淺談分布式新能源發(fā)電中的儲能系統(tǒng)能量管理分析

安科瑞 陳聰

【摘要】：能源是維持社會穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵助力，其可以在實(shí)際生產(chǎn)發(fā)展階段中合理轉(zhuǎn)化為社會公眾必需的動力、光能、熱能及其他自然資源。結(jié)合各類條件及劃分標(biāo)準(zhǔn)來看，可以將能源展開多樣化分類定位，主要包括常規(guī)能源與新能源，前者通常涵蓋了石油、水能、天然氣、煤炭等普及使用的能源類型，而后者是新時(shí)代社會還沒有普遍開發(fā)及利用的資源，主要涉及海洋能、太陽能、風(fēng)能及地?zé)崮艿鹊取Ｔ诖似陂g，風(fēng)能主要是因地表結(jié)構(gòu)在高溫度條件下產(chǎn)生的水蒸氣與氣溫差造成的氣壓差異，進(jìn)而在空氣由高壓區(qū)域朝向低壓區(qū)域不斷流動所產(chǎn)生的風(fēng)，此過程中所形成的動能便被稱為風(fēng)能。太陽能指的是陽光照射于地球表層展開能量轉(zhuǎn)換與利用。分布式發(fā)電中的儲能系統(tǒng)為了有效降低功率波動所帶來的影響，就需要在外部電網(wǎng)展開新能源輸出，從而促使系統(tǒng)時(shí)刻維持自帶負(fù)載輸出狀態(tài)。

【關(guān)鍵詞】：分布式新能源；發(fā)電；儲能系統(tǒng)；能量管理；分析

1緒論

在新能源的概念下，可以將其定義為：新能源是指具有一定能量的清潔的可再生能源，它是一種新型的可持續(xù)發(fā)展的資源和能源。生物質(zhì)能是借助各類綠色植物的光合作用實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。地?zé)崮苤饕獊碓从诘厍蛉蹘r內(nèi)部存在的天然熱能，海洋能通常涵蓋了波浪能、潮汐能等等。成本是對資源消耗展開化運(yùn)算的計(jì)量方法，不但涉及資金費(fèi)用的消耗，還包括人力資源與物力資源的成本。成本作為產(chǎn)品價(jià)格的定價(jià)條件，其承擔(dān)著彰顯企業(yè)管理水準(zhǔn)、經(jīng)營業(yè)績和競爭實(shí)力的關(guān)鍵角色。各項(xiàng)產(chǎn)品的材料消耗、生產(chǎn)力及能源消耗量等均貫穿于企業(yè)經(jīng)營管理的全過程當(dāng)中，并利用成本指標(biāo)體現(xiàn)在大眾視界中。在社會發(fā)展的過程中，能源是人類生存和活動的物質(zhì)基礎(chǔ)，是經(jīng)濟(jì)增長的重要動力。在過去的幾十年里，化石燃料的大量消耗和環(huán)境污染的問題一直沒有得到解決，人們開始尋求新的清潔可再生能源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石油、煤炭等資源。近年來，風(fēng)能、太陽能等新型可再生能源的開發(fā)利用越來越受到重視，我國已經(jīng)把風(fēng)電作為未來電力系統(tǒng)建設(shè)的重點(diǎn)項(xiàng)目。

2分析新能源的概述

2.1分析新能源的含義

我國的傳統(tǒng)化石能源主要是有煤炭、石油和天然氣，其中煤的儲量占據(jù)總儲量的百分之七十左右，然而這些礦物都是不可循環(huán)的，而可再生的煤量約占總產(chǎn)量的百分之六十以上，大約占據(jù)全國總產(chǎn)煤量的百分之五到百分之十。由于燃燒時(shí)產(chǎn)生了大量的污染物（如二氧化硫，NOx,CH4)，導(dǎo)致環(huán)境污染嚴(yán)重。因此，開發(fā)新型的潔凈高效的可替代的清潔環(huán)保的電力系統(tǒng)，減少對常規(guī)電源的依賴性，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，提高電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，是電網(wǎng)公司的重要任務(wù)。在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中，主要使用的都是風(fēng)能、太陽能、水能等。而這些都是電能，它們都不能被替代，所以人們把目光轉(zhuǎn)向了其他的領(lǐng)域一光伏發(fā)電。風(fēng)能作為目前世界上豐富的可用能源，它也是取之不盡、用之不竭的重要來源。但是，由于其自身存在的局限性，導(dǎo)致了它的開發(fā)利用受到很大限制。因此，要想使風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)得到更好的應(yīng)用，就需要對其進(jìn)行更深入的研究與探索。

2.2分析新能源發(fā)電的現(xiàn)狀

對于我國而言，是存在著比較豐富的風(fēng)能儲量，其中太陽能的開發(fā)和應(yīng)用是大的優(yōu)勢之一，在以往的二十年中，光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度是快的。在二零一一年，光伏發(fā)電的總裝機(jī)容量達(dá)到了三萬千瓦，占全國總發(fā)電量的百分之零點(diǎn)五。但是由于技術(shù)的落后和成本的高低等因素，導(dǎo)致目前的風(fēng)力發(fā)電的規(guī)模一直不能滿足市場的需求量。我國的新能源發(fā)電的開發(fā)與應(yīng)用起步較晚，在計(jì)劃經(jīng)濟(jì)體制下，對傳統(tǒng)的火力發(fā)電的依賴性很強(qiáng)，而且由于新能源資源分布不均勻，導(dǎo)致了新能源的利用率較低，這也限制了其使用范圍。

3分析分布式新能源發(fā)電中的儲能系統(tǒng)工作模式

系統(tǒng)能源管理的過程中，關(guān)鍵的參數(shù)主要包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容：一是電池的超前狀態(tài)；二是超級電容器。在物理算法中，超電容器和單電壓的平方形成正比例的關(guān)系，因此可以推出能夠通過測量超電容器的單電壓獲取剩余容量。但需要特別注意的是，電池在工作過程中，剩余容量和單電壓兩者之間并不存在明確的函數(shù)關(guān)系，在此情況下就需要采取間接測量法。分布式新能源發(fā)電中的儲能系統(tǒng)使用的是系統(tǒng)系數(shù)積分法與卡門過濾器，從而實(shí)現(xiàn)在電池的線上能夠計(jì)算出SOC。對此進(jìn)行簡要的分析與討論，根據(jù)相關(guān)預(yù)測，如果將電力容量的SOC正常狀態(tài)設(shè)定為百分之二十到百分之九十之間，那么低容量可能為百分之二十以下，高容量則為百分之九十以上?？梢缘贸鲈趯?shí)際應(yīng)用過程中會存在諸如SOC的百分之三十到百分之九十、電池、低容量以及高容量等多種模式。當(dāng)采用同一種控制策略應(yīng)對所有模式時(shí)，檢查電池的SOC、超級電容器以及系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間之外的電網(wǎng)，就可以明確分布式新能源中儲存能量所需的控制策略。如圖1所示，AC/DC總線混合發(fā)電系統(tǒng)，主要借助太陽能和風(fēng)力發(fā)電，通常情況下，在實(shí)際運(yùn)行過程中，高的跟蹤狀態(tài)則為太陽能與風(fēng)力發(fā)電輸出處于快速的變化因素。例如，在天氣情況良好的狀態(tài)下，采用超級電容器作為能源儲存設(shè)備。在此之外分布式的新能源發(fā)電中，儲能系統(tǒng)為了可以促進(jìn)其在孤島狀態(tài)下處于長期和穩(wěn)定的運(yùn)行模式，則是需要采用長期能量儲存的裝置，通過合理的應(yīng)用大容量的電池，例如612V/65Hz。應(yīng)明確的是，根據(jù)兩種不同的能源儲存單元的自身特點(diǎn)、外部電網(wǎng)實(shí)際狀況以及剩余容量情況等，分別采用針對性的控制策略。

圖1交流混合母線分布式發(fā)電系統(tǒng)

4分析各種各樣工作模式下的電能管理策略

4.1分析儲能系統(tǒng)處于正常模式的情況

對于這種模式而言，是為常見的工作模式，此時(shí)電池的剩余容量和超級電容都是維持在正常狀態(tài)中，但是因?yàn)樾履茉窗l(fā)電系統(tǒng)采用的太陽能和風(fēng)能發(fā)電模式都是具有著間歇性的特點(diǎn)，所以實(shí)際運(yùn)行時(shí)容易出現(xiàn)本地載荷驟然降低或增加的突發(fā)情況。當(dāng)出現(xiàn)此種情況時(shí)，勢必會導(dǎo)致發(fā)電系統(tǒng)輸出功率發(fā)生高頻波動。并且同時(shí)又因?yàn)樾铍姵匮b置需要比較長的時(shí)間來完成充電或是放點(diǎn)過程，就難以及時(shí)有效的控制此種高頻波動。所以，就應(yīng)當(dāng)充分利用超級電容控制這部分波動功率。除此之外，在分布式新能源發(fā)電儲能系統(tǒng)處在孤島條件或并網(wǎng)狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，同樣可以對儲能系統(tǒng)中的功率采取上述能量管理策略進(jìn)行合理的配置，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況產(chǎn)生出實(shí)際所需功率。同時(shí)能夠通過合理調(diào)節(jié)增益K的方式，實(shí)現(xiàn)有效分配超級電容與蓄電池兩種儲能裝置所輸出的功率。例如，當(dāng)超級電容剩余較大的容量時(shí)，可以將增益K相應(yīng)的提高，從而促使超級電容能夠承擔(dān)較多的功率輸出。

4.2分析蓄電池的異常模式

蓄電池異常模式狀態(tài)下的情況主要表現(xiàn)為蓄電池儲能裝置所剩余的容量處于比較低或比較高的狀態(tài)，然而超級電容裝置中的剩余容量卻一直處于正常狀態(tài)。在這個(gè)情況下，就會使其整體電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性大幅度的降低。所以為了確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行，在極短的時(shí)間內(nèi)使系統(tǒng)恢復(fù)到正常工作模式。同時(shí)，當(dāng)分布式發(fā)電中的儲能系統(tǒng)處于并網(wǎng)狀態(tài)的情況下，其實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)就會與蓄電池電容異常模式比較接近，此時(shí)，為了盡快恢復(fù)蓄電池裝置自身的剩余容量，就采用內(nèi)外電網(wǎng)能量交換的方法，從而真正確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在此過程中，可能會產(chǎn)生一定的功率沖擊，但其對系統(tǒng)造成的實(shí)際影響并不明顯。除此之外，在孤島狀態(tài)下儲能系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，由于超級電容裝置自身能量存儲狀態(tài)有一定的限制，因此難以促使蓄電池裝置在短時(shí)間內(nèi)借助能量傳遞的方式恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。針對此種情況，就只能借助超級電容來確保能量的有效傳遞，直到并網(wǎng)成功之后，才能夠再將蓄電池裝置充電，從而確保其能夠恢復(fù)到正常的運(yùn)行狀態(tài)。

4.3分析超級電容異常模式

對于超級電容異常模式而言，其所表現(xiàn)出的異常情況主要是為在蓄電池儲能裝置自身剩余容量處于正常情況下，而超級電容儲能裝置中的剩余容量卻會出現(xiàn)較高或者是比較低的異常情況。在這個(gè)情況下，分布式發(fā)電儲能系統(tǒng)自身的性能會降低，例如其吸收和釋放高頻功率性能，嚴(yán)重時(shí)還會給整體系統(tǒng)相應(yīng)功能帶來嚴(yán)重的負(fù)面影響。及時(shí)使系統(tǒng)恢復(fù)到正常的工作模式。與此同時(shí)，當(dāng)分布式新能源發(fā)電中儲能系統(tǒng)處于并網(wǎng)狀態(tài)當(dāng)中時(shí)，可以將外部電網(wǎng)視為一個(gè)不設(shè)上限的電網(wǎng)連接，在此情況下，超級電容就可以借助能量傳遞的方式，來將超出自身的能量傳遞到外部電網(wǎng)當(dāng)中，從而能夠促使自身在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到正常的運(yùn)行狀態(tài)。此外，在孤島狀態(tài)下，儲能系統(tǒng)運(yùn)行過程當(dāng)中，由于會缺乏外部電網(wǎng)提供的相應(yīng)輔助支持，因此就應(yīng)當(dāng)充分確保儲能系統(tǒng)一直維持在功率平衡的

穩(wěn)定狀態(tài)，通過超級電容來切實(shí)提升系統(tǒng)自身的反應(yīng)力。與此同時(shí)，為了確保分布式新能源發(fā)電輸出功率穩(wěn)定性的有效提升，還強(qiáng)化超級電容與蓄電池二者儲能裝置之間的能量傳遞，從而切實(shí)達(dá)到能量有效管理的目的。

4.4分析全部異常模式

針對于全部異常模式狀態(tài)下的儲能管理策略而言，是需要綜合上述幾種異常情況，通過直流母線之間的相互均衡，使其促進(jìn)異常模式可以合理的轉(zhuǎn)變?yōu)樯鲜龅钠渲幸粋€(gè)模式，之后采用相對應(yīng)的管理策略進(jìn)行控制。針對都處于異常模式下的能量管理策略來講，可以分為下面兩種情況：一是蓄電池剩余容量與超級電容都處于過高的情況，此時(shí)就需要在孤島運(yùn)行過程中，控制其自身輸出功率；二是對于蓄電池剩余容量與超級電容兩者都處在過低的狀態(tài)下來講，為了有效維持敏感負(fù)荷始終處于正常狀態(tài)下，就剔除一些不必要的負(fù)載，從而充分確保分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 Acrel-2000ES儲能能量管理系統(tǒng)

5.1平臺概述

安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統(tǒng)具有完善的儲能監(jiān)控與管理功能,涵蓋了儲能系統(tǒng)設(shè)備(PCS、BMS、電表、消防、空調(diào)等)的詳細(xì)信息,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報(bào)警管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等功能。在高級應(yīng)用上支持能量調(diào)度,具備計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制、備用電源等控制功能。既可以用于儲能一體柜,也可以用于儲能集裝箱,是專門用于設(shè)備管理的一套軟件系統(tǒng)平臺。

5.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5.3系統(tǒng)功能

5.3.1實(shí)時(shí)監(jiān)測

系統(tǒng)人機(jī)界面友好，能夠顯示儲能柜的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測PCS、BMS以及環(huán)境參數(shù)信息，如電參量、溫度、濕度等。實(shí)時(shí)顯示有關(guān)故障、告警、收益等信息。

5.3.2設(shè)備監(jiān)控

系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測PCS、BMS、電表、空調(diào)、消防、除濕機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行模式。

PCS監(jiān)控：滿足儲能變流器的參數(shù)與限值設(shè)置；運(yùn)行模式設(shè)置；實(shí)現(xiàn)儲能變流器交直流側(cè)電壓、電流、功率及充放電量參數(shù)的采集與展示；實(shí)現(xiàn)PCS通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開關(guān)狀態(tài)、異常告警等狀態(tài)監(jiān)測。

BMS監(jiān)控：滿足電池管理系統(tǒng)的參數(shù)與限值設(shè)置；實(shí)現(xiàn)儲能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監(jiān)測；實(shí)現(xiàn)電池充放電狀態(tài)、電壓、電流及溫度異常狀態(tài)的告警。

空調(diào)監(jiān)控：滿足環(huán)境溫度的監(jiān)測，可根據(jù)設(shè)置的閾值進(jìn)行空調(diào)溫度的聯(lián)動調(diào)節(jié)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)及溫濕度數(shù)據(jù)，以曲線形式進(jìn)行展示。

UPS監(jiān)控：滿足UPS的運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)電參量監(jiān)測。

5.3.3曲線報(bào)表

系統(tǒng)能夠?qū)CS充放電功率曲線、SOC變換曲線、及電壓、電流、溫度等歷史曲線的查詢與展示。

5.3.4策略配置

滿足儲能系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)的配置、電價(jià)參數(shù)與時(shí)段的設(shè)置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制等。

5.3.5實(shí)時(shí)報(bào)警

儲能能量管理系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)δ艹浞烹娫较?、溫度越限、設(shè)備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

5.3.6事件查詢統(tǒng)計(jì)

儲能能量管理系統(tǒng)能夠?qū)b信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報(bào)警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。

5.3.7遙控操作

可以通過每個(gè)設(shè)備下面的紅色按鈕對PCS、風(fēng)機(jī)、除濕機(jī)、空調(diào)控制器、照明等設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制，但是當(dāng)設(shè)備未通信上時(shí)，控制按鈕會顯示無效狀態(tài)。

5.3.8用戶權(quán)限管理

儲能能量管理系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如遙控的操作，數(shù)據(jù)庫修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。

6相關(guān)平臺部署硬件選型清單

參考文獻(xiàn)

1. 史明亮.探析新能源發(fā)電與分布式發(fā)電及其對電力系統(tǒng)的影響[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備

2. 陳浩龍.適應(yīng)分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)峰策略研究[J].節(jié)能與環(huán)保

3. 黃北軍.共直流母線型的分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究[J].電氣開關(guān)

4. 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊.2022.05版

5. 董暢.分布式新能源發(fā)電中的儲能系統(tǒng)能量管理分析