淺析光儲(chǔ)充能量管理的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

安科瑞 陳聰

摘要：本文根據(jù)光儲(chǔ)充系統(tǒng)自發(fā)自用，并網(wǎng)不上網(wǎng)原則設(shè)計(jì)了一種能量管理策略。通過(guò)峰谷電價(jià)，白天光伏/儲(chǔ)能出力滿足負(fù)載需求，夜間從電網(wǎng)購(gòu)電滿足儲(chǔ)能充電及負(fù)載供電需求，從而實(shí)現(xiàn)光伏*大消納，儲(chǔ)能削峰填谷的目標(biāo)。該策略通過(guò)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，已滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求。

關(guān)鍵詞：光儲(chǔ)充系統(tǒng)；能量管理策略；光伏消納；削峰填谷

0.引言

隨著可再生能源利用技術(shù)的快速發(fā)展，我國(guó)分布式能源發(fā)電設(shè)備的裝機(jī)容量增長(zhǎng)飛速。其中太陽(yáng)能具有分布廣泛、受地理限制小，光伏發(fā)電建設(shè)周期短且污染少、噪聲小等特點(diǎn)而倍受重視。針對(duì)光伏發(fā)電波動(dòng)性與間歇性等缺點(diǎn)，儲(chǔ)能技術(shù)與光伏發(fā)電技術(shù)的結(jié)合，可有效穩(wěn)定光伏出力，消納過(guò)剩光伏能源，提高系統(tǒng)電能質(zhì)量。能量管理系統(tǒng)介入，可對(duì)電網(wǎng)、光伏發(fā)電設(shè)備，儲(chǔ)能設(shè)備的能量流進(jìn)行管控，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性及經(jīng)濟(jì)效益。本文設(shè)計(jì)了一種能量管理策略，當(dāng)光伏出力大于負(fù)載的需求，儲(chǔ)能系統(tǒng)充電對(duì)光伏剩余出力進(jìn)行消納。當(dāng)光伏出力不足無(wú)法滿足負(fù)載需求，儲(chǔ)能系統(tǒng)向負(fù)載放電。通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)削峰填谷，可提高系統(tǒng)供電穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)光儲(chǔ)充系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

1.光伏儲(chǔ)系統(tǒng)的組成

本文光儲(chǔ)充系統(tǒng)構(gòu)成以閔行工業(yè)區(qū)智慧能源示范項(xiàng)目二號(hào)車棚為例，光儲(chǔ)充系統(tǒng)主要包含能量管理系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)、充電樁系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)成如圖所示。

1.1 能量管理系統(tǒng)

能量管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)光伏、儲(chǔ)能、充電樁、進(jìn)線電表設(shè)備數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲(chǔ)，同時(shí)根據(jù)光儲(chǔ)充系統(tǒng)需求 對(duì)能量進(jìn)行協(xié)調(diào)管控，從而提高系統(tǒng)可靠性與經(jīng)濟(jì)性。

1.2 光伏系統(tǒng)

光伏系統(tǒng)主要由安裝在車棚屋頂光伏電池板與4臺(tái) 35kW組串式光伏逆變器構(gòu)成。光伏系統(tǒng)接入站內(nèi)400V母 線，光伏出力優(yōu)先滿足站內(nèi)負(fù)荷，出力富余則給儲(chǔ)能系統(tǒng)供電。

1.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)

儲(chǔ)能系統(tǒng)主要2套退役磷酸鐵鋰電池組成，每套由 35kW儲(chǔ)能雙向變流器和153.6kW·h電池簇構(gòu)成。儲(chǔ)能系統(tǒng)接入站內(nèi)400V母線，當(dāng)光伏出力富余，儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)剩余出力進(jìn)行消納，光伏出力不足無(wú)法滿足負(fù)載出力時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)放電補(bǔ)足出力。在夜間谷電價(jià)，儲(chǔ)能系統(tǒng)從電網(wǎng)購(gòu)電，直至充滿。

1.4 充電樁系統(tǒng)

充電樁系統(tǒng)主要由6臺(tái)額定容量為7kW的交流單槍落地式充電樁構(gòu)成。充電樁系統(tǒng)可為帶直流電機(jī)的小型電動(dòng)汽車進(jìn)行充電，也是站內(nèi)負(fù)荷組成的一部分。充電樁系統(tǒng)主要包含刷卡管理、計(jì)費(fèi)管理、充電接口管理、安全保護(hù)等功能。

2.光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作原理

光伏發(fā)電：光伏電池在陽(yáng)光照射下產(chǎn)生直流電。這一過(guò)程是系統(tǒng)的電力輸入。

電能轉(zhuǎn)換：直流電經(jīng)過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電，以便在電網(wǎng)中使用或供給交流設(shè)備。

電能儲(chǔ)存：剩余的電能可以儲(chǔ)存在電池或其他儲(chǔ)能設(shè)備中，以備將來(lái)使用。這是系統(tǒng)的能量存儲(chǔ)部分。

能量管理：系統(tǒng)的能量管理控制器監(jiān)控能源需求、電池狀態(tài)和其他參數(shù)，并根據(jù)需要分配電能。它確保在不可預(yù)測(cè)的太陽(yáng)能供應(yīng)條件下，系統(tǒng)能夠提供連續(xù)可靠的電力供應(yīng)。

電網(wǎng)互連：如果系統(tǒng)與電網(wǎng)互連，多余的電能可以賣給電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)雙向電流。這有助于提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性。

3.光儲(chǔ)充能量管理系統(tǒng)（EMS）結(jié)構(gòu)

光儲(chǔ)充系統(tǒng)分為三個(gè)部分：光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)和充電樁系統(tǒng)。三個(gè)系統(tǒng)通過(guò)AC400V母線49耦合，通過(guò)以太網(wǎng)與EMS進(jìn)行通訊，由EMS協(xié)調(diào)控制各系統(tǒng)的運(yùn)行策略。EMS可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳送給遠(yuǎn)方監(jiān)控系統(tǒng)和監(jiān)視大屏顯示系統(tǒng)^[4]。光儲(chǔ)充系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)如下圖所示。

EMS是光儲(chǔ)充系統(tǒng)的核心組成部分，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、能量管理調(diào)度和運(yùn)行數(shù)據(jù)分析。為保證光儲(chǔ)充系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，EMS采用兩級(jí)分級(jí)控制體分為本地EMS和集控EMS，其結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。

本地EMS可實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能變流器（PCS）、電池管理系統(tǒng)（BMS）、光伏逆變器、充電樁和電網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)峰谷電價(jià)、限電政策、應(yīng)急需求等不同的使用場(chǎng)景，制定和運(yùn)行不同的能量管理策略。本地EMS通過(guò)向PCS發(fā)送有功、無(wú)功等控制指令控制PCS執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，同時(shí)可以將監(jiān)測(cè)的光儲(chǔ)充系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)內(nèi)各種設(shè)備狀態(tài)等信息上傳至集控EMS。

集控EMS由EMS工作站和EMS服務(wù)器構(gòu)成。EMS工作站的主要功能是實(shí)時(shí)監(jiān)控光儲(chǔ)充系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)負(fù)責(zé)制定光儲(chǔ)充系統(tǒng)的運(yùn)行模式；而EMS服務(wù)器的主要功能是儲(chǔ)存光儲(chǔ)充系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，可以提供歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析等服務(wù)，是后期根據(jù)大數(shù)據(jù)分析制定運(yùn)行策略的前提保障。

4.Acrel-2000ES儲(chǔ)能柜能量管理系統(tǒng)

4.1系統(tǒng)概述

安科瑞儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)Acrel-2000ES，專門針對(duì)工商業(yè)儲(chǔ)能柜、儲(chǔ)能集裝箱研發(fā)的一款儲(chǔ)能EMS，具有完善的儲(chǔ)能監(jiān)控與管理功能,涵蓋了儲(chǔ)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(chǔ)、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、防逆流等控制功能。

4.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Acrel-2000ES，可通過(guò)直采或者通過(guò)通訊管理或串口服務(wù)器將儲(chǔ)能柜或者儲(chǔ)能集裝箱內(nèi)部的設(shè)備接入系統(tǒng)。

4.3系統(tǒng)功能

4.3.1實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)人機(jī)界面友好，能夠顯示儲(chǔ)能柜的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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。

4.3.2設(shè)備監(jiān)控

系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)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(chǔ)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(chǔ)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(kāi)關(guān)狀態(tài)、異常告警等狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

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(chǔ)能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監(jiān)測(cè)；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(cè)，可根據(jù)設(shè)置的閾值進(jìn)行空調(diào)溫度的聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)。

4.3.3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。

4.3.4策略配置

滿足儲(chǔ)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。

4.3.5實(shí)時(shí)報(bào)警

儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)?chǔ)能充放電越限、溫度越限、設(shè)備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

4.3.6事件查詢統(tǒng)計(jì)

儲(chǔ)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(chǔ)和管理，方便用戶對(duì)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。

4.3.7遙控操作

可以通過(guò)每個(gè)設(shè)備下面的紅色按鈕對(duì)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(huì)顯示無(wú)效狀態(tài)。

4.3.8用戶權(quán)限管理

儲(chǔ)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(guò)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(kù)修改等）?？梢远x不同級(jí)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。

5.相關(guān)平臺(tái)部署硬件選型清單

6.結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)閔行工業(yè)區(qū)智慧能源示范項(xiàng)目二號(hào)車棚光儲(chǔ)充系統(tǒng)自發(fā)自用，并網(wǎng)不上網(wǎng)的原則，設(shè)計(jì)一種能量管理策略，即白天消納光伏出力，當(dāng)光伏出力小于負(fù)荷時(shí)，儲(chǔ)能補(bǔ)足光伏出力，當(dāng)光伏出力大于負(fù)荷時(shí)，儲(chǔ)能消納光伏剩余出力。在夜間平電價(jià)，儲(chǔ)能持續(xù)給負(fù)載供電，若電量不足，則從電網(wǎng)購(gòu)電。在夜間谷電價(jià)，儲(chǔ)能系統(tǒng)從電網(wǎng)購(gòu)電，直至充滿。此策略經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，通過(guò)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，已完*滿足光儲(chǔ)充系統(tǒng)運(yùn)行需求。

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