能量管理系统(EMS)

能量管理系统
1 微电网结构
制器开关断路器敏感
负荷一般负荷电力传输线信息流线
图1 微电网结构图
图1微电网的结构图[1][2]，它通过隔离变压器、静态开关和大电网相连接。

微电网中绝大部分的微电源都采用电力电子变换器和负载相连接，使其控制灵活。

微电网内部有三条馈线，其中馈线A 和B 上连接有敏感负荷和一般负荷，根据用电负荷的不同需求情况，微电源安装在馈线上的不同位置，而没有集中安装在公共馈线处，这种接入形式可以减少线路损耗和提供馈线末端电压支撑。

馈线C 上接入一般负荷，没有安装专门的微电源，而直接由电网供电。

每个微电源出口处都配有断路器，同时具备功率和电压控制器，在能量管理系统的控制下，调整各自功率输出以调节馈线潮流。

当监测到大电网出现电压扰动等电能质量问题或供电中断时，隔离开关S 1动作，微电网转入孤岛运行模式，以保证微电网
内重要敏感负荷的不间断供电，同时各微电源在能量管理系统的的控制下，调整功率输出，保证微电网正常运行。

对于馈线Ａ、Ｂ、Ｃ上的一般负荷，系统则会根据微电网功率平衡的需求，将其切除。

2负荷分类、要求及接入设备功能
2.1负荷分类与要求
根据负荷对电力需求的特性可将负荷分为基本两大类[3]：
敏感负荷：对这一级负荷断电，将造成人身事故、设备损坏，将生产废品，使生产秩序长期不能恢复，人民生活发生紊乱等，这是敏感负荷中的重要负荷。

由于供电中断会造成大量减产、人民生活会受到较大影响的用户负荷，这是敏感负荷中的比较重要的负荷。

一般负荷（非敏感负荷）：敏感负荷以外的属于一般负荷。

可视为一个可控的负荷参与微电网的能量调度，并且在适当的时候（孤网模式时）可中断其供电，以此确保敏感负荷的正常供电。

要求：敏感负荷，保证不间断供电以及较高的供电质量，并由独立电源供电。

非敏感负荷，对供电方式无特殊要求。

2.2负荷接入设备功能
(1)负荷通断控制
在正常情况下，敏感负荷与一般负荷均应正常供电，当微电网系统因事故出现功率缺额或运行在孤岛模式，应采取切断一般负荷，确保敏感负荷的正常供电。

(2)负荷保护
具有自动跳闸和电动合闸功能，可切断故障电流，发挥保护作用。

(3)微电网功率平衡控制－自动低频减载[4]
当微电网系统因事故出现功率缺额时，其频率将随之急剧下降，自动低频减载装置的任务是迅速断开相应数量的一般负荷，使系统频率在不低于某一允许值的情况下，达到有功功率的平衡，以确保微电网系统安全运行。

(4)负荷监测
提供微电网线路负荷的实时数据包括负荷功率，线路电流情况。

对所有线路进行监控，对大负荷及超负荷提供预警和报警信号。

3微电源分类、特点、工作方式及接入设备功能
3.1微电源分类与特点[5]
光伏电池无废气排放、无化石燃料消耗，采用与建筑物集成在一起的模块可联合生产低温热能为房间供暖。

但输出的功率由光能决定，因此是断续的，不能与负荷完全匹配，因此常常需要蓄电池或其他辅助系统。

一般光伏电池发电模块拥有最大功率点跟踪(MPPT)功能、电池板监测和保护功能、逆变并网等功能，以保证光伏电池能够可靠、安全地运行。

微型燃气轮机，具有体积小、质量轻、发电效率高、污染小、运行维护简单可以统一调度。

微型燃气轮机模块具有气体温度、压力、流量测量、燃料供给、燃料注入控制、热量处理、转速监控，气体污染物监测、功率调节及并网等功能。

具有电力电子转换和控制接口的微型燃气轮机可跟随电网的电压和频率变化，主要起负荷跟踪和削峰填谷的作用。

它的另一个作用是完成基本的有功功率控制的同时，可调节系统输出的无功功率，实现电压调节和功率因数的调整。

因此是目前最成熟、最具有商业竞争力的分布式电源之一。

3.2微电源典型工作方式
(1)光伏电池具有MPPT和定电压两种工作方式。

当工作在MPPT工作方式且无功功率可调时遵循Q-V下垂特性。

当工作在定电压工作方式时遵循P-f下垂特性。

(2)微型燃气轮机可工作在功率可调的运行方式或定功率的运行方式。

当工作在功率可调的方式时遵循P-f下垂特性和Q-V下垂特性。

在此工作方式下，微型燃气轮机可作为具有自适应调节功能的调节电源，快速跟踪负荷有功功率和无功功率的变化。

当工作在定功率的方式时按照设定值输出有功功率和无功功率。

3.3微电源接入设备功能
由于光伏电池电压等级低，需采用DC-DC中的Boost电路升压至合适的电压等级，然后通过逆变把直流电变换为标准的交流电，供给负荷或并入电网。

即经过DC-DC-AC变换接入微电网。

并可根据系统稳定运行要求自动切换工作方式的功能。

微型燃气轮机为不稳定的交流电源，需要先变为直流电，然后通过逆变技术变成标准的交流电，供给负荷或并入电网，即经过AC-DC-AC变换接入微电网。

并可根据系统稳定运行要求自动切换工作方式的功能。

3.4微电源控制功能
微电源的基本控制由微电源控制器完成，主要功能包括微电源自身的调节功能即微电源机组工作方式的切换。

能量调节功能包括有功/无功控制、电压/频率调节、孤岛模式下负荷分配/电压、频率调节等。

3.4.1微电源工作方式的切换
根据微电网负荷用电需求并结合微电源控制策略切换微电源的工作方式。

(1)对于光伏电池在MPPT和定电压模式之间切换。

(2)微型燃气轮机可工作在定功率与功率可调的模式两种方式下。

在功率可调时
可工作低位运行和高位运行两种方式下。

(3)储能装置根据蓄电池的荷电状况以及此时的负荷是需求，蓄电池可工作在充
电模式与放电模式。

3.4.2能量调节功能
(1)有功功率调节
在并网运行模式时，系统的频率是固定，微电源发送分配好的有功功率，在孤网运行模式下，通过快速的电力电子装置，根据P-f下垂特性，调节微电源的输出有功功率使功率输出与负荷需求保持平衡。

(2)无功功率调节
在并网运行模式下，能量控制器监测负荷和无功的变化，通过储能装置进行无功调节，并补偿无功，维持系统功率平衡。

在孤网运行模式下，应具备三个功能⑴根据预先设定的Q-V特性阻止末端电压偏压；⑵参与特定负荷线路的电压调整；⑶根据负荷设定的功率因数补偿无功。

电压调节：通过调节微电源电压的幅值，相角，与系统要求相匹配，而且负荷和微电网的功率因数可得到控制。

功率因数调节：当电动机启停时负载的功率因数是变化的，可以影响到微电网的电压稳定。

通过调节微电源无功输出使负载的功率因数保持在预先设定的工作点。

对分布式电源的控制除了满足以上要求外，微电源自身还应具有以下功能：(1)通信功能
接受能量管理系统的调度，同时上传自身的各种状态信息。

(2)辅助的电能质量改善功能
微电源在自身不对电网造成污染的前提下，能在一定程度上对电网进行谐波
抑制和不平衡补偿等。

(3)保护功能
微电网内部有数量众多的分布式电源，且它们之间的距离短，这就造成了短路电流的急剧增大，而传统的继电保护装置因时效性难以起到应有的保护作用，严重威胁了电力电子设备的安全，所以分布式电源自身必须具备各种可靠的保护功能(如过压、过流及故障等)。

4储能装置分类、特点、工作方式及接入设备功能
4.1储能装置的分类与特点[5]
铅酸蓄电池尽管能量密度小，但功率密度高、放电时间长、由于技术成熟性价比高，因此成为当今使用最为广泛的蓄电池。

当蓄电池作为调节电源时，每次调度之前应先检查蓄电池的剩余容量，若负荷低谷时蓄电池容量已经达到90%以上，则不给蓄电池充电;若剩余容量低于20%则暂时不用蓄电池，将它作为负载进行充电(负荷高峰时不充电)一直到容量达到80%以上为止，否则作为电源参加经济调度。

4.2典型工作方式
蓄电池可工作在功率可调的运行方式或定功率的运行方式。

当工作在功率可调的方式时遵循P-f下垂特性和Q-V下垂特性。

在此工作方式下，蓄电池组可作为具有自适应调节功能的调节电源，快速跟踪负荷有功功率和无功功率的变化。

当工作在定功率的方式时按照设定值输出有功功率和无功功率。

4.3装置接入设备功能
蓄电池为直流电源，由于他们的电压等级低，需采用DC-DC中的Boost电路升压至合适的电压等级，然后通过逆变把直流电变换为标准的交流电，供给负荷或并入电网。

即经过DC-DC-AC变换接入微电网。

蓄电池控制器具有对蓄电池电压、电流、储能的监控功能，还有充放电功能和启停限定功能。

蓄电池充电时，能量管理系统主要监视蓄电池的充电状态、综合健康度和安全中断标准。

主要监测的参数有：电压、电流和温度。

当对蓄电池的所有状态检查完成后，蓄电池的充电定时器开始启动。

如果检测到蓄电池超过临界安全值，则充电暂停，如果故障持续时间超过一定的值，则停止对蓄电池充电。

并可根据系统稳定运行要求自动切换工作方式的功能。

5系统运行目标与策略
5.1联网模式下的运行目标与策略
在正常情况下，微电网并网运行，由大电网提供刚性的电压和频率支撑，内部微电源工作在电压源或电流源状态，在能量管理系统控制下，调整各自的功率输出。

微电网和大电网共同承担内部负荷。

并网运行时，微电网能量管理的协调方案为：
(1)光伏发电一直保持MPPT模式；
(2)检测储能装置的荷电状况以确定是否充电。

当检测到蓄电池未充满时应充
电，若充满就停止充电。

能量控制器检测负荷和无功的变化。

在联网模式时，蓄电池不参与供电。

仅通过储能装置进行无功调节，并补偿无功，维持功率平衡，维持系统稳定的作用。

(3)微型燃气轮机在联网模式时不参与供电。

(4)微电网能量管理器将增加与各级微电源之间的通信协调工作。

并网运行发生故障时，由于微电源的分布式特性，可由微电源能量管理系统迅速定位故障点位置。

当故障点在微电网内部时，由微电网能量管理控制器通过综合各微电源的信息给出相应调整；当故障点在微电网外部时，通过主网调度中心与各高级调度中心相互通信以确定故障严重程度。

如超出自身调节能力，相应微电网可选择与主网断开，进入孤岛运行，这样可同时保证主网与微电网的安全稳定运行。

5.2孤岛模式下的运行目标与策略[6] [7] [8]
当大电网出现电压骤升、骤降、不平衡和谐波等电能质量问题或有计划检修时，微电网转入孤岛运行模式，此时的电压和频率由内部各微电源负责调节。

负荷和微电源地投切常用来维持功率平衡以此确保微电网的电压和相角的恒定。

因此控制策略必须确保敏感负荷的正常供电。

微电网能量管理的协调方案为：⑴应切除可中断负荷确保微电网对敏感负荷的可靠供电，保证敏感负荷的正常工作；⑵光伏发电尽量一直保持MPPT模式（若需要可工作在电压限制模式）；⑶根据储能装置的运行状况，管理微型燃气轮机的投切和发电容量。

当储能装置吸收部分能量时，切除部分微型燃气轮机，当储能装置释放能量时，投入部分微型燃气轮机来供电；⑷能量控制器检测负荷和无功的变化，通过微型燃气轮机或储能装置进行P、Q调节，并无功补偿，维
持功率平衡，保证供电质量。

在孤网模式下各微电源协调控制策略：
(1)光伏电池应保持MPPT模式，当光伏电池输出大于负荷消耗且蓄电池充满
时，应工作在定电压模式。

(2)蓄电池储能为0，光伏输出持续增加但小于负荷消耗时，蓄电池停止运行。

光伏输出超过微电网负荷消耗，蓄电池未充满。

蓄电池充电。

光伏输出小于负荷消耗时或光伏输出为零，蓄电池有储能，应工作在放电模式。

(3)当光伏输出超过微电网负荷消耗，应工作在低输出运行模式。

当负荷需求持
续增加，光伏电池和蓄电池已不能满足负荷用电需求，微型燃气轮机则增加输出功率。

光伏发电结束且储能装置储能为零，则完全由微型燃机轮机供电。

5.3PCC接入监控设备的功能与要求
微电网PCC的各种状态信息包括系统电压、电流、有功、无功、频率、功率因数等参数以及各个微电源的状态信息能上传给能量管理系统，能量管理系统根据这些参数制定控制方案，发布命令。

6微电网能量管理系统的功能与实现方法
微电网能量管理系统具有数据综合处理、方案制定、命令发布及与微电网并网功能，主要包括对微电源的控制、储能装置管理、负荷管理、来电自动并网、断电或故障自动进入孤岛运行的控制功能等[9]。

(1)方案制定、命令发布
经过通信上传的PCC点，各微电源控制器，断路器，负荷节点的各种参数，经过综合数据处理，制定微电源的投切、工作方式切换、功率输出等调节，断路器的通断等控制策略。

然后把这些设定值与控制命令发送各调节装置。

维持微电网的正常运行。

(2)对微电源的控制功能
根据能量管理系统的控制命令改变微电源的工作方式，并且按照发送的设定值调节微电源的功率输出。

能量管理系统检测调节电源的输出特性。

当负荷需求增大时，通知微电源增加输出功率。

当负荷需求减少且蓄电池充满时，则通知微电源减少输出功率或关闭某些微电源。

(3)储能装置的管理
蓄电池充放电与电压、功率管理，可检测蓄电的充放电状态，并且根据系统需求对其进行充放电管理，并能控制储能装置的工作方式。

以及输出有功、无功功率，参与有/无功率调节。

(4)负荷管理
根据检测到的负荷大小分配微电源的出力，保持微电源与负荷之间的平衡，在微电网孤网运行时，切除一般负荷，确保敏感负荷的正常供电。

(5)模式切换与通断控制
当检测大电网来电时，能自动的将微电网由孤网运行模式过渡到并网运行模式下。

当并网后发生故障且故障点在微电网外部时，通过主网与各微电网相互通信以确定故障严重程度。

如超出自身调节能力，相应微电网可选择与主网断开，进入孤岛运行。

并可实现两种运行模式的无缝转换。

并根据微电网的工作状态发布微电源与断路器逻辑控制控制命令。

当满足投切条件时，能量管理系统通知微电源控制器和各断路器动作，完成预定的投切操作，以减少或增加输电线路的功率，确保微电网系统的功率平衡。

7微电网能量管理系统的组成结构与实现方案
7.1建立模型
建立了典型的微电网模型，包括微电网的电压等级、接线方式、运行方式、负荷模型、微电源类型、容量以及位置的确定并建立合适的微电源仿真模型。

1.电压等级：380V/220V
2.接线方式：微电网接线采用放射式接线。

运行方式：并网运行、孤岛运行
3.负荷模型：采用恒功率静态模型来表示馈线上各节点的负荷，同时假设负荷
三相对称。

(1)负荷类型：敏感负荷非敏感负荷（可中断负荷）
(2)负荷大小最大负荷：敏感负荷与一般负荷功率需求之和为最大负荷。

最小负荷：取最大负荷的30%为最小负荷。

4.微电源类型: 微型燃气轮机、光伏电池、储能装置（铅酸蓄电池）。

5.微电源发电容量确定：微电源的额定功率应该与敏感负荷峰值功率需求相匹
配。

6.微电源位置确定[10]：可选择在线路中间偏末端的位置。

7.2微电网能量管理
(1)微电源管理
根据微电网的拓扑结构制定相应的控制策略
在并网模式时，应预先确定微电源的功率输出值，能量管理系统合理分配设定值给各个微电源。

并监控PCC点的电量参数，当出现无功不平衡时，并确定无功补偿量，分配这个值于储能装置，使储能装置发无功，维持系统功率平衡。

并根据并网运行模式下微电源协调控制策略投切微电源。

在孤网模式运行时，根据负荷需求确定微电源的功率输出值，能量管理系统合理分配设定值与各微电源。

根据预先设定的ＶＱ特性阻止末端电压偏压；参与特定负荷线路的电压调整；根据负荷设定的功率因数补偿无功。

通过能量管理系统把这个这分配给调节微电源。

维持电压稳定。

能量管理系统根据能量管理控制算法确定设定值，分配给各微电源参与系统的调节，以确保系统的稳定运行。

(2)储能装置的充放电管理
能量管理系统主要监视蓄电池的充电状态、综合健康度和安全中断标准。

按照能量管理系统的控制指令充放电。

(3)负荷管理
提供负荷跟跟随功能，实时检测负荷大小，在并网模式下，负荷的供电主要由大电网提供。

在孤网模式运行时，一般负荷被切除，根据检测到的负荷大小，分配微电源的出力，保持微电源与负荷之间的平衡。

7.3能量管理系统通讯与控制功能
微电网能量管理系统具有数据综合处理、方案制定、命令发布及与微电网并网功能，主要包括对微电源的管理、储能装置管理、负荷管理、断网与并网的控制功能等。

各控制器经过通讯线路上传各自的状态信息，包括的PCC点电网参数，各微电源输出特性参数，断路器通断状态，负荷的各种电量参数，经过能量管理系统的综合数据处理，制定微电源的投切、工作方式切换、功率输出等调节，断路器的通断等控制策略。

然后把这些设定值与控制命令发送各调节装置，维持微电网的正常运行。

7.3.1上传信息：
(1)PCC点：通过大电网监控装置上传大电网的各种参数包括大电网的电压、频
率、相位角等。

在联网运行模式下，将大电网电压、频率与微电网当前电压和频率做比较，分析是否同步，如果偏差超过允许范围将调节储能装置和光伏电池的功率输出，以尽快与大电网同步。

(2)光伏电池功率电压控制器：上传光伏电池的工作方式（MPPT/定电压），输
出电压、电流、频率，有功功率、无功功率等参数值。

(3)储能装置（蓄电池）功率电压控制器：上传储能当前的工作方式、充放电的
电压、电流，输出时有功功率、无功功率等参数值，荷电状态等。

(4)微型燃气轮机功率电压控制器：上传微型燃气轮机的运行状况（是否投入运
行、低位运行、高位运行、）工作方式、输出电压、电流、频率，有功功率、无功功率等参数值。

(5)负荷参数：包括负荷的大小，电压、电流，频率，功率因数等。

(6)各断路器的通断状况。

7.3.2发送命令:
(1)PCC点的信息
在联网运行模式下，将大电网电压、频率与微电网当前电压和频率做比较，分析是否同步，如果偏差超过允许范围能量管理系统计算无功功率补偿量，并把这个值传送给储能装置。

命令储能装置发送无功，维持系统平衡。

当监测到大电网出现电压扰动等电能质量问题或供电中断时，通知隔离开关S1动作，微电网转入孤岛运行模式。

当大电网来电时，检测当前大电网与微电网的电压、频率、相位角，若微电网与电网不同步，能量管理系统计大电网与微电网的参数差额，计算出补偿量，把这设定值通知给运行中的微电微电网。

调节功率输出，尽快与大电网的同步。

(2)光伏电池
1)在联网运行模式下：能量管理系统通知其一直工作在MPPT方式下。

2)在孤网运行模式下：当光伏电池输出大于负荷消耗并且储能装置充满时，通知光伏电池控制器改变运行方式，工作在定电压方式下，否则应一直保持工作在MPPT方式。

当光伏电池输出为0时，通知光伏电池控制器停止运行。

(3)储能装置
根据负荷需求与荷电状况确定其充放电与工作方式
1)联网运行模式时：能量管理系统发送命令与储能装置，仅工作在充电的工作方式下，当检测到储能装置未充满时，蓄电池充电。

若充满，则停止充电。

2)孤网运行模式时：蓄电池储能为0，光伏输出持续增加但小于负荷消耗时，蓄电池停止运行。

光伏输出超过微电网负荷消耗，蓄电池未充满，通知蓄电池控制器工作在充电方式。

光伏输出小于负荷消耗时或光伏输出为零，并检测到储能装置有储能，通知储能装置放电。

当储能装置输出为0时，通知储能装置控制器停止运行。

(4)微型燃气轮机
1)在联网运行模式时，能量管理系统通知微型燃气轮机不投入运行。

2)在孤网运行模式时，当光伏输出超过微电网负荷消耗，通知微型燃气轮机工作在低输出运行模式。

当负荷需求持续增加，光伏电池和蓄电池已不能满足负荷用电需求，微型燃气轮机则增加输出功率。

当储能装置与光伏电池输出为零时，通知两个微型燃气轮机完全供电。

(5)各断路器的通断控制
1)在联网运行模式时，应密切监视个断路器的通断，当某条支路或节点电压、电流过高时，应迅速切断该支路或节点的断路器，并发送维修指令，通知维修人员快捷解除故障，保障负荷的正常供电。

2)在孤网运行模式时，通知隔离开关S1快速动作断开与大电网的连接，微电网进入孤网运行模式。

断路器S3、S11动作切断一般负荷的供电，确保敏感负荷的正常供电。

当微电网供电仍不满足敏感负荷需求时，应将敏感负荷中供电等级较低的较重要敏感负荷切除，通知断路器S6或S10动作，确保重要敏感负荷的正常供电。

(6)负荷的控制
在联网模式时，确保所有负荷的正常供电。

在孤网模式时，首先将一般负荷切除，确保敏感负荷的供电。

当储能装置与光伏电池输出均为0，且两微型燃气轮起完全供电，仍不能满足负荷需求时，应考虑将敏感负荷中供电优先级较低的负荷切除，命令所在支路的断路器断开。

保证重要敏感负荷的供电。

若系统存在两个或两个以上供电等级相同的较重要敏感负荷时，能量管理系统应采集当前较敏感负荷的大小，并结合。