光儲充微電網(wǎng)系統(tǒng)在工業(yè)園區(qū)的應(yīng)用

胡冠楠 Acrelhgn

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：以滿足將來電網(wǎng)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(yīng)用的光儲充微電網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。首先論述園區(qū)光儲充微電網(wǎng)的必要性，然后搭建了園區(qū)光儲充微電網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)，以及各系統(tǒng)通信方式的說明。研究園區(qū)光儲充微電網(wǎng)的順序控制策略，包括并網(wǎng)模式和離網(wǎng)模式以及并離網(wǎng)切換技術(shù)。*后在園區(qū)光儲充微電網(wǎng)的經(jīng)濟性，從直接體現(xiàn)和間接體現(xiàn)進行建模分析和論述。

關(guān)鍵詞：園區(qū)光儲充微電網(wǎng)，順序控制、并離網(wǎng)切換、經(jīng)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(wǎng)技術(shù)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(wǎng)的技術(shù)復(fù)雜性和經(jīng)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(wǎng)存在著越來越嚴重的安全性和可靠性問題，目前微電網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用主要還是國家相關(guān)示范工程，技術(shù)商業(yè)應(yīng)用尚未清晰，行業(yè)還處于系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究階段。文獻[4]提出自適應(yīng)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(dǎo)致并離網(wǎng)誤切換事故發(fā)生。文獻[6]采用分層協(xié)調(diào)控制策略，各單元變流器可依次對模型電壓進行自動調(diào)節(jié)，但受到母線電壓波動影響。文獻[7]對農(nóng)村地區(qū)多能源互補發(fā)電微電網(wǎng)進行研究，分析了微電網(wǎng)孤島和并網(wǎng)兩種運行方式的調(diào)度策略，但并未考慮微電網(wǎng)的經(jīng)濟性運行。文獻[8]利用儲能削峰填谷，使光儲微電網(wǎng)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(wǎng)的必要性開始論述，搭建了園區(qū)光儲充微電網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)，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(wǎng)的順序控制策略，包括并網(wǎng)模式和離網(wǎng)模式以及并離網(wǎng)切換技術(shù)。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(wǎng)的經(jīng)濟性。

1園區(qū)光儲充微電網(wǎng)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(wǎng)的沖擊尤為突出[9]。利用光儲充微電網(wǎng)進行功率調(diào)整對區(qū)域性配電網(wǎng)顯得越來越重要，本文針對工業(yè)園區(qū)光儲充微電網(wǎng)進行分析，具體如下。

1）光伏電站角度。當(dāng)前很多公司建設(shè)光伏電站，卻并未考慮到光伏電站對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響，并且自給率很低。大規(guī)模應(yīng)用對電網(wǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大沖擊，使得國網(wǎng)公司對光伏并入電網(wǎng)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(chǎn)生用電高峰，對電網(wǎng)造成一定的波動，可通過增配儲能來進行有效地。

3）配電網(wǎng)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(shè)，充電樁對電網(wǎng)產(chǎn)生的負荷壓力，使得變壓器及配網(wǎng)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(wǎng)側(cè)需求功率大大減少，實現(xiàn)線路上的負荷平移，符合電網(wǎng)初期建設(shè)投入及穩(wěn)定性。而且對于計劃或非計劃（包括突發(fā)災(zāi)害）而導(dǎo)致的停電，儲能也可提供一定的后備保障，提高電網(wǎng)的健壯性。

4）經(jīng)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(shè)園區(qū)光儲微電網(wǎng)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(wǎng)，建設(shè)園區(qū)光儲微電網(wǎng)的經(jīng)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(shè)光伏、充電樁亦或儲能。但建設(shè)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(diào)。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(jīng)濟效益和社會效益。

2園區(qū)光儲充微電網(wǎng)系統(tǒng)

2.1園區(qū)光儲充微電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

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(shè)光儲充微電網(wǎng)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(luò)在一起，并于電網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)接入。微電網(wǎng)監(jiān)控裝置可對微電網(wǎng)進行實時的監(jiān)測與控制，主要包括監(jiān)測配電網(wǎng)功率和電能質(zhì)量，對光伏電站數(shù)據(jù)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(jīng)濟效益，對充電站的數(shù)據(jù)采集并進行功率分配。而云平臺管理則可通過微電網(wǎng)監(jiān)控裝置獲取的信息進行數(shù)據(jù)存儲、預(yù)測分析和優(yōu)化調(diào)度，并且可對微電網(wǎng)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(wǎng)接入示意圖如圖1所示。

圖1園區(qū)光儲充微電網(wǎng)接入示意圖

2.2通信方式

考慮建設(shè)成本及方便可靠性，云平臺管理系統(tǒng)和微電網(wǎng)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(wǎng)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(biāo)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(wǎng)通信或無線通信方式。

3園區(qū)光儲充微電網(wǎng)控制技術(shù)

本系統(tǒng)分為兩種模式：并網(wǎng)模式和離網(wǎng)模式。在并網(wǎng)模式下，云平臺通過獲取次日天氣數(shù)據(jù)和光伏功率歷史數(shù)據(jù)，預(yù)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(jù)，預(yù)測出次日充電站的功率曲線。根據(jù)預(yù)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(jīng)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(diào)度曲線給微電網(wǎng)監(jiān)控裝置，由微電網(wǎng)監(jiān)控裝置對各子系統(tǒng)實時控制。當(dāng)夏天光伏發(fā)電功率過大，微電網(wǎng)監(jiān)控裝置通過云平臺下發(fā)的調(diào)度指令對光伏電站進行限功率運行。而當(dāng)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(diào)節(jié)充電站的用電功率。這些方式都可用來平衡聯(lián)絡(luò)線功率。該光儲充微電網(wǎng)從而保證了電網(wǎng)電能質(zhì)量和穩(wěn)定性。

當(dāng)電網(wǎng)由于自然災(zāi)害或者發(fā)電側(cè)不能滿足用電側(cè)時，只好切斷園區(qū)負荷用電，這時此園區(qū)光儲充微電網(wǎng)進行離網(wǎng)模式下運行，為園區(qū)正常供電。

存在并網(wǎng)模式和離網(wǎng)模式便會涉及到并離網(wǎng)模式的切換，本系統(tǒng)采用順序控制。當(dāng)電網(wǎng)失電或孤島保護，本系統(tǒng)便從并網(wǎng)模式切換到離網(wǎng)模式，主要包括并網(wǎng)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(wǎng)點開關(guān)分閘，*后運行儲能電站、充電站和光伏電站。通過調(diào)節(jié)充電站、儲能電站和光伏電站功率進行平衡聯(lián)絡(luò)線功率。

當(dāng)電網(wǎng)來電后，系統(tǒng)會由離網(wǎng)模式自動切換到并網(wǎng)模式，主要包括離網(wǎng)停機、并網(wǎng)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(wǎng)點合閘，*后運行充電站、光伏電站和儲能電站。通過微電網(wǎng)監(jiān)控裝置獲取云平臺調(diào)度指令，對充電站、光伏電站和儲能電站進行功率調(diào)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(wǎng)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(luò)，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(wǎng)光儲充微電網(wǎng)經(jīng)濟性分析

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

圖2并網(wǎng)模式切換到離網(wǎng)模式流程框圖

圖3離網(wǎng)模式切換到并網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)1kW·h電帶來的收益如EPVN公式（1）所示（由于光伏系統(tǒng)建設(shè)成本都是必要的，在此公式不考慮初期投資建設(shè)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)的電價。

儲能電站主要通過峰谷差價實現(xiàn)經(jīng)濟化收益，其中儲能在此微電網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)中儲能電站主要間接經(jīng)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(wǎng)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(wǎng)，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(jīng)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(biāo)而增加用電需量成本。在此園區(qū)光儲充微電網(wǎng)中充電站主要間接經(jīng)濟體現(xiàn)在于可通過動態(tài)調(diào)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(jīng)濟運行。在配電網(wǎng)層面，可有效降低配電網(wǎng)饋線建設(shè)和升級改造成本，通過云平臺智能管理調(diào)度也可實現(xiàn)變壓器和饋線的零升級，并且有效降低網(wǎng)損。

5安科瑞微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)

Acrel-2000MG微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)能夠?qū)ξ㈦娋W(wǎng)的源、網(wǎng)、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(wǎng)運行監(jiān)視化、安全分析智能化、調(diào)整控制前瞻化、全景分析動態(tài)化的需求，完成不同目標(biāo)下光儲充資源之間的靈活互動與經(jīng)濟優(yōu)化運行，實現(xiàn)能源效益、經(jīng)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(yù)測；

協(xié)調(diào)控制；

經(jīng)濟調(diào)度；

需求響應(yīng)。

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(jīng)濟性；

降低充電設(shè)備對局部電網(wǎng)的沖擊；

降低站內(nèi)配電變壓器容量；

實現(xiàn)源荷*高匹配。

5.3相關(guān)控制策略

1. 削峰填谷：配合儲能設(shè)備、低充高放

2. 需量控制：能量儲存、充放電功率跟蹤

1. 備用電源

1. 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(wǎng)口、WIFI、4G。

3）通信管理

提供通信通道配置、通信參數(shù)設(shè)定、通信運行監(jiān)視和管理等。提供規(guī)約調(diào)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(jīng)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(shè)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(zhì)量、計量、繼電保護等多系統(tǒng)和設(shè)備的全量接入。

5.5系統(tǒng)功能

系統(tǒng)主界面，包含微電網(wǎng)光伏、風(fēng)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(fēng)電信息、儲能信息、充電樁信息、告警信息、收益、環(huán)境等。

1. 儲能監(jiān)控

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

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(jù)；

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。

1. 光伏監(jiān)控

光伏系統(tǒng)總出力情況

逆變器直流側(cè)、交流側(cè)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(wǎng)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(wǎng)收益)

輻照度/風(fēng)力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測

并網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測及分析

1. 光伏預(yù)測

以海量發(fā)電和環(huán)境數(shù)據(jù)為根源，以高精度數(shù)值氣象預(yù)報為基礎(chǔ)，采用多維度同構(gòu)異質(zhì)BP、LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)光功率預(yù)測方法。

時間分辨率：15min

超短期未來4h預(yù)測精度＞90%

短期未來72h預(yù)測精度＞80%

短期光伏功率預(yù)測

超短期光伏功率預(yù)測

數(shù)值天氣預(yù)報管理

誤差統(tǒng)計計算

實時數(shù)據(jù)管理

歷史數(shù)據(jù)管理

光伏功率預(yù)測數(shù)據(jù)人機界面

1. 風(fēng)電監(jiān)控

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)總出力情況

逆變器直流側(cè)、交流側(cè)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(wǎng)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(wǎng)收益)

風(fēng)力/風(fēng)速/氣壓/環(huán)境溫濕度監(jiān)測

并網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測及分析

1. 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(jù)用電負荷柔性調(diào)節(jié)充電功率。

1. 電能質(zhì)量

對整個系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)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(jù)和電壓暫升/暫降、電壓中斷暫態(tài)數(shù)據(jù)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(shè)備選型

6結(jié)束語

本文針對園區(qū)光儲充微電網(wǎng)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(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，通信技術(shù)，提出了一種并離網(wǎng)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(wǎng)的經(jīng)濟性，為將來園區(qū)光儲充微電網(wǎng)商業(yè)化發(fā)展提供技術(shù)基礎(chǔ)。

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