安科瑞 陳聰

摘要：在“雙碳”戰略背景下，光伏技術(shù)成為光伏與建筑兩大行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。在建設中引入光電、儲能、微網(wǎng)是目前的一個(gè)發(fā)展趨勢，受接入資源的多樣性和不連續的限制,合理控制、優(yōu)化分配資源成為一項難題。研究建立一個(gè)智能微電網(wǎng)控制系統,利用集態(tài)控制系統、分布式網(wǎng)絡(luò )結構電源系統和計量系統合理平衡電力、負載和儲能裝置,達到離網(wǎng)工作的有功電源與無(wú)功功率的均衡,同時(shí)逐步切斷部分非關(guān)鍵負載,確保對關(guān)鍵負載的安全用電,并大限度增加系統的可靠性和智能度。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；直流儲能；智能微電網(wǎng)；監控

1、引言

微電網(wǎng)是指由多種能源組成的小型發(fā)配電系統，微電網(wǎng)的提出旨在實(shí)現分布式電源的靈活、高效應用，解決數量龐大、形式多樣的分布式電源并網(wǎng)問(wèn)題。開(kāi)發(fā)和延伸微電網(wǎng)能夠充分促進(jìn)分布式電源與可再生能源的大規模接入，實(shí)現對負荷多種能源形式的高可靠供給，是實(shí)現主動(dòng)式配電網(wǎng)的一種有效方式，使傳統電網(wǎng)向智能電網(wǎng)過(guò)渡。

鑒于現有電力系統監控與數據采集系統的能量管理平臺存在靈活性差且調試周期長(cháng)的問(wèn)題，同時(shí)缺乏對環(huán)境溫度、水汽等建筑能耗參數的測控能力，無(wú)法支持可再生能源建筑和社區熱電聯(lián)供系統實(shí)現優(yōu)化能量管理和精細化能效分析，本項目將開(kāi)發(fā)一套光伏儲能直流智能微電網(wǎng)監測系統。

2、技術(shù)背景

近幾年，全球范圍應對氣候變化進(jìn)程顯著(zhù)加速，將氣候變化問(wèn)題作為21世紀人類(lèi)面臨的重大挑戰之一成為全球共識。2020年9月，我國提出“力爭2030年前實(shí)現碳達峰、2060年前實(shí)現碳中和”的戰略決策。應對碳中和領(lǐng)域的挑戰，在綠色轉型中實(shí)現共同發(fā)展，已經(jīng)成為國內國際面臨的重要共同任務(wù)。據國際能源署（IEA）數據顯示，2018年，中國碳排放（折算為CO2，下同）約為100億t，其中，建筑運行約為21億t，占21%，建筑業(yè)約為18億t，占18%。同西方發(fā)達相比，我國建筑運行碳排放占比偏低，但建筑材料和建造碳排放占比偏高。2022年4月1日，住房和城鄉建設部出臺《建筑節能與可再生能源通用技術(shù)規范》，對建筑節能和太陽(yáng)能、地熱能、空氣能與建筑的結合應用提出了更具體的要求，將逐步提升至近零能耗建筑。由于應用了各種類(lèi)型的能源形式，依靠常規的電網(wǎng)和化石能源的建筑能源系統正在向多種能源綜合利用模式發(fā)展。同時(shí)，多種儲電、儲冷、儲熱技術(shù)得到廣泛應用，使得能源系統更加復雜多樣?？咳斯た刂坪秃?jiǎn)單的自動(dòng)化控制難以滿(mǎn)足建筑綜合能源系統可靠、高效運行的需要。光伏儲能直流智能微電網(wǎng)監測系統已經(jīng)成為國內外的研究熱點(diǎn)。

西門(mén)子SpectrumPower微網(wǎng)管理系統和EnergyIPDEOP云平臺可完成對熱電多能互補和電源負荷的統一管理。施耐德電氣公司推出新一代數字能效管理平臺EMS+，實(shí)現了設備可視化管理、設備預防性維護和BIM3D建模；日本的松下、日立等公司推出了CEMS、HEMS等社區級和家庭級通用能源管理平臺，實(shí)現了能源供給與負荷用能的協(xié)調。國外的軟件一般規模較大，可塑性弱，難以適應國內建筑能源系統的多樣化需求。

國內的建筑監控和能量管理軟件主要是在常規電力監控軟件上衍生出來(lái)的，如組態(tài)王、力控、MCGS、瑞爾、杰控等組態(tài)軟件，其主要功能還停留在數據采集和統計分析階段，若需要增加負荷控制和能效管理，需要進(jìn)行定制化開(kāi)發(fā)，費用和周期長(cháng)。與國外的綜合能源管理平臺相比，國內平臺處于起步階段，功能較單一，難以實(shí)現多種能源的協(xié)調運行。

1. 技術(shù)方案

為了解決社區或工業(yè)園區級能源系統的智能化管理和控制問(wèn)題，擬開(kāi)發(fā)一套光伏儲能直流智能微電網(wǎng)監測系統。該系統由基于嵌入式技術(shù)的硬件控制器和主控系統兩部分組成，立足于為商業(yè)園區、現代化社區或新型城鎮等多種能源利用場(chǎng)景提供定制化服務(wù)，提高用能的安全性、可靠性和經(jīng)濟性。整體技術(shù)方案及功能如下：

（1）開(kāi)發(fā)基于嵌入式技術(shù)的邊緣控制器，主要功能為通信功能、數據采集、系統保護以及智能化控制和能量管理。

（2）開(kāi)發(fā)一套能量管理主控系統，除具備SCADA系統的監控、保護、數據存儲、事件記錄、人機交互等功能外，還具備智能化能量管理功能。

（3）開(kāi)發(fā)不同控制和能量管理功能的軟件模塊，可自由組合調用，實(shí)現多目標優(yōu)化控制。

（4）該系統硬件設備及軟件程序均具有高度的兼容性，支持各類(lèi)通信協(xié)議的端口及軟件程序，可實(shí)現對光伏、風(fēng)電、天然氣、電采暖、電儲能、熱儲能等各種能源形式的管理。

3.1系統框架搭建

光伏儲能直流智能微電網(wǎng)監測系統采用“云-邊-端”協(xié)同的能量管理系統架構，通過(guò)“本地計算＋云端優(yōu)化”的協(xié)同方式，實(shí)現系統在線(xiàn)優(yōu)化升級，也降低了網(wǎng)絡(luò )通信的依賴(lài)。系統架構如圖1所示。

系統框架分為配電網(wǎng)調度層、微電網(wǎng)集中控制層、就地控制層。就地控制層包括發(fā)電電源、儲能系統、負載及交直流（DC/AC）控制部分。微電網(wǎng)集中控制層包括控制，由監測單元和統計分析組成，監測單元按照監測對象不同包含發(fā)電、儲能、負載3部分。發(fā)電監測其重點(diǎn)電壓、電流、功率等參數；儲能監測內容包括電壓、電流、功率及荷電狀態(tài)等；負載監測包括類(lèi)型、功率、用電量等；而統計分析利用多種展示形式，分析各部分的運行狀態(tài)及決策處理。保護部分分別對儲能、電源、用戶(hù)進(jìn)行保護，計量部分通過(guò)電表進(jìn)行電費結算。配電網(wǎng)調度層有調度系統，根據統計分析結果進(jìn)行能源調度，實(shí)現能源的優(yōu)化利用。

3.2軟硬件設計

3.2.1儲能系統

儲能系統包括儲能蓄電池和逆變器兩部分。儲能蓄電池可以是鉛酸電池、磷酸鐵鋰電池、飛輪儲能系統；逆變器的作用是控制儲能部分，并進(jìn)行交直流逆變。逆變器有功率閉環(huán)運行和電壓閉環(huán)運行兩種工作方式，分別在并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種狀態(tài)下運行。逆變器直流側電壓為儲能系統工作電壓，交流側電壓常用380V或400V母線(xiàn)電壓。儲能系統還配置了電池管理系統，用于實(shí)時(shí)檢測儲能單元的電壓、電流、溫度等參數，通過(guò)高精度剩余電量及電池健康度估算，評估蓄電池的放點(diǎn)電流，并上傳監控參數。

3.2.2能量管理系統

能量管理系統研究冷、熱、電、氣物理量的低耗電量無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)以及模塊化組網(wǎng)通信技術(shù)，開(kāi)發(fā)嵌入式邊緣控制器。主要功能為通信、數據采集、系統保護，以及智能化控制和能量管理功能。

3.2.3微電網(wǎng)監控管理系統

微電網(wǎng)監控管理系統基于瀏覽器和服務(wù)器（B/S）架構模式的能源管理云平臺設計技術(shù)，除具備數據采集與監視控制（SCADA）系統的監控、保護、數據存儲、事件記錄、人機交互等功能外，還具備智能化能量管理功能。主控系統具有高度兼容性和可擴展性，可根據不同的應用場(chǎng)景組成定制化系統架構以及實(shí)現監控保護功能。

3.3性能參數

系統具有高度兼容性和可擴展性，可根據不同的應用場(chǎng)景組成定制化系統架構，并提供相應的控制管理策略，以及監控保護功能。在此過(guò)程中，不僅支持各類(lèi)能源之間的調度和分配，同時(shí)考慮電熱轉換、電冷轉換等不同類(lèi)型能源形式之間的交叉耦合利用。

系統主要參數如表1所示。

4.系統功能

4.1.實(shí)時(shí)監測

系統人機界面友好，能夠顯示儲能柜的運行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監測PCS、BMS以及環(huán)境參數信息，如電參量、溫度、濕度等。實(shí)時(shí)顯示有關(guān)故障、告警、收益等信息。

4.2.設備監控

系統能夠實(shí)時(shí)監測PCS、BMS、電表、空調、消防、除濕機等設備的運行狀態(tài)及運行模式。

PCS監控：滿(mǎn)足儲能變流器的參數與限值設置；運行模式設置；實(shí)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(shí)現PCS通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、異常告警等狀態(tài)監測。

BMS監控：滿(mǎn)足電池管理系統的參數與限值設置；實(shí)現儲能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監測；實(shí)現電池充放電狀態(tài)、電壓、電流及溫度異常狀態(tài)的告警。

空調監控：滿(mǎn)足環(huán)境溫度的監測，可根據設置的閾值進(jìn)行空調溫度的聯(lián)動(dòng)調節，并實(shí)時(shí)監測空調的運行狀態(tài)及溫濕度數據，以曲線(xiàn)形式進(jìn)行展示。

UPS監控：滿(mǎn)足UPS的運行狀態(tài)及相關(guān)電參量監測。

4.3.曲線(xiàn)報表

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

4.4.策略配置

滿(mǎn)足儲能系統設備參數的配置、電價(jià)參數與時(shí)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(xiàn)、削峰填谷、需量控制等。

4.5.實(shí)時(shí)報警

儲能能量管理系統具有實(shí)時(shí)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(fā)出告警。

4.6.事件查詢(xún)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(jìn)行存儲和管理，方便用戶(hù)對系統事件和報警進(jìn)行歷史追溯，查詢(xún)統計、事故分析。

4.7.遙控操作

可以通過(guò)每個(gè)設備下面的紅色按鈕對PCS、風(fēng)機、除濕機、空調控制器、照明等設備進(jìn)行相應的控制，但是當設備未通信上時(shí)，控制按鈕會(huì )顯示無(wú)效狀態(tài)。

4.8.用戶(hù)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(hù)權限管理功能。通過(guò)用戶(hù)權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作（如遙控的操作，數據庫修改等）?？梢远x不同級別用戶(hù)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。

4.9儲能電表產(chǎn)品選型

5.結語(yǔ)

光伏儲能直流智能微電網(wǎng)監測系統有利用集態(tài)控制系統、分布式網(wǎng)絡(luò )結構電源系統和計量系統合理平衡電力、負載和儲能裝置，達到離網(wǎng)工作的有功功率與無(wú)功功率的均衡，同時(shí)逐步切斷部分非關(guān)鍵負載，確保對關(guān)鍵負載的安全用電，并高限度提高系統的可靠性和智能度。為滿(mǎn)足不同能源系統需求，能源管理平臺采用的模塊化設計方案分為不同的系列和功能，可根據系統規模和類(lèi)型進(jìn)行配置。應用場(chǎng)景可適用于常規光伏發(fā)電系統、光儲發(fā)電系統、交流微電網(wǎng)系統、直流微電網(wǎng)系統以及建筑電熱冷綜合能源。能源管理平臺適用于的系統裝機容量從幾十千瓦到幾百千瓦不等。

參考文獻

【1】韓金峰，陳敬欣.光伏儲能直流智能微電網(wǎng)監測系統的基礎研發(fā)

【2】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計及應用手冊.2020.06版