浅谈电力光伏混合储能系统的能量策略研究

摘要：文章提出了一种光伏电力混合储能系统的能量管理控制策略，主要应用于含有光伏电源(Photovoltaic,PV)、电池能量存储(Battery Energy Storage, BES)和交流负载的发电网络系统中。该策略能够充分利用电力系统中组合架构之间的连接关系，有效缓解了目前电网中BES系统存在的过充电、欠充电等问题,并将充放电电流控制在一个相对稳定的范围内，延长了电池的使用寿命。分别在含有传统铅酸和锂离子电池的混合能量系统中使用6kVA电源转换器进行实验，结果证明了所提出的能量管理策略的正确性和有效性。

关键词：能量管理；光伏；电池储能；混合储能

安科瑞汪洋/汪小姐/汪女士（销售专员）联系方式：18702106706

0引言

近年来，可再生能源(Renewable EnergySources, RES)在普通民用住宅和工业生产领域中的应用愈加广泛。光伏(Photovoltaic, PV)发电技术在各种RES解决方案中，已经有相当多的应用场景。

在光伏电力系统中，电池能量存储(BatteryEnergy Storage, BES)单元在维持电能持续供应方面具有重要的作用。传统的BES单元主要使用铅酸电池作为存储介质,随着技术的不断发展,锂离子电池凭借自身能量密度高、转化效率好等特点，成为一种全新的技术解决方案。无论采用哪种BES结构作为基本的储能单位，都需要对链路中的电源进行控制，进而维持电网中的电流强度，保护BES单元的使用寿命和输出稳定性。适当的电源管理对于实现系统的高性能运行至关重要。

与传统的电力系统相比，光伏电力系统在成本和转换效率中具有明显的优势。由于光伏电力系统一般通过直流电力传输系统进行输送，因此无法在普通家庭和大多数的工业应用场景中直接使用，需要进行直流电和交流电之间的模式转换，但是这种转换会导致系统能量损耗，并会干扰电路中正常的电流强度。

为了解决上述问题，同时增强电网的整体稳定性，本文提出了一种用于光伏电力混合储能系统的能量管理策略。

1光伏电力混合储能系统的能量管理策略

PV、BES和直流负载传输是目前电力系统中*常用的3种技术。为了更好地探究电力系统中的能量管理策略,本文对直流传输系统(DC)和交流传输系统(AC)的传输状态进行了对比,结果如表1所示。

表1以直流和交流为*心的系统架构比较

从表1中可以看出：以直流为*心的传输系统为电池能量储存系统提供了*佳的充电保护;以交流为*心的传输系统，通过减少光伏电源到交流负载的转换*数,保护了BES系统的稳定运行,为电池组的灵活部署提供了有效的保证。因此，在以交流为*心的传输系统中,可以灵活地配置BES单元。

当系统控制器未适当管理能量流时，就*须考虑安全隐患。当光伏电力系统中的总发电量超过BES系统的*大值时，系统的充电电压和电流就会超过电池系统的上限，对储能系统造成不可逆的损坏。本文所提出的能量管理策略，可以在稳定传输系统内部电流的情况下，通过电源控制器使BES系统在充放电过程中，保持稳定的电流变化曲线问。为了保持光伏电力系统的稳定运行，需要将电网中的电流和电压控制住。同时为了防止储能系统的过度充放电,电源转换器应满足如下条件：

电池充电的参考电压和电流水平是温度(TB)的函数，用F来表明函数映射关系。如果不满足式(1),则不受控制的能量流可能会导致电池充电电压过高，造成电池不可逆转的损坏。为了避免这种不良影响，本文将形成网格的电池转换器设计为多变量系统:直接调节,控制交流电压、频率和相角；间接调节，控制直流电压、电流和剩余电量(State of Charge, SOC),稳定BES系统的充电电压。

图1为使用电池转换器和并网光伏逆变器的混合电力传输系统的控制框图，其中并网光伏逆变器控制结构具有*大功率点跟踪和功率缩减功能。光伏逆变器的控制器不断监视电网参数，并在检测到接收信号5发生特定变化的情况下对传输模式进行解调。从图1中可以看到,BES充电曲线依赖于电力线的间接控制，而无需依靠其他有线通信方式。

图1 控制框图

通常使用以下3种方法实现电池转换器(发射器)和PV逆变器(接收器)之间的通信：

①f的线性变化；

②CF基于模式的变化；

③数字调制传输。使用此特定方法,电池转换器对可控制的载波信号CF进行调制，光伏逆变器以类似于模数转换的方式对信息进行解调。Cf的变化以0和1的格式提供信息。例如，如果电压相位角是用于通信的信号，则以二进制频移键控(Frequency Shift Keying, FSK)的形式使用。在这种特殊情况下,发射器（电池转换器）会引入CF的流变化情况。然后检测并解调此时传输系统中电路的电流变化情况。

表2为在电池转换器和光伏逆变器分布式发电机中电源管理控制器的设计要求。

表2电源管理控制器的设计要求

在本文所提出的光伏电源混合储能控制策略中,电源管理控制需要与多个交流网络进行连接。这种连接和控制方式可以完成多阶段的充电状态监控以及外部发电机之间的信息同步和传递工作。

2基于频率控制的能量均衡和减载策略

本文基于频率的电源管理控制为BES的多*充电功率平衡和减载提供了一种鲁棒的方法,该方法可以有效减少系统的能量损耗，增强整个链路的稳定性，控制结构如图2所示。

图2用于电池转换器线路频率控制的通用控制结构

图2（a）为本文设计的一种通过控制光伏逆变器的功率来间接控制电池充电电压和电流的网格结构。用于线路频率控制的电池电压和电流控制器以比例积分（Proportional Integral,PI）补偿器的形式进行选择。图2（b）为在孤岛离网模式下运行的电池转换器，以及带有可控断路器的交流面板，用于分配交流负载。

2.1 BES充电电源系统分析

图3为具有线频控制和通信能力的以交流为*心的电力系统中能量流控制的按键波形。图3(a),(b)显示了在电池转换器中实现的多*充电曲线,以满足BES的稳定工作需求。电池转换器将BES的SOC和SOH参数维持在一个稳定的区间。

图3具有线频控制和通信能力的以交流为*心的电力系统中能量流控制的按键波形

2.2 BES放电减载

在低辐照度条件下，光伏能量不足以满足交流负载需求。交流负载减少操作如图3（c）所示，在较高的交流负载需求期间变为活动状态。电池SOC电量较低时,电池转换器降低线路频率（f）,而频率变化会导致交流负载序列断开。电池的尺寸和帧是SOR的函数，并且取决于充电倣电速率、SOC范围、放电深度、循环次数和工作温度。系统转换效率的指标需要在系统选型时加以考虑,以确定从BES到交流端口的有效可用能量。

3安科瑞Acrel-2000ES储能能量管理系统解决方案

3.1概述

安科瑞Acrel-2000ES储能能量管理系统具有完善的储能监控与管理功能，涵盖了储能系统设备(PCS、BMS、电表、消防、空调等)的详细信息，实现了数据采集、数据处理、数据存储、数据查询与分析、可视化监控、报警管理、统计报表等功能。在应用上支持能量调度，具备计划曲线、削峰填谷、需量控制、备用电源等控制功能。系统对电池组性能进行实时监测及历史数据分析、根据分析结果采用智能化的分配策略对电池组进行充放电控制，优化了电池性能，提高电池寿命。系统支持Windows操作系统，数据库采用SQLServer。本系统既可以用于储能一体柜，也可以用于储能集装箱，是专门用于储能设备管理的一套软件系统平台。

3.2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。

工商业储能四大应用场景

1）工厂与商场：工厂与商场用电习惯明显，安装储能以进行削峰填谷、需量管理，能够降低用电成本，并充当后备电源应急；

2）光储充电站：光伏自发自用、供给电动车充电站能源，储能平抑大功率充电站对于电网的冲击；

3）微电网：微电网具备可并网或离网运行的灵活性，以工业园区微网、海岛微网、偏远地区微网为主，储能起到平衡发电供应与用电负荷的作用；

4）新型应用场景：工商业储能探索融合发展新场景，已出现在5G基站、换电重卡、港口岸电等众多应用场景。

3.3系统结构

3.4系统功能

3.4.1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。

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。

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，并展示当前电芯的电压、温度值及所对应的位置。

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。

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。

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。

3.4.2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

3.4.3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

3.4.4运行报表

应能查询各子系统、回路或设备规定时间的运行参数，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

3.4.5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

3.4.6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

3.4.7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、三相电压不平衡度和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度和正序/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、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

3.4.8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

3.4.9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

3.4.10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

3.4.11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。

3.4.12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

3.4.13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*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

3.4.14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

3.4.15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，存储事故前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规定和随意修改。

图29事故追忆

3.5系统硬件配置清单

序号	设备	型号	图片	说明
1	能量管理系统	Acre1-2000ES		内部设备的数据采集与监控，由通信管理机、工业平板电脑、串口服务器、遥信模块及相关通信辅件组成。 数据采集、上传及转发至服 务器及协同控制装置。 策略控制:计划曲线、需量控制、削峰填谷、备用电源等。
2	工业平板电脑	PPX133L		承接系统软件 2)可视化展示:显示系统运行信息
3	交流计量电表	DTSD1352		集成电力参数测量及电能计量及考核管理，提供上48月的各类电能数据统计:具有2~31次分次谐波与总谐波含量检测，带有开关量输入和开关量输出可实现“遜信”和“遥控”功能，并具备报警输出。带有RS485通信接口，可选用MODBUS-RTU或DL/T645协议。
4	直流计量电表	DJSF1352		表可测量直流系统中的电压、电流、功率以及正反向电能等； 具有红外通讯接口和RS-485通讯接口，同时支持Modbus-RTU协议和DLT645协议:可带维电器报警输出和开关量输入功能；
5	通信管理机	ANet-2E8S1		能够根据不同的采集规约进行水表、气表、电表、微机保护等设备终端的数据采集汇总； 提供规约转换、透明转发、数据加密压缩、数据转换、边缘计算等多项功能； 实时多任务并行处理数据采集和数据转发，可多链路上送平台据；
6	串口服务器	Aport		功能:转换“辅助系统”的状态数据，反馈到能量管理系统中 1)空调的开关，调温，及完全断电(二次开关实现) 2)上传配电柜各个空开信号 3)上传UPS内部电量信息等 4)接入电表、BSMU等设备
7	遥信模块	ARTU-K16		反馈各个设备状态，将相关数据到串口服务器； 读消防I/0信号，并转发给到上层(关机、事件上报等) 采集水浸传感器信息，并转发给到上层(水浸信号事件上报) 4)读取门禁程传感器信息，并转发给到上层(门禁事件上报)

4结论

本文提出了一种针对电源系统的灵活电源管理策略，可以在含有电池转换器和光伏逆变器的系统中*效地使用。该能量管理策略能够充分利用电力系统中组合架构之间的连接关系，可控制对电池的充放电、状态监测和运行状态、性能的分析，同时可对电池的温度、电压进行实时保护及告警，从而保证系统运行的稳定及安全。

审核编辑 黄宇