一种零碳建筑光储直柔分布式能源系统动态调度方法与流程

本发明涉及分布式能源调度，具体为一种零碳建筑光储直柔分布式能源系统动态调度方法。

背景技术：

1、零碳建筑普遍采用光储直柔配电架构，光伏发电单元、储能电池及柔性负载通过直流母线耦合，能源路由器承担系统功率平衡与调度功能。直流母线电压的波动直接反映系统内部功率供需失衡，现有的调度方法多依赖固定参数的下垂控制，根据电压偏差按固定虚拟阻抗分配光伏与储能的出力。光伏发电单元受环境因素影响，其工作点可能在最大功率点附近摆动或因限功率而偏离，固定下垂系数无法反映光伏实时的可用功率能力，导致弃光或母线电压失稳。储能单元由多个电池单体串联或并联构成，各单体荷电状态差异普遍存在，固定下垂控制对所有单体等同对待，易加剧电量不均衡，缩短储能循环寿命。在柔性负载管理上，现有方法多采用通断控制或简单优先级卸载，未纳入负载允许断电时长与可调功率范围所表征的需求弹性，建筑用能舒适度与系统调节能力无法兼顾。在模式切换策略中，通常依据母线电压阈值硬性切换光伏优先、储能优先或电网交互模式，未结合柔性负载弹性系数决策光储柔协同模式。如何利用光伏最大功率点跟踪状态和储能电量均衡状态驱动下垂控制中虚拟阻抗的自适应调节，以及如何在模式切换仲裁中引入柔性负载功率需求弹性系数引导调度主模式的自适应选择，是尚待解决的问题。

技术实现思路

1、提供一种零碳建筑光储直柔分布式能源系统动态调度方法，解决现有技术未考虑光伏实时可用状态与储能均衡度导致的下垂控制适应性不足，以及模式切换未利用柔性负载功率需求弹性导致调度僵化的问题，实现基于动态虚拟阻抗与弹性协同的自适应能量调度。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明提供一种零碳建筑光储直柔分布式能源系统动态调度方法，响应于零碳建筑内直流配电母线的电压波动事件，由能源路由器的功率自适应接口采集光储直柔网络中光伏发电单元的最大功率点跟踪状态、储能单元的电量均衡状态以及柔性负载单元的功率需求弹性系数；依据最大功率点跟踪状态和电量均衡状态，在直流母线电压下垂控制环中嵌入动态虚拟阻抗调节函数，生成用于平衡光储直柔网络功率波动的初始调度指令；将该初始调度指令输入至能源路由器的模式切换仲裁器，结合柔性负载单元的功率需求弹性系数，从预置的多种分布式能源协同工作模式中选定当前时刻的能源调度主模式；根据选定的能源调度主模式，重新计算直流母线电压下垂控制环中动态虚拟阻抗调节函数的函数参数，并以所得函数参数修正初始调度指令，得到用于驱动双向直流变换器的脉宽调制信号；将脉宽调制信号分配给光伏发电单元、储能单元以及柔性负载单元对应的各个双向直流变换器，完成对零碳建筑光储直柔分布式能源系统的动态调度。该方法利用多源实时状态与柔性负载弹性协同，通过动态虚拟阻抗自适应调节下垂特性，并实时切换能源协同模式，能够快速平抑直流母线功率波动，提高光伏利用率，维持储能单元电量均衡，充分释放柔性负载的调节潜力。

3、优选的，在能源路由器的功率自适应接口中，分别与光伏直流变换器、储能电池管理系统以及柔性负载控制器的通信端口建立实时数据链路；从光伏直流变换器的通信端口读取光伏发电单元的输出电压和输出电流，通过比较相邻采样时刻的功率变化方向，确定光伏发电单元当前是否处于最大功率点跟踪状态；从储能电池管理系统的通信端口读取各个储能电池单体的荷电状态，计算储能单元内所有储能电池单体荷电状态的最大值与最小值的差值，根据该差值与预设均衡阈值的比较结果，确定储能单元的电量均衡状态；从柔性负载控制器的通信端口读取各个柔性负载的允许断电时长和可调节功率范围，将允许断电时长与可调节功率范围的乘积作为柔性负载单元的功率需求弹性系数。通过建立多通信链路同步采集多维状态特征，使调度指令能够精确反映系统实时运行条件。

4、进一步地，生成初始调度指令时，当光伏发电单元处于最大功率点跟踪状态，将其输出功率作为光伏可用功率，当未处于最大功率点跟踪状态，则将其额定功率作为光伏可用功率；根据储能单元的电量均衡状态，当储能电池单体荷电状态的最大值与最小值的差值小于预设均衡阈值时，将储能单元的总放电能力记为储能可放功率，当差值大于或等于预设均衡阈值时，将储能单元中荷电状态最低的储能电池单体的放电功率作为储能可放功率；将光伏可用功率与储能可放功率之和作为直流母线电压下垂控制环的参考功率，通过动态虚拟阻抗调节函数将该参考功率映射为直流母线电压的参考电压偏移量，以该参考电压偏移量修正下垂控制环的电压设定值，生成用于平衡光储直柔网络功率波动的初始调度指令。如此设置，可在光伏功率充裕或储能放电能力受限时自动调整母线电压参考值，引导功率合理流动。

5、作为本发明的一种优选实施方式，在能源路由器的模式切换仲裁器中，预置光伏优先模式、储能优先模式、负载跟随模式和电网交互模式作为分布式能源协同工作模式；将初始调度指令中的功率流向标识解析为功率注入标识或功率吸收标识，当功率流向标识为功率注入标识时，根据功率需求弹性系数的倒数与光伏可用功率的乘积，计算负载可削减因子，若负载可削减因子大于第一模式阈值，则选定光伏优先模式作为当前时刻的能源调度主模式，否则选定储能优先模式；当功率流向标识为功率吸收标识时，根据功率需求弹性系数与储能可放功率的乘积，计算储能可充电因子，若储能可充电因子大于第二模式阈值，则选定负载跟随模式作为当前时刻的能源调度主模式，否则选定电网交互模式。该方式结合柔性负载调节能力与储能可调容量进行动态决策，自适应切换最优协同模式。

6、根据选定的能源调度主模式重新计算动态虚拟阻抗调节函数的函数参数时，当主模式为光伏优先模式，将虚拟阻抗值设置为第一阻抗值，并将电压偏移系数设置为光伏可用功率与直流母线额定电压的比值；当主模式为储能优先模式，将虚拟阻抗值设置为大于第一阻抗值的第二阻抗值，并将电压偏移系数设置为储能可放功率与直流母线额定电压的比值；当主模式为负载跟随模式，将虚拟阻抗值设置为介于第一阻抗值和第二阻抗值之间的第三阻抗值，并将电压偏移系数设置为功率需求弹性系数与直流母线当前电压的乘积；当主模式为电网交互模式，将虚拟阻抗值设置为与能源路由器并网接口等效阻抗相等的第四阻抗值，并将电压偏移系数设置为零；采用设置后的动态虚拟阻抗调节函数重新计算参考电压偏移量，以重新计算得到的参考电压偏移量替换初始调度指令中的对应偏移量，生成脉宽调制信号。模式自适应的虚拟阻抗和偏移系数调整，使下垂特性在不同工况下与可用功率和负载弹性相匹配，增强了直流母线电压的稳定性。

7、在脉宽调制信号的分配过程中，于能源路由器的脉宽调制信号分配器中建立与光伏发电单元对应的光伏双向直流变换器的第一驱动通道、与储能单元对应的储能双向直流变换器的第二驱动通道以及与柔性负载单元对应的负载双向直流变换器的第三驱动通道；当脉宽调制信号中的功率流向标识为功率注入标识时，将脉宽调制信号中的占空比参数同时写入第一驱动通道和第二驱动通道，并禁止第三驱动通道的输出，使光伏和储能共同向母线注入功率；当功率流向标识为功率吸收标识且能源调度主模式为负载跟随模式时，将占空比参数写入第三驱动通道，并禁止第一驱动通道和第二驱动通道的输出，利用柔性负载消纳多余功率；当功率流向标识为功率吸收标识且能源调度主模式为电网交互模式时，将占空比参数同时写入第一驱动通道、第二驱动通道和第三驱动通道，实现与电网的能量交互。通过分通道按模式分配占空比，保证了不同变换器在各自工况下的协调动作，防止通道冲突并优化功率路径。

8、在确定光伏发电单元的最大功率点跟踪状态时，按照固定采样间隔从光伏直流变换器的通信端口读取多个采样时刻的输出电压值和输出电流值，将每个采样时刻的输出电压值与输出电流值的乘积作为该采样时刻的光伏瞬时功率值；计算相邻采样时刻光伏瞬时功率值的差值，若差值为正值记录功率变化方向为上升方向，若为负值记录为下降方向，统计连续三个采样间隔内的功率变化方向，若连续三次均为上升方向或连续三次均为下降方向且功率变化幅度超过预设扰动幅度阈值，则判定光伏发电单元未处于最大功率点跟踪状态，否则判定其处于最大功率点跟踪状态。该判定方式能够快速识别外界环境变化导致的光伏工作点偏移，提高调度指令的时效性。

9、在确定储能单元的电量均衡状态时，从储能电池管理系统的通信端口读取各储能电池单体的荷电状态值，提取其中的最大值和最小值并计算差值；将差值与预设均衡阈值进行比较，当差值小于预设均衡阈值时，将储能单元的电量均衡状态标记为均衡状态，当差值大于或等于预设均衡阈值时，标记为非均衡状态。准确反映电池组的不一致性，为调度提供可靠的均衡状态判据。

10、在计算柔性负载单元的功率需求弹性系数时，从柔性负载控制器的通信端口读取每个柔性负载的允许断电时长和可调节功率范围，将可调节功率范围中最大可调节功率值与最小可调节功率值的差值作为该负载的功率调节带宽；将允许断电时长与功率调节带宽的乘积作为该负载的功率需求弹性系数，对所有柔性负载的功率需求弹性系数求和，得到柔性负载单元的功率需求弹性系数。该系数综合了负载的调节容量与时间约束，更准确地量化柔性负载参与调度调节的潜力。

11、在生成初始调度指令的具体实现中，将光伏可用功率与储能可放功率送入加法器获得参考功率；将参考功率输入动态虚拟阻抗调节函数，函数内虚拟阻抗值与参考功率相乘形成第一中间量，电压偏移系数与参考功率相乘形成第二中间量，两者相加得到参考电压偏移量；从直流母线电压下垂控制环的电压设定值存储器中读取基础电压设定值，用基础电压设定值减去参考电压偏移量，得到修正后的电压设定值，将其写入下垂控制环的电压设定值寄存器，触发下垂控制环计算各双向直流变换器的初始占空比，并打包为初始调度指令。该机制依据系统发电和储能状态动态平移下垂曲线，在维持母线电压安全的同时优化功率分配。

12、在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点：

13、采集光伏发电单元输出电压和电流，比较相邻采样时刻功率变化方向判别最大功率点跟踪状态，当光伏未处于最大功率点跟踪状态时以额定功率作为可用功率，处于最大功率点跟踪状态时以实际输出功率作为可用功率。同时从储能电池管理系统获取各单体荷电状态，计算最大值与最小值差值，差值小于均衡阈值时以总放电能力作为储能可放功率，差值超出阈值时以荷电状态最低单体的放电功率作为储能可放功率。将光伏可用功率与储能可放功率之和作为参考功率，输入至嵌入下垂控制环的动态虚拟阻抗调节函数，通过虚拟阻抗值相乘与电压偏移系数相乘后叠加，计算参考电压偏移量，用该偏移量修正下垂控制电压设定值，生成初始调度指令。由此使下垂特性实时跟随光伏实际可用容量与储能均衡约束动态变化，消除固定阻抗参数在光伏限功率时造成的额外电压跌落，避免不均衡状态下弱单体过放，提升光储功率分配精度和直流母线电压刚性。在能源路由器的模式切换仲裁器中引入柔性负载单元功率需求弹性系数，该系数由各柔性负载的允许断电时长与可调节功率带宽的乘积求和所得。解析初始调度指令中的功率流向标识，当为功率注入标识时，取弹性系数的倒数与光伏可用功率的乘积算得负载可削减因子，与第一模式阈值比较，负载可削减因子大时选取光伏优先模式，电网负荷消纳压力小，反之选取储能优先模式，利用储能吸收余电；当为功率吸收标识时，取弹性系数与储能可放功率的乘积算得储能可充电因子，与第二模式阈值比较，储能可充电因子大时选取负载跟随模式，通过柔性负载消化功率缺口，反之选取电网交互模式向电网取电。选定能源调度主模式后，重新配置动态虚拟阻抗调节函数的虚拟阻抗值和电压偏移系数，光伏优先模式设低虚拟阻抗、电压偏移系数关联光伏可用功率，储能优先模式设高虚拟阻抗、电压偏移系数关联储能可放功率，负载跟随模式设中间虚拟阻抗、电压偏移系数关联弹性系数与当前电压乘积，电网交互模式设虚拟阻抗等于并网接口等效阻抗、电压偏移系数为零，再次计算电压偏移量替代初始指令，生成脉宽调制信号并分配至对应变换器。将柔性负载弹性纳入调度模式决策逻辑，光伏有余量时优先以弹性系数指导光伏或储能消纳，在负荷缺口时优先调动弹性负载响应，避免不必要的电网交互，提升建筑侧可调节资源利用率和能量自治水平。