淺談電力光伏混合儲能係統的能量策略研究

hth下载地址 陳聰

摘要：文章提出了一種光伏電力混合儲(chu) 能係統的能量管理控製策略，主要應用於(yu) 含有光伏電源(Photovoltaic,PV)、電池能量存儲(chu) (Battery Energy Storage, BES)和交流負載的發電網絡係統中。該策略能夠充分利用電力係統中組合架構之間的連接關(guan) 係，有效緩解了目前電網中BES係統存在的過充電、欠充電等問題,並將充放電電流控製在一個(ge) 相對穩定的範圍內(nei) ，延長了電池的使用壽命。分別在含有傳(chuan) 統鉛酸和鋰離子電池的混合能量係統中使用6kVA電源轉換器進行實驗，結果證明了所提出的能量管理策略的正確性和有效性。

關(guan) 鍵詞：能量管理；光伏；電池儲(chu) 能；混合儲(chu) 能

0引言

近年來，可再生能源(Renewable EnergySources, RES)在普通民用住宅和工業(ye) 生產(chan) 領域中的應用愈加廣泛。光伏(Photovoltaic, PV)發電技術在各種RES解決(jue) 方案中，已經有相當多的應用場景。

在光伏電力係統中，電池能量存儲(chu) (BatteryEnergy Storage, BES)單元在維持電能持續供應方麵具有重要的作用。傳(chuan) 統的BES單元主要使用鉛酸電池作為(wei) 存儲(chu) 介質,隨著技術的不斷發展,鋰離子電池憑借自身能量密度高、轉化效率好等特點，成為(wei) 一種全新的技術解決(jue) 方案。無論采用哪種BES結構作為(wei) 基本的儲(chu) 能單位，都需要對鏈路中的電源進行控製，進而維持電網中的電流強度，保護BES單元的使用壽命和輸出穩定性。適當的電源管理對於(yu) 實現係統的高性能運行至關(guan) 重要。

與(yu) 傳(chuan) 統的電力係統相比，光伏電力係統在成本和轉換效率中具有明顯的優(you) 勢。由於(yu) 光伏電力係統一般通過直流電力傳(chuan) 輸係統進行輸送，因此無法在普通家庭和大多數的工業(ye) 應用場景中直接使用，需要進行直流電和交流電之間的模式轉換，但是這種轉換會(hui) 導致係統能量損耗，並會(hui) 幹擾電路中正常的電流強度。

為(wei) 了解決(jue) 上述問題，同時增強電網的整體(ti) 穩定性，本文提出了一種用於(yu) 光伏電力混合儲(chu) 能係統的能量管理策略。

1光伏電力混合儲(chu) 能係統的能量管理策略

PV、BES和直流負載傳(chuan) 輸是目前電力係統中*常用的3種技術。為(wei) 了更好地探究電力係統中的能量管理策略,本文對直流傳(chuan) 輸係統(DC)和交流傳(chuan) 輸係統(AC)的傳(chuan) 輸狀態進行了對比,結果如表1所示。

表1以直流和交流為(wei) *心的係統架構比較

從(cong) 表1中可以看出：以直流為(wei) *心的傳(chuan) 輸係統為(wei) 電池能量儲(chu) 存係統提供了*佳的充電保護;以交流為(wei) *心的傳(chuan) 輸係統，通過減少光伏電源到交流負載的轉換*數,保護了BES係統的穩定運行,為(wei) 電池組的靈活部署提供了有效的保證。因此，在以交流為(wei) *心的傳(chuan) 輸係統中,可以靈活地配置BES單元。

當係統控製器未適當管理能量流時，就*須考慮安全隱患。當光伏電力係統中的總發電量超過BES係統的*大值時，係統的充電電壓和電流就會(hui) 超過電池係統的上限，對儲(chu) 能係統造成不可逆的損壞。本文所提出的能量管理策略，可以在穩定傳(chuan) 輸係統內(nei) 部電流的情況下，通過電源控製器使BES係統在充放電過程中，保持穩定的電流變化曲線問。為(wei) 了保持光伏電力係統的穩定運行，需要將電網中的電流和電壓控製住。同時為(wei) 了防止儲(chu) 能係統的過度充放電,電源轉換器應滿足如下條件：

電池充電的參考電壓和電流水平是溫度(TB)的函數，用F來表明函數映射關(guan) 係。如果不滿足式(1),則不受控製的能量流可能會(hui) 導致電池充電電壓過高，造成電池不可逆轉的損壞。為(wei) 了避免這種不良影響，本文將形成網格的電池轉換器設計為(wei) 多變量係統:直接調節,控製交流電壓、頻率和相角；間接調節，控製直流電壓、電流和剩餘(yu) 電量(State of Charge, SOC),穩定BES係統的充電電壓。

圖1為(wei) 使用電池轉換器和並網光伏逆變器的混合電力傳(chuan) 輸係統的控製框圖，其中並網光伏逆變器控製結構具有*大功率點跟蹤和功率縮減功能。光伏逆變器的控製器不斷監視電網參數，並在檢測到接收信號5發生特定變化的情況下對傳(chuan) 輸模式進行解調。從(cong) 圖1中可以看到,BES充電曲線依賴於(yu) 電力線的間接控製，而無需依靠其他有線通信方式。

圖1 控製框圖

通常使用以下3種方法實現電池轉換器(發射器)和PV逆變器(接收器)之間的通信：

①f的線性變化；

②CF基於(yu) 模式的變化；

③數字調製傳(chuan) 輸。使用此特定方法,電池轉換器對可控製的載波信號CF進行調製，光伏逆變器以類似於(yu) 模數轉換的方式對信息進行解調。Cf的變化以0和1的格式提供信息。例如，如果電壓相位角是用於(yu) 通信的信號，則以二進製頻移鍵控(Frequency Shift Keying, FSK)的形式使用。在這種特殊情況下,發射器（電池轉換器）會(hui) 引入CF的流變化情況。然後檢測並解調此時傳(chuan) 輸係統中電路的電流變化情況。

表2為(wei) 在電池轉換器和光伏逆變器分布式發電機中電源管理控製器的設計要求。

表2電源管理控製器的設計要求

在本文所提出的光伏電源混合儲(chu) 能控製策略中,電源管理控製需要與(yu) 多個(ge) 交流網絡進行連接。這種連接和控製方式可以完成多階段的充電狀態監控以及外部發電機之間的信息同步和傳(chuan) 遞工作。

2基於(yu) 頻率控製的能量均衡和減載策略

本文基於(yu) 頻率的電源管理控製為(wei) BES的多*充電功率平衡和減載提供了一種魯棒的方法,該方法可以有效減少係統的能量損耗，增強整個(ge) 鏈路的穩定性，控製結構如圖2所示。

圖2用於(yu) 電池轉換器線路頻率控製的通用控製結構

圖2（a）為(wei) 本文設計的一種通過控製光伏逆變器的功率來間接控製電池充電電壓和電流的網格結構。用於(yu) 線路頻率控製的電池電壓和電流控製器以比例積分（Proportional Integral,PI）補償(chang) 器的形式進行選擇。圖2（b）為(wei) 在孤島離網模式下運行的電池轉換器，以及帶有可控斷路器的交流麵板，用於(yu) 分配交流負載。

2.1 BES充電電源係統分析

圖3為(wei) 具有線頻控製和通信能力的以交流為(wei) *心的電力係統中能量流控製的按鍵波形。圖3(a),(b)顯示了在電池轉換器中實現的多*充電曲線,以滿足BES的穩定工作需求。電池轉換器將BES的SOC和SOH參數維持在一個(ge) 穩定的區間。

圖3具有線頻控製和通信能力的以交流為(wei) *心的電力係統中能量流控製的按鍵波形

2.2 BES放電減載

在低輻照度條件下，光伏能量不足以滿足交流負載需求。交流負載減少操作如圖3（c）所示，在較高的交流負載需求期間變為(wei) 活動狀態。電池SOC電量較低時,電池轉換器降低線路頻率（f）,而頻率變化會(hui) 導致交流負載序列斷開。電池的尺寸和幀是SOR的函數，並且取決(jue) 於(yu) 充電倣電速率、SOC範圍、放電深度、循環次數和工作溫度。係統轉換效率的指標需要在係統選型時加以考慮,以確定從(cong) BES到交流端口的有效可用能量。

3hth下载地址Acrel-2000ES儲(chu) 能能量管理係統解決(jue) 方案

3.1概述

hth下载地址Acrel-2000ES儲(chu) 能能量管理係統具有完善的儲(chu) 能監控與(yu) 管理功能，涵蓋了儲(chu) 能係統設備(PCS、BMS、電表、消防、空調等)的詳細信息，實現了數據采集、數據處理、數據存儲(chu) 、數據查詢與(yu) 分析、可視化監控、報警管理、統計報表等功能。在應用上支持能量調度，具備計劃曲線、削峰填穀、需量控製、備用電源等控製功能。係統對電池組性能進行實時監測及曆史數據分析、根據分析結果采用智能化的分配策略對電池組進行充放電控製，優(you) 化了電池性能，提高電池壽命。係統支持Windows操作係統，數據庫采用SQLServer。本係統既可以用於(yu) 儲(chu) 能一體(ti) 櫃，也可以用於(yu) 儲(chu) 能集裝箱，是專(zhuan) 門用於(yu) 儲(chu) 能設備管理的一套軟件係統平台。

3.2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。

工商業(ye) 儲(chu) 能四大應用場景

1）工廠與(yu) 商場：工廠與(yu) 商場用電習(xi) 慣明顯，安裝儲(chu) 能以進行削峰填穀、需量管理，能夠降低用電成本，並充當後備電源應急；

2）光儲(chu) 充電站：光伏自發自用、供給電動車充電站能源，儲(chu) 能平抑大功率充電站對於(yu) 電網的衝(chong) 擊；

3）微電網：微電網具備可並網或離網運行的靈活性，以工業(ye) 園區微網、海島微網、偏遠地區微網為(wei) 主，儲(chu) 能起到平衡發電供應與(yu) 用電負荷的作用；

4）新型應用場景：工商業(ye) 儲(chu) 能探索融合發展新場景，已出現在5G基站、換電重卡、港口岸電等眾(zhong) 多應用場景。

3.3係統結構

3.4係統功能

3.4.1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。

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。

儲能界麵

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，並展示當前電芯的電壓、溫度值及所對應的位置。

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。

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。

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。

3.4.2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

3.4.3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

3.4.4運行報表

應能查詢各子係統、回路或設備規定時間的運行參數，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

3.4.5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

3.4.6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

3.4.7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、三相電壓不平衡度和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度和正序/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、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

3.4.8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

3.4.9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。

圖23曲線查詢

3.4.10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

3.4.11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。

3.4.12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。

圖26通信管理

3.4.13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*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。

圖27用戶權限

3.4.14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。

圖28故障錄波

3.4.15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) 事故前*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規定和隨意修改。

圖29事故追憶

3.5係統硬件配置清單

4結　論

本文提出了一種針對電源係統的靈活電源管理策略，可以在含有電池轉換器和光伏逆變器的係統中*效地使用。該能量管理策略能夠充分利用電力係統中組合架構之間的連接關(guan) 係，可控製對電池的充放電、狀態監測和運行狀態、性能的分析，同時可對電池的溫度、電壓進行實時保護及告警，從(cong) 而保證係統運行的穩定及安全。

參考文獻

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