安科瑞 陳聰

摘要：本文在對光儲充系統相關(guān)研究的基礎上，設計了一種園區光儲充能量管理系統（EMS）。介紹了EMS的系統架構及設備管理、系統管理、數據展示、能源分析等功能設計，根據光伏發(fā)電量和用電負荷，結合峰谷用電時(shí)段分布，制定了能量管理策略，實(shí)現了經(jīng)濟利益*大化。

關(guān)鍵詞：光儲充系統；儲能；能量管理

0.引言

隨著(zhù)我國“碳達峰”“碳中和”計劃的提出，我國能源結構將持續調整，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電將會(huì )迎來(lái)跨越式發(fā)展。由于新能源發(fā)電具有很強的波動(dòng)性和隨機性，大規模接入電網(wǎng)會(huì )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(dòng)性和隨機性，從而在提升新能源接入電網(wǎng)比例的同時(shí)保持電網(wǎng)穩定。同時(shí)，在*家對新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展大力支持和動(dòng)力電池技術(shù)日漸成熟的背景下，新能源汽車(chē)市場(chǎng)發(fā)展迅速，產(chǎn)銷(xiāo)量快速提升。特別是在新增乘用汽車(chē)市場(chǎng)，消費者購買(mǎi)新能源汽車(chē)的比例不斷提升。因此，隨著(zhù)新能源汽車(chē)社會(huì )保有量不斷提升，充電樁的需求量隨之持續上漲，成為未來(lái)重要的用電負荷。將分布式新能源發(fā)電系統、儲能系統及充電樁相結合可以組成光儲充系統。通過(guò)能量管理系統（EMS）控制光儲充系統內相關(guān)設備間的配合，可以提升系統整體的安全性、可靠性。同時(shí)根據電價(jià)信息、功率限制政策、應急供電需求等制定合適的運行調度策略，可以有效增加系統的經(jīng)濟收益?；谏鲜瞿康?，本文設計了一種園區光儲充能量管理系統，其主要功能為實(shí)時(shí)運行狀態(tài)監控、運行數據的采集、展示、儲存與分析，在確保系統安全運行的同時(shí)提升系統的運行經(jīng)濟性。

1.光伏儲能系統的基礎

光伏發(fā)電技術(shù)是一種將太陽(yáng)輻射能轉化為電能的過(guò)程。它基于光伏效應，這是一種物理現象，根據這一現象，某些材料在受到光照射時(shí)會(huì )產(chǎn)生電流。光伏電池通常由半導體材料制成，比較常見(jiàn)的是硅。當光子（太陽(yáng)光）碰撞到光伏電池的半導體表面時(shí)，它們激發(fā)了電子，使其從材料中釋放出來(lái)，從而形成電流。這產(chǎn)生的直流電流可以被用來(lái)為電網(wǎng)供電或儲存在電池中以備將來(lái)使用，以便在晚上或云天等不可控的時(shí)段供電。

儲能技術(shù)是光伏儲能系統的關(guān)鍵組成部分，它允許將通過(guò)光伏發(fā)電產(chǎn)生的電能儲存在電池或其他儲能設備中，常見(jiàn)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，供應家庭、工業(yè)和商業(yè)用途。

鉛酸電池：被廣泛應用于低成本和短期應用中。

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(guò)將電能用于制氫，將氫儲存在燃料電池中，以供電時(shí)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(yáng)能電站。

2.光伏儲能系統的工作原理

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

電能轉換：直流電經(jīng)過(guò)逆變器轉換為交流電，以便在電網(wǎng)中使用或供給交流設備。

電能儲存：剩余的電能可以?xún)Υ嬖陔姵鼗蚱渌麅δ茉O備中，以備將來(lái)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(tài)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(yáng)能供應條件下，系統能夠提供連續可靠的電力供應。

電網(wǎng)互連：如果系統與電網(wǎng)互連，多余的電能可以賣(mài)給電網(wǎng)，從而實(shí)現雙向電流。這有助于提高系統的經(jīng)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(gè)部分：光伏發(fā)電系統、儲能系統和充電樁系統。三個(gè)系統通過(guò)AC400V母線(xiàn)49耦合，通過(guò)以太網(wǎng)與EMS進(jìn)行通訊，由EMS協(xié)調控制各系統的運行策略。EMS可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )將監控數據傳送給遠方監控系統和監視大屏顯示系統。光儲充系統的系統架構如下圖所示。

圖1光儲充系統的系統架構

EMS是光儲充系統的核心組成部分，負責整個(gè)系統的底層數據采集、系統網(wǎng)絡(luò )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。

圖2能量管理系統（EMS）結構圖

本地EMS可實(shí)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(wǎng)的數據采集，并根據峰谷電價(jià)、限電政策、應急需求等不同的使用場(chǎng)景，制定和運行不同的能量管理策略。本地EMS通過(guò)向PCS發(fā)送有功、無(wú)功等控制指令控制PCS執行相應的動(dòng)作，同時(shí)可以將監測的光儲充系統實(shí)時(shí)運行狀態(tài)、系統內各種設備狀態(tài)等信息上傳至集控EMS。

集控EMS由EMS工作站和EMS服務(wù)器構成。EMS工作站的主要功能是實(shí)時(shí)監控光儲充系統的運行狀態(tài)，同時(shí)負責制定光儲充系統的運行模式；而EMS服務(wù)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(xún)、數據分析等服務(wù)，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(zhuān)門(mén)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(shí)現了數據采集、數據處理、數據存儲、數據查詢(xún)與分析、可視化監控、報警管理、統計報表等功能。在*級應用上支持能量調度,具備計劃曲線(xiàn)、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(guò)直采或者通過(guò)通訊管理或串口服務(wù)器將儲能柜或者儲能集裝箱內部的設備接入系統。系統結構如下：

4.3系統功能

4.3.1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。

4.3.2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。

4.3.3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。

4.3.4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。

4.3.5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。

4.3.6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。

4.3.7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)。

4.3.8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。

5.相關(guān)平臺部署硬件選型清單

6.結束語(yǔ)

本文設計了一種園區光儲充能量管理系統，具有實(shí)時(shí)監控、設備管理、系統調度、能源分析等功能，根據光伏系統發(fā)電功率和用電負荷總負荷功率，結合當地峰谷用電時(shí)間段分布政策，制定了儲能系統控制策略，實(shí)現了平移園區用電負荷、峰谷套利、園區經(jīng)濟利益*大化。該光儲充能量管理系統已經(jīng)在成都某企業(yè)園區安全穩定運行，為區域電網(wǎng)錯峰避開(kāi)負荷高峰發(fā)揮了巨大的作用，取得了很好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。

參考文獻

[1]王曉華,孫德亮,李維華.光儲微網(wǎng)系統設計與應用[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.園區光儲充能量管理系統設計及應用園園[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版.