程瑜 安科瑞

摘要：近年來(lái)，環(huán)境污染、能源短缺等問題愈加嚴(yán)重，大力發(fā)展光伏發(fā)電技術(shù)是解決這些問題的一個(gè)有效措施。本文對(duì)光伏與儲(chǔ)能一體化系統(tǒng)控制技術(shù)進(jìn)一步的研討。

關(guān)鍵詞：光儲(chǔ)系統(tǒng)；一體化系統(tǒng)；控制技術(shù)；應(yīng)用

一、儲(chǔ)能技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用

由于太陽(yáng)能的不可控性，致使光伏電池的輸出功率無(wú)法預(yù)測(cè)，所以近年來(lái)儲(chǔ)能技術(shù)在光伏發(fā)電領(lǐng)域得到了廣泛的利用，獨(dú)立型光伏發(fā)電系統(tǒng)更是離不開儲(chǔ)能裝置，因此都在大力研究?jī)?chǔ)能技術(shù)，我國(guó)也不例外。在發(fā)電系統(tǒng)中，常常存在負(fù)載和發(fā)電之間的功率不匹配問題，由于缺乏大規(guī)模發(fā)電系統(tǒng)的平衡機(jī)制，這種現(xiàn)象在小規(guī)模的發(fā)電系統(tǒng)中可能更為嚴(yán)重，因此儲(chǔ)能裝置需要經(jīng)常被采用。現(xiàn)在為常見的仍舊是蓄電池和超級(jí)電容器，這兩種儲(chǔ)能方式的控制技術(shù)比較成熟，可靠性也比較高，在實(shí)際系統(tǒng)中常常將二者綜合起來(lái)使用，用以改善儲(chǔ)能裝置的特性。

二、光儲(chǔ)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略

1.光儲(chǔ)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

光伏發(fā)電指的是通過光生伏應(yīng)在光伏電池板上將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)變成電能的發(fā)電形式，依據(jù)是否與電網(wǎng)相連分為兩大類，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要有兩類，類是不帶有儲(chǔ)能單元的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，另一類是帶有儲(chǔ)能單元的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。不帶有儲(chǔ)能單元的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可控性極差，給負(fù)載提供能量完全依靠光伏電池板所處的環(huán)境，但是因?yàn)椴粠в袃?chǔ)能單元，降低了生產(chǎn)成本以及由此產(chǎn)生的運(yùn)行和后期維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)也消除了部分儲(chǔ)能單元對(duì)環(huán)境所造成的潛在污染。如圖1是不帶有儲(chǔ)能的光伏發(fā)電系統(tǒng)；

圖2是帶有儲(chǔ)能單元的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，這類系統(tǒng)因?yàn)榇嬖趦?chǔ)能部分，所以需要單獨(dú)的DC-DC電路來(lái)給儲(chǔ)能單元進(jìn)行充放電處理，在一定程度上增加了控制的難度。依據(jù)儲(chǔ)能單元連接的母線類型，這類光伏系統(tǒng)包括直流母線類型和交流母線類型兩種。

2.蓄電池剩余容量檢測(cè)

從本質(zhì)上來(lái)講，蓄電池是一種化學(xué)電池，這就決定了其使用壽命是有限的，為了降低電池系統(tǒng)的維護(hù)成本、提高電池的效率和使用壽命，對(duì)蓄電池進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)控已成為蓄電池應(yīng)用不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)之一。電池管理系統(tǒng)的作用就是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)電池系統(tǒng)的狀態(tài)，包括電池組的溫度、健康狀態(tài)、剩余容量等要素，同時(shí)對(duì)電池的充電與放電模式控制，從而實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)的能量管理，其中準(zhǔn)確估算蓄電池的荷電狀態(tài)（SOC）是電池管理系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。蓄電池的荷電狀態(tài)（SOC）可以認(rèn)為是當(dāng)下時(shí)刻電池可用容量與總的可用容量的比值，其定義式如下，其中Qt代表當(dāng)前時(shí)刻蓄電池剩余的可用容量，QO代表蓄電池總的可用容量。

3.光儲(chǔ)系統(tǒng)整體控制策略的設(shè)計(jì)

在光儲(chǔ)系統(tǒng)中，光伏電池是系統(tǒng)唯一的能量來(lái)源，負(fù)載消耗能量，蓄電池的功能是通過能量存儲(chǔ)和釋放以抑制系統(tǒng)功率的波動(dòng)，在忽略系統(tǒng)的能量損耗時(shí)，從能量流動(dòng)的角度，可以得出光儲(chǔ)系統(tǒng)有以下幾種能量流動(dòng)的模式：

（1）當(dāng)光伏電池發(fā)出的能量超出負(fù)載消耗的能量時(shí)，光伏電池產(chǎn)生的能量一方面流經(jīng)輸出電路來(lái)滿足負(fù)載功率的要求，另一方面通過向蓄電池充電的方式將超出部分存儲(chǔ)起來(lái)。

（2）當(dāng)光伏電池發(fā)出的能量不能夠滿足負(fù)載消耗的能量時(shí)，那么負(fù)載需求的能量一方面由光伏電池自身發(fā)電提供，另一方面通過蓄電池的放電來(lái)彌補(bǔ)不足的部分。

（3）當(dāng)光伏電池發(fā)出的能量正好等于負(fù)載消耗的能量時(shí)，光伏電池產(chǎn)生的能量全部提供給負(fù)載，此時(shí)蓄電池的工作狀態(tài)是不充不放，維持自身的能量不變。

（4）當(dāng)光伏電池不能夠產(chǎn)生能量時(shí)，系統(tǒng)的能量來(lái)源只能由蓄電池來(lái)充當(dāng)，滿足負(fù)載消耗的能量，當(dāng)蓄電池也不能滿足負(fù)載的功率需求時(shí)，整個(gè)光儲(chǔ)系統(tǒng)必停止工作。

光伏運(yùn)維子站解決方案

安科瑞Acrel1000-DP分布式光伏電站電力監(jiān)控系統(tǒng)為分布式光伏電站運(yùn)維子系統(tǒng)提供了解決方案，滿足GB/T 38946《分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)集中運(yùn)維技術(shù)規(guī)范》中對(duì)運(yùn)維子站的相關(guān)技術(shù)要求。

圖2 分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示

圖3 分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)顯示

圖4 分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)展示

光伏運(yùn)維主站解決方案

安科瑞AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺(tái)適用于分布式光伏電站的運(yùn)維管理。GB/T 38946《分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)集中運(yùn)維技術(shù)規(guī)范》中對(duì)集中運(yùn)維主站的相關(guān)技術(shù)要求如下：

圖5 分布式光伏電站場(chǎng)站管理及發(fā)電功率實(shí)時(shí)監(jiān)控

圖6 日月年發(fā)電數(shù)據(jù)報(bào)表及逆變器發(fā)電曲線分析

圖7 遙控操作驗(yàn)證及操作記錄

圖8 告警分級(jí)和異常分析

圖9 巡檢管理及用戶報(bào)告

圖10 設(shè)備檔案和設(shè)備保養(yǎng)管理

圖11 工單管理和缺陷記錄

系統(tǒng)管理宜具備以下功能:

a)權(quán)限設(shè)置:登錄權(quán)限?場(chǎng)站權(quán)限?功能權(quán)限?數(shù)據(jù)權(quán)限;

b)在線用戶管理:用戶登錄?操作記錄;

c)時(shí)間同步:宜采用簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(SNTP)對(duì)時(shí)方式,并以此同步各子站;

d)Web功能:主站宜具備相關(guān)數(shù)據(jù)的信息發(fā)布?瀏覽和下載等Web功能?

圖12 用戶權(quán)限配置及用戶狀態(tài)監(jiān)測(cè)

光伏發(fā)電功率預(yù)測(cè)

運(yùn)維主站可根據(jù)當(dāng)日光照和溫濕度數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)光伏電站發(fā)電功率數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)照，用于驗(yàn)證光伏電站發(fā)電效率。

圖13 光伏運(yùn)維主站、子站發(fā)電功率預(yù)測(cè)功能

圖14 箱變測(cè)控系統(tǒng)圖

通過AcrelEMS可實(shí)時(shí)監(jiān)控箱變變壓器和高低壓柜電氣參數(shù)、溫度、箱變內(nèi)濕度等數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)超過正常閾值或發(fā)生異常變位時(shí)可及時(shí)發(fā)出告警信號(hào)。

圖15 變壓器及箱變環(huán)境監(jiān)測(cè)

光伏運(yùn)維相關(guān)二次設(shè)備選型

安科瑞提供光伏運(yùn)維子站、運(yùn)維主站監(jiān)測(cè)軟件、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)和保護(hù)測(cè)控單元、交直流監(jiān)測(cè)多功能儀表及相關(guān)傳感器，具備電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)和治理裝置，保障光伏電站高效運(yùn)行。

系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)NB/T 42091《電化學(xué)儲(chǔ)能電站監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》，儲(chǔ)能監(jiān)控系統(tǒng)宜采用星型網(wǎng)絡(luò)，功率小于1MW且容量小于1MWh的電化學(xué)儲(chǔ)能監(jiān)控系統(tǒng)宜采用單網(wǎng)配置，如圖16。

圖16 電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)單網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

功率為1MW及以上且容量為1MWh及以上的電化學(xué)儲(chǔ)能監(jiān)控系統(tǒng)宜采用雙網(wǎng)配冗余置，如圖17。

圖17 電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)雙網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)測(cè)設(shè)備包括BMS、PCS、保護(hù)測(cè)控設(shè)備、其他設(shè)備(電能計(jì)量、絕緣監(jiān)測(cè)、消防、空調(diào)、站用直流屏等)。

Acrel-2000MG儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理系統(tǒng)和AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺(tái)能夠?qū)ζ髽I(yè)微電網(wǎng)的源（市電、分布式光伏、微型風(fēng)機(jī)）、網(wǎng)（企業(yè)內(nèi)部配電網(wǎng)）、荷（固定負(fù)荷和可調(diào)負(fù)荷）、儲(chǔ)能系統(tǒng)、新能源汽車充電負(fù)荷進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和優(yōu)化控制，保護(hù)微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行安全，實(shí)現(xiàn)不同目標(biāo)下源網(wǎng)荷儲(chǔ)資源之間的靈活互動(dòng)，增加多策略控制下系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)促進(jìn)新能源消納、合理削峰填谷，減少電網(wǎng)建設(shè)投資，提升微電網(wǎng)運(yùn)行安全，降低運(yùn)行成本。Acrel-2000MG儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理系統(tǒng)適合部署在本地，作為實(shí)時(shí)監(jiān)控、異常告警和策略管理；AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺(tái)適用于企業(yè)源網(wǎng)荷儲(chǔ)充運(yùn)維的一體化管理平臺(tái)，并提供移動(dòng)端數(shù)據(jù)服務(wù)和異常告警。

數(shù)據(jù)采集和處理

監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)能通過測(cè)控單元及功率變換系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)信息的采集和處理。監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置通信接口與電池管理系統(tǒng)連接，接收和處理的信息宜包括但不限于：

a）電池模塊的電壓、溫度、電池能量；

b）電池簇的電流、電壓、功率、電池能量、可充可放電量、累積充放電電量，以及*高、*低

單體電壓及其電池編號(hào)：

c）電池堆可充可放電量、累積充放電電量；

d）各種故障告警和保護(hù)動(dòng)作信號(hào)；

圖18 Acrel-2000MG和AcrelEMS電池?cái)?shù)據(jù)采集

功率變換系統(tǒng)(PCS)上送信息宜包括但不限于：

a）開關(guān)量信息：直流側(cè)與交流側(cè)接觸器、斷路器的狀態(tài)；運(yùn)行模式（并網(wǎng)、離網(wǎng)）、運(yùn)行狀態(tài)

（充電、放電、待機(jī)等）、就地操作把手的狀態(tài)等：

b）模擬量信息：直流側(cè)電壓、電流、功率，交流側(cè)三相電壓、電流、有功、無(wú)功；

c）非電量信息：IGBT模塊溫度、電抗器溫度、隔離變溫度等；

d）運(yùn)行信息：功率變換系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作信號(hào)、事故告警信號(hào)等。

圖18 Acrel-2000MG和AcrelEMS 功率變換系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

監(jiān)視和報(bào)警

監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)視功能應(yīng)符合但不限于下列要求：

a）應(yīng)能通過顯示器對(duì)主要電氣設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視；

b）應(yīng)能監(jiān)視并實(shí)時(shí)顯示各設(shè)備的通信狀態(tài)和通信報(bào)文；

c）電池管理系統(tǒng)、功率變換系統(tǒng)上傳監(jiān)控系統(tǒng)的遙測(cè)量和告警量須有專門的界面顯示和告警

圖19 Acrel-2000MG和AcrelEMS 監(jiān)視和報(bào)警分級(jí)

控制與調(diào)節(jié)

控制范圍：站內(nèi)交流回路斷路器、功率變換系統(tǒng)及其他相關(guān)重要設(shè)備，包括功率變換系統(tǒng)啟/停、運(yùn)行/檢修狀態(tài)切換、并網(wǎng)充/放電、離網(wǎng)放電、保護(hù)軟壓板投切等。監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)功能定位支持下列應(yīng)用模式：削峰填谷、孤網(wǎng)運(yùn)行、系統(tǒng)調(diào)頻、電壓支撐、電能質(zhì)量治理、平滑功率輸出、跟蹤計(jì)劃出力。

圖19 Acrel-2000MG和AcrelEMS 儲(chǔ)能系統(tǒng)監(jiān)控

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)交流回路的電壓波動(dòng)與閃變、三相電壓不平衡、電壓暫升/暫降、短時(shí)中斷、諧波畸變等工況，實(shí)時(shí)記錄事件并故障錄波，為電能質(zhì)量分析與治理提供數(shù)據(jù)來(lái)源。

圖20 Acrel-2000MG和AcrelEMS 電能質(zhì)量分析

企業(yè)微電網(wǎng)能效管理

AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺(tái)除了對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)提供監(jiān)控報(bào)警之外，還適用于企業(yè)內(nèi)部的源網(wǎng)荷儲(chǔ)充運(yùn)維的一體化管理平臺(tái)，為企業(yè)微電網(wǎng)能效管理提供全方位的監(jiān)測(cè)、優(yōu)化控制、設(shè)備管理、運(yùn)維管理、分析報(bào)告等，并提供基于WEB和APP的數(shù)據(jù)服務(wù)和異常告警。

平臺(tái)可根據(jù)企業(yè)光伏發(fā)電數(shù)據(jù)、儲(chǔ)能控制策略以及負(fù)荷波動(dòng)情況為企業(yè)提供微電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，制定用電優(yōu)化方案，在提高企業(yè)微電網(wǎng)運(yùn)行安全的前提下幫助企業(yè)降低用電成本，促進(jìn)清潔能源消納。

圖21 AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺(tái)

電化學(xué)儲(chǔ)能電站監(jiān)控運(yùn)維管理系統(tǒng)二次設(shè)備選型

安科瑞提供電化學(xué)儲(chǔ)能電站監(jiān)控運(yùn)維管理軟件、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)和保護(hù)測(cè)控單元、多功能儀表及相關(guān)傳感器，具備電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)和治理裝置，保障儲(chǔ)能電站及企業(yè)微電網(wǎng)高效運(yùn)行。

表3 儲(chǔ)能電站監(jiān)控運(yùn)維管理系統(tǒng)選型方案

結(jié)束語(yǔ)

在雙碳目標(biāo)以及電網(wǎng)運(yùn)行安全要求驅(qū)動(dòng)下，光伏發(fā)電以及配套儲(chǔ)能系統(tǒng)未來(lái)將會(huì)得到越來(lái)越多的政策支持，可以想象未來(lái)也會(huì)有越來(lái)越多的資本投入促使行業(yè)迅速發(fā)展，從而提高電網(wǎng)運(yùn)行安全，提升電能使用效率。但是微電網(wǎng)系統(tǒng)，特別是光伏電站和儲(chǔ)能電站的運(yùn)行安全不容忽視，需要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)，建立光伏和儲(chǔ)能監(jiān)測(cè)運(yùn)維管理系統(tǒng)對(duì)光伏電站和儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視、預(yù)警、控制和運(yùn)維管理，保障安全生產(chǎn)。

未來(lái)新型電力系統(tǒng)中，企業(yè)光儲(chǔ)充微電網(wǎng)內(nèi)部以及企業(yè)微電網(wǎng)和大電網(wǎng)的互動(dòng)也會(huì)越來(lái)越頻繁，這需要一套統(tǒng)一平臺(tái)來(lái)對(duì)企業(yè)的“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)-充”及運(yùn)維進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測(cè)和管理，這樣才能保障企業(yè)微電網(wǎng)高效運(yùn)行，從而促進(jìn)新型電力系統(tǒng)邁向穩(wěn)定、可靠、低碳的良性循環(huán)。

審核編輯 黃宇