淺談分布式光儲能量管理系統(tǒng)及其控制策略

曹華偉，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司

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0.引言

分布式光儲電站目前已成為工業(yè)園區(qū)、智能樓宇場景下的重要組成部分。光伏和風電的間歇性和波動性制約著新能源的大規(guī)模應(yīng)用，而儲能系統(tǒng)具有調(diào)峰、調(diào)頻、平滑輸出的功能，光儲結(jié)合使分布式電站裝機量逐年增加。

分布式光儲電站的能量管理系統(tǒng)（EMS）是其電站運行*備的核心系統(tǒng)，EMS是基于SCADA系統(tǒng)的數(shù)字化信息，實現(xiàn)自動發(fā)電控制、網(wǎng)絡(luò)分析等功能，促進了光儲電站數(shù)字化、自動化。

本文EMS指對區(qū)域內(nèi)電源、配電、負荷的綜合管理與調(diào)度，實現(xiàn)內(nèi)部優(yōu)化運行、對外部電力系統(tǒng)友好接入并提供支持服務(wù)。EMS可向上接入更大規(guī)模、更*層級的EMS，也可向下調(diào)度多個發(fā)電設(shè)備控制器及負荷管理器。

大部分現(xiàn)存研究只對EMS進行了簡單功能介紹。林青瑜提出的光儲一體化電站關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計，對能量管理系統(tǒng)及策略進行了簡單說明。*建東提出的面向智能臺區(qū)的風光儲充能量管理策略，但沒有對管理系統(tǒng)功能進行詳細介紹。李軍微等提出的10kW／20kW·h鋰電池能量管理系統(tǒng)的設(shè)計，將BMS融入到EMS軟件中，模塊劃分不太合理。

本文進一步闡述分布式光儲能量管理系統(tǒng)的定義、組成、各部件的功能、EMS作用邊界及在光儲電站中的位置，*后分析分布式能量管理策略。

1.分布式光儲電站

1.1光儲電站通信系統(tǒng)

光儲電站通信系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

光儲電站包括光伏組件、光伏逆變器、電池及BMS、儲能PCS、SCADA、EMS等。光儲系統(tǒng)的實時控制設(shè)備分為兩層，底層是本地控制器，主要完成電池儲能系統(tǒng)（BESS）內(nèi)部儲能變流器、能量存儲單元等底層部件的協(xié)同與控制；頂層為EMS，獨立于BESS之外依據(jù)儲能場景的經(jīng)濟模型、歷史及預(yù)測數(shù)據(jù)、電力電價政策等外部信息，對BESS的運行模式、功率-時間曲線進行優(yōu)化調(diào)度。

1.2光儲電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光儲電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

U1、U2為光儲系統(tǒng)兩個連接點電壓。其中（PS、QS）向電網(wǎng)送入功率，負載（PL、QL）從電網(wǎng)吸收功率，儲能系統(tǒng)（PB、QB）既可以向電風輸送功率，也可以從電網(wǎng)吸收功率。PCC連接點U2的表達式：

U2=?U1

[R(?PS+PL±PB)+

]（1）

光伏輸出功率發(fā)生波動或負載切入切出時都會影響系統(tǒng)PCC點母線電壓的穩(wěn)定，當其波動范圍超過±10%，就會損壞負載。此時本地控制器或EMS控制器對儲能系統(tǒng)進行PQ控制，來維持微網(wǎng)注入有功功率的恒定，從而維持U2的恒定。當儲能系統(tǒng)超出其調(diào)節(jié)范圍，可再生電源造成PCC點電壓波動大于±10%，或配電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，斷開并網(wǎng)開關(guān)，微網(wǎng)運行于離網(wǎng)模式。此時系統(tǒng)中至少有一個儲能系統(tǒng)采取U/f控制，為系統(tǒng)提供頻率和電壓支撐。孤島模式下，當光伏出力大于負載時，光伏給儲能系統(tǒng)充電；當光伏出力小于負載時，光伏和儲能聯(lián)合為負載供電。

2.能量管理系統(tǒng)設(shè)計

2.1總體架構(gòu)

EMS的總體架構(gòu)由兩大部分組成，分別是支撐平臺與應(yīng)用軟件，如圖3所示。

圖1光儲電站通信系統(tǒng)

圖2光儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2支撐平臺

支撐平臺是EMS的載體與軟件功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)，主要包括量測終端、傳輸信道、控制器、數(shù)據(jù)庫等。

2.3量測組件

量測組件實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集。現(xiàn)場電能表、攝像頭、測量設(shè)備等產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)通過本地控制器或轉(zhuǎn)為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)向上傳輸，為EMS決策提供數(shù)據(jù)支撐。該過程包括信息量測、數(shù)據(jù)處理/轉(zhuǎn)換、指令發(fā)送等。

2.4傳輸信道

EMS控制系統(tǒng)通過RS485通訊，接入不同類型的設(shè)備，如光伏逆變器、匯流箱、電表、環(huán)境監(jiān)測儀等。不同類型的設(shè)備接入本地控制器不同端口。

對于有遠程監(jiān)控的分布式場景，通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)接入監(jiān)控云平臺。

2.5控制器

EMS控制器采用Cotex-A8核心板，運行Linux系統(tǒng)，通信接口豐富，內(nèi)置多種能量管理功能模塊，可應(yīng)用于不同場景。硬件框圖如圖4所示。

EMS控制器可接入設(shè)備包括本地控制器、光伏逆變器、儲能/風電變流器、電表等。ETH2可通過交換機、路由器等設(shè)備連接至后臺主站；ETH1用于下層設(shè)備；干接點輸入接口，內(nèi)部電壓DC24V，漏電保護信號、電網(wǎng)逆流反饋信號、并網(wǎng)斷路器反饋信號的輸入；DO采用繼電器輸出接口；模擬量輸入精度4mA~20mA/0V~10V1%。

2.6數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫將物理模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學模型，為EMS各功能的實現(xiàn)提供所需數(shù)據(jù)源。包括實時數(shù)據(jù)庫、預(yù)測與計劃數(shù)據(jù)庫、基本數(shù)據(jù)庫、臨時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫等。

3.應(yīng)用軟件

EMS主要的三大功能：數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控、能量管理和網(wǎng)絡(luò)分析。EMS*應(yīng)用由算法服務(wù)器和實時控制器兩組硬件平臺聯(lián)合實現(xiàn)。EMS算法服務(wù)器主要完成能量管理軟件研究模式算法及網(wǎng)絡(luò)分析軟件算法的運行；實時控制器主要完成能量管理軟件實時模式算法運行，綜合實時系統(tǒng)狀態(tài)及安全約束條件，產(chǎn)生*終的光儲控制指令。

3.1數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控

SCADA是EMS的基本功能。SCADA具有光儲電站數(shù)據(jù)采集功能，EMS通過它向電力系統(tǒng)發(fā)送控制指令，網(wǎng)絡(luò)分析軟件向它返回量測質(zhì)量信息。能量管理軟件利用所采集信息，包括來自SCADA的系統(tǒng)功率、頻率以及網(wǎng)損修正系統(tǒng)和安全限制值，形成發(fā)電計劃與預(yù)測結(jié)果，進行調(diào)度決策，提*系統(tǒng)運行質(zhì)量和改善運行經(jīng)濟性。網(wǎng)絡(luò)分析軟件利用電力系統(tǒng)的*面信息，包括實測量與開關(guān)狀態(tài)以及來自能量管理軟件的預(yù)測結(jié)果與發(fā)電計劃，進行量測質(zhì)量信息分析。

集中顯示系統(tǒng)的重要的運行參數(shù)和運行狀態(tài)，分組顯示不同設(shè)備的信息?；诘乩韴D的總體信息監(jiān)視，提供電站監(jiān)視分析功能。

系統(tǒng)監(jiān)控功能，包括多臺PCS的遙測、遙控、遙調(diào)；多臺分布式發(fā)電設(shè)備的遙測、遙控、遙調(diào)；環(huán)境監(jiān)測儀設(shè)備信息讀?。浑姳碓O(shè)備的信息讀?。煌獠吭O(shè)備控制、干接點預(yù)留等；本地數(shù)據(jù)顯示、控制；電池信息顯示；遠程監(jiān)控；實時監(jiān)測電網(wǎng)數(shù)據(jù)。

光伏信息監(jiān)視：逆變器采集的數(shù)據(jù)包括遙測量和遙信量，其中，遙測量采集：額定輸出功率、日發(fā)電量、總發(fā)電量、交流三相電壓電流、電網(wǎng)頻率、逆變器效率等值；遙信量采集：逆變器相關(guān)狀態(tài)量、相關(guān)故障代碼等。

BMS信息監(jiān)視：包括電池數(shù)目/標稱容量、總電壓、電流、單體***低電壓、SOC、SOH、電池溫度、每組電池電壓平均值、電壓/電流/溫度報警信息、工作狀態(tài)。

PCS信息監(jiān)視：包括充放電信息、溫度、頻率、交流/直流斷路器狀態(tài)、工作狀態(tài)、直流電壓/電流/功率、逆變?nèi)嘟涣麟妷?電流/功率、直流報警故障信息。

SCADA還監(jiān)控變壓器溫控、環(huán)境檢測儀、UPS、電表、溫濕度等信息。

3.2能量管理

以SCADA為數(shù)據(jù)來源的能量管理功能集中了EMS的主要核心算法，是更*層的應(yīng)用功能。

能量管理功能包括微電網(wǎng)電壓與頻率調(diào)節(jié)，功率因數(shù)調(diào)節(jié)；電網(wǎng)調(diào)度；儲能調(diào)節(jié)；負荷控制；預(yù)留負荷預(yù)測接口和資源。具有分時段模式設(shè)備功能；裝置具備對時功能，采用光或電B碼對時，誤差不大于1ms；裝置具備人機交互功以能，可就地查看運行報告、故障報告等；系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化功能，包括安全監(jiān)控、調(diào)度管理與計劃等；分時電價功能；數(shù)據(jù)實

時監(jiān)控；自動運行控制；電池組均衡管理；電力數(shù)據(jù)、缺陷統(tǒng)計報表。

EMS控制器用于儲能系統(tǒng)不同場合的實時控制策略，可接入云端對分散布局的儲能系統(tǒng)遠程集中運維。簡單功能的管理系統(tǒng)可通過EMS的Web頁面實現(xiàn)監(jiān)控，為客戶提供低成本解決方案。

能量管理模塊具有參數(shù)設(shè)備功能，參數(shù)信息如表1所示。

表1參數(shù)設(shè)置

3.3網(wǎng)絡(luò)分析

網(wǎng)絡(luò)分析功能具有故障模型、*優(yōu)調(diào)度模型，具有系統(tǒng)的潮流分析、安全約束、短路計算等模塊，由EMS算法服務(wù)器實現(xiàn)。

4.本地控制器

本地控制器是發(fā)電設(shè)備必不可少的控制設(shè)備，是EMS工作的必要設(shè)備，有些情況下可擴展為EMS的硬件支撐設(shè)備。

4.1軟件架構(gòu)

本地控制器軟件分括驅(qū)動層、服務(wù)層、應(yīng)用層，如圖5所示。

驅(qū)動層統(tǒng)一了設(shè)備數(shù)據(jù)的存儲、讀取規(guī)范、封裝IO、串口及網(wǎng)絡(luò)調(diào)用等接口，封裝了常用函數(shù)。

服務(wù)層主要包括線程管理、基礎(chǔ)通信、采集、參數(shù)配置、日志、WebServer等模塊，實現(xiàn)控制器管理，負責相關(guān)數(shù)據(jù)采集和計算，并控制相關(guān)設(shè)備。

應(yīng)用層主要實現(xiàn)具體應(yīng)用需求，包含自檢啟停、模式切換、控制聯(lián)動、故障告警、協(xié)同保護和用戶管理等。

4.2功能設(shè)計

監(jiān)控信息包括概要信息、儲能變流器等設(shè)備信息、BSC信息、測控信息、ATS信息、詳細信息、運行參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)、通訊參數(shù)、子設(shè)備參數(shù)、保護參數(shù)、運行事件記錄、故障告警記錄、版本信息、固件升級、備份&恢復(fù)、Modbus點表、CAN點表。

本地控制器能通過CAN、RS485或工業(yè)以太網(wǎng)采集BMS狀態(tài)信息。BMS系統(tǒng)信息包括模擬量、狀態(tài)量、統(tǒng)計量。電池管理通信采取身份認證、訪問控制、加密或完整性保護等防護措施中至少一種，訪問控制采取IP訪問控制或時間訪問控制等措施中至少一種。電池管理通信加密滿足國標，密鑰加密存儲，支持更新。

本地控制器需要對儲能變流器的數(shù)據(jù)進行采集，具體采集包括模擬量、狀態(tài)量，通過CAN、RS485或工業(yè)以太網(wǎng)進行采集和控制。

采信信息包括啟動停止狀態(tài)、有功功率輸出設(shè)定、儲能電池串組退出、充放電電壓上下限、充放電電流上下限及充電**SOC等的設(shè)定。

采集儲能消防系統(tǒng)的故障信息，通過CAN、RS485或工業(yè)以太網(wǎng)通信，通過Modbus協(xié)議上傳詳細工作狀態(tài)、遠程聯(lián)動等實時通信，支持設(shè)置消防系統(tǒng)的工作狀態(tài)如報警動作值、動作溫度等，支持數(shù)字量輸出接口與消防系統(tǒng)聯(lián)動控制。

5.EMS與其它系統(tǒng)關(guān)系

5.1EMS與本地控制器

本地控制器主要功能：1.實現(xiàn)BESS內(nèi)部環(huán)境、底層設(shè)備的信息采集及記錄；2.向SCADA系統(tǒng)、EMS控制系統(tǒng)上傳BESS內(nèi)部數(shù)據(jù)、接受調(diào)度指令；3.依據(jù)系統(tǒng)實時狀態(tài)和外部指令，統(tǒng)一協(xié)調(diào)BESS內(nèi)部設(shè)備工作達到控制目標；4.采取自主措施實現(xiàn)緊急狀態(tài)下的故障保護、故障記錄及診斷等功能。

本地控制器也隨應(yīng)用需求而變化。有的BESS中內(nèi)部包含若干獨立的PCS+電池單元，本地控制器根據(jù)SOC參數(shù)協(xié)調(diào)PCS功率分配，以實現(xiàn)長期運行。本地控制器的應(yīng)用層隨具體系統(tǒng)配置與應(yīng)用功能靈活設(shè)計，在小型化儲能應(yīng)用中，可以擴大本地控制器范圍，將部分EMS的功能融入其中，如分時電價、削峰填谷等，通過距離功能模塊滿足不同客戶不同場景的應(yīng)用要求。

5.2EMS與SCADA系統(tǒng)

SCADA系統(tǒng)將電力系統(tǒng)設(shè)備相關(guān)信息和數(shù)控實時采集、集中顯示，使得調(diào)度運維人員能夠及時掌握系統(tǒng)運行狀況，并對運行過程發(fā)出人工干預(yù)指令、修改運行參數(shù)。

而EMS是基于SCADA系統(tǒng)所提供的數(shù)字化信息，進一步實現(xiàn)自動發(fā)電控制、網(wǎng)絡(luò)分析功能，提*電力系統(tǒng)數(shù)字化、自動化水平，為調(diào)度人員提供基于大數(shù)據(jù)、*算法的輔助決策工具，增強對電力系統(tǒng)的分析判斷。

5.3EMS與BMS

PCS與BMS等設(shè)備具有多個接口，可直接與EMS或SCADA通訊。在要求PCS的EMS調(diào)度響應(yīng)能力更快時，由EMS直接調(diào)度。BMS電池數(shù)據(jù)體量較大時直接上傳到SCADA。

6.控制策略

控制策略依據(jù)能量系統(tǒng)的復(fù)雜性和客戶需求的經(jīng)濟性而不同。EMS管理對象或管理范圍，廣義上包括BESS、新能源發(fā)電單元、常規(guī)發(fā)電機組、輸配電設(shè)備及用電負荷在內(nèi)的所有與能量產(chǎn)生、傳輸?shù)认嚓P(guān)設(shè)備或相對獨立區(qū)域。

6.1離并網(wǎng)模式

EMS基于電池特性和耐久性模型，結(jié)合用戶用電行為，通過多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法自動優(yōu)化系統(tǒng)運行策略，滿足用戶需求前提下，使系統(tǒng)盡可能運行在**效率點和*佳環(huán)境溫度，提升系統(tǒng)效率，延長電池壽命。

穩(wěn)態(tài)情況下，光儲電站并網(wǎng)運行，儲能系統(tǒng)配合光伏電源工作，參與新能源消納，為負載提供*質(zhì)量電能。當檢測到配電網(wǎng)或PCC點的頻率和電壓越限時，斷開并網(wǎng)，控制模式切為孤島運行模式。離網(wǎng)系統(tǒng)中，儲能系統(tǒng)用來組網(wǎng)，為負載提供穩(wěn)定電壓，保證正常運行。

6.2控制策略

6.2.1恒功率充放電

EMS控制器按計劃表設(shè)定功率對儲能變流器下發(fā)指令，儲能變流器采用恒定功率對電池進行充電或放電。

6.2.2削峰填谷

根據(jù)用戶用電規(guī)律，設(shè)置峰谷值，降低負荷*峰，填補負荷低谷，使發(fā)電、用電趨于平衡。該模式下，光伏系統(tǒng)*大化出力，若觸發(fā)防逆流功能，則限制光伏出力。當電網(wǎng)功率大于峰值時，儲能系統(tǒng)放電，小于谷值時，儲能系統(tǒng)充電。

6.2.3自發(fā)自用

自發(fā)自用模式即PCC功率控制模式，用戶設(shè)置PCC點功率，系統(tǒng)控制其穩(wěn)定在設(shè)置值。當光伏系統(tǒng)輸出功率大于負載功率，儲能系統(tǒng)充電；輸出小于負載時，儲能系統(tǒng)放電。

6.2.4需量控制

光伏系統(tǒng)*大化出力時，若負荷仍超過設(shè)置的需求量功率，則EMS控制器控制儲能系統(tǒng)出力，平抑超出功率。系統(tǒng)響應(yīng)需求側(cè)指令控制儲能系統(tǒng)充放電，并獲取經(jīng)濟補貼。

6.2.5防逆流控制

EMS控制光伏發(fā)電優(yōu)先供給負載，多余電能充入儲能，當儲能系統(tǒng)和負荷不能消納時，限制光伏發(fā)電，避免光伏發(fā)電饋入電網(wǎng)。

6.2.6一次調(diào)頻、動態(tài)調(diào)壓

接收調(diào)度和電化學儲能電站監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)控指令，控制多臺儲能變流器，實現(xiàn)一次調(diào)頻、動態(tài)調(diào)壓等。

7.安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統(tǒng)概述

7.1概述

安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統(tǒng)，專門針對工商業(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(jiān)控與管理功能,涵蓋了儲能系統(tǒng)設(shè)備(PCS、BMS、電表、消防、空調(diào)等)的詳細信息,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報警管理、統(tǒng)計報表等功能。在*應(yīng)用上支持能量調(diào)度,具備計劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。

7.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Acrel-2000ES，可通過直采或者通過通訊管理或串口服務(wù)器將儲能柜或者儲能集裝箱內(nèi)部的設(shè)備接入系統(tǒng)。

7.3接入設(shè)備

Acrel-2000ES，具備多種接口，多種協(xié)議對接的能力，支持多種設(shè)備接入。

安科瑞配套產(chǎn)品

結(jié)語

分布式光儲電站離用戶較近，可以有效減輕電網(wǎng)負擔，減少遠距離電能傳輸損耗，促進節(jié)能減排，EMS系統(tǒng)應(yīng)用廣泛。本文對EMS的總體結(jié)構(gòu)、支撐平臺設(shè)計、應(yīng)用軟件進行介紹與設(shè)計，闡述了其與其它系統(tǒng)的關(guān)系。各系統(tǒng)配合實現(xiàn)分布式光儲系統(tǒng)能量管理，使光伏電站穩(wěn)定運行。EMS支持光儲電站恒功率充放電、削峰填谷、自發(fā)自用、需量控制、防逆流控制、一次調(diào)頻、動態(tài)調(diào)壓等。EMS的體系架構(gòu)正在由封閉式、集中式向開放式、分布式體系架構(gòu)發(fā)展，隨著光儲業(yè)務(wù)的大規(guī)模應(yīng)用實踐，可移植、可伸縮、模塊化、規(guī)范化和標準化逐漸成為EMS的主要發(fā)展方向。

審核編輯 黃宇