安科瑞 陳聰

摘要：本文在對光儲充系統(tǒng)相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種園區(qū)光儲充能量管理系統(tǒng)（EMS）。介紹了EMS的系統(tǒng)架構(gòu)及設(shè)備管理、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)展示、能源分析等功能設(shè)計，根據(jù)光伏發(fā)電量和用電負(fù)荷，結(jié)合峰谷用電時段分布，制定了能量管理策略，實現(xiàn)了經(jīng)濟利益*大化。

關(guān)鍵詞：光儲充系統(tǒng)；儲能；能量管理

0.引言

隨著我國“碳達(dá)峰”“碳中和”計劃的提出，我國能源結(jié)構(gòu)將持續(xù)調(diào)整，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電將會迎來跨越式發(fā)展。由于新能源發(fā)電具有很強的波動性和隨機性，大規(guī)模接入電網(wǎng)會對電網(wǎng)造成巨大的沖擊。運用儲能技術(shù)可以有效平抑新能源發(fā)電的波動性和隨機性，從而在提升新能源接入電網(wǎng)比例的同時保持電網(wǎng)穩(wěn)定。同時，在*家對新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展大力支持和動力電池技術(shù)日漸成熟的背景下，新能源汽車市場發(fā)展迅速，產(chǎn)銷量快速提升。特別是在新增乘用汽車市場，消費者購買新能源汽車的比例不斷提升。因此，隨著新能源汽車社會保有量不斷提升，充電樁的需求量隨之持續(xù)上漲，成為未來重要的用電負(fù)荷。將分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)及充電樁相結(jié)合可以組成光儲充系統(tǒng)。通過能量管理系統(tǒng)（EMS）控制光儲充系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)設(shè)備間的配合，可以提升系統(tǒng)整體的安全性、可靠性。同時根據(jù)電價信息、功率限制政策、應(yīng)急供電需求等制定合適的運行調(diào)度策略，可以有效增加系統(tǒng)的經(jīng)濟收益。基于上述目的，本文設(shè)計了一種園區(qū)光儲充能量管理系統(tǒng)，其主要功能為實時運行狀態(tài)監(jiān)控、運行數(shù)據(jù)的采集、展示、儲存與分析，在確保系統(tǒng)安全運行的同時提升系統(tǒng)的運行經(jīng)濟性。

1.光伏儲能系統(tǒng)的基礎(chǔ)

光伏發(fā)電技術(shù)是一種將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能的過程。它基于光伏效應(yīng)，這是一種物理現(xiàn)象，根據(jù)這一現(xiàn)象，某些材料在受到光照射時會產(chǎn)生電流。光伏電池通常由半導(dǎo)體材料制成，比較常見的是硅。當(dāng)光子（太陽光）碰撞到光伏電池的半導(dǎo)體表面時，它們激發(fā)了電子，使其從材料中釋放出來，從而形成電流。這產(chǎn)生的直流電流可以被用來為電網(wǎng)供電或儲存在電池中以備將來使用，以便在晚上或云天等不可控的時段供電。

儲能技術(shù)是光伏儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，它允許將通過光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能儲存在電池或其他儲能設(shè)備中，常見的儲能技術(shù)包括：

鋰離子電池：這是目前*常用的儲能技術(shù)之一，用于存儲電能，供應(yīng)家庭、工業(yè)和商業(yè)用途。

鉛酸電池：被廣泛應(yīng)用于低成本和短期應(yīng)用中。

電容器：具有高速充放電能力，通常用于瞬態(tài)儲能需求。

氫能源儲能：通過將電能用于制氫，將氫儲存在燃料電池中，以供電時重新產(chǎn)生電能。

熱能儲能：利用熱能儲存原理，例如蓄熱式太陽能電站。

2.光伏儲能系統(tǒng)的工作原理

光伏發(fā)電：光伏電池在陽光照射下產(chǎn)生直流電。這一過程是系統(tǒng)的電力輸入。

電能轉(zhuǎn)換：直流電經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電，以便在電網(wǎng)中使用或供給交流設(shè)備。

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

能量管理：系統(tǒng)的能量管理控制器監(jiān)控能源需求、電池狀態(tài)和其他參數(shù)，并根據(jù)需要分配電能。它確保在不可預(yù)測的太陽能供應(yīng)條件下，系統(tǒng)能夠提供連續(xù)可靠的電力供應(yīng)。

電網(wǎng)互連：如果系統(tǒng)與電網(wǎng)互連，多余的電能可以賣給電網(wǎng)，從而實現(xiàn)雙向電流。這有助于提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可持續(xù)性。

3.光儲充能量管理系統(tǒng)（EMS）結(jié)構(gòu)

光儲充系統(tǒng)分為三個部分：光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)和充電樁系統(tǒng)。三個系統(tǒng)通過AC400V母線49耦合，通過以太網(wǎng)與EMS進(jìn)行通訊，由EMS協(xié)調(diào)控制各系統(tǒng)的運行策略。EMS可以通過網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)控數(shù)據(jù)傳送給遠(yuǎn)方監(jiān)控系統(tǒng)和監(jiān)視大屏顯示系統(tǒng)。光儲充系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)如下圖所示。

圖1光儲充系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)

EMS是光儲充系統(tǒng)的核心組成部分，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、能量管理調(diào)度和運行數(shù)據(jù)分析。為保證光儲充系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，EMS采用兩級分級控制體分為本地EMS和集控EMS，其結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。

圖2能量管理系統(tǒng)（EMS）結(jié)構(gòu)圖

本地EMS可實現(xiàn)對儲能變流器（PCS）、電池管理系統(tǒng)（BMS）、光伏逆變器、充電樁和電網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)峰谷電價、限電政策、應(yīng)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(fā)送有功、無功等控制指令控制PCS執(zhí)行相應(yīng)的動作，同時可以將監(jiān)測的光儲充系統(tǒng)實時運行狀態(tài)、系統(tǒng)內(nèi)各種設(shè)備狀態(tài)等信息上傳至集控EMS。

集控EMS由EMS工作站和EMS服務(wù)器構(gòu)成。EMS工作站的主要功能是實時監(jiān)控光儲充系統(tǒng)的運行狀態(tài)，同時負(fù)責(zé)制定光儲充系統(tǒng)的運行模式；而EMS服務(wù)器的主要功能是儲存光儲充系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，可以提供歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析等服務(wù)，是后期根據(jù)大數(shù)據(jù)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(tǒng)

4.1系統(tǒng)概述

安科瑞儲能能量管理系統(tǒng)Acrel-2000ES，專門針對工商業(yè)儲能柜、儲能集裝箱研發(fā)的一款儲能EMS，具有完善的儲能監(jiān)控與管理功能,涵蓋了儲能系統(tǒng)設(shè)備(PCS、BMS、電表、消防、空調(diào)等)的詳細(xì)信息,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報警管理、統(tǒng)計報表等功能。在*級應(yīng)用上支持能量調(diào)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(tǒng)結(jié)構(gòu)

Acrel-2000ES，可通過直采或者通過通訊管理或串口服務(wù)器將儲能柜或者儲能集裝箱內(nèi)部的設(shè)備接入系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：

4.3系統(tǒng)功能

4.3.1實時監(jiān)測

系統(tǒng)人機界面友好，能夠顯示儲能柜的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測PCS、BMS以及環(huán)境參數(shù)信息，如電參量、溫度、濕度等。實時顯示有關(guān)故障、告警、收益等信息。

4.3.2設(shè)備監(jiān)控

系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測PCS、BMS、電表、空調(diào)、消防、除濕機等設(shè)備的運行狀態(tài)及運行模式。

PCS監(jiān)控：滿足儲能變流器的參數(shù)與限值設(shè)置；運行模式設(shè)置；實現(xiàn)儲能變流器交直流側(cè)電壓、電流、功率及充放電量參數(shù)的采集與展示；實現(xiàn)PCS通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開關(guān)狀態(tài)、異常告警等狀態(tài)監(jiān)測。

BMS監(jiān)控：滿足電池管理系統(tǒng)的參數(shù)與限值設(shè)置；實現(xiàn)儲能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監(jiān)測；實現(xiàn)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(diào)監(jiān)控：滿足環(huán)境溫度的監(jiān)測，可根據(jù)設(shè)置的閾值進(jìn)行空調(diào)溫度的聯(lián)動調(diào)節(jié)，并實時監(jiān)測空調(diào)的運行狀態(tài)及溫濕度數(shù)據(jù)，以曲線形式進(jìn)行展示。

UPS監(jiān)控：滿足UPS的運行狀態(tài)及相關(guān)電參量監(jiān)測。

4.3.3曲線報表

系統(tǒng)能夠?qū)CS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(tǒng)設(shè)備參數(shù)的配置、電價參數(shù)與時段的設(shè)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(tǒng)具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)δ艹浞烹娫较蕖囟仍较蕖⒃O(shè)備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

4.3.6事件查詢統(tǒng)計

儲能能量管理系統(tǒng)能夠?qū)b信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

4.3.7遙控操作

可以通過每個設(shè)備下面的紅色按鈕對PCS、風(fēng)機、除濕機、空調(diào)控制器、照明等設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制，但是當(dāng)設(shè)備未通信上時，控制按鈕會顯示無效狀態(tài)。

4.3.8用戶權(quán)限管理

儲能能量管理系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如遙控的操作，數(shù)據(jù)庫修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。

5.相關(guān)平臺部署硬件選型清單

6.結(jié)束語

本文設(shè)計了一種園區(qū)光儲充能量管理系統(tǒng)，具有實時監(jiān)控、設(shè)備管理、系統(tǒng)調(diào)度、能源分析等功能，根據(jù)光伏系統(tǒng)發(fā)電功率和用電負(fù)荷總負(fù)荷功率，結(jié)合當(dāng)?shù)胤骞扔秒姇r間段分布政策，制定了儲能系統(tǒng)控制策略，實現(xiàn)了平移園區(qū)用電負(fù)荷、峰谷套利、園區(qū)經(jīng)濟利益*大化。該光儲充能量管理系統(tǒng)已經(jīng)在成都某企業(yè)園區(qū)安全穩(wěn)定運行，為區(qū)域電網(wǎng)錯峰避開負(fù)荷高峰發(fā)揮了巨大的作用，取得了很好的經(jīng)濟效益和社會效益。

參考文獻(xiàn)

[1]王曉華,孫德亮,李維華.光儲微網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,39(1):79-83

[2]傅金洲.光(伏)儲(能)一體發(fā)電系統(tǒng)的儲能配置和能量管理策略研究[D].合肥工業(yè)大學(xué),2018

[3]王志民，林云松， 鄢治國，張川，張豪亨.園區(qū)光儲充能量管理系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用園園[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2022.05版.