安科瑞刘秋霞

摘要：光伏发电管理中，并网管理是十分重要的环节，通过采取科学的调控策略来降低风险因素对并网造成的危害，提升光伏电站并网系统的安全性和稳定性。本文围绕这一议题进行了探讨，概述了储能技术在光伏并网发电系统中的应用，通过建立能量管理模型并进行并网仿真模拟分析，以更好地实施光储系统中混合储能协调控制策略，为光伏发电并网管理奠定可靠的基础。

关键词：光伏发电站；发电并网；能量管理模型；控制系统

0引言

光伏发电是发展前景良好的清洁型能源。近年来，光伏发电站陆续投入运营，受到光照和温度等因素的影响，电力输出功率存在间歇波动性和随机性，因此，为了维持电网稳定性采用储能装置十分必要。

1储能技术在光伏并网发电系统中的应用

储能装置是光伏并网发电系统中的重要组成部分。通常包括蓄电池、电容器。其中，蓄电池成本低廉，但是循环倍率有限制，功率密度较低，因此，无法很好地兼顾蓄电池充放电过程以及电池较大功率跟踪。考虑到光伏电站的实际发电规律，采用蓄电池往往充放电循环次数多造成容量迅速失效，使蓄电池寿命缩减。电容器是另一种储能类型。相比蓄电池，电容器的循环寿命更长，对充放电次数没有很多限制，功率密度高，可以实现瞬时功率吸纳放出。不足是不能长时间为负荷提供电能。在当前的光伏并网系统中，通常采用上述两种储能类型，实现优势互补，构建高性能的储能系统，蓄电池作为长期储能装置，电容器作为短期储能装置，既可以实现能量长时间储备的目的，而且可以瞬时调节系统的功率，采取合理的能量管理策略。

2能量管理模型及综合控制策略

通过对蓄电池和电容器容量进行配比，满足储能系统的能量管理需求。设计环节应考虑储能系统的电流吞吐能力，满足光伏发电系统的脉动电流变化，要留有一定的富裕量。能量管理目标的实现主要是对光伏控制器和并联控制器进行工况调整。在恒流条件下，电容器的充电电压达到较大功率跟踪值，光伏控制器的输出电流减小，此时，光伏控制器在较大功率跟踪值条件下进入充电工况。当电容器的电容量较小时，电压较低，在较大功率跟踪值条件下，光伏控制器的输出电流较大，此时，为恒流模式充电工况，直到达到电容器较大功率跟踪值。电容器能量接近上限*，此时，端口电压接近额定电压，光伏控制器不再是较大功率跟踪模式，而进入恒压模式，保持电压不变。并联控制器在设计过程中应考虑储能系统的容量配置及相关影响因素，如气候、负荷、光照、温度等条件下所引起的发电功率变化情况。当蓄电池能量较少时，并联控制器以恒流模式对蓄电池充电；当蓄电池能量较多时，并联控制器处于恒压工况。如果电容器的电压比并联控制器的输入电压下限*，并联控制器停止运行。当蓄电池容量饱和且系统没有负载时，也将停止运行。如果充电电流保持恒定，则光伏控制器在电容器电压正常的情况下保持恒流输出；如果充电电流不能保持恒定，则光伏控制器进入恒压工作模式或者较大工作跟踪模式。此时，会存在光伏控制器启停切换频繁的问题，为此，采用滞回比较的方式设置并联控制启停两个门限。此外，可能存在蓄电池过放电的问题，对此在蓄电池电压小于电压下限*，系统切断蓄电池和负载之间的连接，使蓄电池充放电状态合理，延长电池寿命。

在能量管理过程中，大多采用较大功率跟踪的方式，具体方法包括恒定电压控制法、扰动观察法、电导增量法。扰动观察法和电导增量法在采样环节存在误差，因此，会对系统启动造成不利影响，造成功率波动。在系统由开路电压转变为较大功率电压的过程中，电流变化情况较为剧烈，这种情况更加重了误差影响，对电流理论值带来偏差，不利于能量控制的准确性和时效性。为了减少采样带来的误差，将扰动观察法和电导增量法相结合进行计算。通过检测功率和电压的变化数值和变化方向，对系统电压进行调整使系统快速达到较大功率，然后，根据功率变化情况，采用电导增量法找到较大功率点。根据负载和输出功率之间的差值确定蓄电池充放电控制策略。由于功率对负载的变化情况更敏感，因此，根据负载和功率之间的差值能够更快速地对系统瞬时功率进行平衡。采用上述方法可以避免蓄电池在充放电两种状态下频繁切换，而且避免了在大电流高电压状态下工作，延长电池的使用寿命，减少电流的剧烈波动。

3光储系统中混合储能协调控制策略及系统仿真分析

基于低通滤波原理来设计混合储能协调控制策略是一种有效的方式。其原理是光伏电源输出功率通过滤波器得到光伏电源输出功率参考值，将之与光伏电源输出功率值相减，得到混合储能系统功率指令参考值。然后，这一功率指令参考值通过二个滤波器，得到高频分量和低频分量，其中高频分量作为电容的功率参考值，低频分量作为蓄电池的功率参考值。由于电容器充放电快速，循环次数限制少，因此，优先对电容器进行充放电，减少蓄电池充放电次数，延长其寿命。此外，对电容器电压和蓄电池荷电状态进行检测，优化得到两个滤波器的时间常数，从而对混合储能系统的功率进行调整，合理分配充放电顺序。对一个滤波器的时间常数进行调节可以实现混合储能系统的过充过放保护。例如，当检测到电容器端电压和蓄电池荷电状态达到混合储能系统过充过放工况时，调小一个滤波器的时间常数，避免过充过放情况发生。对二个滤波器的时间常数进行调节，可实现对混合储能系统的协调控制。当功率指令经过二个滤波器后，分别得到高频分量，对应电容器功率参考值和低频分量对应蓄电池功率参考值。有限对电容器进行充放电，当电容器不能满足混合储能系统的功率指令时，再用蓄电池来满足剩余功率指令。当一个滤波器时间常数增大时，混合储能系统的功率指令增大；当一个滤波器时间常数减小时，混合储能系统的功率指令减小。一个滤波器时间常数恒定时，当增大二个滤波器时间常数，则混合储能系统功率指令主要由电容器承担；当减小二个滤波器时间常数，则混合储能系统功率指令主要由蓄电池承担。

对电容器电压进行区间划分，为0、0.2倍较大电压、0.8倍较大电压、较大电压；对蓄电池荷电进行区间划分，为0、较小荷电、较大荷电、1。由于电容器相应速度快，因此，电容器优先充放电。混合储能系统仿真模型根据混合储能系统功率指令的正负判断进行充放电动作。当混合储能系统功率指令为正值时设置为充电，当混合储能系统功率指令为负值时设置为放电，当混合储能功率指令为零时不动作，返回上一步。

当混合储能系统功率指令为正值时，检测电容器端电压，如果超过0.2倍较大电压，则优先对电容器进行放电，二滤波器时间常数为极值。当电容器端电压低于0.2倍较大电压时，检测蓄电池荷电状态，如果荷电状态超过较小荷电，此时混合储能系统功率指令主要由蓄电池承担，电容器为辅。当储能系统进入过放保护区域时，调小一滤波器时间常数，使混合储能系统功率指令减小。

当混合储能系统功率指令为负值时，检测电容器端电压，如果不超过0.8倍较大电压，则优先对电容器进行充电，二滤波器时间常数为极值。当电容器端电压高于0.8倍较大电压时，检测电容器端电压是否不超过较大电压，如果不超过则放电动作由蓄电池承担，调小二滤波器时间常数。检测蓄电池荷电状况，当荷电不超过较大荷电值，则继续对蓄电池充电；当荷电超过较大荷电值，此时，储能系统进入过充保护区域，调小一滤波器时间常数，使混合储能系统功率指令减小。

4系统概述

4.1概述

Acrel-2000MG微电网能量管理系统，是我司根据新型电力系统下微电网监控系统与微电网能量管理系统的要求，总结国内外的研究和生产的经验，专门研制出的企业微电网能量管理系统。本系统满足光伏系统、风力发电、储能系统以及充电桩的接入，全天候进行数据采集分析，直接监视光伏、风能、储能系统、充电桩运行状态及健康状况，是一个集监控系统、能量管理为一体的管理系统。该系统在安全稳定的基础上以经济优化运行为目标，提升可再生能源应用，提高电网运行稳定性、补偿负荷波动；有效实现用户侧的需求管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷，提高电力设备运行效率、降低供电成本。为企业微电网能量管理提供安全、可靠、经济运行提供了全新的解决方案。

微电网能量管理系统应采用分层分布式结构，整个能量管理系统在物理上分为三个层：设备层、网络通信层和站控层。站级通信网络采用标准以太网及TCP/IP通信协议，物理媒介可以为光纤、网线、屏蔽双绞线等。系统支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

4.2技术标准

本方案遵循的标准有：

本技术规范书提供的设备应满足以下规定、法规和行业标准：

GB/T26802.1-2011工业控制计算机系统通用规范1部分：通用要求

GB/T26806.2-2011工业控制计算机系统工业控制计算机基本平台2部分：性能评定方法

GB/T26802.5-2011工业控制计算机系统通用规范5部分：场地安全要求

GB/T26802.6-2011工业控制计算机系统通用规范6部分：验收大纲

GB/T2887-2011计算机场地通用规范

GB/T20270-2006信息安全技术网络基础安全技术要求

GB50174-2018电子信息系统机房设计规范

DL/T634.5101远动设备及系统5-101部分:传输规约基本远动任务配套标准

DL/T634.5104远动设备及系统5-104部分:传输规约采用标准传输协议子集的IEC60870-5-网络访问101

GB/T33589-2017微电网接入电力系统技术规定

GB/T36274-2018微电网能量管理系统技术规范

GB/T51341-2018微电网工程设计标准

GB/T36270-2018微电网监控系统技术规范

DL/T1864-2018型微电网监控系统技术规范

T/CEC182-2018微电网并网调度运行规范

T/CEC150-2018低压微电网并网一体化装置技术规范

T/CEC151-2018并网型交直流混合微电网运行与控制技术规范

T/CEC152-2018并网型微电网需求响应技术要求

T/CEC153-2018并网型微电网负荷管理技术导则

T/CEC182-2018微电网并网调度运行规范

T/CEC5005-2018微电网工程设计规范

NB/T10148-2019微电网1部分：微电网规划设计导则

NB/T10149-2019微电网2部分：微电网运行导则

4.3适用场合

系统可应用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。

4.4型号说明

5系统配置

5.1系统架构

本平台采用分层分布式结构进行设计，即站控层、网络层和设备层，详细拓扑结构

6系统功能

6.1实时监测

微电网能量管理系统人机界面友好，应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中，各子系统回路电参量主要有：三相电流、三相电压、总有功功率、总无功功率、总功率因数、频率和正向有功电能累计值；状态参数主要有：开关状态、断路器故障脱扣告警等。

系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理，使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。

系统应可以对储能系统进行状态管理，能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警，并支持定期的电池维护。

微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电桩及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求，也可将充电，储能及光伏系统信息进行显示。

图2系统主界面

子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电桩信息、通讯状况及一些统计列表等。

6.1.1光伏界面

图3光伏系统界面

本界面用来展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

6.1.2储能界面

图4储能系统界面

本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。

图5储能系统PCS参数设置界面

本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置，包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。

图6储能系统BMS参数设置界面

本界面用来展示对BMS的参数进行设置，主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。

图7储能系统PCS电网侧数据界面

本界面用来展示对PCS电网侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。

图8储能系统PCS交流侧数据界面

本界面用来展示对PCS交流侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。

图9储能系统PCS直流侧数据界面

本界面用来展示对PCS直流侧数据，主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。

图10储能系统PCS状态界面

本界面用来展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。

图11储能电池状态界面

本界面用来展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。

图12储能电池簇运行数据界面

本界面用来展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的较大、较小电压、温度值及所对应的位置。

6.1.3风电界面

图13风电系统界面

本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

6.1.4充电桩界面

图14充电桩界面

本界面用来展示对充电桩系统信息，主要包括充电桩用电总功率、交直流充电桩的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电桩的运行数据等。

6.1.5视频监控界面

图15微电网视频监控界面

本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。

6.2发电预测

系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划，便于用户对该系统新能源发电的集中管控。

图16光伏预测界面

6.3策略配置

系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、有序充电、动态扩容等。

图17策略配置界面

6.4运行报表

应能查询各子系统、回路或设备*定时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能等。

图18运行报表

6.5实时报警

应具有实时报警功能，系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位，及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警，应能实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。

图19实时告警

6.6历史事件查询

应能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度（锂离子电池）、压力（液流电池）、光照、风速、气压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

图20历史事件查询

6.7电能质量监测

应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。

1）在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度百分*和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度百分*和正序/负序/零序电流值；

2）谐波分析功能：系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电流含有率；

3）电压波动与闪变：系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值；应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线；应能显示电压偏差与频率偏差；

4）功率与电能计量：系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率；应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素；应能提供有功负荷曲线，包括日有功负荷曲线（折线型）和年有功负荷曲线（折线型）；

5）电压暂态监测：在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时，系统应能产生告警，事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员；系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。

6）电能质量数据统计：系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据，包括均值、较大值、较小值、95%概率值、方均根值。

7）事件记录查看功能：事件记录应包含事件名称、状态（动作或返回）、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。

图21微电网系统电能质量界面

6.8遥控功能

应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作，并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。

图22遥控功能

6.9曲线查询

应可在曲线查询界面，可以直接查看各电参量曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。

图23曲线查询

6.10统计报表

具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析；对系统运行的节能、收益等分析；具备对微电网供电可靠性分析，包括年停电时间、年停电次数等分析；具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。

图24统计报表

6.11网络拓扑图

系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。

图25微电网系统拓扑界面

本界面主要展示微电网系统拓扑，包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。

6.12通信管理

可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序，然后选择通信控制启动所有端口或某个端口，快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

图26通信管理

6.13用户权限管理

应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控操作，运行参数修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

图27用户权限

6.14故障录波

应可以在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条，每条录波可触发6段录波，每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形，总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形。

图28故障录波

6.15事故追忆

可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据，包括开关位置、保护动作状态、遥测量等，形成事故分析的数据基础。

用户可自定义事故追忆的启动事件，当每个事件发生时，存储事故*10个扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户*定和随意修改。

图29事故追忆

7硬件及其配套产品

8结语

光伏发电站具有能量波动大、发电间歇性和随机性的特点，因此在发电并网环节存在较多的风险。为了提高光伏电站并网平稳性和可靠性，采用蓄电池和电容器相结合的方式更好地发挥出混合储能系统在能量管理中的协同优势，对于优化蓄电池充放电，延长电池使用寿命创建了积极条件。基于低通滤波原理对混合储能系统设计协调控制策略，便于更好地保护储能设备，实现平稳充放电目标。

参考文献：

1. 于波，沈啸轩.浅谈基于混合储能的光伏发电并网系统的能量管理及协调控制

2. 张德帅.混合储能光伏并网系统的能量管理策略[D].山东大学，2018.

3. 谭文娟，陈燕东，杨芩，周小平，周乐明，唐杰.光储直流微网能量协调控制方法[J].电源学报，2018（02）.

[4]安科瑞企业微电网设计与应用设计,2022,05版.