安科瑞 陳聰

摘要：為提高電網(wǎng)運行的穩定性，面向工商業(yè)用電用戶(hù)，研究了一種儲能系統容量規劃方法。采用聚類(lèi)分析方法對工商業(yè)用戶(hù)的用電特征進(jìn)行辨識，根據儲能系統的供電模式構建儲能系統容量規劃的目標，并在主、備用電池容量規劃的約束條件下優(yōu)化目標，根據計算的目標結果得到容量規劃方案。為檢測模型的容量規劃效果，根據某地工商業(yè)用戶(hù)群體的日負荷特征進(jìn)行了仿真實(shí)驗，結果顯示，容量規劃后，實(shí)驗組峰谷之間的差值比對照組高31.93%，表明所設計的儲能系統容量規劃方法優(yōu)化程度更顯著(zhù)，提高了儲存電能的利用效率以及工商業(yè)用戶(hù)的用電經(jīng)濟性。

關(guān)鍵詞：工商業(yè)用電；用電管理；能量?jì)Υ?；儲能系統；儲能系統容量規劃；容量配置

0.引言

經(jīng)濟不斷發(fā)展與進(jìn)步，使我國進(jìn)入了數字化時(shí)代，許多行業(yè)順應時(shí)代發(fā)展，進(jìn)行了智能化的變革與更新。我國電力系統的發(fā)電也應用了智能化信息技術(shù)，不同地區的電網(wǎng)集團智能化收集到了不同的用電信息，并對其進(jìn)行相應的管理。由于不同用電區域或團體都有各自的用電特征需求，為了進(jìn)一步分析和管理相應區域的用電情況，面向不同的團體設立了其相對應的電能量?jì)δ芟到y[4]。但由于目前對不同區域用電數據信息的分析能力不夠具體和完善，不能準確進(jìn)行儲能系統的容量規劃配置，不利于電量的按需分配和節約環(huán)保性?；谝陨媳尘?，本文研究了一種面向工商業(yè)用電能量管理的儲能系統容量規劃分配方法，優(yōu)化電力能量的調控與分配，希望可以提高電力分配的按需分配性以及用戶(hù)用電的經(jīng)濟性，優(yōu)化電網(wǎng)運行效率，提升電力行業(yè)長(cháng)期發(fā)展的穩定性，實(shí)現其經(jīng)濟效益與社會(huì )效益。

1. 工商業(yè)用電儲能特征辨識

電能量供應與需求的平衡可以實(shí)現能量資源轉化的目標。需求響應是我國現階段電力運行中非常重要的一種電力配置方法。對于電能管理的大容量?jì)δ芟到y，一般采用抽水蓄能、電池儲能、壓縮空氣法儲能等方法。在面向工商業(yè)用戶(hù)的電能管理下，根據便捷性、容量易調節性、不限制區域等優(yōu)點(diǎn)，選擇一種基于電池的儲能系統進(jìn)行容量規劃的研究。

采用聚類(lèi)分析方法，對工商業(yè)用戶(hù)的用電特征進(jìn)行辨識?？梢葬槍Σ煌挠秒娞卣?、工商用戶(hù)的負荷模式進(jìn)行劃分，為儲能系統的容量規劃提供基礎參考?；贑alinski-Harabasz中的有效性指標進(jìn)行聚類(lèi)劃分。

儲能系統的主要功能包括：能量管理，將用電信息通過(guò)儲能裝置的電化學(xué)儲能技術(shù)與電網(wǎng)連接，提供功率調節和保護功能，儲能裝置可通過(guò)數據通信技術(shù)與電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交換，并可根據電網(wǎng)的負荷變化情況實(shí)時(shí)調節運行模式、優(yōu)化運行策略；以電力電子技術(shù)為核心的儲能技術(shù)應用，可實(shí)現功率實(shí)時(shí)監測和能量調度；儲能裝置在關(guān)鍵時(shí)刻可以根據實(shí)際情況對電網(wǎng)電壓、電流以及用電負荷等進(jìn)行實(shí)時(shí)調整。該儲能系統設計中選擇了基于Solaris技術(shù)和國際電工委員會(huì )（InternationalElectricalCommission，IEC）標準、RS485總線(xiàn)進(jìn)行通信接口與不間斷電源（UninterruptiblePowerSupply，UPS）總線(xiàn)以及近場(chǎng)通信（NearFieldCommunication，NFC）技術(shù)進(jìn)行通信連接，對電網(wǎng)接入功率進(jìn)行優(yōu)化調整，控制UPS功率實(shí)現實(shí)時(shí)、靈活調控。儲能電站控制模塊使用單片機為系統提供電力交易控制功能，可為電站提供電力交易指令、智能電力交易控制命令、綜合電氣控制命令等服務(wù)，實(shí)現對電網(wǎng)電源進(jìn)行實(shí)時(shí)調節。儲能電站運行參數根據電網(wǎng)負荷進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化調整，控制儲能系統能量達到使用效果，提高用戶(hù)用電效率和安全水平。

2.儲能系統容量規劃構建

2.1目標確定

本文根據工商業(yè)用戶(hù)電力儲能系統的供電方式，研究電力儲能系統的規劃方法，供電方式示意如圖1所示。在實(shí)際的用電負荷規劃中，備用電池可以解決規劃模型中用電負荷的不確定性問(wèn)題，因此現基于備用電池研究?jì)δ芟到y的容量規劃方案。

圖1工商業(yè)用戶(hù)電力儲能系統供電方式

電池為系統中提供儲能服務(wù)的主要來(lái)源，電池模塊和充放電控制器與逆變器連接，將蓄電池組所產(chǎn)生的電能通過(guò)逆變裝置轉換為電力，并通過(guò)蓄電池向電網(wǎng)提供給用戶(hù)。電池的能量越大，其能量密度或功率密度就越高，電池的技術(shù)要求也就越高。本系統電池采用方形電池組，其外殼使用的是環(huán)保材料并具有良好的耐腐蝕性，使電池組具有更高的安全性。

儲能應用能夠滿(mǎn)足快速響應市場(chǎng)變化的要求，在大范圍電網(wǎng)出現故障時(shí)，可以立即起到穩定電力系統的作用，為用戶(hù)提供更多的靈活性與便利性，并在電網(wǎng)出現故障時(shí)為設備提供更多的電源。儲能電站能使用戶(hù)快速響應市場(chǎng)信號以維持電網(wǎng)穩定，電力系統和電網(wǎng)之間的相互聯(lián)系更加緊密。儲能電站通過(guò)使用“電池—儲能—充放電”循環(huán)機制實(shí)現“電—儲—用”一體化運行。電池經(jīng)過(guò)一系列復雜處理后被儲存起來(lái)或充電，從而實(shí)現快速響應市場(chǎng)信號和電網(wǎng)穩定工作。

2.2儲能優(yōu)化

用戶(hù)用電數據采集后，通過(guò)數據分析軟件對用戶(hù)的用電行為進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，通過(guò)對用戶(hù)用電數據進(jìn)行統計分析，將電網(wǎng)與用戶(hù)進(jìn)行交互，了解用戶(hù)在用電方面是否存在違規用電、電表使用狀態(tài)與計量不準確、功率不匹配等問(wèn)題。將用戶(hù)端的用電數據進(jìn)行智能分析，對用戶(hù)在用電方面存在的問(wèn)題進(jìn)行預警提示。

儲能系統充放電是一個(gè)長(cháng)期的運行狀態(tài)，因此會(huì )出現電池的老化情況，在電池不斷老化的過(guò)程中，電池的可用容量會(huì )逐漸降低，使設計的電池容量值與實(shí)際容量不同，造成規劃不準確的情況。因此，需要將電池老化的相關(guān)特征加入電池規劃的約束條件中。

儲能電站能提供給客戶(hù)的另外一項重要功能是利用其*特的管理功能，為用戶(hù)提供智能管理，幫助客戶(hù)在緊急情況下做出正確的決策，同時(shí)也可以減少因電網(wǎng)系統發(fā)生故障而造成的經(jīng)濟損失。由于電網(wǎng)的運行特點(diǎn)，儲能電站的調峰和調頻能力比其他方式更加突出。隨著(zhù)電源結構復雜化和分布式電源規模增加，其調峰能力可能會(huì )逐步增加。

3.實(shí)驗與檢測

為檢測本文設計面向工商業(yè)用電能量管理的儲能系統容量規劃的應用效果，對某城市的工商業(yè)用戶(hù)進(jìn)行儲能系統容量規劃仿真試驗。繪制該地區工商業(yè)用戶(hù)24h的負荷預測曲線(xiàn)，如圖2所示。

基于圖2所示的負荷曲線(xiàn)，現調查相關(guān)用戶(hù)對應儲能系統的具體參數，如表1所示。

系統根據每路電流信號計算出每路需要補償的量來(lái)計算出每個(gè)電池的容量，以達到利用每個(gè)電池的目的。采用具有更高精度的電流傳感器來(lái)檢測每路的電流數據，在進(jìn)行電流補償時(shí)采用3階自適應濾波算法。多路電流信號通過(guò)通信接口進(jìn)行發(fā)送傳輸，數據傳輸速率為100Mb/s。采用多路信號同時(shí)傳送給控制器并進(jìn)行實(shí)時(shí)計算輸出，可大大減少通信量并且提高系統響應速度。

系統采用2級控制體系實(shí)現各環(huán)節參數整定，其中主控制系統由主控制器完成各傳感器信號的采集與存儲；而各個(gè)傳感器作為采樣單元負責測量數據并輸出給各個(gè)控制器。對電池的充電容量、放電深度、放電次數進(jìn)行了分析，在此基礎上提出了一種基于狀態(tài)觀(guān)測器的電流補償方法，并應用了功率跟蹤算法對蓄電池進(jìn)行充電和放電管理。將各蓄電池的輸出功率與其初始值進(jìn)行對比，并以此作為判定的基礎。利用多組不同的電流傳感器對各電池的運行狀況和各電池的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，實(shí)時(shí)分析充電容量、放電深度、放電次數，從而達到對電池進(jìn)行智能充放電的控制。

利用硬件在環(huán)仿真模擬了各種電流傳感器及不同容量的電池性能。（1）采用高精度、高分辨率的傳感器和采集器，保證采集數據的準確性和完整性；（2）數據采集設備主要包括無(wú)線(xiàn)通信模塊，可實(shí)現數據的上傳、下載功能，與上位機通信；（3）數據采集終端設計。本設計中采用2種類(lèi)型的數據采集終端，一是基于Modbus遠程終端單元（RemoteTerminalUnit，RTU）的無(wú)線(xiàn)通信模塊；二是基于無(wú)線(xiàn)控制單元或智能手機端的無(wú)線(xiàn)通信器。

采用先進(jìn)的智能控制技術(shù)可實(shí)現對蓄電池的實(shí)時(shí)監控與自動(dòng)充放電，具有安全可靠、經(jīng)濟環(huán)保、效率高、等優(yōu)點(diǎn)，是解決新能源并網(wǎng)中的不穩定因素的理想方式。本文利用智能手機與儲能系統相連，對蓄電池實(shí)現實(shí)時(shí)監控；通過(guò)數據分析將實(shí)時(shí)監控到的數據自動(dòng)上傳至云服務(wù)器進(jìn)行分析。

目前，該項目已經(jīng)成功應用于某鋼鐵企業(yè)，儲能系統可以有效提升該系統的運行效率、提高用電設備的運行可靠性和電能質(zhì)量改善能力，實(shí)現儲能系統和負荷設備之間的協(xié)調控制，使能源綜合利用更加便捷，還有效降低了用戶(hù)成本，減少了資源浪費及環(huán)境污染，同時(shí)也為企業(yè)提供了更多、更有效的用電服務(wù)。

1. 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。

1. 結論

在互聯(lián)網(wǎng)大時(shí)代，我國的國民經(jīng)濟發(fā)展持續增長(cháng)，智能化已經(jīng)遍布到各個(gè)行業(yè)中。電力儲能容量的優(yōu)化分配通過(guò)分析對應團體的用電行為及特征按需供電，可以提高電力資源的利用率，使電力資源可以實(shí)現*大轉化，提高我國電力工程行業(yè)的經(jīng)濟效益與社會(huì )效益。

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