安科瑞 劉秋霞

　　摘要：以滿足將來電網消納規(guī)模化可再生能源的需求出發(fā)，研究適合工商業(yè)園區(qū)推廣應用的光儲充微電網系統(tǒng)關鍵技術。首先論述園區(qū)光儲充微電網的必要性，然后搭建了園區(qū)光儲充微電網的系統(tǒng)架構，以及各系統(tǒng)通信方式的說明。研究園區(qū)光儲充微電網的順序控制策略，包括并網模式和離網模式以及并離網切換技術。*后在園區(qū)光儲充微電網的經濟性，從直接體現(xiàn)和間接體現(xiàn)進行建模分析和論述。

　　關鍵詞：園區(qū)光儲充微電網，順序控制、并離網切換、經濟性

　　0引言

　　大力發(fā)展可再生能源已成為全球性的能源戰(zhàn)略，微電網技術是提高可再生能源發(fā)電靈活性和可控性的有效途徑，但微電網的技術復雜性和經濟性一直制約其規(guī)模化推廣使用。并且隨著可再生能源的規(guī)模化發(fā)展，我國大電網存在著越來越嚴重的安全性和可靠性問題，目前微電網技術應用主要還是國家相關示范工程，技術商業(yè)應用尚未清晰，行業(yè)還處于系統(tǒng)關鍵技術研究階段。文獻[4]提出自適應下垂控制策略，有利于儲能與負荷功率自動分配，但源荷功率易受母線電壓影響而頻繁切換。文獻[5]采用電壓滯環(huán)控制，但會造成控制延時導致并離網誤切換事故發(fā)生。文獻[6]采用分層協(xié)調控制策略，各單元變流器可依次對模型電壓進行自動調節(jié)，但受到母線電壓波動影響。文獻[7]對農村地區(qū)多能源互補發(fā)電微電網進行研究，分析了微電網孤島和并網兩種運行方式的調度策略，但并未考慮微電網的經濟性運行。文獻[8]利用儲能削峰填谷，使光儲微電網系統(tǒng)的運行成本*低，但未能利用分布式光伏及負荷來實現(xiàn)*大化降低運行成本。本文從園區(qū)光儲充微電網的必要性開始論述，搭建了園區(qū)光儲充微電網的系統(tǒng)架構，以及各系統(tǒng)通信方式的說明。研究了園區(qū)光儲充微電網的順序控制策略，包括并網模式和離網模式以及并離網切換技術。從直接體現(xiàn)和間接體現(xiàn)進行建模分析和論述了園區(qū)光儲充微電網的經濟性。

　　1園區(qū)光儲充微電網的必要性

　　隨著近幾年光伏及充電樁迅速發(fā)展，城市電氣化的不斷深入，規(guī)模化的光伏電站及充電站對城市電網的沖擊尤為突出[9]。利用光儲充微電網進行功率調整對區(qū)域性配電網顯得越來越重要，本文針對工業(yè)園區(qū)光儲充微電網進行分析，具體如下。

　　1）光伏電站角度。當前很多公司建設光伏電站，卻并未考慮到光伏電站對電網產生的影響，并且自給率很低。大規(guī)模應用對電網的穩(wěn)定性產生較大沖擊，使得國網公司對光伏并入電網進行一定的限制。

　　2）充電站角度。充電站易出現(xiàn)集中性額定功率充電，產生用電高峰，對電網造成一定的波動，可通過增配儲能來進行有效地。

　　3）配電網角度。由于城市初期配電線路的容量規(guī)劃并未考慮大規(guī)模充電樁的建設，充電樁對電網產生的負荷壓力，使得變壓器及配網線路不得不進行改造。故可增加儲能及光伏使得充電站在用電高峰從電網側需求功率大大減少，實現(xiàn)線路上的負荷平移，符合電網初期建設投入及穩(wěn)定性。而且對于計劃或非計劃（包括突發(fā)災害）而導致的停電，儲能也可提供一定的后備保障，提高電網的健壯性。

　　4）經濟角度。園區(qū)用電和充電站的峰谷用電量及峰谷電價差距大。可通過園區(qū)加入儲能，建設園區(qū)光儲微電網來實現(xiàn)峰谷填移。投資者只需幾年便可收回成本，取得收益。而且隨著國家對儲能補貼的制定及光伏平價上網，建設園區(qū)光儲微電網的經濟性更為明顯。

　　5）綜合需求角度。隨著近幾年光伏、新能源汽車和儲能的迅猛發(fā)展，各工業(yè)園都會選擇在本園區(qū)投資建設光伏、充電樁亦或儲能。但建設光伏、充電樁和儲能的廠家大都是孤立的，沒有進行各系統(tǒng)功率的協(xié)調。本系統(tǒng)解決的就是綜合各系統(tǒng)功能，可自由組合，充分發(fā)揮光伏電站、充電站和儲能的功能，能取得良好的經濟效益和社會效益。

　　2園區(qū)光儲充微電網系統(tǒng)

　　2.1園區(qū)光儲充微電網系統(tǒng)架構

　　由于工業(yè)園區(qū)和充電站的占地面積比較大，無須考慮占地問題，是建設光儲充微電網系統(tǒng)的良好條件。

　　本系統(tǒng)接入示意圖如圖1所示。采用三相交流母線的方式，將各光伏子系統(tǒng)、儲能子系統(tǒng)及充電樁通過交流母線聯(lián)絡在一起，并于電網側并網接入。微電網監(jiān)控裝置可對微電網進行實時的監(jiān)測與控制，主要包括監(jiān)測配電網功率和電能質量，對光伏電站數(shù)據采集和必要時的功率限制，通過對儲能電站充放電控制進行峰谷填移，實現(xiàn)良好的經濟效益，對充電站的數(shù)據采集并進行功率分配。而云平臺管理則可通過微電網監(jiān)控裝置獲取的信息進行數(shù)據存儲、預測分析和優(yōu)化調度，并且可對微電網監(jiān)控裝置的下發(fā)命令，實時控制各子系統(tǒng)。園區(qū)光儲充微電網接入示意圖如圖1所示。

圖1園區(qū)光儲充微電網接入示意圖

　　2.2通信方式

　　考慮建設成本及方便可靠性，云平臺管理系統(tǒng)和微電網監(jiān)控裝置宜采用無線通信方式，可采用目前配用電通用的DL/T634.5104通信協(xié)議。而微電網監(jiān)控裝置對各子系統(tǒng)的實時監(jiān)測與控制，則需要針對不同子系統(tǒng)來選擇不同的通信方式。譬如對光伏電站，可通過RS485通信方式，采用光伏逆變器標準的Modbus通信協(xié)議。對于儲能電站，可通過CAN通信方式，采用BMS和PCS通用的CAN2.0B協(xié)議。針對充電站，宜采用以太網通信或無線通信方式。

　　3園區(qū)光儲充微電網控制技術

　　本系統(tǒng)分為兩種模式：并網模式和離網模式。在并網模式下，云平臺通過獲取次日天氣數(shù)據和光伏功率歷史數(shù)據，預測出次日光伏功率曲線。并且云平臺通過充電站的功率歷史數(shù)據，預測出次日充電站的功率曲線。根據預測的次日光伏和充電站功率曲線，以及峰谷時間段，云平臺經過優(yōu)化分析，計算出次日*優(yōu)的儲能電站出力功率曲線。云平臺下發(fā)調度曲線給微電網監(jiān)控裝置，由微電網監(jiān)控裝置對各子系統(tǒng)實時控制。當夏天光伏發(fā)電功率過大，微電網監(jiān)控裝置通過云平臺下發(fā)的調度指令對光伏電站進行限功率運行。而當充電站在用電高峰用電過大，可對光伏電站*大功率運行，對儲能電站進行放電，也可調節(jié)充電站的用電功率。這些方式都可用來平衡聯(lián)絡線功率。該光儲充微電網從而保證了電網電能質量和穩(wěn)定性。

　　當電網由于自然災害或者發(fā)電側不能滿足用電側時，只好切斷園區(qū)負荷用電，這時此園區(qū)光儲充微電網進行離網模式下運行，為園區(qū)正常供電。

　　存在并網模式和離網模式便會涉及到并離網模式的切換，本系統(tǒng)采用順序控制。當電網失電或孤島保護，本系統(tǒng)便從并網模式切換到離網模式，主要包括并網停機，黑啟動兩個步驟，流程框圖如圖2所示。首先初始化，然后儲能電站、光伏電站和充電站停機，并將并網點開關分閘，*后運行儲能電站、充電站和光伏電站。通過調節(jié)充電站、儲能電站和光伏電站功率進行平衡聯(lián)絡線功率。

　　當電網來電后，系統(tǒng)會由離網模式自動切換到并網模式，主要包括離網停機、并網啟動兩個步驟，流程框圖如圖3所示。首先初始化，然后儲能電站、光伏電站和充電站停機，并將并網點合閘，*后運行充電站、光伏電站和儲能電站。通過微電網監(jiān)控裝置獲取云平臺調度指令，對充電站、光伏電站和儲能電站進行功率調節(jié)，獲得各子系統(tǒng)*優(yōu)的功率配置。

　　通過云平臺管理系統(tǒng)和微電網監(jiān)控裝置的信息交互，可群管群控充電站、光伏電站和儲能電站。

　　并且儲能電站和光伏電站直接與充電站聯(lián)絡，能夠解決充電站集中大功率充電所帶來的饋線容量問題。同時有利于光伏電站的自發(fā)自用，就地消納。儲能電站不僅能進行削峰填谷，而且為用戶提供用電的后備保障。

　　4園區(qū)微電網光儲充微電網經濟性分析

　　建設光儲充微電網相比較各獨立系統(tǒng)的經濟性主要可分為直接體現(xiàn)和間接體現(xiàn)。

圖2并網模式切換到離網模式流程框圖

圖3離網模式切換到并網模式流程框圖

　　（1）直接體現(xiàn)

　　相對于獨立的光伏系統(tǒng)，還有光儲充微電網可以就地消納，自發(fā)自用，通過買賣電成本差價的原理帶來光伏收益*大化，其中光伏在此微電網1kW·h電帶來的收益如EPVN公式（1）所示（由于光伏系統(tǒng)建設成本都是必要的，在此公式不考慮初期投資建設成本）。

　　式中，ESUB為1kW·h電量在光伏電站中補貼收益，不同區(qū)域補貼收益不同；ESELL為1kW·h電量在光伏電站中售電收益。

　　售電收益包括賣給電網的收益，自發(fā)自用的收益兩部分，計算如公式（2）所示。

　　式中，ESUB為園區(qū)光伏每發(fā)1kW·h電自發(fā)自用部分的收益，計算如式（3）所示。

　　式中，EONLIN為園區(qū)光伏每發(fā)1度電余電上網部分的收益，計算如式（4）所示。

　　式中，EUSE為1kW·h電量在該時段的綜合峰谷平電價；KUSE為自發(fā)自用的電量在光伏每發(fā)1kW·h電的占比；SONLIN為光伏賣給電網的電價。

　　儲能電站主要通過峰谷差價實現(xiàn)經濟化收益，其中儲能在此微電網1kW·h電帶來的收益計算公式為

　　式中，KLOSS為1kW·h電在園區(qū)微電網儲能電站中的損耗。STOU為峰谷差價；CEQ為1kW·h電在園區(qū)微電網儲能電站中的成本，計算如式（6）所示。

　　式中，CBAT為電池1kW·h電成本，元；NCYCLE為電池的總循環(huán)充電次數(shù)。

　　（2）間接體現(xiàn)

　　在此園區(qū)光儲充微電網中儲能電站主要間接經濟體現(xiàn)在一方面是在提供后備保障性用電，同時通過和光伏電站的配合，有效利用停電時光伏不能離網發(fā)電的問題。一方面在光伏電站發(fā)電高峰時期，過多電量流入電網，可通過儲能電站充電將多余電量盡量存儲下來。在夜間光伏不可發(fā)電的用電高峰時，再通過儲能電站放電實現(xiàn)儲能更經濟運行。另一方面在園區(qū)短時用電高峰，可通過儲能電站大功率放電，減少園區(qū)需量超標而增加用電需量成本。在此園區(qū)光儲充微電網中充電站主要間接經濟體現(xiàn)在于可通過動態(tài)調節(jié)負荷，和其他電站配合，提高光伏電站發(fā)電利用率，充分利用儲能電站峰谷時段差價，實現(xiàn)*優(yōu)經濟運行。在配電網層面，可有效降低配電網饋線建設和升級改造成本，通過云平臺智能管理調度也可實現(xiàn)變壓器和饋線的零升級，并且有效降低網損。

　　5安科瑞微電網能量管理系統(tǒng)

　　Acrel-2000MG微電網能量管理系統(tǒng)能夠對微電網的源、網、荷、儲能系統(tǒng)、充電負荷進行實時監(jiān)控、診斷告警、全景分析、有序管理和控制，滿足微電網運行監(jiān)視化、安全分析智能化、調整控制前瞻化、全景分析動態(tài)化的需求，完成不同目標下光儲充資源之間的靈活互動與經濟優(yōu)化運行，實現(xiàn)能源效益、經濟效益和環(huán)境效益*大化。

　　5.1主要功能

　　實時監(jiān)測；

　　能耗分析；

　　智能預測；

　　協(xié)調控制；

　　經濟調度；

　　需求響應。

　　5.2系統(tǒng)特點

　　平滑功率輸出，提升綠電使用率；

　　削峰填谷、谷電利用，提高經濟性；

　　降低充電設備對局部電網的沖擊；

　　降低站內配電變壓器容量；

　　實現(xiàn)源荷*高匹配。

　　5.3相關控制策略

　　序號系統(tǒng)組成運行模式控制邏輯

　　1市電+負荷+儲能峰谷套利根據分時電價，設置晚上低價時段充電、白天高價時段放電，根據峰谷價差進行套利

　　2需量控制根據變壓器的容量設定值，判斷儲能的充放電，使得變壓器容量保持在設定容量值以下，降低需量電費

　　3動態(tài)擴容對于出現(xiàn)大功率的設備，且持續(xù)時間比較短時，可以通過控制儲能放電進行補充該部分的功率需求，

　　4需求響應根據電網調度的需求，在電網出現(xiàn)用電高峰時進行放電、在電網出現(xiàn)用電低谷時進行充電；

　　5平抑波動根據負荷的用電功率變化，進行充放電的控制，如功率變化率大于某個設定值，進行放電，主要用于降低電網沖擊

　　6備用當電網出現(xiàn)故障時，啟動儲能系統(tǒng)，對重要負荷進行供電，保證生產用電

　　7市電+負荷+光伏自發(fā)自用、余電上網光伏發(fā)電優(yōu)先供自己負荷使用，多余的電進行上網，不足的由市電補充

　　8自發(fā)自用主要針對光伏多發(fā)時，存在一個防逆流控制，調節(jié)光伏逆變器的功率輸出，讓變壓器的輸出功率接近為0

　　9市電+負荷+光伏+儲能自發(fā)自用通過設置PCC點的功率值，系統(tǒng)控制PCC點功率穩(wěn)定在設置值。在這種狀態(tài)下，系統(tǒng)處于自發(fā)自用的狀態(tài)下，即：

　　1）當分布式電源輸出功率大于負載功率時，不能被負載消耗時，增加負載或儲能系統(tǒng)充電。

　　2）當分布式電源輸出功率小于負載功率時，不夠負載消耗時，減少負載（或者調節(jié)充電功率）或者儲能系統(tǒng)對負載放電。

　　10削峰填谷1）根據用戶用電規(guī)律，設置峰值和谷值，當電網功率大于峰值時，儲能系統(tǒng)放電，以此來降低負荷高峰；當電網功率小于谷值時，儲能系統(tǒng)充電，以此來填補負荷低谷，使發(fā)電、用電趨于平衡。

　　2)根據分布式電源發(fā)電規(guī)律，設置峰值和谷值，當電網功率大于峰值時，儲能系統(tǒng)充電，以此來降低發(fā)電高峰；當電網功率小于谷值時，儲能系統(tǒng)放電，以此來填補發(fā)電低谷，使發(fā)電、用電趨于平衡。

　　11需量控制在光伏系統(tǒng)*大化出力的情況下，如果負荷功率仍然超過設置的需量功率，則控制儲能系統(tǒng)出力，平抑超出需量部分的功率，增加系統(tǒng)的經濟性。

　　12動態(tài)擴容對于出現(xiàn)高負荷時，優(yōu)先利用光儲系統(tǒng)對負荷進行供電，保證變壓器不超載

　　13需求響應根據電網調度的需求，在電網出現(xiàn)用電高峰時進行放電或者充電樁降功率或停止充電、在電網出現(xiàn)用電低谷時進行充電或者充電充電；

　　14有序充電在變壓器容量范圍內進行充電，如果充電功率接近變壓容量限值，優(yōu)先控制光伏*大功率輸出或儲能進行放電，如果光儲仍不滿足充電需求，則進行降功率運行，直至切除部分充電樁（改變充電行為），對于充電樁的切除按照后充先切，先來后切的方式進行有序的充電。（有些是以充電時間與充電功率為控制變量，以充電費用或者峰谷差*小為目標）

　　15經濟優(yōu)化調度對發(fā)電用進行預測，結合分時電價，以用電成本*少為目標進行策略制定

　　16平抑波動根據負荷的用電功率變化，進行充放電的控制，如功率變化率大于某個設定值，進行放電，主要用于降低電網沖擊

　　17力調控制跟蹤關口功率因數(shù)，控制儲能PCS連續(xù)調節(jié)無功功率輸出

　　18電池維護策略定期對電池進行一次100%DOD深充深放循環(huán)；通過系統(tǒng)下發(fā)指令，更改BMS的充滿和放空保護限值，以滿足100%DOD充放，系統(tǒng)按照正常調度策略運行

　　19熱管理策略基于電池的*高溫度，控制多臺空調的啟停

　　削峰填谷：配合儲能設備、低充高放

需量控制：能量儲存、充放電功率跟蹤

備用電源

　　柔性擴容：短期用電功率大于變壓器容量時，儲能放電，滿足負載用能要求

5.4核心功能

　　1）多種協(xié)議

　　支持多種規(guī)約協(xié)議，包括：ModbusTCP/RTU、DL/T645-07/97、IEC60870-5-101/103/104、MQTT、CDT、第三方協(xié)議定制等。

　　2）多種通訊方式

　　支持多種通信方式：串口、網口、WIFI、4G。

　　3）通信管理

　　提供通信通道配置、通信參數(shù)設定、通信運行監(jiān)視和管理等。提供規(guī)約調試的工具，可監(jiān)視收發(fā)原碼、報文解析、通道狀態(tài)等。

　　4）智能策略

　　系統(tǒng)支持自定義控制策略，如削峰填谷、需量控制、動態(tài)擴容、后備電源、平抑波動、有序充電、逆功率保護等策略，保障用戶的經濟性與安全性。

　　5）全量監(jiān)控

　　覆蓋傳統(tǒng)EMS盲區(qū)，可接入多種協(xié)議和不同廠家設備實現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)制，實現(xiàn)環(huán)境、安防、消防、視頻監(jiān)控、電能質量、計量、繼電保護等多系統(tǒng)和設備的全量接入。

　　5.5系統(tǒng)功能

　　系統(tǒng)主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電樁及總體負荷情況，體現(xiàn)系統(tǒng)主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電樁信息、告警信息、收益、環(huán)境等。

儲能監(jiān)控

系統(tǒng)綜合數(shù)據：電參量數(shù)據、充放電量數(shù)據、節(jié)能減排數(shù)據；

　　運行模式：峰谷模式、計劃曲線、需量控制等；

　　統(tǒng)計電量、收益等數(shù)據；

　　儲能系統(tǒng)功率曲線、充放電量對比圖，實時掌握儲能系統(tǒng)的整體運行水平。

　　光伏監(jiān)控

光伏系統(tǒng)總出力情況

　　逆變器直流側、交流側運行狀態(tài)監(jiān)測及報警

　　逆變器及電站發(fā)電量統(tǒng)計及分析

　　并網柜電力監(jiān)測及發(fā)電量統(tǒng)計

　　電站發(fā)電量年有效利用小時數(shù)統(tǒng)計，識別低效發(fā)電電站；

　　發(fā)電收益統(tǒng)計(補貼收益、并網收益)

　　輻照度/風力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測

　　并網電能質量監(jiān)測及分析

　　光伏預測

　　以海量發(fā)電和環(huán)境數(shù)據為根源，以高精度數(shù)值氣象預報為基礎，采用多維度同構異質BP、LSTM神經網絡光功率預測方法。

　　時間分辨率：15min

　　超短期未來4h預測精度＞90%

　　短期未來72h預測精度＞80%

　　短期光伏功率預測

　　超短期光伏功率預測

　　數(shù)值天氣預報管理

　　誤差統(tǒng)計計算

　　實時數(shù)據管理

　　歷史數(shù)據管理

　　光伏功率預測數(shù)據人機界面

　　風電監(jiān)控

風力發(fā)電系統(tǒng)總出力情況

　　逆變器直流側、交流側運行狀態(tài)監(jiān)測及報警

　　逆變器及電站發(fā)電量統(tǒng)計及分析

　　并網柜電力監(jiān)測及發(fā)電量統(tǒng)計

　　電站發(fā)電量年有效利用小時數(shù)統(tǒng)計，識別低效發(fā)電電站；

　　發(fā)電收益統(tǒng)計(補貼收益、并網收益)

　　風力/風速/氣壓/環(huán)境溫濕度監(jiān)測

　　并網電能質量監(jiān)測及分析

　　充電樁系統(tǒng)

實時監(jiān)測充電系統(tǒng)的充電電壓、電流、功率及各充電樁運行狀態(tài)；

　　統(tǒng)計各充電樁充電量、電費等；

　　針對異常信息進行故障告警；

　　根據用電負荷柔性調節(jié)充電功率。

　　電能質量

　　對整個系統(tǒng)范圍內的電能質量和電能可靠性狀況進行持續(xù)性的監(jiān)測。如電壓諧波、電壓閃變、電壓不平衡等穩(wěn)態(tài)數(shù)據和電壓暫升/暫降、電壓中斷暫態(tài)數(shù)據進行監(jiān)測分析及錄波展示，并對電壓、電流瞬變進行監(jiān)測。

　　5.6設備選型

　　6結束語

　　本文針對園區(qū)光儲充微電網系統(tǒng)進行研究，分析了其必要性，研究了園區(qū)光儲充微電網系統(tǒng)架構，通信技術，提出了一種并離網模式及切換的方案，基于此方案提出了順序控制策略。*后分析園區(qū)光儲充微電網的經濟性，為將來園區(qū)光儲充微電網商業(yè)化發(fā)展提供技術基礎。

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