安科瑞 陳聰

摘要：文章設計了一種新的用于工商業(yè)用電管理的分布式儲能系統。由于儲能系統硬件置換成本高，選擇在傳統儲能系統的硬件框架基礎上，對控制軟件進(jìn)行優(yōu)化設計，建立分布式儲能系統模型，分析發(fā)電量、儲電量及損失電量三者之間的關(guān)系，并分析其優(yōu)化需求。在此基礎上，基于有*時(shí)間收斂?jì)?yōu)化系統調度，確定系統模態(tài)切換策略，實(shí)現倒送電能的*效充電存儲。對比傳統儲能系統，文章設計的系統能夠管控倒送電能充電存儲、減少資源浪費，并且存儲過(guò)程中電能調度成本更低、經(jīng)濟效益更高。

關(guān)鍵詞：工商業(yè)用電管理；分布式儲能系統；有*時(shí)間

0.引言

當前社會(huì )能源消耗巨大，傳統能源日漸減少，探求新的可再生能源成為資源發(fā)展的研究熱點(diǎn)，分布式電源應運而生。為解決分布式電源存在的局限性，保證微電網(wǎng)的功率平衡，電力企業(yè)引入了分布式儲能系統。分布式儲能系統具有適用范圍廣、污染小的優(yōu)勢，可以提升電網(wǎng)對新能源的消納比例。然而，分布式儲能系統的發(fā)展也面臨挑戰。在工商業(yè)用電管理中，充放電造成的電力損耗較大，造成了資源的浪費，經(jīng)濟效益不明顯。為此，章設計了一種新的工商業(yè)用電管理分布式儲能系統。

1.系統優(yōu)化需求

在分布式儲能系統控制電網(wǎng)的過(guò)程中，如果遇到大規模用電接入的情況，分布式電源的出力會(huì )*大，容易導致配電網(wǎng)與主電網(wǎng)之間的負荷差值變大，進(jìn)而產(chǎn)生電壓超限的問(wèn)題，使分布式儲能系統的電力損耗較大，且控制過(guò)程中的能源浪費也隨之增加，增加系統整體的經(jīng)濟成本。假設某一時(shí)段配電網(wǎng)負荷參數值為，分布式電源的出力參數值為Et，當發(fā)生功率倒送情況時(shí)，二者的關(guān)系如下：

Et＜Ed（1）

基于上述關(guān)系式，根據典型日負荷曲線(xiàn)（如圖1所示），可以分析系統的優(yōu)化需求。

在圖1中，電網(wǎng)中接入量過(guò)大時(shí)，分布式儲能系統中的電源出力增加，出現功率倒送的情況，這樣會(huì )導致能源的浪費。因此，需要控制儲能系統，在倒送情況發(fā)生時(shí)管控倒送電能，進(jìn)行充電存儲，以減少電力資源的浪費，提高對風(fēng)能、光能等新能源的消納能力。

2.系統設計

為提高電網(wǎng)經(jīng)濟效益，需要在傳統儲能系統的硬件框架上，對軟件進(jìn)行優(yōu)化設計。

2.1建立分布式儲能系統模型

分布式儲能系統是集合發(fā)電、儲能及能源監控功能為一體的能源系統。需要在深入研究分布式儲能系統結構的基礎上，建立相應的數學(xué)模型，分析發(fā)電量、儲電量和損失電量之間的關(guān)系，為后續優(yōu)化打下基礎。對于系統發(fā)電量的預測，多采用數值模擬的方法，建立儲能系統內部組件的數學(xué)模型。以分布式光伏電源為例，其發(fā)電量受太陽(yáng)輻射量影響，并與溫度有關(guān)，受感應的光伏組件會(huì )將太陽(yáng)輻射轉化為電能，其運行的瞬時(shí)功率的q計算公式可以表示如下：

式中：?為一般情況下電源內部組件的發(fā)電效率；ε為溫度系數；Y為當前實(shí)際的組件溫度；G為當前接收的太陽(yáng)輻射量?；谏鲜龉?，能夠建立分布式光伏電源的數學(xué)模型。然而，實(shí)際發(fā)電量受太陽(yáng)光照角度、系統設備運行溫度及光譜等因素的影響。需要綜合考慮各種因素，對上述數學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化。假設光伏電源接收的有效輻射率為E，其計算公式如下

式中：s0為一般情況下系統內部的短路電流；αs為短路時(shí)電流的溫度系數；s為系統內短路電流；tc、t0分別為分布式電源組件運行中的實(shí)際溫度和理想情況下的運行溫度。

在這種情況下，計算系統內電源的發(fā)電量I，計算公式如下：

式中：Ia為分布式電源內部的光電流；Ib為相應的反向飽和電流；w為*大功率時(shí)電流的溫度參數；c為電源大功率時(shí)的電壓；z為開(kāi)路電壓；x為開(kāi)路電壓下，系統內部相應的溫度系數；φ為串聯(lián)的光伏電池的數量；u為單位負荷；κ為玻爾茲曼常數。上述各項參數均能夠通過(guò)測量獲得。

2.2基于有*時(shí)間收斂?jì)?yōu)化系統調度

基于分布式儲能系統的優(yōu)化需求，為減少能源損耗、提高計算效率，選擇在有*時(shí)間約束的基礎上，優(yōu)化系統內的儲能調度，以得到收斂的方案。假設在分布式儲能系統中，能夠儲能的組件單元有n個(gè)，為了使調度儲能過(guò)程中充電損耗*小，目標函數如下：

式中：i為進(jìn)行儲能充電的單元組件；GiPi為單元組件i運行時(shí)的功率損耗。

要滿(mǎn)足電網(wǎng)儲能系統的調度優(yōu)化需求，就要消滅倒送功率?？紤]電網(wǎng)穩定性，需要維持功率平衡，也就是要滿(mǎn)足主電網(wǎng)負荷pg＞0的條件，其條件公式可以表示如下：

式中：ph為儲能系統運行過(guò)程中，電網(wǎng)在某一時(shí)段的總負荷；pd為同一時(shí)段下，分布式電源的功率；pc為相同時(shí)段內，該儲能充電單元的運行功率。

在上述條件的基礎上，基于拉格朗日理論，建立分布式儲能系統內部調度的優(yōu)化算法，優(yōu)化后，儲能充電單元運行功率cp的計算公式如下：

式中：S為正常數增益；D為正參數；α為拉格朗日系數；T為時(shí)間限制條件參數；i為n個(gè)儲能組件中的某一單元組件，滿(mǎn)足i=1,2,…,n；fi為單元組件進(jìn)行儲能工作時(shí)，運行功率的*大參數值；βi為相應的增量成本。

上述算法能夠優(yōu)化儲能系統內部的調度，將充電時(shí)的能源損耗控制在很小范圍內，同時(shí)獲取有*時(shí)段內系統收斂的解決方案。

2.3通過(guò)模態(tài)切換實(shí)現分布式儲能

在完成對系統的調度優(yōu)化后，為保證分布式儲能系統整體運行的穩定性，降低運行損耗，需要確定相應的模態(tài)切換策略，降低系統內部的電壓偏差，實(shí)現定容優(yōu)化。

在工商業(yè)用電管理中，需要考慮線(xiàn)路損耗的成本。假設系統內部運行產(chǎn)生的損耗為，此時(shí)，成本損失D的計算公式如下：

式中：F為系統中的儲能單元組件的損耗成本；j為該單元組件運行的某一時(shí)刻；Δj為運行的某一時(shí)段，一般情況該參數取值為1。

基于上式，可以分析發(fā)生功率倒送情況時(shí)的成本損耗。為了提升分布式儲能系統的電壓質(zhì)量，降低成本損耗，需要降低系統內節點(diǎn)的電壓偏差H，其計算公式如下：

式中：N為儲能系統內節點(diǎn)的數量；r為其中的某一單元節點(diǎn)，滿(mǎn)足r=1,2,…,N；t為系統運行的某一時(shí)刻；Urt為r在t時(shí)刻的電壓；UN為同一時(shí)刻系統內的額定電壓。

基于上述計算方法，能夠實(shí)現對于分布式儲能系統的容量配置優(yōu)化，完成系統軟件部分設計。

3.實(shí)驗驗證

3.1實(shí)驗準備

為驗證文章設計的分布式儲能系統在維持電壓穩定、優(yōu)化能量調度方面的優(yōu)異性，特進(jìn)行驗證實(shí)驗。采用基于傳統遺傳算法的儲能系統（傳統儲能系統）與文章設計的用于工商業(yè)用電管理的分布式儲能系統進(jìn)行測試，儲能系統硬件參數如表1所示。

3.2實(shí)驗結果

在實(shí)驗過(guò)程中，測試了傳統儲能系統和文章設計系統的電網(wǎng)負荷變化情況，具體結果如圖2所示。如圖2所示，文章設計的分布式儲能系統對電網(wǎng)負荷的控制能力較傳統儲能系統強在傳統儲能系統運行過(guò)程中，電網(wǎng)功率變化范圍較大，出現多處功率倒送情況，在運行至16～24h時(shí)，穩定性不足；在文章設計系統運行過(guò)程中，對電壓的控制較穩定，能夠將電能進(jìn)行充電存儲，幾乎沒(méi)有出現功率倒送的問(wèn)題，能源的損耗較傳統系統少，具有很高的經(jīng)濟效益。為了驗證文章設計系統在進(jìn)行電能調度時(shí)的成本優(yōu)勢，試驗測試了兩種系統的電網(wǎng)調度成本，如表2所示。

如表2所示，無(wú)論何種天氣，與傳統儲能系統相比，文章設計的分布式儲能系統在能源調度中的成本更低。

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。在高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.結束

為解決在工商業(yè)用電管理中的資源浪費問(wèn)題，提高發(fā)電經(jīng)濟效益，文章設計了用于工商業(yè)用電管理的分布式儲能系統，并驗證了該系統的應用效果。在今后的研究中，需要進(jìn)一步深入，以推動(dòng)分布式儲能系統的可持續發(fā)展。

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