淺談光儲微電網混合儲能係統的控製策略

hth下载地址 陳聰

摘要：隨著社會(hui) 生產(chan) 力的不斷提高，對不能再生資源的大量消耗，人們(men) 已經意識到發展可再生能源的重要性，因此微電網技術作為(wei) 再生能源利用的有效形式被快速發展。蓄電池容量無限大是傳(chuan) 統光儲(chu) 微電網混合儲(chu) 能係統控製策略一種理想形式，但實際上蓄電池的容量是有限度的，傳(chuan) 統控製策略在蓄電池剩餘(yu) 電量達到闔值時將無法正常使用，由此提出了光儲(chu) 微電網混合儲(chu) 能係統的新型控製策略，又結合實際情況，對開關(guan) 進行了改進，利用開關(guan) 與(yu) 二極管並聯，使其擁有四種工作狀態，當儲(chu) 能元件剩餘(yu) 電量達到閾值時，可自動恢複電量降低成本，提高並輸出電池電能質量。

關(guan) 鍵詞：光儲(chu) 微電網；控製策略；開關(guan) 優(you) 化

0、前言

在微電網運行過程中，光儲(chu) 能係統可以使係統中的能量進行緩衝(chong) ，是微電網運行中不能缺少的環節，由於(yu) 經濟原因光儲(chu) 能設備的配置不應太高，在選擇儲(chu) 能係統容量與(yu) 額定功率時要結合實際情況，選用合適的設備配置，提高微電網安全經濟的運行。目前市場上儲(chu) 能功率容量大小，沒有統一的規定，這是由於(yu) 混合儲(chu) 係統中儲(chu) 能介質之間功率分配及容量優(you) 化所導致的，因此需要對此進行深入的研究，筆者在獨立微電網到並網微電網，從(cong) 單一儲(chu) 能到混合儲(chu) 能，做了較為(wei) 立體(ti) 的研究，在開關(guan) 優(you) 化方麵也做了一些相關(guan) 的介紹，並得到了一些有意義(yi) 的結論。

1、光儲(chu) 微電網混合儲(chu) 能係統

獨立型微電網：結合仿真實驗，在滿足供電可靠的前提下，棄置部分過剩能量可以使得所需的儲(chu) 能容量維持在較低水平，克服了傳(chuan) 統的儲(chu) 能容量在運行中逐漸增加的缺陷。如何減小儲(chu) 能容量，通過實驗發現選用光伏發電院與(yu) 風力發電混合比例可以達到。通過提高微電網發電充裕度，可以降低微電網對儲(chu) 能的需求，並對光伏發電和風力發電的優(you) 比例混合產(chan) 生影響。

儲(chu) 能係統與(yu) 微電網：等效微電網的調度效果是利用儲(chu) 能係統補償(chang) ，可再生能源發電預測性誤差所產(chan) 生的，它是針對可再生能源發電係統中微電網與(yu) 儲(chu) 能係統配合發電的運行機製。通過分析，可再生能源發電預測誤差的概率分布，運用區間估計和概率理論的方法大致獲得儲(chu) 能係統的容量和功率，在此基礎上可以預測儲(chu) 能配置與(yu) 準確性的關(guan) 係，能夠進一步得出微電網中儲(chu) 能分散配置與(yu) 集中配置對儲(chu) 存能量的影響，通過實驗結果可以得出，充分利用各個(ge) 裝置的可用容量減小微電網係統的容量，從(cong) 這一角度而言，集中配置好於(yu) 分散配置。

能裝置分析：通過科學實驗比較以鋰電池為(wei) 代表的能量型儲(chu) 能裝置和超級電容為(wei) 代表的功率型儲(chu) 能裝置，在平滑能量波動方麵的特性，得出結果表明功率型儲(chu) 能裝置可以平滑短時功率波動，但對常識功率波動表現不佳，能量型儲(chu) 能裝置可以平滑，小浮動功率波動，特別在平滑常識波動過洞中能發揮其優(you) 勢，卻難以適應大幅波動情況。

混合儲(chu) 能係統分析：考慮到單一功率型和能量型儲(chu) 存裝置在平滑功率時的波動局限性，可以將兩(liang) 者有機的結合到一起組成混合儲(chu) 能係統，從(cong) 而發揮其各自長處，通過控製理論功率優(you) 化分配法，可以降低混合係統的總成本。通過運用遺傳(chuan) 算法使各儲(chu) 能間的充放電功率約束荷電狀態，滿足平滑目標的柔性約束，達到混合係統優(you) 配置。通過實驗仿真結果表明，功率優(you) 化分配方法可以充分發揮兩(liang) 種介質的優(you) 點，了解的狀態設定的範圍內(nei) 並有效的減少能量的儲(chu) 能充電次數，並在柔性約束優(you) 化問題中，采用遺傳(chuan) 算法求解，能夠使用優(you) 化問題收斂至優(you) 解。另外通過仿真結果表明適當的放鬆充電次數，可以有效的減少混合儲(chu) 能係統的容量與(yu) 功率，可以結合實際成本，進行混合儲(chu) 能的係統配。

儲(chu) 能元件保護開關(guan) 優(you) 化：在故障發生或天氣的情況下，原件的保護開關(guan) 發揮著重要作用，為(wei) 防止儲(chu) 能元件過充與(yu) 過放，在儲(chu) 能元件soc達到閾值時將其從(cong) 電網斷開。傳(chuan) 統的保護開關(guan) 隻有斷開和閉合的功能。這就使開關(guan) 在斷開後，需要獨立的充放電路，將儲(chu) 能元件soc恢複到正常水平，才能在接入電網；其過程非常繁瑣，並且成本也很高，針對這種情況，筆者對保護電路進行改造，通過兩(liang) 個(ge) 開關(guan) ，兩(liang) 個(ge) 二極管並聯組成，使保護電路形成四種不同的工作狀態，當儲(chu) 能元件Soc到達上*時，一個(ge) 開關(guan) 導通，一個(ge) 開關(guan) 斷開，儲(chu) 能原件隻放電，並且防止原件同時自動恢複電量獨立放電電路，從(cong) 而降低成本，soc下線時同裏，改進保護開關(guan) 結合上文中的改進控製策略就可以實現儲(chu) 能原件恢複電量的同時，平抑光伏輸入功率波動平滑，並網輸出功率，提高並網電能質量。

2、光儲(chu) 微電網混合儲(chu) 能係統發展展望

在對獨立性微電網儲(chu) 能係統控製策略研究時，從(cong) 儲(chu) 能容量小方向進行研究的，仿真結果表明儲(chu) 能放電效率對光伏風電優(you) 化比例及儲(chu) 能容量存在一定的影響，具體(ti) 產(chan) 生的原因，本文中沒有進一步討論。

在比較能量型儲(chu) 能與(yu) 功率型儲(chu) 能在平華可再生能源功率波動方麵性能差異時，隻是在投資成本相同的前提下額定容量和額定功率，這之間未考慮想用速度方麵的影響。另外，不同的儲(chu) 能戒指成本也不是隨著額定容量和額定功率現金增長的因素，也未能考慮。

3、Acrel-2000MG微電網能量管理係統概述

3.1概述

Acrel-2000MG微電網能量管理係統，是我司根據新型電力係統下微電網監控係統與(yu) 微電網能量管理係統的要求，總結國內(nei) 外的研究和生產(chan) 的經驗，專(zhuan) 門研製出的企業(ye) 微電網能量管理係統。本係統滿足光伏係統、風力發電、儲(chu) 能係統以及充電樁的接入，全天候進行數據采集分析，直接監視光伏、風能、儲(chu) 能係統、充電樁運行狀態及健康狀況，是一個(ge) 集監控係統、能量管理為(wei) 一體(ti) 的管理係統。該係統在安全穩定的基礎上以經濟優(you) 化運行為(wei) 目標，促進可再生能源應用，提高電網運行穩定性、補償(chang) 負荷波動；有效實現用戶側(ce) 的需求管理、消除晝夜峰穀差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為(wei) 企業(ye) 微電網能量管理提供安全、可靠、經濟運行提供了全新的解決(jue) 方案。

微電網能量管理係統應采用分層分布式結構，整個(ge) 能量管理係統在物理上分為(wei) 三個(ge) 層：設備層、網絡通信層和站控層。站級通信網絡采用標準以太網及TCP/IP通信協議，物理媒介可以為(wei) 光纖、網線、屏蔽雙絞線等。係統支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

3.2技術標準

本方案遵循的標準有：

本技術規範書(shu) 提供的設備應滿足以下規定、法規和行業(ye) 標準：

GB/T26802.1-2011工業(ye) 控製計算機係統通用規範1部分：通用要求

GB/T26806.2-2011工業(ye) 控製計算機係統工業(ye) 控製計算機基本平台2部分：性能評定方法

GB/T26802.5-2011工業(ye) 控製計算機係統通用規範5部分：場地安全要求

GB/T26802.6-2011工業(ye) 控製計算機係統通用規範6部分：驗收大綱

GB/T2887-2011計算機場地通用規範

GB/T20270-2006信息安全技術網絡基礎安全技術要求

GB50174-2018電子信息係統機房設計規範

DL/T634.5101遠動設備及係統5-101部分:傳(chuan) 輸規約基本遠動任務配套標準

DL/T634.5104遠動設備及係統5-104部分:傳(chuan) 輸規約采用標準傳(chuan) 輸協議子集的IEC60870-5-網絡訪問101

GB/T33589-2017微電網接入電力係統技術規定

GB/T36274-2018微電網能量管理係統技術規範

GB/T51341-2018微電網工程設計標準

GB/T36270-2018微電網監控係統技術規範

DL/T1864-2018獨立型微電網監控係統技術規範

T/CEC182-2018微電網並網調度運行規範

T/CEC150-2018低壓微電網並網一體(ti) 化裝置技術規範

T/CEC151-2018並網型交直流混合微電網運行與(yu) 控製技術規範

T/CEC152-2018並網型微電網需求響應技術要求

T/CEC153-2018並網型微電網負荷管理技術導則

T/CEC182-2018微電網並網調度運行規範

T/CEC5005-2018微電網工程設計規範

NB/T10148-2019微電網1部分：微電網規劃設計導則

NB/T10149-2019微電網2部分：微電網運行導則

3.3適用場合

係統可應用於(yu) 城市、高速公路、工業(ye) 園區、工商業(ye) 區、居民區、智能建築、海島、無電地區可再生能源係統監控和能量管理需求。

3.4型號說明

3.5係統配置

3.5.1係統架構

本平台采用分層分布式結構進行設計，即站控層、網絡層和設備層，詳細拓撲結構如下：

圖1典型微電網能量管理係統組網方式

3.6係統功能

3.6.1實時監測

微電網能量管理係統人機界麵友好，應能夠以係統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態，實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各回路斷路器、隔離開關(guan) 等合、分閘狀態及有關(guan) 故障、告警等信號。其中，各子係統回路電參量主要有：三相電流、三相電壓、總有功功率、總無功功率、總功率因數、頻率和正向有功電能累計值；狀態參數主要有：開關(guan) 狀態、斷路器故障脫扣告警等。

係統應可以對分布式電源、儲(chu) 能係統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元的出力信息、收益信息、儲(chu) 能荷電狀態及發電單元與(yu) 儲(chu) 能單元運行功率設置等。

係統應可以對儲(chu) 能係統進行狀態管理，能夠根據儲(chu) 能係統的荷電狀態進行及時告警，並支持定期的電池維護。

微電網能量管理係統的監控係統界麵包括係統主界麵，包含微電網光伏、風電、儲(chu) 能、充電樁及總體(ti) 負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲(chu) 能及光伏係統信息進行顯示。

圖2係統主界麵

子界麵主要包括係統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲(chu) 能信息、充電樁信息、通訊狀況及一些統計列表等。

3.6.1.1光伏界麵

圖3光伏係統界麵

本界麵用來展示對光伏係統信息，主要包括逆變器直流側(ce) 、交流側(ce) 運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、並網櫃電力監測及發電量統計、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對係統的總功率、電壓電流及各個(ge) 逆變器的運行數據進行展示。3.6.1.2儲(chu) 能界麵

圖4儲(chu) 能係統界麵

本界麵主要用來展示本係統的儲(chu) 能裝機容量、儲(chu) 能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖5儲(chu) 能係統PCS參數設置界麵

本界麵主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關(guan) 機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖6儲(chu) 能係統BMS參數設置界麵

本界麵用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖7儲(chu) 能係統PCS電網側(ce) 數據界麵

本界麵用來展示對PCS電網側(ce) 數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖8儲(chu) 能係統PCS交流側(ce) 數據界麵

本界麵用來展示對PCS交流側(ce) 數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側(ce) 的異常信息進行告警。

圖9儲(chu) 能係統PCS直流側(ce) 數據界麵

本界麵用來展示對PCS直流側(ce) 數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側(ce) 的異常信息進行告警。

圖10儲(chu) 能係統PCS狀態界麵

本界麵用來展示對PCS狀態信息，主要包括通訊狀態、運行狀態、STS運行狀態及STS故障告警等。

圖11儲(chu) 能電池狀態界麵

本界麵用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲(chu) 能電池的運行狀態、係統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲(chu) 能電池的SOC信息。

圖12儲(chu) 能電池簇運行數據界麵

本界麵用來展示對電池簇信息，主要包括儲(chu) 能各模組的電芯電壓與(yu) 溫度，並展示當前電芯的最小電壓、溫度值及所對應的位置。

3.6.1.3風電界麵

圖13風電係統界麵

本界麵用來展示對風電係統信息，主要包括逆變控製一體(ti) 機直流側(ce) 、交流側(ce) 運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對係統的總功率、電壓電流及各個(ge) 逆變器的運行數據進行展示。

3.6.1.4充電樁界麵

圖14充電樁界麵

本界麵用來展示對充電樁係統信息，主要包括充電樁用電總功率、交直流充電樁的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個(ge) 充電樁的運行數據等。

3.6.1.5視頻監控界麵

圖15微電網視頻監控界麵

本界麵主要展示係統所接入的視頻畫麵，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與(yu) 控製等。

3.6.2發電預測

係統應可以通過曆史發電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發電進行短期、超短期發電功率預測，並展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發電計劃，便於(yu) 用戶對該係統新能源發電的集中管控。

圖16光伏預測界麵

3.6.3策略配置

係統應可以根據發電數據、儲(chu) 能係統容量、負荷需求及分時電價(jia) 信息，進行係統運行模式的設置及不同控製策略配置。如削峰填穀、周期計劃、需量控製、有序充電、動態擴容等。

圖17策略配置界麵

3.6.4運行報表

應能查詢各子係統、回路或設備**時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能等。

圖18運行報表

3.6.5實時報警

應具有實時報警功能，係統能夠對各子係統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關(guan) 閉等遙信變位，及設備內(nei) 部的保護動作或事故跳閘時應能發出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；並應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關(guan) 人員。

圖19實時告警

3.6.6曆史事件查詢

應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲(chu) 和管理，方便用戶對係統事件和報警進行曆史追溯，查詢統計、事故分析。

圖20曆史事件查詢

3.6.7電能質量監測

應可以對整個(ge) 微電網係統的電能質量包括穩態狀態和暫態狀態進行持續監測，使管理人員實時掌握供電係統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。

1）在供電係統主界麵上應能實時顯示各電能質量監測點的監測裝置通信狀態、各監測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度百分*和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度百分*和正序/負序/零序電流值；

2）諧波分析功能：係統應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；

3）電壓波動與(yu) 閃變：係統應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與(yu) 頻率偏差；

4）功率與(yu) 電能計量：係統應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；

5）電壓暫態監測：在電能質量暫態事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發生時，係統應能產(chan) 生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關(guan) 人員；係統應能查看相應暫態事件發生前後的波形。

6）電能質量數據統計：係統應能顯示1min統計整2h存儲(chu) 的統計數據，包括均值、最小值、95%概率值、方均根值。

7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續時間、事件發生的時間。

圖21微電網係統電能質量界麵

3.6.8遙控功能

應可以對整個(ge) 微電網係統範圍內(nei) 的設備進行遠程遙控操作。係統維護人員可以通過管理係統的主界麵完成遙控操作，並遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度係統或站內(nei) 相應的操作命令。

圖22遙控功能

3.6.9曲線查詢

應可在曲線查詢界麵，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

3.6.10統計報表

具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自係統正常運行以來任意時間段內(nei) 各配電節點的用電情況，即該節點進線用電量與(yu) 各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與(yu) 外部係統間電能量交換進行統計分析；對係統運行的節能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對並網型微電網的並網點進行電能質量分析。

圖24統計報表

3.6.11網絡拓撲圖

係統支持實時監視接入係統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個(ge) 係統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動在界麵上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖25微電網係統拓撲界麵

本界麵主要展示微電網係統拓撲，包括係統的組成內(nei) 容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

3.6.12通信管理

可以對整個(ge) 微電網係統範圍內(nei) 的設備通信情況進行管理、控製、數據的實時監測。係統維護人員可以通過管理係統的主程序右鍵打開通信管理程序，然後選擇通信控製啟動所有端口或某個(ge) 端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

3.6.13用戶權限管理

應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）。可以定義(yi) 不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為(wei) 係統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

3.6.14故障錄波

應可以在係統發生故障時，自動準確地記錄故障前、後過程的各相關(guan) 電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力係統安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個(ge) 周波、故障後4個(ge) 周波波形，總錄波時間共計46s。每個(ge) 采樣點錄波至少包含12個(ge) 模擬量、10個(ge) 開關(guan) 量波形。

3.6.15事故追憶

可以自動記錄事故時刻前後一段時間的所有實時掃描數據，包括開關(guan) 位置、保護動作狀態、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。

用戶可自定義(yi) 事故追憶的啟動事件，當每個(ge) 事件發生時，存儲(chu) 事故*10個(ge) 掃描周期及事故後10個(ge) 掃描周期的有關(guan) 點數據。啟動事件和監視的數據點可由用戶**和隨意修改。

圖29事故追憶

4、結語

通過對光儲(chu) 微電網混合係統控製策略及開關(guan) 優(you) 化方麵的分析，能夠合理的選擇出額定功率和額定容量的配置，從(cong) 而保障微電網的經濟運行。

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