淺析光儲充能量管理的設計及應用

安科瑞 陳聰

摘要：本文根據光儲充系統自發自用，并網不上網原則設計了一種能量管理策略。通過峰谷電價，白天光伏/儲能出力滿足負載需求，夜間從電網購電滿足儲能充電及負載供電需求，從而實現光伏*大消納，儲能削峰填谷的目標。該策略通過運行數據分析，已滿足系統運行要求。

關鍵詞：光儲充系統；能量管理策略；光伏消納；削峰填谷

0.引言

隨著可再生能源利用技術的快速發展，我國分布式能源發電設備的裝機容量增長飛速。其中太陽能具有分布廣泛、受地理限制小，光伏發電建設周期短且污染少、噪聲小等特點而倍受重視。針對光伏發電波動性與間歇性等缺點，儲能技術與光伏發電技術的結合，可有效穩定光伏出力，消納過剩光伏能源，提高系統電能質量。能量管理系統介入，可對電網、光伏發電設備，儲能設備的能量流進行管控，從而提高系統運行可靠性及經濟效益。本文設計了一種能量管理策略，當光伏出力大于負載的需求，儲能系統充電對光伏剩余出力進行消納。當光伏出力不足無法滿足負載需求，儲能系統向負載放電。通過儲能系統削峰填谷，可提高系統供電穩定性，實現光儲充系統可靠運行。

1.光伏儲系統的組成

本文光儲充系統構成以閔行工業區智慧能源示范項目二號車棚為例，光儲充系統主要包含能量管理系統、光伏系統、充電樁系統、儲能系統。系統構成如圖所示。

1.1 能量管理系統

能量管理系統主要負責光伏、儲能、充電樁、進線電表設備數據采集、顯示、存儲，同時根據光儲充系統需求 對能量進行協調管控，從而提高系統可靠性與經濟性。

1.2 光伏系統

光伏系統主要由安裝在車棚屋頂光伏電池板與4臺 35kW組串式光伏逆變器構成。光伏系統接入站內400V母 線，光伏出力優先滿足站內負荷，出力富余則給儲能系統供電。

1.3 儲能系統

儲能系統主要2套退役磷酸鐵鋰電池組成，每套由 35kW儲能雙向變流器和153.6kW·h電池簇構成。儲能系統接入站內400V母線，當光伏出力富余，儲能系統對剩余出力進行消納，光伏出力不足無法滿足負載出力時，儲能系統放電補足出力。在夜間谷電價，儲能系統從電網購電，直至充滿。

1.4 充電樁系統

充電樁系統主要由6臺額定容量為7kW的交流單槍落地式充電樁構成。充電樁系統可為帶直流電機的小型電動汽車進行充電，也是站內負荷組成的一部分。充電樁系統主要包含刷卡管理、計費管理、充電接口管理、安全保護等功能。

2.光伏儲能系統的工作原理

光伏發電：光伏電池在陽光照射下產生直流電。這一過程是系統的電力輸入。

電能轉換：直流電經過逆變器轉換為交流電，以便在電網中使用或供給交流設備。

電能儲存：剩余的電能可以儲存在電池或其他儲能設備中，以備將來使用。這是系統的能量存儲部分。

能量管理：系統的能量管理控制器監控能源需求、電池狀態和其他參數，并根據需要分配電能。它確保在不可預測的太陽能供應條件下，系統能夠提供連續可靠的電力供應。

電網互連：如果系統與電網互連，多余的電能可以賣給電網，從而實現雙向電流。這有助于提高系統的經濟性和可持續性。

3.光儲充能量管理系統（EMS）結構

光儲充系統分為三個部分：光伏發電系統、儲能系統和充電樁系統。三個系統通過AC400V母線49耦合，通過以太網與EMS進行通訊，由EMS協調控制各系統的運行策略。EMS可以通過網絡將監控數據傳送給遠方監控系統和監視大屏顯示系統^[4]。光儲充系統的系統架構如下圖所示。

EMS是光儲充系統的核心組成部分，負責整個系統的底層數據采集、系統網絡監控、能量管理調度和運行數據分析。為保證光儲充系統的穩定運行，EMS采用兩級分級控制體分為本地EMS和集控EMS，其結構圖如下圖所示。

本地EMS可實現對儲能變流器（PCS）、電池管理系統（BMS）、光伏逆變器、充電樁和電網的數據采集，并根據峰谷電價、限電政策、應急需求等不同的使用場景，制定和運行不同的能量管理策略。本地EMS通過向PCS發送有功、無功等控制指令控制PCS執行相應的動作，同時可以將監測的光儲充系統實時運行狀態、系統內各種設備狀態等信息上傳至集控EMS。

集控EMS由EMS工作站和EMS服務器構成。EMS工作站的主要功能是實時監控光儲充系統的運行狀態，同時負責制定光儲充系統的運行模式；而EMS服務器的主要功能是儲存光儲充系統的運行數據，可以提供歷史數據查詢、數據分析等服務，是后期根據大數據分析制定運行策略的前提保障。

4.Acrel-2000ES儲能柜能量管理系統

4.1系統概述

安科瑞儲能能量管理系統Acrel-2000ES，專門針對工商業儲能柜、儲能集裝箱研發的一款儲能EMS，具有完善的儲能監控與管理功能,涵蓋了儲能系統設備(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、數據查詢與分析、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、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。

4.2系統結構

Acrel-2000ES，可通過直采或者通過通訊管理或串口服務器將儲能柜或者儲能集裝箱內部的設備接入系統。

4.3系統功能

4.3.1實時監測

系統人機界面友好，能夠顯示儲能柜的運行狀態，實時監測PCS、BMS以及環境參數信息，如電參量、溫度、濕度等。實時顯示有關故障、告警、收益等信息。

4.3.2設備監控

系統能夠實時監測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：滿足儲能變流器的參數與限值設置；運行模式設置；實現儲能變流器交直流側電壓、電流、功率及充放電量參數的采集與展示；實現PCS通訊狀態、啟停狀態、開關狀態、異常告警等狀態監測。

BMS監控：滿足電池管理系統的參數與限值設置；實現儲能電池的電芯、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，并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的運行狀態及相關電參量監測。

4.3.3曲線報表

系統能夠對PCS充放電功率曲線、SOC變換曲線、及電壓、電流、溫度等歷史曲線的查詢與展示。

4.3.4策略配置

滿足儲能系統設備參數的配置、電價參數與時段的設置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制等。

4.3.5實時報警

儲能能量管理系統具有實時告警功能，系統能夠對儲能充放電越限、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

儲能能量管理系統能夠對遙信變位，溫濕度、電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。

4.3.7遙控操作

可以通過每個設備下面的紅色按鈕對PCS、風機、除濕機、空調控制器、照明等設備進行相應的控制，但是當設備未通信上時，控制按鈕會顯示無效狀態。

4.3.8用戶權限管理

儲能能量管理系統為保障系統安全穩定運行，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。

5.相關平臺部署硬件選型清單

6.結束語

本文根據閔行工業區智慧能源示范項目二號車棚光儲充系統自發自用，并網不上網的原則，設計一種能量管理策略，即白天消納光伏出力，當光伏出力小于負荷時，儲能補足光伏出力，當光伏出力大于負荷時，儲能消納光伏剩余出力。在夜間平電價，儲能持續給負載供電，若電量不足，則從電網購電。在夜間谷電價，儲能系統從電網購電，直至充滿。此策略經過長時間運行，通過運行數據分析，已完*滿足光儲充系統運行需求。

參考文獻

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[4] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05版.

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