光储充微电网能量管理系统控制策略研究及并网分析

引言

近年来，我国日益重视分布式能源和微电网的发展，特别是光伏系统和储能技术的应用，这些已成为确保电力供应可靠性、促进新能源利用和减少污染的关键措施。我国新能源领域的专家对光伏储能控制系统进行了深入研究，强调了其应用价值和商业模式的实际效果，这对于项目规划和经济性发展具有战略意义。研究还指出，为了优化新能源储能量，需要结合功率波动采取平抑措施，并根据新能源出力的典型场景和概率分布来合理配置储能控制系统。储能系统的配置和规划与短期运行紧密相关，因此需要综合建模储能和新能源，以科学地配置储能并解决相关问题。

1、光伏储能系统控制策略分析

分析光伏发电系统的能量储存管理，重点在于储能设备的充放电控制和逆变器并网功率控制。研究显示，储能系统能有效解决电网消纳问题，通过功率平衡确保电能系统稳定运行。储能设备在恶劣环境下也能稳定供电，并能根据实际情况调整，提高电网的可靠性和安全性。

1.1选取高效储能系统设备

选择储能设备时，应考虑不同需求和技术。光伏技术是关键，储能技术分为高能量密度和高功率密度。高能量密度包括磁储能、机械能和电能技术，对应设备有超导储能、飞轮储能和超级电容器。高功率密度涉及电化学和化学技术，常见设备有铅酸蓄电池、锂电池等，氢电池尤其重要。选择合适的储能设备，需考虑设备性质、能效等因素，并根据设备的能量特点、功率等参数进行加权平均值计算，以选出性能和效益合适的设备。

1.2储能系统设备充放电控制

SC与蓄电池混合设备通过DC/DC双向变换器与直流母线相连，研究时可确保设备不过充或过放。设计上，此方法可减少充放电功率和冲击电流，延长使用寿命，同时保持直流母线功率和电压稳定。连接方式有被动、半主动和主动控制三种。被动控制简化安装但功率控制差；主动控制成本高但功率控制好；半主动控制试图结合两者优点，但仍有缺陷。光伏储能系统中，主动控制可优化储能设备功率。

1.3利用规则控制器进行管理

利用规则控制器管理主要涉及将直流母线功率差额输入控制器，确保低通滤波器通过高频分量，并按规范在超级电容器和蓄电池间分配低频部分。工作流程中，储能设备功率平衡会处理高频分量，需加入超级电容器以平衡两者。文献详细分析了FLC在控制期间的定向，并深入研究了光伏并网中的功率控制措施。对于能量控制、储能设备充放电控制、逆变器控制等，需结合实际落实基本标准，确保电容器正常运行并满足电力需求。

1.4逆变器处并网功率控制措施

主要任务是研究非隔离逆变器的直流变换及其正常运行，并分析单位功率因数并网控制。逆变器需满足工作需求，特别是零功率因数和母线电压稳定。工作重点不是逆变器功率因数调节，而是采用双环P1控制方式，并关注并网点电流控制和直流母线电压稳定。为提高储能装置放电效果，需优化其管理系统，避免损害其寿命。

2、光伏储能系统并网思考

2.1光伏储能系统并网技术概述

光伏储能系统并网主要分为分布式发电和荒漠电站两种模式，其核心是将太阳能产生的直流电转换为交流电，并接入公共电网。并网逆变器在这一过程中扮演关键角色，负责电流转换、信号检测、功率跟踪和抗孤岛控制。尽管如此，我国的光伏储能系统并网发展缓慢，面临技术难题和缺乏实验数据，其对电网的影响尚不明确。此外，系统稳定性、能量密度和调节能力有待提高，环境因素也会影响发电效率。因此，深入研究并网体系模式对于优化能源结构和提升新能源利用率至关重要。

2.2光伏储能系统并网体系研究

光伏储能系统并网体系主要分为单级和二级结构。单级结构通过逆变器将直流电转换为与电网频率和电压幅值相同的交流电。二级结构则先提升直流电电压，再通过逆变器转换为交流电并实现并网。大型光伏电站通常采用单级结构以节约资源，关键在于并网逆变器的设计和操作。高效的并网逆变器能降低成本、提升发电效率和质量，并确保并网效益。同时，逆变器控制需应对电压闪变、孤岛效应等新问题，以减少电网问题。

2.3光伏储能系统并网的配件设计

光伏电站结构复杂，主要成本在于光伏电池，其转换效率是研究重点。科技发展推动了单晶硅、多晶硅和薄膜电池的应用，同时出现了聚光光伏元件，能高效转换能量。

2.4高性能高效率的电能变换技术

光伏电站包含众多复杂零件，其中并网逆变器扮演关键角色。其主要功能包括协调控制和集群管理。在实际应用中，通过统一控制并网逆变器，可以减少它们之间的相互影响；同时，利用系统整体控制，实现并网逆变器集群的协同工作，确保电压穿越、孤岛检测等功能的高效运作。

2.5最大功率点的跟踪技术

最大功率点跟踪技术让控制器实时监测太阳能阵列电压，追踪功率以优化充电和放电管理。该技术包括直接控制、间接控制和人工智能方法。间接控制依赖经验公式和数据库，但跟踪效果不佳。相比之下，电流电压检测方法能更准确地实时追踪最大功率点，满足各种场景需求，并在实际中得到广泛应用。

2.6孤岛效应技术

孤岛效应是指当电网故障或维修时，光伏并网系统可能无法准确检测停电并及时断开与电网的连接，影响公共负载供电。检测孤岛效应有被动和主动两种方式：被动式检测电压频率和谐波，而主动式包括功率和频率扰动法。技术创新带来了更先进的检测方法，即在电网断电时改变电压和电流相位，缩短检测时间，并能并联检测并网逆变器。

3、Acrel-2000MG微电网能量管理系统概述

3.1概述

Acrel-2000MG微电网能量管理系统是专为满足新型电力系统下微电网监控与能量管理需求而研发的。它支持光伏、风力发电、储能和充电桩的接入，实现24小时数据采集与分析，监控相关设备的运行状态和健康状况。该系统旨在安全稳定的基础上优化经济运行，推动可再生能源利用，增强电网稳定性，平衡负荷波动，实现需求管理，降低供电成本，为企业提供全面的微电网能量管理解决方案。系统采用分层分布式结构，包括设备层、网络通信层和站控层，支持多种通信协议和物理媒介。

3.2适用场合

该系统适用于城市、高速公路、工业园区、商业区、住宅区、智能建筑、海岛及无电地区的可再生能源监控和能量管理。

3.3系统架构

本平台的设计采用了分层分布式架构，包括站控层、网络层和设备层三个层次。具体的拓扑结构如下所示：

图1典型微电网能量管理系统组网方式

3.4系统功能

3.4.1实时监测

微电网能量管理系统具备友好的人机界面，能以电气图形式展示电气回路状态，实时监测电压、电流、功率等参数，并显示断路器和隔离开关状态及故障信号。它管理分布式电源和储能系统，提供发电和储能状态信息，包括出力、收益、荷电状态和功率设置。系统还支持储能系统的状态管理，包括荷电状态告警和电池维护。监控界面展示光伏、风电、储能、充电桩和负荷情况，包括收益、天气、节能、功率、电量和电压电流信息，且可根据需求显示特定系统信息。

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。

3.6.1.1光伏界面

图3光伏系统界面

该界面展示光伏系统信息，涵盖逆变器的直流和交流运行状态、报警、发电量统计与分析、并网柜电力监测、年发电利用小时数、收益、碳减排数据、环境监测（辐照度、风力、温湿度）以及功率模拟和效率分析。同时，系统总功率、电压电流和各逆变器运行数据也会显示。

3.6.1.2储能界面

图4储能系统界面

本界面旨在呈现系统的储能装机容量、当前储能充放电状态、收益情况，以及SOC（State of Charge，充电状态）和电量变化曲线。

图5储能系统PCS参数设置界面

本界面旨在展示如何对PCS（电源控制系统）的参数进行配置，涵盖开机与关机设置、运行模式选择、功率调整以及电压和电流的限制值设定。

图6储能系统BMS参数设置界面

本界面旨在呈现对电池管理系统（BMS）参数的配置选项，涵盖电芯电压、温度保护阈值、电池组电压、电流以及温度限制等多项设置。

图7储能系统PCS电网侧数据界面

本界面旨在呈现PCS电网侧的相关数据，涵盖相电压、电流、功率、频率、功率因数等多项关键指标。

图8储能系统PCS交流侧数据界面

本界面旨在呈现PCS交流侧的相关数据，涵盖相电压、电流、功率、频率、功率因数以及温度值等多项指标。此外，它还具备对交流侧异常状况进行实时告警的功能。

图9储能系统PCS直流侧数据界面

本界面旨在呈现PCS直流侧的相关数据，涵盖电压、电流、功率、电量等多项指标。此外，它还负责对直流侧出现的异常情况进行报警提示。

图10储能系统PCS状态界面

本界面旨在呈现PCS的状态信息，涵盖通讯状态、运行状态、STS运行状态以及STS故障告警等多个方面。

图11储能电池状态界面

本界面旨在呈现电池管理系统（BMS）的状态信息，涵盖储能电池的运行状况、系统详情、数据统计以及警报通知等。此外，它还展示了当前储能电池的荷电状态（State of Charge, SOC）。

图12储能电池簇运行数据界面

本界面旨在呈现电池簇的相关信息，涵盖储能模组中各个电芯的电压和温度数据。同时，它将突出显示当前电芯电压和温度的大值、小值以及相应的位置信息。

3.6.1.3风电界面

图13风电系统界面

该界面展示风电系统信息，包括逆变控制一体机的运行状态、报警、发电量统计分析、年有效利用小时数、发电收益、碳减排统计、环境监测数据、功率模拟及效率分析。同时，显示系统总功率、电压电流和各逆变器运行数据。

3.6.1.4充电桩界面

图14充电桩界面

该界面提供充电桩系统信息，包括总功率、交流和直流充电桩功率及电量、电费计算和指标趋势图，同时显示充电桩实时运行数据。

3.6.1.5视频监控界面

图15微电网视频监控界面

本界面主要呈现系统接入的视频画面，并通过各种配置选项，实现预览、回放、管理以及控制等功能

3.6.2发电预测

系统应结合历史、实时发电数据及天气预报，进行短期和超短期发电功率预测，并提供准确率及误差分析。这些预测结果将用于制定发电计划，无论是手动还是自动，以实现新能源发电的有效集中管理。

图16光伏预测界面

3.6.3策略配置

系统应根据发电数据、储能容量、负荷需求和电价信息，设定运行模式和控制策略，如削峰填谷、周期性计划、需量控制、有序充电和动态扩容等。

图17策略配置界面

3.6.4运行报表

应能够查询各个子系统、回路或设备在指定时间内的运行参数。在报表中，应展示包括以下电参量信息：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率以及正向有功电能等。

图18运行报表

3.6.5实时报警

系统需具备实时报警功能，能监测子系统中逆变器和双向变流器的启动、关闭及遥信变位，以及设备内部保护动作或事故跳闸，并实时显示相关告警事件详情。告警方式包括弹窗、声音、短信和电话通知。

图19实时告警

3.6.6历史事件查询

应具备记录和管理遥信变位、保护动作、事故跳闸以及电压、电流、功率、功率因数、锂离子电池的电芯温度、液流电池的压力、光照、风速、气压等越限事件的能力。这样便于用户对系统事件和报警进行历史追踪、查询统计和事故分析。

图20历史事件查询

3.6.7电能质量监测

微电网系统需持续监测电能质量，包括稳态和暂态状态，以便管理人员实时了解供电情况并及时处理不稳定因素。监测界面应实时显示各监测点的通信状态、电压和电流畸变率、不平衡度、谐波分析、电压波动与闪变、功率与电能计量、电压暂态事件告警及波形查看、电能质量统计数据和事件记录详情。

图21微电网系统电能质量界面

3.6.8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

3.6.9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。

3.6.10统计报表

该系统支持定时抄表和数据汇总，允许用户查询任意时段内配电节点的用电情况，包括进线和分支回路的消耗。它还能分析微电网与外部系统的电能交换、节能效果和收益。此外，系统能评估微电网的供电可靠性，如年停电时间和次数，并对并网型微电网的电能质量进行分析。

图24统计报表

3.6.11网络拓扑图

系统实时监控设备通信状态，展示网络结构；在线诊断设备状态，网络异常时自动显示故障设备及部位。

图25微电网系统拓扑界面

本界面主要呈现微电网系统的网络结构，涵盖了系统构成要素、电网的连接模式、断路器、计量装置等详细信息

3.6.12通信管理

微电网系统可管理、控制设备通信并实时监测数据。维护人员能通过主程序打开通信管理，启动端口，快速检查设备通信状态。支持多种通信协议，包括ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等。

3.6.13用户权限管理

应具备用户权限管理功能，防止未授权操作。可设定不同级别用户登录信息及权限，确保系统安全。

3.6.14故障录波

系统故障时，能自动记录故障前后电气量变化，分析这些数据对事故处理、保护动作判断及提升电力系统安全运行至关重要。故障录波器可记录16条，每条包含6段，每段记录故障前8个周波和故障后4个周波的波形，总录波时间达46秒。每个采样点至少记录12个模拟量和10个开关量波形。

3.6.15事故追忆

自动记录事故前后关键数据，如开关状态、保护动作和遥测量，为事故分析提供数据支持。用户可设定特定事件触发数据记录，保存事故前后各10个扫描周期的相关数据点，且可自由设定和更改这些事件和数据点。

图29事故追忆

3.7硬件及其配套产品

4 结束语

随着社会进步和政策影响，分布式光伏和储能成为能源互联网的关键部分，并在能源生产和消费中扮演重要角色。地域上，华东、华中和珠三角地区因其较强的消纳能力和较高的电价水平，成为发展的先行区域。发展上，工商业屋顶分布式光伏和储能是主要起点，正探索光储充一体化模式，并进行试点和培育工作。此外，分析电站并网运行中的故障几率有助于识别和解决内部问题，确保实时性和计量性的提升。

参考文献

[1]王艳.基于虚拟同步发电机技术的光伏混合储能系统控制策略研究[D].济南:山东科技大学,2020.

[2]王一飞.光伏储能系统控制策略及并网研究[J].电工电气,2022(11):17-21.

[3]郭桂福，光伏储能系统控制策略及并网分析[A].工业

[4]安科瑞企业微电网设计与应用设计,2022,05

审核编辑 黄宇