光伏、储能一体化监控系统怎样保障微电网高效运行

程瑜 安科瑞

摘要：近年来，环境污染、能源短缺等问题愈加严重，大力发展光伏发电技术是解决这些问题的一个有效措施。本文对光伏与储能一体化系统控制技术进一步的研讨。

关键词：光储系统；一体化系统；控制技术；应用

一、储能技术在光伏发电系统应用

由于太阳能的不可控性，致使光伏电池的输出功率无法预测，所以近年来储能技术在光伏发电领域得到了广泛的利用，独立型光伏发电系统更是离不开储能装置，因此都在大力研究储能技术，我国也不例外。在发电系统中，常常存在负载和发电之间的功率不匹配问题，由于缺乏大规模发电系统的平衡机制，这种现象在小规模的发电系统中可能更为严重，因此储能装置需要经常被采用。现在为常见的仍旧是蓄电池和超级电容器，这两种储能方式的控制技术比较成熟，可靠性也比较高，在实际系统中常常将二者综合起来使用，用以改善储能装置的特性。

二、光储系统拓扑结构和控制策略

1.光储系统拓扑结构

光伏发电指的是通过光生伏应在光伏电池板上将太阳能直接转变成电能的发电形式，依据是否与电网相连分为两大类，光伏并网发电系统和独立光伏发电系统。光伏并网发电系统主要有两类，类是不带有储能单元的光伏并网发电系统，另一类是带有储能单元的光伏并网发电系统。不带有储能单元的光伏并网发电系统，这种系统可控性极差，给负载提供能量完全依靠光伏电池板所处的环境，但是因为不带有储能单元，降低了生产成本以及由此产生的运行和后期维护费用，同时也消除了部分储能单元对环境所造成的潜在污染。如图1是不带有储能的光伏发电系统；

图2是带有储能单元的光伏并网发电系统，这类系统因为存在储能部分，所以需要单独的DC-DC电路来给储能单元进行充放电处理，在一定程度上增加了控制的难度。依据储能单元连接的母线类型，这类光伏系统包括直流母线类型和交流母线类型两种。

2.蓄电池剩余容量检测

从本质上来讲，蓄电池是一种化学电池，这就决定了其使用寿命是有限的，为了降低电池系统的维护成本、提高电池的效率和使用寿命，对蓄电池进行相应的监控已成为蓄电池应用不可缺少的关键技术之一。电池管理系统的作用就是实时监测整个电池系统的状态，包括电池组的温度、健康状态、剩余容量等要素，同时对电池的充电与放电模式控制，从而实现电池系统的能量管理，其中准确估算蓄电池的荷电状态（SOC）是电池管理系统的重要环节。蓄电池的荷电状态（SOC）可以认为是当下时刻电池可用容量与总的可用容量的比值，其定义式如下，其中Qt代表当前时刻蓄电池剩余的可用容量，QO代表蓄电池总的可用容量。

3.光储系统整体控制策略的设计

在光储系统中，光伏电池是系统唯一的能量来源，负载消耗能量，蓄电池的功能是通过能量存储和释放以抑制系统功率的波动，在忽略系统的能量损耗时，从能量流动的角度，可以得出光储系统有以下几种能量流动的模式：

（1）当光伏电池发出的能量超出负载消耗的能量时，光伏电池产生的能量一方面流经输出电路来满足负载功率的要求，另一方面通过向蓄电池充电的方式将超出部分存储起来。

（2）当光伏电池发出的能量不能够满足负载消耗的能量时，那么负载需求的能量一方面由光伏电池自身发电提供，另一方面通过蓄电池的放电来弥补不足的部分。

（3）当光伏电池发出的能量正好等于负载消耗的能量时，光伏电池产生的能量全部提供给负载，此时蓄电池的工作状态是不充不放，维持自身的能量不变。

（4）当光伏电池不能够产生能量时，系统的能量来源只能由蓄电池来充当，满足负载消耗的能量，当蓄电池也不能满足负载的功率需求时，整个光储系统必停止工作。

光伏运维子站解决方案

安科瑞Acrel1000-DP分布式光伏电站电力监控系统为分布式光伏电站运维子系统提供了解决方案，满足GB/T 38946《分布式光伏发电系统集中运维技术规范》中对运维子站的相关技术要求。

图2 分布式光伏监控系统数据显示

图3 分布式光伏监控系统状态显示

图4 分布式光伏监控系统数据展示

光伏运维主站解决方案

安科瑞AcrelEMS企业微电网能效管理平台适用于分布式光伏电站的运维管理。GB/T 38946《分布式光伏发电系统集中运维技术规范》中对集中运维主站的相关技术要求如下：

图5 分布式光伏电站场站管理及发电功率实时监控

图6 日月年发电数据报表及逆变器发电曲线分析

图7 遥控操作验证及操作记录

图8 告警分级和异常分析

图9 巡检管理及用户报告

图10 设备档案和设备保养管理

图11 工单管理和缺陷记录

系统管理宜具备以下功能:

a)权限设置:登录权限､场站权限､功能权限､数据权限;

b)在线用户管理:用户登录､操作记录;

c)时间同步:宜采用简单网络时间协议(SNTP)对时方式,并以此同步各子站;

d)Web功能:主站宜具备相关数据的信息发布､浏览和下载等Web功能｡

图12 用户权限配置及用户状态监测

光伏发电功率预测

运维主站可根据当日光照和温湿度数据预测光伏电站发电功率数据进行对照，用于验证光伏电站发电效率。

图13 光伏运维主站、子站发电功率预测功能

图14 箱变测控系统图

通过AcrelEMS可实时监控箱变变压器和高低压柜电气参数、温度、箱变内湿度等数据，在数据超过正常阈值或发生异常变位时可及时发出告警信号。

图15 变压器及箱变环境监测

光伏运维相关二次设备选型

安科瑞提供光伏运维子站、运维主站监测软件、数据网关和保护测控单元、交直流监测多功能仪表及相关传感器，具备电能质量监测和治理装置，保障光伏电站高效运行。

系统构成

根据NB/T 42091《电化学储能电站监控系统技术规范》，储能监控系统宜采用星型网络，功率小于1MW且容量小于1MWh的电化学储能监控系统宜采用单网配置，如图16。

图16 电化学储能系统单网监控系统网络结构图

功率为1MW及以上且容量为1MWh及以上的电化学储能监控系统宜采用双网配冗余置，如图17。

图17 电化学储能系统双网监控系统网络结构图

监测设备包括BMS、PCS、保护测控设备、其他设备(电能计量、绝缘监测、消防、空调、站用直流屏等)。

Acrel-2000MG储能系统能量管理系统和AcrelEMS企业微电网能效管理平台能够对企业微电网的源（市电、分布式光伏、微型风机）、网（企业内部配电网）、荷（固定负荷和可调负荷）、储能系统、新能源汽车充电负荷进行实时监测和优化控制，保护微电网储能系统运行安全，实现不同目标下源网荷储资源之间的灵活互动，增加多策略控制下系统的稳定运行。同时促进新能源消纳、合理削峰填谷，减少电网建设投资，提升微电网运行安全，降低运行成本。Acrel-2000MG储能系统能量管理系统适合部署在本地，作为实时监控、异常告警和策略管理；AcrelEMS企业微电网能效管理平台适用于企业源网荷储充运维的一体化管理平台，并提供移动端数据服务和异常告警。

数据采集和处理

监控系统应能通过测控单元及功率变换系统、电池管理系统进行实时信息的采集和处理。监控系统应设置通信接口与电池管理系统连接，接收和处理的信息宜包括但不限于：

a）电池模块的电压、温度、电池能量；

b）电池簇的电流、电压、功率、电池能量、可充可放电量、累积充放电电量，以及*高、*低

单体电压及其电池编号：

c）电池堆可充可放电量、累积充放电电量；

d）各种故障告警和保护动作信号；

图18 Acrel-2000MG和AcrelEMS电池数据采集

功率变换系统(PCS)上送信息宜包括但不限于：

a）开关量信息：直流侧与交流侧接触器、断路器的状态；运行模式（并网、离网）、运行状态

（充电、放电、待机等）、就地操作把手的状态等：

b）模拟量信息：直流侧电压、电流、功率，交流侧三相电压、电流、有功、无功；

c）非电量信息：IGBT模块温度、电抗器温度、隔离变温度等；

d）运行信息：功率变换系统保护动作信号、事故告警信号等。

图18 Acrel-2000MG和AcrelEMS 功率变换系统数据采集

监视和报警

监控系统的监视功能应符合但不限于下列要求：

a）应能通过显示器对主要电气设备运行参数和设备状态进行监视；

b）应能监视并实时显示各设备的通信状态和通信报文；

c）电池管理系统、功率变换系统上传监控系统的遥测量和告警量须有专门的界面显示和告警

图19 Acrel-2000MG和AcrelEMS 监视和报警分级

控制与调节

控制范围：站内交流回路断路器、功率变换系统及其他相关重要设备，包括功率变换系统启/停、运行/检修状态切换、并网充/放电、离网放电、保护软压板投切等。监控系统根据功能定位支持下列应用模式：削峰填谷、孤网运行、系统调频、电压支撑、电能质量治理、平滑功率输出、跟踪计划出力。

图19 Acrel-2000MG和AcrelEMS 储能系统监控

电能质量监测

监测储能系统交流回路的电压波动与闪变、三相电压不平衡、电压暂升/暂降、短时中断、谐波畸变等工况，实时记录事件并故障录波，为电能质量分析与治理提供数据来源。

图20 Acrel-2000MG和AcrelEMS 电能质量分析

企业微电网能效管理

AcrelEMS企业微电网能效管理平台除了对储能系统提供监控报警之外，还适用于企业内部的源网荷储充运维的一体化管理平台，为企业微电网能效管理提供全方位的监测、优化控制、设备管理、运维管理、分析报告等，并提供基于WEB和APP的数据服务和异常告警。

平台可根据企业光伏发电数据、储能控制策略以及负荷波动情况为企业提供微电网运行数据，制定用电优化方案，在提高企业微电网运行安全的前提下帮助企业降低用电成本，促进清洁能源消纳。

图21 AcrelEMS企业微电网能效管理平台

电化学储能电站监控运维管理系统二次设备选型

安科瑞提供电化学储能电站监控运维管理软件、数据网关和保护测控单元、多功能仪表及相关传感器，具备电能质量监测和治理装置，保障储能电站及企业微电网高效运行。

表3 储能电站监控运维管理系统选型方案

结束语

在双碳目标以及电网运行安全要求驱动下，光伏发电以及配套储能系统未来将会得到越来越多的政策支持，可以想象未来也会有越来越多的资本投入促使行业迅速发展，从而提高电网运行安全，提升电能使用效率。但是微电网系统，特别是光伏电站和储能电站的运行安全不容忽视，需要严格按照标准，建立光伏和储能监测运维管理系统对光伏电站和储能系统进行监视、预警、控制和运维管理，保障安全生产。

未来新型电力系统中，企业光储充微电网内部以及企业微电网和大电网的互动也会越来越频繁，这需要一套统一平台来对企业的“源-网-荷-储-充”及运维进行统一监测和管理，这样才能保障企业微电网高效运行，从而促进新型电力系统迈向稳定、可靠、低碳的良性循环。

审核编辑 黄宇