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淺談光儲微電網混合儲能系統的控制策略
任運業
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：隨著社會生產力的不斷提高，對不ke再生資源的大量消耗，人們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統光儲微電網混合儲能系統控制策略一種理想形式，但實際上蓄電池的容量是有限度的，傳統控制策略在蓄電池剩余電量達到闔值時將無法正常使用，由此提出了光儲微電網混合儲能系統的新型控制策略，又結合實際情況，對開關進行了改進，利用開關與二極管并聯，使其擁有四種工作狀態，當儲能元件剩余電量達到閾值時，可自動恢復電量降低成本，提高并輸出電池電能質量。
關鍵詞：光儲微電網；控制策略；開關優化
0、前言
在微電網運行過程中，光儲能系統可以使系統中的能量進行緩沖，是微電網運行中不ke缺少的環節，由于經濟原因光儲能設備的配置不應太高，在選擇儲能系統容量與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。目前市場上儲能功率容量大小，沒有統一的規定，這是由于混合儲系統中儲能介質之間功率分配及容量優化所導致的，因此需要對此進行深入的研究，筆者在獨立微電網到并網微電網，從單一儲能到混合儲能，做了較為立體的研究，在開關優化方面也做了一些相關的介紹，并得到了一些有意義的結論。
1、光儲微電網混合儲能系統
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能容量維持在較低水平，克服了傳統的儲能容量在運行中逐漸增加的缺陷。如何減小儲能容量，通過實驗發現選用光伏發電院與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能的需求，并對光伏發電和風力發電的優比例混合產生影響。
儲能系統與微電網：等效微電網的調度效果是利用儲能系統補償，可再生能源發電預測性誤差所產生的，它是針對可再生能源發電系統中微電網與儲能系統配合發電的運行機制。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能系統的容量和功率，在此基礎上可以預測儲能配置與準確性的關系，能夠進一步得出微電網中儲能分散配置與集中配置對儲存能量的影響，通過實驗結果可以得出，充分利用各個裝置的可用容量減小微電網系統的容量，從這一角度而言，集中配置好于分散配置。
能裝置分析：通過科學實驗比較以鋰電池為代表的能量型儲能裝置和超級電容為代表的功率型儲能裝置，在平滑能量波動方面的特性，得出結果表明功率型儲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勢，卻難以適應大幅波動情況。
混合儲能系統分析：考慮到單一功率型和能量型儲存裝置在平滑功率時的波動局限性，可以將兩者有機的結合到一起組成混合儲能系統，從而發揮其各自長處，通過控制理論功率優化分配法，可以降低混合系統的總成本。通過運用遺傳算法使各儲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，達到混合系統優配置。通過實驗仿真結果表明，功率優化分配方法可以充分發揮兩種介質的優點，了解的狀態設定的范圍內并有效的減少能量的儲能充電次數，并在柔性約束優化問題中，采用遺傳算法求解，能夠使用優化問題收斂至優解。另外通過仿真結果表明適當的放松充電次數，可以有效的減少混合儲能系統的容量與功率，可以結合實際成本，進行混合儲能的系統配。
儲能元件保護開關優化：在故障發生或極duan天氣的情況下，原件的保護開關發揮著重要作用，為防止儲能元件過充與過放，在儲能元件soc達到閾值時將其從電網斷開。傳統的保護開關只有斷開和閉合的功能。這就使開關在斷開后，需要獨立的充放電路，將儲能元件soc恢復到正常水平，才能在接入電網；其過程非常繁瑣，并且成本也很高，針對這種情況，筆者對保護電路進行改造，通過兩個開關，兩個二極管并聯組成，使保護電路形成四種不同的工作狀態，當儲能元件Soc到達上限shi，一個開關導通，一個開關斷開，儲能原件只放電，并且防止原件同時自動恢復電量獨立放電電路，從而降低成本，soc下線時同里，改進保護開關結合上文中的改進控制策略就可以實現儲能原件恢復電量的同時，平抑光伏輸入功率波動平滑，并網輸出功率，提高并網電能質量。
2、光儲微電網混合儲能系統發展展望
在對獨立性微電網儲能系統控制策略研究時，從儲能容量小方向進行研究的，仿真結果表明儲能放電效率對光伏風電優化比例及儲能容量存在一定的影響，具體產生的原因，本文中沒有進一步討論。
在比較能量型儲能與功率型儲能在平華可再生能源功率波動方面性能差異時，只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面的影響。另外，不同的儲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。
Acrel-2000MG微電網能量管理系統，是我司根據新型電力系統下微電網監控系統與微電網能量管理系統的要求，總結國內外的研究和生產的經驗，專門研制出的企業微電網能量管理系統。本系統滿足光伏系統、風力發電、儲能系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、儲能系統、充電樁運行狀態及健康狀況，是一個集監控系統、能量管理為一體的管理系統。該系統在安全穩定的基礎上以經濟優化運行為目標，促進可再生能源應用，提高電網運行穩定性、補償負荷波動；有效實現用戶側的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為企業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方案。
微電網能量管理系統應采用分層分布式結構，整個能量管理系統在物理上分為三個層：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，物理媒介可以為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。
本方案遵循的標準有：
本技術規范書提供的設備應滿足以下規定、法規和行業標準：
GB/T26802.1-2011工業控制計算機系統通用規范1部分：通用要求
GB/T26806.2-2011工業控制計算機系統工業控制計算機基本平臺2部分：性能評定方法
GB/T26802.5-2011工業控制計算機系統通用規范5部分：場地安全要求
GB/T26802.6-2011工業控制計算機系統通用規范6部分：驗收大綱
GB/T2887-2011計算機場地通用規范
GB/T20270-2006信息安全技術網絡基礎安全技術要求
GB50174-2018電子信息系統機房設計規范
DL/T634.5101遠動設備及系統5-101部分:傳輸規約基本遠動任務配套標準
DL/T634.5104遠動設備及系統5-104部分:傳輸規約采用標準傳輸協議子集的IEC60870-5-網絡訪問101
GB/T33589-2017微電網接入電力系統技術規定
GB/T36274-2018微電網能量管理系統技術規范
GB/T51341-2018微電網工程設計標準
GB/T36270-2018微電網監控系統技術規范
DL/T1864-2018獨立型微電網監控系統技術規范
T/CEC182-2018微電網并網調度運行規范
T/CEC150-2018低壓微電網并網一體化裝置技術規范
T/CEC151-2018并網型交直流混合微電網運行與控制技術規范
T/CEC152-2018并網型微電網需求響應技術要求
T/CEC153-2018并網型微電網負荷管理技術導則
T/CEC182-2018微電網并網調度運行規范
T/CEC5005-2018微電網工程設計規范
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
系統可應用于城市、高速公路、工業園區、工商業區、居民區、智能建筑、海島、無電地區可再生能源系統監控和能量管理需求。
3.4型號說明
3.5系統配置3.5.1系統架構
本平臺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系統組網方式
3.6.1實時監測
微電網能量管理系統人機界面友好，應能夠以系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、隔離開關等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。其中，各子系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：開關狀態、斷路器故障脫扣告警等。
系統應可以對分布式電源、儲能系統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態及發電單元與儲能單元運行功率設置等。
系統應可以對儲能系統進行狀態管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態進行及時告警，并支持定期的電池維護。
微電網能量管理系統的監控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電樁及總體負荷組成情況，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，儲能及光伏系統信息進行顯示。
圖2系統主界面
子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電樁信息、通訊狀況及一些統計列表等。
3.6.1.1光伏界面
圖3光伏系統界面
本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、并網柜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；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。3.6.1.2儲能界面
圖4儲能系統界面
本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。
圖5儲能系統PCS參數設置界面
本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。
圖6儲能系統BMS參數設置界面
本界面用來展示對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儲能系統PCS電網側數據界面
本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。
圖8儲能系統PCS交流側數據界面
本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。
圖9儲能系統PCS直流側數據界面
本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。
圖10儲能系統PCS狀態界面
本界面用來展示對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儲能電池狀態界面
本界面用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲能電池的運行狀態、系統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。
圖12儲能電池簇運行數據界面
本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并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風電界面
圖13風電系統界面
本界面用來展示對風電系統信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側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；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。
3.6.1.4充電樁界面
圖14充電樁界面
本界面用來展示對充電樁系統信息，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、各個充電樁的運行數據等。
3.6.1.5視頻監控界面
圖15微電網視頻監控界面
本界面主要展示系統所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。
3.6.2發電預測
系統應可以通過歷史發電數據、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，并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，便于用戶對該系統新能源發電的集中管控。
圖16光伏預測界面
3.6.3策略配置
系統應可以根據發電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、有序充電、動態擴容等。
圖17策略配置界面
3.6.4運行報表
應能查詢各子系統、回路或設備指ding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，系統能夠對各子系統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內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；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。
圖19實時告警
3.6.6歷史事件查詢
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和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。
3.6.7電能質量監測
應可以對整個微電網系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系統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。
1）在供電系統主界面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fen百和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度百fen百和正序/負序/零序電流值；
2）諧波分析功能：系統應能實時顯示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）電壓波動與閃變：系統應能顯示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頻率偏差；
4）功率與電能計量：系統應能顯示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，系統應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統應能查看相應暫態事件發生前后的波形。
6）電能質量數據統計：系統應能顯示1min統計整2h存儲的統計數據，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微電網系統電能質量界面
3.6.8遙控功能
應可以對整個微電網系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統維護人員可以通過管理系統的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度系統或站內相應的操作命令。
圖22遙控功能
3.6.9曲線查詢
應可在曲線查詢界面，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具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的用電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與外部系統間電能量交換進行統計分析；對系統運行的節能、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；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。
圖24統計報表
3.6.11網絡拓撲圖
系統支持實時監視接入系統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。
圖25微電網系統拓撲界面
本界面主要展示微電網系統拓撲，包括系統的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。
3.6.12通信管理
可以對整個微電網系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監測。系統維護人員可以通過管理系統的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，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）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。
3.6.14故障錄波
應可以在系統發生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，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、提高電力系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個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。
3.6.15事故追憶
可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。
用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發生時，存儲事故qian10個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數據。啟動事件和監視的數據點可由用戶指ding和隨意修改。
圖29事故追憶
4、結語
通過對光儲微電網混合系統控制策略及開關優化方面的分析，能夠合理的選擇出額定功率和額定容量的配置，從而保障微電網的經濟運行。
參考文獻
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作者簡介
任運業，男，現任職安科瑞電氣股份有限公司。
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