胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定

摘要：光伏發電管理中，并網管理是十分重要的環節，通過采取科學的調控策略來降低風險因素對并網造成的危害，提升光伏電站并網系統的安全性和穩定性。本文圍繞這一議題進行了探討，概述了儲能技術在光伏并網發電系統中的應用，通過建立能量管理模型并進行并網仿真模擬分析，以更好地實施光儲系統中混合儲能協調控制策略，為光伏發電并網管理奠定可靠的基礎。

關鍵詞：光伏發電站；發電并網；能量管理模型；控制系統

0引言

光伏發電是發展前景良好的清潔型能源。近年來，光伏發電站陸續投入運營，受到光照和溫度等因素的影響，電力輸出功率存在間歇波動性和隨機性，因此，為了維持電網穩定性采用儲能裝置十分必要。

1儲能技術在光伏并網發電系統中的應用

儲能裝置是光伏并網發電系統中的重要組成部分。通常包括蓄電池、電容器。其中，蓄電池成本低廉，但是循環倍率有限制，功率密度較低，因此，無法很好地兼顧蓄電池充放電過程以及電池較大功率跟蹤?？紤]到光伏電站的實際發電規律，采用蓄電池往往充放電循環次數多造成容量迅速失效，使蓄電池壽命縮減。電容器是另一種儲能類型。相比蓄電池，電容器的循環壽命更長，對充放電次數沒有很多限制，功率密度高，可以實現瞬時功率吸納放出。不足是不能長時間為負荷提供電能。在當前的光伏并網系統中，通常采用上述兩種儲能類型，實現優勢互補，構建高性能的儲能系統，蓄電池作為長期儲能裝置，電容器作為短期儲能裝置，既可以實現能量長時間儲備的目的，而且可以瞬時調節系統的功率，采取合理的能量管理策略。

2能量管理模型及綜合控制策略

通過對蓄電池和電容器容量進行配比，滿足儲能系統的能量管理需求。設計環節應考慮儲能系統的電流吞吐能力，滿足光伏發電系統的脈動電流變化，要留有一定的富裕量。能量管理目標的實現主要是對光伏控制器和并聯控制器進行工況調整。在恒流條件下，電容器的充電電壓達到較大功率跟蹤值，光伏控制器的輸出電流減小，此時，光伏控制器在較大功率跟蹤值條件下進入充電工況。當電容器的電容量較小時，電壓較低，在較大功率跟蹤值條件下，光伏控制器的輸出電流較大，此時，為恒流模式充電工況，直到達到電容器較大功率跟蹤值。電容器能量接近上限*，此時，端口電壓接近額定電壓，光伏控制器不再是較大功率跟蹤模式，而進入恒壓模式，保持電壓不變。并聯控制器在設計過程中應考慮儲能系統的容量配置及相關影響因素，如氣候、負荷、光照、溫度等條件下所引起的發電功率變化情況。當蓄電池能量較少時，并聯控制器以恒流模式對蓄電池充電；當蓄電池能量較多時，并聯控制器處于恒壓工況。如果電容器的電壓比并聯控制器的輸入電壓下限*，并聯控制器停止運行。當蓄電池容量飽和且系統沒有負載時，也將停止運行。如果充電電流保持恒定，則光伏控制器在電容器電壓正常的情況下保持恒流輸出；如果充電電流不能保持恒定，則光伏控制器進入恒壓工作模式或者較大工作跟蹤模式。此時，會存在光伏控制器啟停切換頻繁的問題，為此，采用滯回比較的方式設置并聯控制啟停兩個門限。此外，可能存在蓄電池過放電的問題，對此在蓄電池電壓小于電壓下限*，系統切斷蓄電池和負載之間的連接，使蓄電池充放電狀態合理，延長電池壽命。

在能量管理過程中，大多采用較大功率跟蹤的方式，具體方法包括恒定電壓控制法、擾動觀察法、電導增量法。擾動觀察法和電導增量法在采樣環節存在誤差，因此，會對系統啟動造成不利影響，造成功率波動。在系統由開路電壓轉變為較大功率電壓的過程中，電流變化情況較為劇烈，這種情況更加重了誤差影響，對電流理論值帶來偏差，不利于能量控制的準確性和時效性。為了減少采樣帶來的誤差，將擾動觀察法和電導增量法相結合進行計算。通過檢測功率和電壓的變化數值和變化方向，對系統電壓進行調整使系統快速達到較大功率，然后，根據功率變化情況，采用電導增量法找到較大功率點。根據負載和輸出功率之間的差值確定蓄電池充放電控制策略。由于功率對負載的變化情況更敏感，因此，根據負載和功率之間的差值能夠更快速地對系統瞬時功率進行平衡。采用上述方法可以避免蓄電池在充放電兩種狀態下頻繁切換，而且避免了在大電流高電壓狀態下工作，延長電池的使用壽命，減少電流的劇烈波動。

3光儲系統中混合儲能協調控制策略及系統仿真分析

基于低通濾波原理來設計混合儲能協調控制策略是一種有效的方式。其原理是光伏電源輸出功率通過濾波器得到光伏電源輸出功率參考值，將之與光伏電源輸出功率值相減，得到混合儲能系統功率指令參考值。然后，這一功率指令參考值通過二個濾波器，得到高頻分量和低頻分量，其中高頻分量作為電容的功率參考值，低頻分量作為蓄電池的功率參考值。由于電容器充放電快速，循環次數限制少，因此，優先對電容器進行充放電，減少蓄電池充放電次數，延長其壽命。此外，對電容器電壓和蓄電池荷電狀態進行檢測，優化得到兩個濾波器的時間常數，從而對混合儲能系統的功率進行調整，合理分配充放電順序。對一個濾波器的時間常數進行調節可以實現混合儲能系統的過充過放保護。例如，當檢測到電容器端電壓和蓄電池荷電狀態達到混合儲能系統過充過放工況時，調小一個濾波器的時間常數，避免過充過放情況發生。對二個濾波器的時間常數進行調節，可實現對混合儲能系統的協調控制。當功率指令經過二個濾波器后，分別得到高頻分量，對應電容器功率參考值和低頻分量對應蓄電池功率參考值。有限對電容器進行充放電，當電容器不能滿足混合儲能系統的功率指令時，再用蓄電池來滿足剩余功率指令。當一個濾波器時間常數增大時，混合儲能系統的功率指令增大；當一個濾波器時間常數減小時，混合儲能系統的功率指令減小。一個濾波器時間常數恒定時，當增大二個濾波器時間常數，則混合儲能系統功率指令主要由電容器承擔；當減小二個濾波器時間常數，則混合儲能系統功率指令主要由蓄電池承擔。

對電容器電壓進行區間劃分，為0、0.2倍較大電壓、0.8倍較大電壓、較大電壓；對蓄電池荷電進行區間劃分，為0、較小荷電、較大荷電、1。由于電容器相應速度快，因此，電容器優先充放電?；旌蟽δ芟到y仿真模型根據混合儲能系統功率指令的正負判斷進行充放電動作。當混合儲能系統功率指令為正值時設置為充電，當混合儲能系統功率指令為負值時設置為放電，當混合儲能功率指令為零時不動作，返回上一步。

當混合儲能系統功率指令為正值時，檢測電容器端電壓，如果超過0.2倍較大電壓，則優先對電容器進行放電，二濾波器時間常數為極值。當電容器端電壓低于0.2倍較大電壓時，檢測蓄電池荷電狀態，如果荷電狀態超過較小荷電，此時混合儲能系統功率指令主要由蓄電池承擔，電容器為輔。當儲能系統進入過放保護區域時，調小一濾波器時間常數，使混合儲能系統功率指令減小。

當混合儲能系統功率指令為負值時，檢測電容器端電壓，如果不超過0.8倍較大電壓，則優先對電容器進行充電，二濾波器時間常數為極值。當電容器端電壓高于0.8倍較大電壓時，檢測電容器端電壓是否不超過較大電壓，如果不超過則放電動作由蓄電池承擔，調小二濾波器時間常數。檢測蓄電池荷電狀況，當荷電不超過較大荷電值，則繼續對蓄電池充電；當荷電超過較大荷電值，此時，儲能系統進入過充保護區域，調小一濾波器時間常數，使混合儲能系統功率指令減小。

4系統概述

4.1概述

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，提升可再生能源應用，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。

4.2技術標準

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

4.3適用場合

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。

4.4型號說明

5系統配置

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

6系統功能

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。

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。

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，并展示當前電芯的較大、較小電壓、溫度值及所對應的位置。

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。

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。

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。

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

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

6.4運行報表

應能查詢各子系統、回路或設備*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

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

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。

圖20歷史事件查詢

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分*和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度百分*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、較大值、較小值、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

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

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。

圖23曲線查詢

6.10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

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。

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。

圖26通信管理

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）?？梢远x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。

圖27用戶權限

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。

圖28故障錄波

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*10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*定和隨意修改。

圖29事故追憶

7硬件及其配套產品

8結語

光伏發電站具有能量波動大、發電間歇性和隨機性的特點，因此在發電并網環節存在較多的風險。為了提高光伏電站并網平穩性和可靠性，采用蓄電池和電容器相結合的方式更好地發揮出混合儲能系統在能量管理中的協同優勢，對于優化蓄電池充放電，延長電池使用壽命創建了積極條件?；诘屯V波原理對混合儲能系統設計協調控制策略，便于更好地保護儲能設備，實現平穩充放電目標。

參考文獻：

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2. 張德帥.混合儲能光伏并網系統的能量管理策略[D].山東大學，2018.

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[4]安科瑞企業微電網設計與應用設計,2022,05版.