從而能夠保持 光伏功率數據的真實性，相對現有技術，能更好地保持光伏功率數據的差異性，提高預測算 法的預測精度。并將電池的置換成本轉化為每次調度的費用，定義為費用進行調度優化的 目標函數，其控制變量只有蓄電池的輸出功率，易于工程實現。
【附圖說明】
[0028]通過附圖中所示的本發明的優選實施例的更具體說明，本發明的上述及其它目 的、特征和優勢將變得更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分，且并未刻 意按實際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點在于示出本發明的主旨。
[0029]圖1是一實施例中離網狀態下光儲微電網的能量管理方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0030]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并 不用于限定本發明。
[0031]圖1是一實施例中離網狀態下光儲微電網的能量管理方法的流程圖，包括下列步 驟：
[0032] S110,獲取光伏發電數據及相關的歷史天氣數據。
[0033]光伏發電數據包括光伏發電裝置(例如光伏陣列）的各項參數，包括光伏陣列的光 電轉換效率、光伏陣列的總面積等，光伏發電數據還包括光伏系統的數據庫中記錄的歷史 上每天的光伏陣列發電功率。在具體工程中，因設備的質量和老化等問題，光伏系統采集的 數據存在一定的差異，往往會存在一些錯誤值或者數據重復、缺失。本發明通過在后續步驟 中計算出光伏發電的理論值，用理論值來替換這些壞值。
[0034] S120,根據歷史天氣數據和光伏發電數據計算歷史上光伏發電的理論功率。
[0035]通過如下公式計算光伏發電的輸出功率的理論值:（1)
[0036] Ps = 1000 nSG [1-0.005( Tm0d+25) ] (1)
[0037] 其中Ps是光伏陣列的輸出功率（單位是W)，ri是光伏陣列的光電轉換效率（單位 是^^^是光伏陣列的總面積丨單位是一^是光伏陣列接收到的太陽輻射強度丨單位是?*!!! <)，T Md是光伏陣列的太陽能板的工作溫度(單位是°C)。其中，η和S均是已知量，G的歷史數 據記錄于光伏系統的數據庫中。太陽能電池板的工作溫度T mcid可以根據光伏系統記錄的環 境溫度進行估算，例如通過經驗公式進行估算。在本實施例中，是通過如下公式進行估算：
[0038]
[0039] 其中Tamd為環境溫度(單位是°C)，G是光伏陣列接收到的太陽輻射強度。如果沒有 記錄準確的環境溫度，可以用氣溫代替。
[0040] S130,將實際功率與理論功率進行比較，將相對誤差過大的用相應的理論功率進 行代替。
[0041] 根據公式（1)和（2)計算出各個歷史數據中的光伏發電實際功率所對應的理論功 率，并進行比較，對于與理論功率的相對誤差大于第一閾值的實際功率(包括數據缺失的實 際功率），用理論值進行替代。
[0042] 相對誤差：
[0043] Δ =(Mt-Mr)/Mr (3)
[0044] 式(3)中Mt為實際功率，Mr為理論功率，第一閾值為一個經驗值。在其中一個實施例 中，第一閾值的取值范圍是〇. 3~0.5。在另一個實施例中，第一閾值為0.4。當光伏功率數據 存在缺失的時候，使用理論值補充，當相對誤差值大于第一閾值的時候，剔除錯誤值，使用 理論值替代。從而能夠保持光伏功率數據的真實性，相對現有技術，能更好地保持光伏功率 數據的差異性，提高后續預測算法的預測精度。
[0045] S140,根據歷史上的實際功率、替代后的理論功率以及相應的天氣數據，預測光伏 發電功率。
[0046] 可以采用現有技術的預測算法進行下一周期的光伏發電功率的預測，例如支持向 量機(SVM)算法。
[0047] SlO，預測負荷功率。
[0048]步驟SllO~S140是對光伏發電功率進行預測的一系列流程。離網狀態下光儲微電 網的能量管理方法還需要對負載功率進行預測，由于步驟SlO與光伏發電功率無因果關系， 因此執行順序可以在步驟SllO~S140中任一步驟之前或之后進行。
[0049] 以上為預測部分，預測出光伏發電功率和負荷功率后，就可以此為依據進行調度。
[0050] S150,判斷負荷功率是否多光伏發電功率。
[0051]若是，則執行步驟S170;若否，則執行步驟S160。
[0052] S160,通過光伏對蓄電池充電。
[0053]光伏發電功率大于負荷消耗的功率，則可以將多出的部分給蓄電池進行充電。 [0054] S170,計算蓄電池的輸出功率，在負荷功率大于光伏發電功率與蓄電池的輸出功 率之和的情況下甩負荷。
[0055] 以電池壽命費用最小化、能源使用最大化為目標函數，計算蓄電池最優荷電狀態， 再通過蓄電池最優荷電狀態計算蓄電池的輸出功率。在具體工程當中，離網狀態下的光儲 微電網的運行費用大部分是用于電池的置換，建立電池壽命函數，轉化為每次調度的費用， 量化微電網的運行費用。在其中一個實施例中，通過如下公式實現：
[0056] 以優化電池壽命費用最少化為目標函數：
[0057]
(4)
[0058]其中SOC為蓄電池荷電狀態，參數UQ和參數Ul為根據電池的制造商提供的電池壽命 數據(包括電池放電深度和周期衰減)進行擬合得到的參數，dR為額定安培-小時放電速率， Dr為額定放電深度(是一個常數）。
[0059] 在其中一個實施例中，還需要考慮網損因素，這樣優化調度后能有效降低微電網 網損，使能源利用最大化，提高系統經濟效益。定義網損函數：
[0060]
(5)
[0061 ]其中ri為支路i的電阻，Pi、Qi分別為支路i末端各個時間段內流過的有功功率和無 功功率,V1為支路i末端的節點電壓，b為支路數，Iu為開關i的狀態變量，0表示打開，1代表閉 合。
[0062] 將網損作為懲罰函數添加到費用上去，定義離網狀態下的目標函數：
[0063] F(soc) =deff+Af (6)
[0064] 即通過公式(4)和公式(5)組成公式(6)的目標函數。其中f為網損函數，λ為將網損 函數f轉換為費用相關的系數。光儲微電網的可控的變量只有蓄電池的出力功率，通過人工 智能算法求解公式(6)的目標函數，能得到優化后的電池 soc值。
[0065]再通過soc值與蓄電池功率的轉換函數來計算t至t+At時間段內蓄電池的輸出功 率：
[0066] (7)
[0067] SUUt+AtyyLT/iA υμ、」e HiW也荷電狀態;SOCt為t時刻的蓄電池荷電狀態;Cbat 為蓄電池的容量。通過公式(7)得到優化后的電池功率。如果預測出的下一周期負荷功率大 于內蓄電池的輸出功率加光伏發電功率，則需要甩負荷。
[0068] 步驟S150~S170所描述的離網狀態下的調度優化，將電池壽命函數轉化為每次調 度費用的目標函數，電池充電深度和放電率對電池壽命影響很大，并且上述光儲微電網的 經濟調度方法調度優化的控制變量只有蓄電池的輸出功率，而離網狀態下的電能有限，上 述方法考慮網損因素，能有效使電能利用最大化。所以，通過公式的轉換，該目標函數十分 適合光儲微電網在離網狀態下的調度優化。
[0069]同時提供一種離網狀態下光儲微電網的能量管理系統。
[0070] 一種離網狀態下光儲微電網的能量管理系統，包括預測模塊和經濟調度模塊。預 測模塊包括：
[0071] 光伏及天氣數據獲取單元，用于獲取光伏發電數據及相關的歷史天氣數據。
[0072] 理論功率計算單元，用于根據歷史天氣數據和光伏發電數據計算歷史上光伏發電 的理論功率。
[0073]光伏數據整理單元，用于將各理論功率與歷史上的實際功率進行比較，剔除相對 誤差大于第一閾值的實際功率并用相應的理論功率進行代替。
[0074] 光伏功率預測單元，用于根據歷史上的實際功率替代后的理論功率以及相應的歷 史天氣數據，采用預測算法預測光伏發電功率。
[0075] 負荷功率預測單元，用于預測負荷功率。
[0076]經濟調度模塊包括：
[0077] 負荷判斷單元，用于比較光伏發電功率預測值和負荷功率預測值的大小。
[0078] 充電單元，用于在光伏發電功率預測值大于負荷功率預測值時通過光伏對蓄電池 充電。
[0079] 甩負荷單元，用于在光伏發電功率預測值小于負荷功率預測值時，計算蓄電池的 輸出功率，在負荷功率預測值大于光伏發電功率預測值與蓄電池的輸出功率之和的情況下 甩負荷。其中計算蓄電池的輸出功率，是以電池壽命費用最小化、能源使用最大化為目標函 數，考慮網損，計算蓄電池最優荷電狀態，再通過蓄電池最優荷電狀態計算蓄電池的輸出功 率。
[0080] 以上所述實施例的各技術特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實 施例中的各個技術特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特征的組合不存 在矛盾，都應當認為是本說明書記載的范圍。
[0081] 以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并 不能因此而理解為對發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來 說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護 范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
【主權項】
1. 一種離網狀態下光儲微電網的能量管理方法，包括： 獲取光伏發電數據及相關的歷史天氣數據； 根據所述歷史天氣數據和光伏發電數據計算歷史上光伏發電的理論功率； 將各所述理論功率與歷史上的實際功率進行比較，剔除相對誤差大于第一闊值的實際 功率并用相應的理論功率替代； 根據歷史上的實際功率、替代后的理論功率及相應的天氣數據，采用預測算法預測光 伏發電功率； 預測負荷功率； 比較預測的光伏發電功率和負荷功率，若所述光伏發電功率大于負荷功率，則通過光 伏對蓄電池充電;若所述光伏發電功率小于負荷功率，則計算所述蓄電池的輸出功率，在負 荷功率大于所述光伏發電功率與蓄電池的輸出功率之和的情況下甩負荷； 所述計算蓄電池的輸出功率，是W電池壽命費用最小化和能源使用最大化為目標函 數，計算蓄電池最優荷電狀態，再通過所述蓄電池最優荷電狀態計算蓄電池的輸出功率。2. 根據權利要求1所述的離網狀態下光儲微電網的能量管理方法，其特征在于，所述歷 史天氣數據包括氣溫和太陽福射強度。3. 根據權利要求2所述的離網狀態下光儲微電網的能量管理方法，其特征在于，所述根 據所述歷史天氣數據和光伏發電數據計算歷史上光伏發電的理論功率的步驟采用如下方 式進行計算： Ps = 1000riSG[ 1-0.005(Tmod巧5)]; 其中Ps是光伏陣列的輸出功率，n是光伏陣列的光電轉換效率，S是光伏陣列的總面積，G 是光伏陣列接收到的太陽福射強度，TmDd是光伏陣列的太陽能板的工作溫度。4. 根據權利要求3所述的離網狀態下光儲微電網的能量管理方法，其特征在于，所述 Tmnd通過如下公式計算： Tmod = Tamd+30*G/1000; 其中Tamd為環境溫度。5. 根據權利要求1所述的離網狀態下光儲微電網的能量管理方法，其特征在于，所述W 電池壽命費用最小化和能源使用最大化為目標函數，計算蓄電池最優荷電狀態的步驟是通 過如下公式進行計算：其中SOC為所述蓄電M何電;IX念，麥數UO W麥數Ui刃化化電M的制造商提供的電池放電 深度和周期衰減進行擬合得到的參數，dR為額定安培-小時放電速率，Dr為額定放電深度，是 一個常數。6. 根據權利要求5所述的離網狀態下光儲微電網的能量管理方法，其特征在于，還包括 為所述目標函數引入網損的步驟， F(SOC) =deff+入 f ; 其中f為網損函數，A為將所述f轉換為費用相關的系數，且其中ri為支路i的電阻，Pi、化分別為支路i末端各個時間段內流過的有功功率和無功功 率，Vi為支路i末端的節點電壓，b為支路數，ki為開關i的狀態變量，O表示打開，1代表閉合。7. 根據權利要求5或6所述的離網狀態下光儲微電網的能量管理方法，其特征在于，所 述通過所述蓄電池最優荷電狀態計算蓄電池的輸出功率的步驟是通過如下公式進行計算：其中SOCt+At為t+At時刻的畜電泄何電狀態；SOCt刃t町刻的蓄電池荷電狀態;Pbat-t為t 至t+At時間段內蓄電池功率;Cbat為蓄電池的容量。8. 根據權利要求1所述的離網狀態下光儲微電網的能量管理方法，其特征在于，所述第 一闊值的取值范圍為0.3~0.5。。9. 根據權利要求1所述的離網狀態下光儲微電網的能量管理方法，其特征在于，述采用 預測算法預測光伏發電功率的步驟和所述預測負荷功率的步驟，均是采用支持向量機的方 式進行預測。10. -種離網狀態下光儲微電網的能量管理系統，包括預測模塊和經濟調度模塊，其特 征在于，所述預測模塊包括： 光伏及天氣數據獲取單元，用于獲取光伏發電數據及相關的歷史天氣數據； 理論功率計算單元，用于根據所述歷史天氣數據和光伏發電數據計算歷史上光伏發電 的理論功率； 光伏數據整理單元，用于將各所述理論功率與歷史上的實際功率進行比較，剔除相對 誤差大于第一闊值的實際功率并用相應的理論功率替代； 光伏功率預測單元，用于根據歷史上的實際功率、替代后的理論功率及相應的天氣數 據，采用預測算法預測光伏發電功率； 負荷功率預測單元，用于預測負荷功率； 所述經濟調度模塊包括： 負荷判斷單元，用于比較光伏發電功率預測值和負荷功率預測值的大小； 充電單元，用于在所述光伏發電功率預測值大于負荷功率預測值時通過光伏對蓄電池 充電； 甩負荷單元，用于在所述光伏發電功率預測值小于負荷功率預測值時，計算所述蓄電 池的輸出功率，在負荷功率預測值大于所述光伏發電功率預測值與蓄電池的輸出功率之和 的情況下甩負荷;所述計算蓄電池的輸出功率，是W電池壽命費用最小化和能源使用最大 化為目標函數，計算蓄電池最優荷電狀態，再通過所述蓄電池最優荷電狀態計算蓄電池的 輸出功率。
【文檔編號】H02J3/38GK105914769SQ201610288913
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月3日
【發明人】陳智慧, 朱梅梅, 張濤, 于瑋, 徐海波
【申請人】易事特集團股份有限公司