淺談光伏儲能直流微電網監測係統的研發

hth下载地址 陳聰

摘要：在“雙碳”戰略背景下，光伏技術成為(wei) 光伏與(yu) 建築兩(liang) 大行業(ye) 關(guan) 注的焦點。在建設中引入光電、儲(chu) 能、微網是目前的一個(ge) 發展趨勢，受接入資源的多樣性和不連續的限製,合理控製、優(you) 化分配資源成為(wei) 一項難題。研究建立一個(ge) 智能微電網控製係統,利用集態控製係統、分布式網絡結構電源係統和計量係統合理平衡電力、負載和儲(chu) 能裝置,達到離網工作的有功電源與(yu) 無功功率的均衡,同時逐步切斷部分非關(guan) 鍵負載,確保對關(guan) 鍵負載的安全用電,並大限度增加係統的可靠性和智能度。

關(guan) 鍵詞：光伏發電；直流儲(chu) 能；智能微電網；監控

1、引言

微電網是指由多種能源組成的小型發配電係統，微電網的提出旨在實現分布式電源的靈活、高效應用，解決(jue) 數量龐大、形式多樣的分布式電源並網問題。開發和延伸微電網能夠充分促進分布式電源與(yu) 可再生能源的大規模接入，實現對負荷多種能源形式的高可靠供給，是實現主動式配電網的一種有效方式，使傳(chuan) 統電網向智能電網過渡。

鑒於(yu) 現有電力係統監控與(yu) 數據采集係統的能量管理平台存在靈活性差且調試周期長的問題，同時缺乏對環境溫度、水汽等建築能耗參數的測控能力，無法支持可再生能源建築和社區熱電聯供係統實現優(you) 化能量管理和精細化能效分析，本項目將開發一套光伏儲(chu) 能直流智能微電網監測係統。

2、技術背景

近幾年，全球範圍應對氣候變化進程顯著加速，將氣候變化問題作為(wei) 21世紀人類麵臨(lin) 的重大挑戰之一成為(wei) 全球共識。2020年9月，我國提出“力爭(zheng) 2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和”的戰略決(jue) 策。應對碳中和領域的挑戰，在綠色轉型中實現共同發展，已經成為(wei) 國內(nei) 國際麵臨(lin) 的重要共同任務。據國際能源署（IEA）數據顯示，2018年，中國碳排放（折算為(wei) CO2，下同）約為(wei) 100億(yi) t，其中，建築運行約為(wei) 21億(yi) t，占21%，建築業(ye) 約為(wei) 18億(yi) t，占18%。同西方發達相比，我國建築運行碳排放占比偏低，但建築材料和建造碳排放占比偏高。2022年4月1日，住房和城鄉(xiang) 建設部出台《建築節能與(yu) 可再生能源通用技術規範》，對建築節能和太陽能、地熱能、空氣能與(yu) 建築的結合應用提出了更具體(ti) 的要求，將逐步提升至近零能耗建築。由於(yu) 應用了各種類型的能源形式，依靠常規的電網和化石能源的建築能源係統正在向多種能源綜合利用模式發展。同時，多種儲(chu) 電、儲(chu) 冷、儲(chu) 熱技術得到廣泛應用，使得能源係統更加複雜多樣。靠人工控製和簡單的自動化控製難以滿足建築綜合能源係統可靠、高效運行的需要。光伏儲(chu) 能直流智能微電網監測係統已經成為(wei) 國內(nei) 外的研究熱點。

西門子SpectrumPower微網管理係統和EnergyIPDEOP雲(yun) 平台可完成對熱電多能互補和電源負荷的統一管理。施耐德電氣公司推出新一代數字能效管理平台EMS+，實現了設備可視化管理、設備預防性維護和BIM3D建模；日本的鬆下、日立等公司推出了CEMS、HEMS等社區級和家庭級通用能源管理平台，實現了能源供給與(yu) 負荷用能的協調。國外的軟件一般規模較大，可塑性弱，難以適應國內(nei) 建築能源係統的多樣化需求。

國內(nei) 的建築監控和能量管理軟件主要是在常規電力監控軟件上衍生出來的，如組態王、力控、MCGS、瑞爾、傑控等組態軟件，其主要功能還停留在數據采集和統計分析階段，若需要增加負荷控製和能效管理，需要進行定製化開發，費用和周期長。與(yu) 國外的綜合能源管理平台相比，國內(nei) 平台處於(yu) 起步階段，功能較單一，難以實現多種能源的協調運行。

1. 技術方案

為(wei) 了解決(jue) 社區或工業(ye) 園區級能源係統的智能化管理和控製問題，擬開發一套光伏儲(chu) 能直流智能微電網監測係統。該係統由基於(yu) 嵌入式技術的硬件控製器和主控係統兩(liang) 部分組成，立足於(yu) 為(wei) 商業(ye) 園區、現代化社區或新型城鎮等多種能源利用場景提供定製化服務，提高用能的安全性、可靠性和經濟性。整體(ti) 技術方案及功能如下：

（1）開發基於(yu) 嵌入式技術的邊緣控製器，主要功能為(wei) 通信功能、數據采集、係統保護以及智能化控製和能量管理。

（2）開發一套能量管理主控係統，除具備SCADA係統的監控、保護、數據存儲(chu) 、事件記錄、人機交互等功能外，還具備智能化能量管理功能。

（3）開發不同控製和能量管理功能的軟件模塊，可自由組合調用，實現多目標優(you) 化控製。

（4）該係統硬件設備及軟件程序均具有高度的兼容性，支持各類通信協議的端口及軟件程序，可實現對光伏、風電、天然氣、電采暖、電儲(chu) 能、熱儲(chu) 能等各種能源形式的管理。

3.1係統框架搭建

光伏儲(chu) 能直流智能微電網監測係統采用“雲(yun) -邊-端”協同的能量管理係統架構，通過“本地計算＋雲(yun) 端優(you) 化”的協同方式，實現係統在線優(you) 化升級，也降低了網絡通信的依賴。係統架構如圖1所示。

係統框架分為(wei) 配電網調度層、微電網集中控製層、就地控製層。就地控製層包括發電電源、儲(chu) 能係統、負載及交直流（DC/AC）控製部分。微電網集中控製層包括控製，由監測單元和統計分析組成，監測單元按照監測對象不同包含發電、儲(chu) 能、負載3部分。發電監測其重點電壓、電流、功率等參數；儲(chu) 能監測內(nei) 容包括電壓、電流、功率及荷電狀態等；負載監測包括類型、功率、用電量等；而統計分析利用多種展示形式，分析各部分的運行狀態及決(jue) 策處理。保護部分分別對儲(chu) 能、電源、用戶進行保護，計量部分通過電表進行電費結算。配電網調度層有調度係統，根據統計分析結果進行能源調度，實現能源的優(you) 化利用。

3.2軟硬件設計

3.2.1儲(chu) 能係統

儲(chu) 能係統包括儲(chu) 能蓄電池和逆變器兩(liang) 部分。儲(chu) 能蓄電池可以是鉛酸電池、磷酸鐵鋰電池、飛輪儲(chu) 能係統；逆變器的作用是控製儲(chu) 能部分，並進行交直流逆變。逆變器有功率閉環運行和電壓閉環運行兩(liang) 種工作方式，分別在並網和離網兩(liang) 種狀態下運行。逆變器直流側(ce) 電壓為(wei) 儲(chu) 能係統工作電壓，交流側(ce) 電壓常用380V或400V母線電壓。儲(chu) 能係統還配置了電池管理係統，用於(yu) 實時檢測儲(chu) 能單元的電壓、電流、溫度等參數，通過高精度剩餘(yu) 電量及電池健康度估算，評估蓄電池的放點電流，並上傳(chuan) 監控參數。

3.2.2能量管理係統

能量管理係統研究冷、熱、電、氣物理量的低耗電量無線傳(chuan) 輸技術以及模塊化組網通信技術，開發嵌入式邊緣控製器。主要功能為(wei) 通信、數據采集、係統保護，以及智能化控製和能量管理功能。

3.2.3微電網監控管理係統

微電網監控管理係統基於(yu) 瀏覽器和服務器（B/S）架構模式的能源管理雲(yun) 平台設計技術，除具備數據采集與(yu) 監視控製（SCADA）係統的監控、保護、數據存儲(chu) 、事件記錄、人機交互等功能外，還具備智能化能量管理功能。主控係統具有高度兼容性和可擴展性，可根據不同的應用場景組成定製化係統架構以及實現監控保護功能。

3.3性能參數

係統具有高度兼容性和可擴展性，可根據不同的應用場景組成定製化係統架構，並提供相應的控製管理策略，以及監控保護功能。在此過程中，不僅(jin) 支持各類能源之間的調度和分配，同時考慮電熱轉換、電冷轉換等不同類型能源形式之間的交叉耦合利用。

係統主要參數如表1所示。

4.係統功能

4.1.實時監測

係統人機界麵友好，能夠顯示儲(chu) 能櫃的運行狀態，實時監測PCS、BMS以及環境參數信息，如電參量、溫度、濕度等。實時顯示有關(guan) 故障、告警、收益等信息。

4.2.設備監控

係統能夠實時監測PCS、BMS、電表、空調、消防、除濕機等設備的運行狀態及運行模式。

PCS監控：滿足儲(chu) 能變流器的參數與(yu) 限值設置；運行模式設置；實現儲(chu) 能變流器交直流側(ce) 電壓、電流、功率及充放電量參數的采集與(yu) 展示；實現PCS通訊狀態、啟停狀態、開關(guan) 狀態、異常告警等狀態監測。

BMS監控：滿足電池管理係統的參數與(yu) 限值設置；實現儲(chu) 能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監測；實現電池充放電狀態、電壓、電流及溫度異常狀態的告警。

空調監控：滿足環境溫度的監測，可根據設置的閾值進行空調溫度的聯動調節，並實時監測空調的運行狀態及溫濕度數據，以曲線形式進行展示。

UPS監控：滿足UPS的運行狀態及相關(guan) 電參量監測。

4.3.曲線報表

係統能夠對PCS充放電功率曲線、SOC變換曲線、及電壓、電流、溫度等曆史曲線的查詢與(yu) 展示。

4.4.策略配置

滿足儲(chu) 能係統設備參數的配置、電價(jia) 參數與(yu) 時段的設置、控製策略的選擇。目前支持的控製策略包含計劃曲線、削峰填穀、需量控製等。

4.5.實時報警

儲(chu) 能能量管理係統具有實時告警功能，係統能夠對儲(chu) 能充放電越限、溫度越限、設備故障或通信故障等事件發出告警。

4.6.事件查詢統計

儲(chu) 能能量管理係統能夠對遙信變位，溫濕度、電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。

4.7.遙控操作

可以通過每個(ge) 設備下麵的紅色按鈕對PCS、風機、除濕機、空調控製器、照明等設備進行相應的控製，但是當設備未通信上時，控製按鈕會(hui) 顯示無效狀態。

4.8.用戶權限管理

儲(chu) 能能量管理係統為(wei) 保障係統安全穩定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控的操作，數據庫修改等）。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。

4.9儲(chu) 能電表產(chan) 品選型

5.結語

光伏儲(chu) 能直流智能微電網監測係統有利用集態控製係統、分布式網絡結構電源係統和計量係統合理平衡電力、負載和儲(chu) 能裝置，達到離網工作的有功功率與(yu) 無功功率的均衡，同時逐步切斷部分非關(guan) 鍵負載，確保對關(guan) 鍵負載的安全用電，並高限度提高係統的可靠性和智能度。為(wei) 滿足不同能源係統需求，能源管理平台采用的模塊化設計方案分為(wei) 不同的係列和功能，可根據係統規模和類型進行配置。應用場景可適用於(yu) 常規光伏發電係統、光儲(chu) 發電係統、交流微電網係統、直流微電網係統以及建築電熱冷綜合能源。能源管理平台適用於(yu) 的係統裝機容量從(cong) 幾十千瓦到幾百千瓦不等。

參考文獻

【1】韓金峰，陳敬欣.光伏儲(chu) 能直流智能微電網監測係統的基礎研發

【2】hth下载地址企業(ye) 微電網設計及應用手冊(ce) .2020.06版