基于微电网的充电、储能一体化的能源管理系统及方法

摘要

一种基于微电网技术的充电、储能一体化的能源管理系统，其包括分布式发电单元、充电单元、储能单元、区域供电单元以及能源管理系统：分布式发电单元、区域供电单元的输出端分别与储能单元、充电单元的输入端通过交流母线电连接；分布式发电单元的输出端同时与区域供电单元的输出端通过交流母线电连接；能源管理系统包括分布式监控单元、BMS单元、电负荷监控单元、充电监控单元、计量计费单元、环境监控单元、主监控单元、操作界面单元；分布式监控单元与分布式发电单元电连接；BMS单元与储能单元电连接；电负荷监控单元与区域供电单元电连接；充电监控单元与充电单元电连接；计量计费单元与充电单元电连接；环境监控单元设置在分布式发电单元内。

说明书

技术领域

本发明涉及区域电网电力供应管理技术领域，特别涉及一种基于微电网 的充电、储能一体化的能源管理系统及方法。

背景技术

近年来城市燃油汽车数量的高速增长，燃油汽车废气已成为城市雾霾、 PM2.5等环境问题的重要因素之一。新能源电动汽车作为一种发展前景广阔 的绿色交通工具，正受到各国政府的积极推进，电动汽车获得突飞猛进的发 展。

随着电动汽车充换电技术的成熟和电动汽车大规模的推广使用，电动汽 车配套充电设备的数量将快速增长。用于家用新能源电动汽车的充电桩有交 流充电桩和直流充电桩两种，单个交流充电桩充电功率通常为2—7KW，单 个直流充电桩充电功率通常为20—70KW，一个充电站通常包含几个至几十 个不等的充电桩，需要为其匹配的变压器容量通常更需要几百甚至上千 KVA。而小区、CBD、学校、公路停车场或服务区等单位的供电系统在建设 之初并没有考虑到充电桩建设的负荷情况，前期匹配的变压器容量较小，可 允许建设的充电桩数量极其有限，此问题将阻碍新能源电动汽车的发展。

目前，常规的做法为升级原有变压器容量或者为充电站新建输电专线， 此两种不仅可能需要改造输电线路，投资较大，而且受限于上一级变压站总 容量的限制，升级或者新建变压器容量有限。因此区域电网电力供应问题将 严重制约电动汽车充电桩的建设，从而阻碍新能源电动汽车的发展。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于微电网的充电、 储能一体化的能源管理系统及方法。

一种基于微电网技术的充电、储能一体化的能源管理系统，其包括分布 式发电单元、充电单元、储能单元、区域供电单元以及能源管理系统；

分布式发电单元、区域供电单元的输出端分别与储能单元、充电单元的 输入端通过交流母线电连接；分布式发电单元的输出端同时与区域供电单元 的输出端通过交流母线电连接；

能源管理系统包括分布式监控单元、BMS单元、电负荷监控单元、充 电监控单元、计量计费单元、环境监控单元、主监控单元、操作界面单元；

分布式监控单元与分布式发电单元电连接；BMS单元与储能单元电连 接；电负荷监控单元与区域供电单元电连接；充电监控单元与充电单元电连 接；计量计费单元与充电单元电连接；环境监控单元设置在分布式发电单元 内；分布式监控单元、BMS单元、电负荷监控单元、充电监控单元、计量 计费单元、环境监控单元以及操作界面单元分别与主监控单元电连接。

在本发明所述的基于微电网技术的充电、储能一体化的能源管理系统 中，

所述分布式发电单元包括风力发电站、太阳能光伏电站、分布式燃气电 站、第一变流器、第二变流器、第三变流器、第一开关、第二开关、第三开 关；风力发电站、太阳能光伏电站、分布式燃气电站分别依次与第一变流器、 第二变流器、第三变流器的输入端电连接；第一变流器、第二变流器、第三 变流器的输出端依次分别与第一开关、第二开关、第三开关的输入端串联； 第一开关、第二开关、第三开关的输出端分别通过交流母线电连接到储能电 源的输入端、区域供电单元的输出端。

在本发明所述的基于微电网技术的充电、储能一体化的能源管理系统 中，

所述充电单元包括第四开关、第五开关、第六开关、第七开关、充电机、 多个充电桩；充电机的输入端与第四开关的输出端电连接；充电机的输出端 分别与多个充电桩的输入端电连接；充电机与多个充电桩之间分别串联一个 开关；所述开关包括第五开关、第六开关、第七开关；第四开关的输入端同 时电连接到区域供电单元的输出端、分布式发电单元的输出端的输出端。

在本发明所述的基于微电网技术的充电、储能一体化的能源管理系统 中，

所述储能单元包括储能模块、充电控制电路、放电控制电路；储能模块 分别与充电控制电路的输出端、放电控制电路的输入端电连接；充电控制电 路的输入端同时电连接到区域供电单元的输出端、分布式发电单元的输出 端；放电控制电路的输出端电连接到充电单元的输入端。

在本发明所述的基于微电网技术的充电、储能一体化的能源管理系统 中，

所述区域供电单元包括电网、变压器、第八开关；电网、变压器、第八 开关的输入端依次串联；第八开关的输出端同时电连接到充电单元的输入 端、储能单元的输入端以及分布式发电单元的输出端。

在本发明所述的基于微电网技术的充电、储能一体化的能源管理系统 中，

所述主监控单元包括状态读取子单元、存储子单元、权值设置子单元、 BP神经网络学习子单元、处理子单元；存储子单元、权值设置子单元、BP 神经网络学习子单元分别与处理子单元电连接；权值设置子单元与BP神经 网络学习子单元电连接；状态读取子单元、与存储子单元电连接；

状态读取子单元用于读取各种信息，读取各种信息包括读取分布式监控 单元发送的分布式发电单元的发电量信息，读取BMS单元发送的储能单元 的电力量存储信息，读取电负荷监控单元发送的区域供电单元的电负荷信 息，读取充电监控单元发送的充电单元的充电桩运行状态信息、充电功率需 求信息、充电模式信息，读取计量计费单元发送的充电单元的电费计量信息， 读取环境监控单元发送的分布式发电单元的环境参数信息；并用于将各种信 息发送给存储子单元；

权值设置子单元用于设置各种信息的判断权值，并将判断权值发送给处 理子单元；

BP神经网络学习子单元用于接收处理子单元发送的决策值，并根据决 策值对判断权值进行修正，将修正后的权值发送给权值设置子单元；

处理子单元用于从存储子单元中读取各种信息，从权值设置子单元中读 取判断权值，根据判断权值以及各种信息生成确定充电单元的电力需求值、 分布式发电单元发电量、分布式发电单元为充电单元供电的决策值；并将决 策值发送到分布式发电单元、充电单元、储能单元、区域供电单元以及BP 神经网络学习子单元。

本发明还提供一种基于微电网的充电、储能一体化的能源管理方法，其 通过上述的基于微电网的充电、储能一体化的能源管理系统实现，依次包括 如下步骤：

S1、主监控单元获取各种信息，各种信息包括分布式监控单元采集并发 送的分布式发电单元的发电量信息，BMS单元采集并发送的储能单元的电 力量存储信息，电负荷监控单元采集并发送的区域供电单元的电负荷信息， 充电监控单元采集并发送的充电单元的充电桩运行状态信息、充电功率需求 信息、充电模式信息，计量计费单元采集并发送的充电单元的电费计量信息， 环境监控单元采集并发送的分布式发电单元的环境参数信息；

S2、主监控单元获取步骤S1中的各种信息，并生成确定充电单元的电 力需求值、分布式发电单元发电量、分布式发电单元为充电单元供电的决策 值；并将决策值发送到分布式发电单元、充电单元、储能单元、区域供电单 元；

S3、判断充电单元的电力需求值是否得到分布式发电单元的满足，在充 电单元的需求值得到满足时，跳转到步骤S9，在充电单元的需求值未得到 满足时，跳转到步骤S4；

S4、判断区域供电单元的电负荷等级；在电负荷等级为1级时，跳转到 步骤S5；在电负荷等级为2级时，跳转到步骤S6；在电负荷等级为3级时， 跳转到步骤S7；

S5、区域供电单元暂停为充电单元供电；分布式发电单元为充电单元供 电，如果充电单元供电仍有不足，则启动储能单元为充电单元供电；跳转到 步骤S8；

S6、分布式发电单元、区域供电单元、储能单元按照优先顺序依次为充 电单元供电；跳转到步骤S8；

S7、分布式发电单元、区域供电单元为充电单元供电；分布式发电单元、 区域供电单元为储能单元充电；跳转到步骤S8；

S8、继续判断充电单元的电力需求是否仍有缺口；如果没有缺口，跳转 到步骤S9；如有仍有缺口，限制充电单元中使用的充电桩的数量并限制充 电桩的充电模式，跳转到步骤S9；

S9、结束本次电力管理流程。

在本发明所述的基于微电网的充电、储能一体化的能源管理方法中，

所述步骤S2依次包括：

状态读取子单元读取各种信息，读取各种信息包括读取分布式监控单元 发送的分布式发电单元的发电量信息，读取BMS单元发送的储能单元的电 力量存储信息，读取电负荷监控单元发送的区域供电单元的电负荷信息，读 取充电监控单元发送的充电单元的充电桩运行状态信息、充电功率需求信 息、充电模式信息，读取计量计费单元发送的充电单元的电费计量信息，读 取环境监控单元发送的分布式发电单元的环境参数信息；并用于将各种信息 发送给存储子单元；

权值设置子单元设置各种信息的判断权值，并将判断权值发送给处理子 单元；

处理子单元从存储子单元中读取各种信息，从权值设置子单元中读取判 断权值，根据判断权值以及各种信息生成确定充电单元的电力需求值、分布 式发电单元发电量、分布式发电单元为充电单元供电的决策值。

在本发明所述的基于微电网的充电、储能一体化的能源管理方法中，所 述步骤S2还包括：

处理子单元将决策值发送到BP神经网络学习子单元；

BP神经网络学习子单元接收处理子单元发送的决策值，并根据决策值 对判断权值进行修正，将修正后的权值发送给权值设置子单元。

本发明通过在充电站用户侧附件建立分布式新能源电站和储能电站，即 实现“新能源发电，新能源使用”，节约能源，有效解决了区域电网供电容 量不足的问题；采用集散能源监控管理方式，通过精确的配置计算方法，实 现分布式新能源发电、储能、充电一体化项目中能源的最优化匹配，在充分 利用清洁能源条件下有效解决了一体化系统与区域电网的运营稳定性问题。

附图说明

图1是本发明实施例的基于微电网技术的充电、储能一体化的能源管理 系统结构框图；

图2是图1中分布式发电单元的结构框图；

图3是图1中充电单元的结构框图；

图4是图1中储能单元的结构框图；

图5是图1中区域供电单元的结构框图；

图6是图1中主监控单元的结构框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例提供一种基于微电网技术的充电、储能一体 化的能源管理系统，其包括分布式发电单元10、充电单元20、储能单元30、 区域供电单元40以及能源管理系统：

分布式发电单元10、区域供电单元40的输出端分别与储能单元30、充 电单元20的输入端通过交流母线电连接；分布式发电单元10的输出端同时 与区域供电单元40的输出端通过交流母线电连接。分布式发电单元10的输 出端同时与区域供电单元40的输出端通过交流母线电连接可以实现分布式 发电单元10在给充电单元20供电后仍有余量，可以与区域供电单元40进 行并网。区域供电单元40即普通市电网络。分布式发电单元10为靠近充电 站用户侧的发电设施，运行方式为自发自用、余电并上区域供电单元(市网)。

能源管理系统包括分布式监控单元51、BMS单元52(电池管理系统， BATTERYMANAGEMENTSYSTEM)、电负荷监控单元53、充电监控单 元54、计量计费单元55、环境监控单元56、主监控单元57、操作界面单 元58，还可以包括打印单元59。

分布式监控单元51与分布式发电单元10电连接；BMS单元52与储能 单元30电连接；电负荷监控单元53与区域供电单元40电连接；充电监控 单元54与充电单元20电连接；计量计费单元55与充电单元20电连接； 环境监控单元56设置在分布式发电单元10内；分布式监控单元51、BMS 单元52、电负荷监控单元53、充电监控单元54、计量计费单元55、环境 监控单元56以及操作界面单元58分别与主监控单元57电连接。可选地， 分布式监控单元51、BMS单元52、电负荷监控单元53、充电监控单元54、 计量计费单元55、环境监控单元56分别通过can总线与主监控单元57电 连接。操作界面单元58与主监控单元57采用RS485通信连接，可通过人 机操作/显示界面设置控制参数。可选地，操作界面单元58可以为LED人机 操作/显示屏。

可选地，如图2所示，

所述分布式发电单元10包括风力发电站11、太阳能光伏电站12、分布 式燃气电站13、第一变流器14a、第二变流器14b、第三变流器14c、第一 开关15a、第二开关15b、第三开关15c；风力发电站11、太阳能光伏电站 12、分布式燃气电站13分别依次与第一变流器14a、第二变流器14b、第 三变流器14c的输入端电连接；第一变流器14a、第二变流器14b、第三变 流器14c的输出端依次分别与第一开关15a、第二开关15b、第三开关15c 的输入端串联；第一开关15a、第二开关15b、第三开关15c的输出端分别 通过交流母线电连接到储能电源的输入端、区域供电单元40的输出端。可 选地，分布式发电单元10所发电力分别通过第一变流器14a、第二变流器 14b、第三变流器14c后转换380V电压等级。

可选地，如图3所示，

所述充电单元20包括第四开关21a、第五开关21b、第六开关21c、第 七开关21d、充电机22、多个充电桩；充电机22的输入端与第四开关21a 的输出端电连接；充电机22的输出端分别与多个充电桩的输入端电连接； 充电机22与多个充电桩之间分别串联一个开关；所述开关包括第五开关 21b、第六开关21c、第七开关21d；第四开关21a的输入端同时电连接到 区域供电单元40的输出端、分布式发电单元10的输出端的输出端。第四开 关21a可以在控制区域供电单元40、分布式发电单元10在电力紧张时，切 换充电机22与区域供电单元40的输出端、分布式发电单元10的输出端的 连通。多个充电桩比如第一充电桩23a、第二充电桩23b、第三充电桩23c。 本发明不限制充电桩的数量。

可选地，如图4所示，

所述储能单元30包括储能模块31、充电控制电路32、放电控制电路 33；储能模块31分别与充电控制电路32的输出端、放电控制电路33的输 入端电连接；充电控制电路32的输入端同时电连接到区域供电单元40的输 出端、分布式发电单元10的输出端；放电控制电路33的输出端电连接到充 电单元20的输入端。可选地，储能模块31可为锂电池组、铅酸电池组、镍 氢电池组或超级电容等储能设备的一种或者几种。通过设置充电控制电路32 以及放电控制电路33，可以实现在电力紧张时，储能单元30为充电单元20 供电；电力供应有余时，为储能单元30充电。

可选地，如图5所示，

所述区域供电单元40包括电网41、变压器42、第八开关43；电网41、 变压器42、第八开关43的输入端依次串联；第八开关43的输出端同时电 连接到充电单元20的输入端、储能单元30的输入端以及分布式发电单元 10的输出端。第八开关43可以实现在区域供电单元40电力紧缺时，停止 为储能单元30以及充电单元20供电。

可选地，如图6所示，

所述主监控单元57包括状态读取子单元571、存储子单元572、权值 设置子单元573、BP神经网络学习子单元574、处理子单元570；存储子单 元572、权值设置子单元573、BP神经网络学习子单元574分别与处理子 单元570电连接；权值设置子单元573与BP神经网络学习子单元574电连 接；状态读取子单元571、与存储子单元572电连接。

状态读取子单元571用于读取各种信息，读取各种信息包括读取分布式 监控单元51发送的分布式发电单元10的发电量信息，读取BMS单元52 发送的储能单元30的电力量存储信息，读取电负荷监控单元53发送的区域 供电单元40的电负荷信息，读取充电监控单元54发送的充电单元20的充 电桩运行状态信息、充电功率需求信息、充电模式信息，读取计量计费单元 55发送的充电单元20的电费计量信息，读取环境监控单元56发送的分布 式发电单元10的环境参数信息；并用于将各种信息发送给存储子单元572。 可选地，环境参数信息包括分布式发电单元10内的温度、湿度、光照度、 风速等环境参数。可选地，状态读取子单元571采集为实时采集的方式，可 选地，可以通过预先设置采集时间间隔，所述时间间隔可以若干分钟、或者 若干秒为单位。

权值设置子单元573用于设置各种信息的判断权值，并将判断权值发送 给处理子单元570。

BP神经网络学习子单元574用于接收处理子单元570发送的决策值， 并根据决策值对判断权值进行修正，将修正后的权值发送给权值设置子单元 573。

处理子单元570用于从存储子单元572中读取各种信息，从权值设置子 单元573中读取判断权值，根据判断权值以及各种信息生成确定充电单元 20的电力需求值、分布式发电单元10发电量、分布式发电单元10为充电 单元20供电的决策值；并将决策值发送到分布式发电单元10、充电单元20、 储能单元30、区域供电单元40以及BP神经网络学习子单元574。

本发明实施例还提供一种基于微电网的充电、储能一体化的能源管理方 法，其通过上述的基于微电网的充电、储能一体化的能源管理系统实现，依 次包括如下步骤：

S1、主监控单元57获取各种信息，各种信息包括分布式监控单元51 采集并发送的分布式发电单元10的发电量信息，BMS单元52采集并发送 的储能单元30的电力量存储信息，电负荷监控单元53采集并发送的区域供 电单元40的电负荷信息，充电监控单元54采集并发送的充电单元20的充 电桩运行状态信息、充电功率需求信息、充电模式信息，计量计费单元55 采集并发送的充电单元20的电费计量信息，环境监控单元56采集并发送的 分布式发电单元10的环境参数信息。

S2、主监控单元57获取步骤S1中的各种信息，并生成确定充电单元 20的电力需求值、分布式发电单元10发电量、分布式发电单元10为充电 单元20供电的决策值；并将决策值发送到分布式发电单元10、充电单元20、 储能单元30、区域供电单元40。

S3、判断充电单元20的电力需求值是否得到分布式发电单元10的满 足，在充电单元20的需求值得到满足时，跳转到步骤S9，在充电单元20 的需求值未得到满足时，跳转到步骤S4；

S4、判断区域供电单元40的电负荷等级；在电负荷等级为1级时，跳 转到步骤S5；在电负荷等级为2级时，跳转到步骤S6；在电负荷等级为3 级时，跳转到步骤S7。

为了明确表示区域电网电负荷等级，设置2个区域供电单元40的电负 荷阈值，对应的区域供电单元40的电负荷等级分别为1等级、2等级、3 等级；所述电负荷大于第一阈值，区域供电单元40的电负荷为第1等级； 所述区域电网电负荷为第1等级时，表明区域供电单元40的用电高峰期， 用电极其紧张，区域供电单元40禁止或限功率为充电单元20供电；区域电 网电负荷不大于第二阈值，对应区域供电单元40的电负荷等级为第3等级， 表明区域供电单元40的电负荷较小，区域供电单元40的电力剩余较多，允 许区域供电单元40可同时为充电单元20和储能单元30供电；所述区域供 电单元40电负荷等级大于第二阈值但不大于低于阈值，区域供电单元40电 负荷为第2等级，允许区域供电单元40为充电单元20供电，但禁止为储能 单元30充电。

S5、区域供电单元40暂停为充电单元20供电；分布式发电单元10为 充电单元20供电，如果充电单元20供电仍有不足，则启动储能单元30为 充电单元20供电；跳转到步骤S8；当电负荷为第1等级时，暂停区域供电 单元40输出，为充电单元20的优先等级以此为分布式发电单元10、储能 单元30；即分布式发电单元10优先为充电单元20供电，如有供电不足， 则启动储能单元30放电，为单元供电；反之，则不需启动储能单元30供电。

S6、分布式发电单元10、区域供电单元40、储能单元30按照优先顺 序依次为充电单元20供电；跳转到步骤S8。当区域电网电负荷等级为第2 等级时，为充电站供电单元的优先等级以此为分布式发电单元10、区域供 电单元40、储能单元30；即分布式发电单元10优先为充电单元20供电， 如分布式发电单元10不能满足充电单元20需求则启动区域供电单元40供 电。

S7、分布式发电单元10、区域供电单元40为依次充电单元20供电； 分布式发电单元10、区域供电单元40为储能单元30充电；跳转到步骤S8。

S8、继续判断充电单元20的电力需求是否仍有缺口；如果没有缺口， 跳转到步骤S9；如有仍有缺口，限制充电单元20中使用的充电桩的数量并 限制充电桩的充电模式，跳转到步骤S9。

S9、结束本次电力管理流程。

可选地，

所述步骤S2依次包括：

状态读取子单元571读取各种信息，读取各种信息包括读取分布式监控 单元51发送的分布式发电单元10的发电量信息，读取BMS单元52发送 的储能单元30的电力量存储信息，读取电负荷监控单元53发送的区域供电 单元40的电负荷信息，读取充电监控单元54发送的充电单元20的充电桩 运行状态信息、充电功率需求信息、充电模式信息，读取计量计费单元55 发送的充电单元20的电费计量信息，读取环境监控单元56发送的分布式发 电单元10的环境参数信息；并用于将各种信息发送给存储子单元572。

权值设置子单元573设置各种信息的判断权值，并将判断权值发送给处 理子单元570。由于各种信息，包括发电量信息、电负荷信息、充电桩运行 状态信息等信息有些存在相关性，有些没有明显的相关性，因此各个信息对 于处理子单元570作出供电的决策值的影响不同，因此可以根据影响不同设 置相应的判断权值。相应的判断权值可以预先通过实验获得。

处理子单元570从存储子单元572中读取各种信息，从权值设置子单元 573中读取判断权值，根据判断权值以及各种信息生成确定充电单元20的 电力需求值、分布式发电单元10发电量、分布式发电单元10为充电单元 20供电的决策值。

在本发明所述的基于微电网的充电、储能一体化的能源管理方法中，所 述步骤S2还包括：

处理子单元570将决策值发送到BP神经网络学习子单元574。

BP神经网络学习子单元574接收处理子单元570发送的决策值，并根 据决策值对判断权值进行修正，将修正后的权值发送给权值设置子单元573。 通过BP神经网络学习子单元574接收处理子单元570发送的决策值，并根 据决策值对判断权值进行修正，将初始判断权值、决策值作为输入值，将目 标决策值作为标准值，通过BP网络神经算法获得修正后的判断权值。从而 能够更精确地对分布式发电单元10发电量、分布式发电单元10为充电单元 20供电进行决策。

本发明通过在充电站用户侧附件建立分布式新能源电站和储能电站，即 实现“新能源发电，新能源使用”，节约能源，有效解决了区域电网供电容 量不足的问题；采用集散能源监控管理方式，通过精确的配置计算方法，实 现分布式新能源发电、储能、充电一体化项目中能源的最优化匹配，在充分 利用清洁能源条件下有效解决了一体化系统与区域电网的运营稳定性问题。

在以上实施例中，方法实施例也用做限定系统实施例各装置、系统的功 能。

可以理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技 术构思做出其它各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本 发明权利要求的保护范围。