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淺談電力光伏混合儲能系統的能量策略研究

2025-03-06 [787]

安科瑞劉邁

　　摘要：文章提出了一種光伏電力混合儲能系統的能量管理控制策略，主要應用于含有光伏電源(Photovoltaic,PV)、電池能量存儲(Battery Energy Storage, BES)和交流負載的發電網絡系統中。該策略能夠充分利用電力系統中組合架構之間的連接關系，有效緩解了目前電網中BES系統存在的過充電、欠充電等問題,并將充放電電流控制在一個相對穩定的范圍內，延長了電池的使用壽命。分別在含有傳統鉛酸和鋰離子電池的混合能量系統中使用6kVA電源轉換器進行實驗，結果證明了所提出的能量管理策略的正確性和有效性。

　　關鍵詞：能量管理；光伏；電池儲能；混合儲能

　　0引言

　　近年來，可再生能源(Renewable EnergySources, RES)在普通民用住宅和工業生產領域中的應用愈加廣泛。光伏(Photovoltaic, PV)發電技術在各種RES解決方案中，已經有相當多的應用場景。

　　在光伏電力系統中，電池能量存儲(BatteryEnergy Storage, BES)單元在維持電能持續供應方面具有重要的作用。傳統的BES單元主要使用鉛酸電池作為存儲介質,隨著技術的不斷發展,鋰離子電池憑借自身能量密度高、轉化效率好等特點，成為一種全新的技術解決方案。無論采用哪種BES結構作為基本的儲能單位，都需要對鏈路中的電源進行控制，進而維持電網中的電流強度，保護BES單元的使用壽命和輸出穩定性。適當的電源管理對于實現系統的高性能運行至關重要。

　　與傳統的電力系統相比，光伏電力系統在成本和轉換效率中具有明顯的優勢。由于光伏電力系統一般通過直流電力傳輸系統進行輸送，因此無法在普通家庭和大多數的工業應用場景中直接使用，需要進行直流電和交流電之間的模式轉換，但是這種轉換會導致系統能量損耗，并會干擾電路中正常的電流強度。

　　為了解決上述問題，同時增強電網的整體穩定性，本文提出了一種用于光伏電力混合儲能系統的能量管理策略。

　　1光伏電力混合儲能系統的能量管理策略

　　PV、BES和直流負載傳輸是目前電力系統中*常用的3種技術。為了更好地探究電力系統中的能量管理策略,本文對直流傳輸系統(DC)和交流傳輸系統(AC)的傳輸狀態進行了對比,結果如表1所示。

　　表1以直流和交流為*心的系統架構比較

　　從表1中可以看出：以直流為*心的傳輸系統為電池能量儲存系統提供了*佳的充電保護;以交流為*心的傳輸系統，通過減少光伏電源到交流負載的轉換*數,保護了BES系統的穩定運行,為電池組的靈活部署提供了有效的保證。因此，在以交流為*心的傳輸系統中,可以靈活地配置BES單元。

　　當系統控制器未適當管理能量流時，就*須考慮安全隱患。當光伏電力系統中的總發電量超過BES系統的*大值時，系統的充電電壓和電流就會超過電池系統的上限，對儲能系統造成不可逆的損壞。本文所提出的能量管理策略，可以在穩定傳輸系統內部電流的情況下，通過電源控制器使BES系統在充放電過程中，保持穩定的電流變化曲線問。為了保持光伏電力系統的穩定運行，需要將電網中的電流和電壓控制住。同時為了防止儲能系統的過度充放電,電源轉換器應滿足如下條件：

　　電池充電的參考電壓和電流水平是溫度(TB)的函數，用F來表明函數映射關系。如果不滿足式(1),則不受控制的能量流可能會導致電池充電電壓過高，造成電池不可逆轉的損壞。為了避免這種不良影響，本文將形成網格的電池轉換器設計為多變量系統:直接調節,控制交流電壓、頻率和相角；間接調節，控制直流電壓、電流和剩余電量(State of Charge, SOC),穩定BES系統的充電電壓。

　　圖1為使用電池轉換器和并網光伏逆變器的混合電力傳輸系統的控制框圖，其中并網光伏逆變器控制結構具有*大功率點跟蹤和功率縮減功能。光伏逆變器的控制器不斷監視電網參數，并在檢測到接收信號5發生特定變化的情況下對傳輸模式進行解調。從圖1中可以看到,BES充電曲線依賴于電力線的間接控制，而無需依靠其他有線通信方式。

圖1 控制框圖

　　通常使用以下3種方法實現電池轉換器(發射器)和PV逆變器(接收器)之間的通信：

　　①f的線性變化；

　　②CF基于模式的變化；

　　③數字調制傳輸。使用此特定方法,電池轉換器對可控制的載波信號CF進行調制，光伏逆變器以類似于模數轉換的方式對信息進行解調。Cf的變化以0和1的格式提供信息。例如，如果電壓相位角是用于通信的信號，則以二進制頻移鍵控(Frequency Shift Keying, FSK)的形式使用。在這種特殊情況下,發射器（電池轉換器）會引入CF的流變化情況。然后檢測并解調此時傳輸系統中電路的電流變化情況。

　　表2為在電池轉換器和光伏逆變器分布式發電機中電源管理控制器的設計要求。

　　表2電源管理控制器的設計要求

　　在本文所提出的光伏電源混合儲能控制策略中,電源管理控制需要與多個交流網絡進行連接。這種連接和控制方式可以完成多階段的充電狀態監控以及外部發電機之間的信息同步和傳遞工作。

　　2基于頻率控制的能量均衡和減載策略

　　本文基于頻率的電源管理控制為BES的多*充電功率平衡和減載提供了一種魯棒的方法,該方法可以有效減少系統的能量損耗，增強整個鏈路的穩定性，控制結構如圖2所示。

圖2用于電池轉換器線路頻率控制的通用控制結構

　　圖2（a）為本文設計的一種通過控制光伏逆變器的功率來間接控制電池充電電壓和電流的網格結構。用于線路頻率控制的電池電壓和電流控制器以比例積分（Proportional Integral,PI）補償器的形式進行選擇。圖2（b）為在孤島離網模式下運行的電池轉換器，以及帶有可控斷路器的交流面板，用于分配交流負載。

　　2.1 BES充電電源系統分析

　　圖3為具有線頻控制和通信能力的以交流為*心的電力系統中能量流控制的按鍵波形。圖3(a),(b)顯示了在電池轉換器中實現的多*充電曲線,以滿足BES的穩定工作需求。電池轉換器將BES的SOC和SOH參數維持在一個穩定的區間。

　　圖3具有線頻控制和通信能力的以交流為*心的電力系統中能量流控制的按鍵波形

　　2.2 BES放電減載

　　在低輻照度條件下，光伏能量不足以滿足交流負載需求。交流負載減少操作如圖3（c）所示，在較高的交流負載需求期間變為活動狀態。電池SOC電量較低時,電池轉換器降低線路頻率（f）,而頻率變化會導致交流負載序列斷開。電池的尺寸和幀是SOR的函數，并且取決于充電倣電速率、SOC范圍、放電深度、循環次數和工作溫度。系統轉換效率的指標需要在系統選型時加以考慮,以確定從BES到交流端口的有效可用能量。

　　3安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統解決方案

　　3.1概述

　　安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統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，實現了數據采集、數據處理、數據存儲、數據查詢與分析、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、削峰填谷、需量控制、備用電源等控制功能。系統對電池組性能進行實時監測及歷史數據分析、根據分析結果采用智能化的分配策略對電池組進行充放電控制，優化了電池性能，提高電池壽命。系統支持Windows操作系統，數據庫采用SQLServer。本系統既可以用于儲能一體柜，也可以用于儲能集裝箱，是專門用于儲能設備管理的一套軟件系統平臺。

　　3.2適用場合

　　系統可應用于城市、高速公路、工業園區、工商業區、居民區、智能建筑、海島、無電地區可再生能源系統監控和能量管理需求。

　　工商業儲能四大應用場景

　　1）工廠與商場：工廠與商場用電習慣明顯，安裝儲能以進行削峰填谷、需量管理，能夠降低用電成本，并充當后備電源應急；

　　2）光儲充電站：光伏自發自用、供給電動車充電站能源，儲能平抑大功率充電站對于電網的沖擊；

　　3）微電網：微電網具備可并網或離網運行的靈活性，以工業園區微網、海島微網、偏遠地區微網為主，儲能起到平衡發電供應與用電負荷的作用；

　　4）新型應用場景：工商業儲能探索融合發展新場景，已出現在5G基站、換電重卡、港口岸電等眾多應用場景。

　　3.3系統結構

3.4系統功能

　　3.4.1實時監測

　　微電網能量管理系統人機界面友好，應能夠以系統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態，實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。其中，各子系統回路電參量主要有：三相電流、三相電壓、總有功功率、總無功功率、總功率因數、頻率和正向有功電能累計值；狀態參數主要有：開關狀態、斷路器故障脫扣告警等。

　　系統應可以對分布式電源、儲能系統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態及發電單元與儲能單元運行功率設置等。

　　系統應可以對儲能系統進行狀態管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態進行及時告警，并支持定期的電池維護。

　　微電網能量管理系統的監控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電樁及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統信息進行顯示。

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圖2系統主界面

　　子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電樁信息、通訊狀況及一些統計列表等。

　　光伏界面

圖3光伏系統界面

　　本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、并網柜電力監測及發電量統計、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

　　儲能界面

圖4儲能系統界面

　　本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖5儲能系統PCS參數設置界面

　　本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖6儲能系統BMS參數設置界面

　　本界面用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖7儲能系統PCS電網側數據界面

　　本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖8儲能系統PCS交流側數據界面

　　本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。

圖9儲能系統PCS直流側數據界面

　　本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。

圖10儲能系統PCS狀態界面

　　本界面用來展示對PCS狀態信息，主要包括通訊狀態、運行狀態、STS運行狀態及STS故障告警等。

圖11儲能電池狀態界面

　　本界面用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲能電池的運行狀態、系統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。

圖12儲能電池簇運行數據界面

　　本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的電壓、溫度值及所對應的位置。

　　風電界面

圖13風電系統界面

　　本界面用來展示對風電系統信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

　　充電樁界面

圖14充電樁界面

　　本界面用來展示對充電樁系統信息，主要包括充電樁用電總功率、交直流充電樁的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電樁的運行數據等。

　　視頻監控界面

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圖15微電網視頻監控界面

　　本界面主要展示系統所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。

　　3.4.2發電預測

　　系統應可以通過歷史發電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發電進行短期、超短期發電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發電計劃，便于用戶對該系統新能源發電的集中管控。

圖16光伏預測界面

　　3.4.3策略配置

　　系統應可以根據發電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、有序充電、動態擴容等。

基礎參數

計劃曲線-一充一放

圖17策略配置界面

　　3.4.4運行報表

　　應能查詢各子系統、回路或設備規定時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能等。

圖18運行報表

　　3.4.5實時報警

　　應具有實時報警功能，系統能夠對各子系統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。

圖19實時告警

　　3.4.6歷史事件查詢

　　應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

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圖20歷史事件查詢

　　3.4.7電能質量監測

　　應可以對整個微電網系統的電能質量包括穩態狀態和暫態狀態進行持續監測，使管理人員實時掌握供電系統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。

　　1）在供電系統主界面上應能實時顯示各電能質量監測點的監測裝置通信狀態、各監測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度和正序/負序/零序電流值；

　　2）諧波分析功能：系統應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；

　　3）電壓波動與閃變：系統應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與頻率偏差；

　　4）功率與電能計量：系統應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；

　　5）電壓暫態監測：在電能質量暫態事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發生時，系統應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統應能查看相應暫態事件發生前后的波形。

　　6）電能質量數據統計：系統應能顯示1min統計整2h存儲的統計數據，包括均值、95%概率值、方均根值。

　　7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續時間、事件發生的時間。

圖21微電網系統電能質量界面

　　3.4.8遙控功能

　　應可以對整個微電網系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統維護人員可以通過管理系統的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度系統或站內相應的操作命令。

圖22遙控功能

　　3.4.9曲線查詢

　　應可在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

圖23曲線查詢

　　3.4.10統計報表

　　具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的用電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與外部系統間電能量交換進行統計分析；對系統運行的節能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。

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圖24統計報表

　　3.4.11網絡拓撲圖

　　系統支持實時監視接入系統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖25微電網系統拓撲界面

　　本界面主要展示微電網系統拓撲，包括系統的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

　　3.4.12通信管理

　　可以對整個微電網系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監測。系統維護人員可以通過管理系統的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

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圖26通信管理

　　3.4.13用戶權限管理

　　應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）。可以定義不同*別用戶的登錄名、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。

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圖27用戶權限

　　3.4.14故障錄波

　　應可以在系統發生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。