淺談工商企業用電管理的分布式儲能設計

hth下载地址 陳聰

摘要：文章設計了一種新的用於(yu) 工商業(ye) 用電管理的分布式儲(chu) 能係統。由於(yu) 儲(chu) 能係統硬件置換成本高，選擇在傳(chuan) 統儲(chu) 能係統的硬件框架基礎上，對控製軟件進行優(you) 化設計，建立分布式儲(chu) 能係統模型，分析發電量、儲(chu) 電量及損失電量三者之間的關(guan) 係，並分析其優(you) 化需求。在此基礎上，基於(yu) 有*時間收斂優(you) 化係統調度，確定係統模態切換策略，實現倒送電能的*效充電存儲(chu) 。對比傳(chuan) 統儲(chu) 能係統，文章設計的係統能夠管控倒送電能充電存儲(chu) 、減少資源浪費，並且存儲(chu) 過程中電能調度成本更低、經濟效益更高。

關(guan) 鍵詞：工商業(ye) 用電管理；分布式儲(chu) 能係統；有*時間

0.引言

當前社會(hui) 能源消耗巨大，傳(chuan) 統能源日漸減少，探求新的可再生能源成為(wei) 資源發展的研究熱點，分布式電源應運而生。為(wei) 解決(jue) 分布式電源存在的局限性，保證微電網的功率平衡，電力企業(ye) 引入了分布式儲(chu) 能係統。分布式儲(chu) 能係統具有適用範圍廣、汙染小的優(you) 勢，可以提升電網對新能源的消納比例。然而，分布式儲(chu) 能係統的發展也麵臨(lin) 挑戰。在工商業(ye) 用電管理中，充放電造成的電力損耗較大，造成了資源的浪費，經濟效益不明顯。為(wei) 此，章設計了一種新的工商業(ye) 用電管理分布式儲(chu) 能係統。

1.係統優(you) 化需求

在分布式儲(chu) 能係統控製電網的過程中，如果遇到大規模用電接入的情況，分布式電源的出力會(hui) *大，容易導致配電網與(yu) 主電網之間的負荷差值變大，進而產(chan) 生電壓超限的問題，使分布式儲(chu) 能係統的電力損耗較大，且控製過程中的能源浪費也隨之增加，增加係統整體(ti) 的經濟成本。假設某一時段配電網負荷參數值為(wei) ，分布式電源的出力參數值為(wei) Et，當發生功率倒送情況時，二者的關(guan) 係如下：

Et＜Ed（1）

基於(yu) 上述關(guan) 係式，根據典型日負荷曲線（如圖1所示），可以分析係統的優(you) 化需求。

在圖1中，電網中接入量過大時，分布式儲(chu) 能係統中的電源出力增加，出現功率倒送的情況，這樣會(hui) 導致能源的浪費。因此，需要控製儲(chu) 能係統，在倒送情況發生時管控倒送電能，進行充電存儲(chu) ，以減少電力資源的浪費，提高對風能、光能等新能源的消納能力。

2.係統設計

為(wei) 提高電網經濟效益，需要在傳(chuan) 統儲(chu) 能係統的硬件框架上，對軟件進行優(you) 化設計。

2.1建立分布式儲(chu) 能係統模型

分布式儲(chu) 能係統是集合發電、儲(chu) 能及能源監控功能為(wei) 一體(ti) 的能源係統。需要在深入研究分布式儲(chu) 能係統結構的基礎上，建立相應的數學模型，分析發電量、儲(chu) 電量和損失電量之間的關(guan) 係，為(wei) 後續優(you) 化打下基礎。對於(yu) 係統發電量的預測，多采用數值模擬的方法，建立儲(chu) 能係統內(nei) 部組件的數學模型。以分布式光伏電源為(wei) 例，其發電量受太陽輻射量影響，並與(yu) 溫度有關(guan) ，受感應的光伏組件會(hui) 將太陽輻射轉化為(wei) 電能，其運行的瞬時功率的q計算公式可以表示如下：

式中：∂為(wei) 一般情況下電源內(nei) 部組件的發電效率；ε為(wei) 溫度係數；Y為(wei) 當前實際的組件溫度；G為(wei) 當前接收的太陽輻射量。基於(yu) 上述公式，能夠建立分布式光伏電源的數學模型。然而，實際發電量受太陽光照角度、係統設備運行溫度及光譜等因素的影響。需要綜合考慮各種因素，對上述數學模型進行優(you) 化。假設光伏電源接收的有效輻射率為(wei) E，其計算公式如下

式中：s0為(wei) 一般情況下係統內(nei) 部的短路電流；αs為(wei) 短路時電流的溫度係數；s為(wei) 係統內(nei) 短路電流；tc、t0分別為(wei) 分布式電源組件運行中的實際溫度和理想情況下的運行溫度。

在這種情況下，計算係統內(nei) 電源的發電量I，計算公式如下：

式中：Ia為(wei) 分布式電源內(nei) 部的光電流；Ib為(wei) 相應的反向飽和電流；w為(wei) *大功率時電流的溫度參數；c為(wei) 電源大功率時的電壓；z為(wei) 開路電壓；x為(wei) 開路電壓下，係統內(nei) 部相應的溫度係數；φ為(wei) 串聯的光伏電池的數量；u為(wei) 單位負荷；κ為(wei) 玻爾茲(zi) 曼常數。上述各項參數均能夠通過測量獲得。

2.2基於(yu) 有*時間收斂優(you) 化係統調度

基於(yu) 分布式儲(chu) 能係統的優(you) 化需求，為(wei) 減少能源損耗、提高計算效率，選擇在有*時間約束的基礎上，優(you) 化係統內(nei) 的儲(chu) 能調度，以得到收斂的方案。假設在分布式儲(chu) 能係統中，能夠儲(chu) 能的組件單元有n個(ge) ，為(wei) 了使調度儲(chu) 能過程中充電損耗*小，目標函數如下：

式中：i為(wei) 進行儲(chu) 能充電的單元組件；GiPi為(wei) 單元組件i運行時的功率損耗。

要滿足電網儲(chu) 能係統的調度優(you) 化需求，就要消滅倒送功率。考慮電網穩定性，需要維持功率平衡，也就是要滿足主電網負荷pg＞0的條件，其條件公式可以表示如下：

式中：ph為(wei) 儲(chu) 能係統運行過程中，電網在某一時段的總負荷；pd為(wei) 同一時段下，分布式電源的功率；pc為(wei) 相同時段內(nei) ，該儲(chu) 能充電單元的運行功率。

在上述條件的基礎上，基於(yu) 拉格朗日理論，建立分布式儲(chu) 能係統內(nei) 部調度的優(you) 化算法，優(you) 化後，儲(chu) 能充電單元運行功率cp的計算公式如下：

式中：S為(wei) 正常數增益；D為(wei) 正參數；α為(wei) 拉格朗日係數；T為(wei) 時間限製條件參數；i為(wei) n個(ge) 儲(chu) 能組件中的某一單元組件，滿足i=1,2,…,n；fi為(wei) 單元組件進行儲(chu) 能工作時，運行功率的*大參數值；βi為(wei) 相應的增量成本。

上述算法能夠優(you) 化儲(chu) 能係統內(nei) 部的調度，將充電時的能源損耗控製在很小範圍內(nei) ，同時獲取有*時段內(nei) 係統收斂的解決(jue) 方案。

2.3通過模態切換實現分布式儲(chu) 能

在完成對係統的調度優(you) 化後，為(wei) 保證分布式儲(chu) 能係統整體(ti) 運行的穩定性，降低運行損耗，需要確定相應的模態切換策略，降低係統內(nei) 部的電壓偏差，實現定容優(you) 化。

在工商業(ye) 用電管理中，需要考慮線路損耗的成本。假設係統內(nei) 部運行產(chan) 生的損耗為(wei) ，此時，成本損失D的計算公式如下：

式中：F為(wei) 係統中的儲(chu) 能單元組件的損耗成本；j為(wei) 該單元組件運行的某一時刻；Δj為(wei) 運行的某一時段，一般情況該參數取值為(wei) 1。

基於(yu) 上式，可以分析發生功率倒送情況時的成本損耗。為(wei) 了提升分布式儲(chu) 能係統的電壓質量，降低成本損耗，需要降低係統內(nei) 節點的電壓偏差H，其計算公式如下：

式中：N為(wei) 儲(chu) 能係統內(nei) 節點的數量；r為(wei) 其中的某一單元節點，滿足r=1,2,…,N；t為(wei) 係統運行的某一時刻；Urt為(wei) r在t時刻的電壓；UN為(wei) 同一時刻係統內(nei) 的額定電壓。

基於(yu) 上述計算方法，能夠實現對於(yu) 分布式儲(chu) 能係統的容量配置優(you) 化，完成係統軟件部分設計。

3.實驗驗證

3.1實驗準備

為(wei) 驗證文章設計的分布式儲(chu) 能係統在維持電壓穩定、優(you) 化能量調度方麵的優(you) 異性，特進行驗證實驗。采用基於(yu) 傳(chuan) 統遺傳(chuan) 算法的儲(chu) 能係統（傳(chuan) 統儲(chu) 能係統）與(yu) 文章設計的用於(yu) 工商業(ye) 用電管理的分布式儲(chu) 能係統進行測試，儲(chu) 能係統硬件參數如表1所示。

3.2實驗結果

在實驗過程中，測試了傳(chuan) 統儲(chu) 能係統和文章設計係統的電網負荷變化情況，具體(ti) 結果如圖2所示。如圖2所示，文章設計的分布式儲(chu) 能係統對電網負荷的控製能力較傳(chuan) 統儲(chu) 能係統強在傳(chuan) 統儲(chu) 能係統運行過程中，電網功率變化範圍較大，出現多處功率倒送情況，在運行至16～24h時，穩定性不足；在文章設計係統運行過程中，對電壓的控製較穩定，能夠將電能進行充電存儲(chu) ，幾乎沒有出現功率倒送的問題，能源的損耗較傳(chuan) 統係統少，具有很高的經濟效益。為(wei) 了驗證文章設計係統在進行電能調度時的成本優(you) 勢，試驗測試了兩(liang) 種係統的電網調度成本，如表2所示。

如表2所示，無論何種天氣，與(yu) 傳(chuan) 統儲(chu) 能係統相比，文章設計的分布式儲(chu) 能係統在能源調度中的成本更低。

1. Acrel-2000ES儲(chu) 能櫃能量管理係統

4.1係統概述

hth下载地址儲(chu) 能能量管理係統Acrel-2000ES，專(zhuan) 門針對工商業(ye) 儲(chu) 能櫃、儲(chu) 能集裝箱研發的一款儲(chu) 能EMS，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。在高級應用上支持能量調度,具備計劃曲線、削峰填穀、需量控製、防逆流等控製功能。

4.2係統結構

Acrel-2000ES，可通過直采或者通過通訊管理或串口服務器將儲(chu) 能櫃或者儲(chu) 能集裝箱內(nei) 部的設備接入係統。係統結構如下：4.3係統功能

4.3.1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。

4.3.2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。

4.3.3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。

4.3.4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。

4.3.5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。

4.3.6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。4.3.7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。

4.3.8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。

5.結束

為(wei) 解決(jue) 在工商業(ye) 用電管理中的資源浪費問題，提高發電經濟效益，文章設計了用於(yu) 工商業(ye) 用電管理的分布式儲(chu) 能係統，並驗證了該係統的應用效果。在今後的研究中，需要進一步深入，以推動分布式儲(chu) 能係統的可持續發展。

參考文獻

[1]羅希,沈奕萱.基於(yu) 風光儲(chu) 微電網混合儲(chu) 能係統容量優(you) 化配置的研究[J].自動化技術與(yu) 應用,2022,41(6):108-111.

[2]劉豔峰,王亞(ya) 星,羅西,等.基於(yu) 動態運行策略的太陽能分布式供能係統設計運行聯合優(you) 化[J].太陽能學報,2022,43(5):244-251.

[3]徐偲喆.分布式儲(chu) 能係統在電網中的應用及改進[J].電工技術,2021(5):46-47,52.

[4]張明,劉奕宏,李海津,等.航天器百千瓦級分布式可重構電源係統設計[J].航天器工程,2021,30(1):86-94.

[5]項秉福，陳小軍(jun) ，潘 可，何 丹.用於(yu) 工商業(ye) 用電管理的分布式儲(chu) 能係統設計

[6]hth下载地址企業(ye) 微電網設計與(yu) 應用手冊(ce) 2022.5版