安科瑞 劉秋霞
摘要：本文在對光儲充系統(tǒng)相關研究的基礎上，設計了一種園區(qū)光儲充能量管理系統(tǒng)（EMS）。介紹了EMS的系統(tǒng)架構及設備管理、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)展示、能源分析等功能設計，根據(jù)光伏發(fā)電量和用電負荷，結合峰谷用電時段分布，制定了能量管理策略，實現(xiàn)了經(jīng)濟利益*大化。
關鍵詞：光儲充系統(tǒng)；儲能；能量管理
0.引言
隨著我國“碳達峰"“碳中和"計劃的提出，我國能源結構將持續(xù)調整，風力發(fā)電、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電將會迎來跨越式發(fā)展。由于新能源發(fā)電具有很強的波動性和隨機性，大規(guī)模接入電網(wǎng)會對電網(wǎng)造成巨大的沖擊。運用儲能技術可以有效平抑新能源發(fā)電的波動性和隨機性，從而在提升新能源接入電網(wǎng)比例的同時保持電網(wǎng)穩(wěn)定。同時，在*家對新能源汽車產業(yè)發(fā)展大力支持和動力電池技術日漸成熟的背景下，新能源汽車市場發(fā)展迅速，產銷量快速提升。特別是在新增乘用汽車市場，消費者購買新能源汽車的比例不斷提升。因此，隨著新能源汽車社會保有量不斷提升，充電樁的需求量隨之持續(xù)上漲，成為未來重要的用電負荷。將分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)及充電樁相結合可以組成光儲充系統(tǒng)。通過能量管理系統(tǒng)（EMS）控制光儲充系統(tǒng)內相關設備間的配合，可以提升系統(tǒng)整體的安全性、可靠性。同時根據(jù)電價信息、功率限制政策、應急供電需求等制定合適的運行調度策略，可以有效增加系統(tǒng)的經(jīng)濟收益?；谏鲜瞿康?，本文設計了一種園區(qū)光儲充能量管理系統(tǒng)，其主要功能為實時運行狀態(tài)監(jiān)控、運行數(shù)據(jù)的采集、展示、儲存與分析，在確保系統(tǒng)安全運行的同時提升系統(tǒng)的運行經(jīng)濟性。
1.光伏儲能系統(tǒng)的基礎
光伏發(fā)電技術是一種將太陽輻射能轉化為電能的過程。它基于光伏效應，這是一種物理現(xiàn)象，根據(jù)這一現(xiàn)象，某些材料在受到光照射時會產生電流。光伏電池通常由半導體材料制成，比較常見的是硅。當光子（太陽光）碰撞到光伏電池的半導體表面時，它們激發(fā)了電子，使其從材料中釋放出來，從而形成電流。這產生的直流電流可以被用來為電網(wǎng)供電或儲存在電池中以備將來使用，以便在晚上或云天等不可控的時段供電。
儲能技術是光伏儲能系統(tǒng)的關鍵組成部分，它允許將通過光伏發(fā)電產生的電能儲存在電池或其他儲能設備中，常見的儲能技術包括：
鋰離子電池：這是目前*常用的儲能技術之一，用于存儲電能，供應家庭、工業(yè)和商業(yè)用途。
鉛酸電池：被廣泛應用于低成本和短期應用中。
電容器：具有高速充放電能力，通常用于瞬態(tài)儲能需求。
氫能源儲能：通過將電能用于制氫，將氫儲存在燃料電池中，以供電時重新產生電能。
熱能儲能：利用熱能儲存原理，例如蓄熱式太陽能電站。
2.光伏儲能系統(tǒng)的工作原理
光伏發(fā)電：光伏電池在陽光照射下產生直流電。這一過程是系統(tǒng)的電力輸入。
電能轉換：直流電經(jīng)過逆變器轉換為交流電，以便在電網(wǎng)中使用或供給交流設備。
電能儲存：剩余的電能可以儲存在電池或其他儲能設備中，以備將來使用。這是系統(tǒng)的能量存儲部分。
能量管理：系統(tǒng)的能量管理控制器監(jiān)控能源需求、電池狀態(tài)和其他參數(shù)，并根據(jù)需要分配電能。它確保在不可預測的太陽能供應條件下，系統(tǒng)能夠提供連續(xù)可靠的電力供應。
電網(wǎng)互連：如果系統(tǒng)與電網(wǎng)互連，多余的電能可以賣給電網(wǎng)，從而實現(xiàn)雙向電流。這有助于提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可持續(xù)性。
3.光儲充能量管理系統(tǒng)（EMS）結構
光儲充系統(tǒng)分為三個部分：光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)和充電樁系統(tǒng)。三個系統(tǒng)通過AC400V母線49耦合，通過以太網(wǎng)與EMS進行通訊，由EMS協(xié)調控制各系統(tǒng)的運行策略。EMS可以通過網(wǎng)絡將監(jiān)控數(shù)據(jù)傳送給遠方監(jiān)控系統(tǒng)和監(jiān)視大屏顯示系統(tǒng)。光儲充系統(tǒng)的系統(tǒng)架構如下圖所示。
圖1光儲充系統(tǒng)的系統(tǒng)架構
EMS是光儲充系統(tǒng)的核心組成部分，負責整個系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)網(wǎng)絡監(jiān)控、能量管理調度和運行數(shù)據(jù)分析。為保證光儲充系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，EMS采用兩級分級控制體分為本地EMS和集控EMS，其結構圖如下圖所示。
圖2能量管理系統(tǒng)（EMS）結構圖
本地EMS可實現(xiàn)對儲能變流器（PCS）、電池管理系統(tǒng)（BMS）、光伏逆變器、充電樁和電網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)峰谷電價、限電政策、應急需求等不同的使用場景，制定和運行不同的能量管理策略。本地EMS通過向PCS發(fā)送有功、無功等控制指令控制PCS執(zhí)行相應的動作，同時可以將監(jiān)測的光儲充系統(tǒng)實時運行狀態(tài)、系統(tǒng)內各種設備狀態(tài)等信息上傳至集控EMS。
集控EMS由EMS工作站和EMS服務器構成。EMS工作站的主要功能是實時監(jiān)控光儲充系統(tǒng)的運行狀態(tài)，同時負責制定光儲充系統(tǒng)的運行模式；而EMS服務器的主要功能是儲存光儲充系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，可以提供歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析等服務，是后期根據(jù)大數(shù)據(jù)分析制定運行策略的前提保障。
4.Acrel-2000ES儲能柜能量管理系統(tǒng)
4.1系統(tǒng)概述
安科瑞儲能能量管理系統(tǒng)Acrel-2000ES，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)設備(PCS、BMS、電表、消防、空調等)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*級應用上支持能量調度,具備計劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。
4.2系統(tǒng)結構
Acrel-2000ES，可通過直采或者通過通訊管理或串口服務器將儲能柜或者儲能集裝箱內部的設備接入系統(tǒng)。系統(tǒng)結構如下：
4.3系統(tǒng)功能
4.3.1實時監(jiān)測
系統(tǒng)人機界面友好，能夠顯示儲能柜的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測PCS、BMS以及環(huán)境參數(shù)信息，如電參量、溫度、濕度等。實時顯示有關故障、告警、收益等信息。
4.3.2設備監(jiān)控
系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測PCS、BMS、電表、空調、消防、除濕機等設備的運行狀態(tài)及運行模式。
PCS監(jiān)控：滿足儲能變流器的參數(shù)與限值設置；運行模式設置；實現(xiàn)儲能變流器交直流側電壓、電流、功率及充放電量參數(shù)的采集與展示；實現(xiàn)PCS通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開關狀態(tài)、異常告警等狀態(tài)監(jiān)測。
BMS監(jiān)控：滿足電池管理系統(tǒng)的參數(shù)與限值設置；實現(xiàn)儲能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監(jiān)測；實現(xiàn)電池充放電狀態(tài)、電壓、電流及溫度異常狀態(tài)的告警。
空調監(jiān)控：滿足環(huán)境溫度的監(jiān)測，可根據(jù)設置的閾值進行空調溫度的聯(lián)動調節(jié)，并實時監(jiān)測空調的運行狀態(tài)及溫濕度數(shù)據(jù)，以曲線形式進行展示。
UPS監(jiān)控：滿足UPS的運行狀態(tài)及相關電參量監(jiān)測。
4.3.3曲線報表
系統(tǒng)能夠對PCS充放電功率曲線、SOC變換曲線、及電壓、電流、溫度等歷史曲線的查詢與展示。
4.3.4策略配置
滿足儲能系統(tǒng)設備參數(shù)的配置、電價參數(shù)與時段的設置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制等。
4.3.5實時報警
儲能能量管理系統(tǒng)具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠對儲能充放電越限、溫度越限、設備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。
4.3.6事件查詢統(tǒng)計
儲能能量管理系統(tǒng)能夠對遙信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。
4.3.7遙控操作
可以通過每個設備下面的紅色按鈕對PCS、風機、除濕機、空調控制器、照明等設備進行相應的控制，但是當設備未通信上時，控制按鈕會顯示無效狀態(tài)。
4.3.8用戶權限管理
儲能能量管理系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作（如遙控的操作，數(shù)據(jù)庫修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。
5.相關平臺部署硬件選型清單
設備 | 型號 | 圖片 | 說明 |
儲能能量管理系統(tǒng) | Acrel-2000ES |
| 實現(xiàn)儲能設備的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，統(tǒng)計分析、異常告警、優(yōu)化控制、數(shù)據(jù)轉發(fā)等； 策略控制:計劃曲線、需量控制、削峰填谷、備用電源等。 |
觸摸屏電腦 | PPX-133L |
| 1)承接系統(tǒng)軟件 2)可視化展示:顯示系統(tǒng)運行信息 |
交流計量表計 | DTSD1352 |
| 集成電力參量及電能計量及考核管理，提供各類電能數(shù)據(jù)統(tǒng)計。具有諧波與總諧波含量檢測，帶有開關量輸入和開關量輸出可實現(xiàn)“遙信"和“遙控"功能，并具備報警輸出。帶有RS485 通信接口，可選用MODBUS-RTU或 DL/T645協(xié)議。 |
直流計量表計 | DJSF1352 |
| 表可測量直流系統(tǒng)中的電壓、電流、功率以及正反向電能等;具有紅外通訊接口和RS-485通訊接口，同時支持Modbus-RTU協(xié)議和DLT645協(xié)議;可帶繼電器報警輸出和開關量輸入功能。 |
溫度在線監(jiān)測裝置 | ARTM-8 |
| 適用于多路溫度的測量和控制，支持測量8通道溫度;每一通道溫度測量對應2段報警，繼電器輸出可以任意設置報警方向及報警值。 |
通訊管理機 | ANet-2E8S1 |
| 能夠根據(jù)不同的采集規(guī)約進行水表、氣表、電表、微機保護等設備終端的數(shù)據(jù)采集匯總；提供規(guī)約轉換、透明轉發(fā)、數(shù)據(jù)加密壓縮、數(shù)據(jù)轉換、邊緣計算等多項功能；實時多任務并行處理數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)轉發(fā)，可多鏈路上送平臺據(jù)。 |
串口服務器 | Aport |
| 功能:轉換“輔助系統(tǒng)"的狀態(tài)數(shù)據(jù)，反饋到能量管理系統(tǒng)中。1)空調的開關，調溫，及完*斷電(二次開關實現(xiàn))；2)上傳配電柜各個空開信號；3)上傳UPS內部電量信息等；4)接入電表、BSMU等設備 |
遙信模塊 | ARTU-KJ8 |
| 1)反饋各個設備狀態(tài)，將相關數(shù)據(jù)到串口服務器；2)讀消防1/0信號，并轉發(fā)給到上層(關機、事件上報等)；3)采集水浸傳感器信息，并轉發(fā)給到上層(水浸信號事件上報)；4)讀取門禁程傳感器信息，并轉發(fā)給到上層(門禁事件上報)。 |
6.結束語
本文設計了一種園區(qū)光儲充能量管理系統(tǒng)，具有實時監(jiān)控、設備管理、系統(tǒng)調度、能源分析等功能，根據(jù)光伏系統(tǒng)發(fā)電功率和用電負荷總負荷功率，結合當?shù)胤骞扔秒姇r間段分布政策，制定了儲能系統(tǒng)控制策略，實現(xiàn)了平移園區(qū)用電負荷、峰谷套利、園區(qū)經(jīng)濟利益*大化。該光儲充能量管理系統(tǒng)已經(jīng)在成都某企業(yè)園區(qū)安全穩(wěn)定運行，為區(qū)域電網(wǎng)錯峰避開負荷高峰發(fā)揮了巨大的作用，取得了很好的經(jīng)濟效益和社會效益。
參考文獻
[1]王曉華,孫德亮,李維華.光儲微網(wǎng)系統(tǒng)設計與應用[J].合肥工業(yè)大學學報(自然科學版),2016,39(1):79-83
[2]傅金洲.光(伏)儲(能)一體發(fā)電系統(tǒng)的儲能配置和能量管理策略研究[D].合肥工業(yè)大學,2018
[3]王志民，林云松， 鄢治國，張川，張豪亨.園區(qū)光儲充能量管理系統(tǒng)設計及應用園園[4]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版.
