淺談光伏儲能直流微電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)

安科瑞 陳聰

摘要：在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，光伏技術(shù)成為光伏與建筑兩大行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。在建設(shè)中引入光電、儲能、微網(wǎng)是目前的一個(gè)發(fā)展趨勢，受接入資源的多樣性和不連續(xù)的限制,合理控制、優(yōu)化分配資源成為一項(xiàng)難題。研究建立一個(gè)智能微電網(wǎng)控制系統(tǒng),利用集態(tài)控制系統(tǒng)、分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)電源系統(tǒng)和計(jì)量系統(tǒng)合理平衡電力、負(fù)載和儲能裝置,達(dá)到離網(wǎng)工作的有功電源與無功功率的均衡,同時(shí)逐步切斷部分非關(guān)鍵負(fù)載,確保對關(guān)鍵負(fù)載的安全用電,并大限度增加系統(tǒng)的可靠性和智能度。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；直流儲能；智能微電網(wǎng)；監(jiān)控

1、引言

微電網(wǎng)是指由多種能源組成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，微電網(wǎng)的提出旨在實(shí)現(xiàn)分布式電源的靈活、高效應(yīng)用，解決數(shù)量龐大、形式多樣的分布式電源并網(wǎng)問題。開發(fā)和延伸微電網(wǎng)能夠充分促進(jìn)分布式電源與可再生能源的大規(guī)模接入，實(shí)現(xiàn)對負(fù)荷多種能源形式的高可靠供給，是實(shí)現(xiàn)主動式配電網(wǎng)的一種有效方式，使傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)過渡。

鑒于現(xiàn)有電力系統(tǒng)監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的能量管理平臺存在靈活性差且調(diào)試周期長的問題，同時(shí)缺乏對環(huán)境溫度、水汽等建筑能耗參數(shù)的測控能力，無法支持可再生能源建筑和社區(qū)熱電聯(lián)供系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化能量管理和精細(xì)化能效分析，本項(xiàng)目將開發(fā)一套光伏儲能直流智能微電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)。

2、技術(shù)背景

近幾年，全球范圍應(yīng)對氣候變化進(jìn)程顯著加速，將氣候變化問題作為21世紀(jì)人類面臨的重大挑戰(zhàn)之一成為全球共識。2020年9月，我國提出“力爭2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的戰(zhàn)略決策。應(yīng)對碳中和領(lǐng)域的挑戰(zhàn)，在綠色轉(zhuǎn)型中實(shí)現(xiàn)共同發(fā)展，已經(jīng)成為國內(nèi)國際面臨的重要共同任務(wù)。據(jù)國際能源署（IEA）數(shù)據(jù)顯示，2018年，中國碳排放（折算為CO2，下同）約為100億t，其中，建筑運(yùn)行約為21億t，占21%，建筑業(yè)約為18億t，占18%。同西方發(fā)達(dá)相比，我國建筑運(yùn)行碳排放占比偏低，但建筑材料和建造碳排放占比偏高。2022年4月1日，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部出臺《建筑節(jié)能與可再生能源通用技術(shù)規(guī)范》，對建筑節(jié)能和太陽能、地?zé)崮?、空氣能與建筑的結(jié)合應(yīng)用提出了更具體的要求，將逐步提升至近零能耗建筑。由于應(yīng)用了各種類型的能源形式，依靠常規(guī)的電網(wǎng)和化石能源的建筑能源系統(tǒng)正在向多種能源綜合利用模式發(fā)展。同時(shí)，多種儲電、儲冷、儲熱技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，使得能源系統(tǒng)更加復(fù)雜多樣?？咳斯た刂坪秃唵蔚淖詣踊刂齐y以滿足建筑綜合能源系統(tǒng)可靠、高效運(yùn)行的需要。光伏儲能直流智能微電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。

西門子SpectrumPower微網(wǎng)管理系統(tǒng)和EnergyIPDEOP云平臺可完成對熱電多能互補(bǔ)和電源負(fù)荷的統(tǒng)一管理。施耐德電氣公司推出新一代數(shù)字能效管理平臺EMS+，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備可視化管理、設(shè)備預(yù)防性維護(hù)和BIM3D建模；日本的松下、日立等公司推出了CEMS、HEMS等社區(qū)級和家庭級通用能源管理平臺，實(shí)現(xiàn)了能源供給與負(fù)荷用能的協(xié)調(diào)。國外的軟件一般規(guī)模較大，可塑性弱，難以適應(yīng)國內(nèi)建筑能源系統(tǒng)的多樣化需求。

國內(nèi)的建筑監(jiān)控和能量管理軟件主要是在常規(guī)電力監(jiān)控軟件上衍生出來的，如組態(tài)王、力控、MCGS、瑞爾、杰控等組態(tài)軟件，其主要功能還停留在數(shù)據(jù)采集和統(tǒng)計(jì)分析階段，若需要增加負(fù)荷控制和能效管理，需要進(jìn)行定制化開發(fā)，費(fèi)用和周期長。與國外的綜合能源管理平臺相比，國內(nèi)平臺處于起步階段，功能較單一，難以實(shí)現(xiàn)多種能源的協(xié)調(diào)運(yùn)行。

1. 技術(shù)方案

為了解決社區(qū)或工業(yè)園區(qū)級能源系統(tǒng)的智能化管理和控制問題，擬開發(fā)一套光伏儲能直流智能微電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由基于嵌入式技術(shù)的硬件控制器和主控系統(tǒng)兩部分組成，立足于為商業(yè)園區(qū)、現(xiàn)代化社區(qū)或新型城鎮(zhèn)等多種能源利用場景提供定制化服務(wù)，提高用能的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。整體技術(shù)方案及功能如下：

（1）開發(fā)基于嵌入式技術(shù)的邊緣控制器，主要功能為通信功能、數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)保護(hù)以及智能化控制和能量管理。

（2）開發(fā)一套能量管理主控系統(tǒng)，除具備SCADA系統(tǒng)的監(jiān)控、保護(hù)、數(shù)據(jù)存儲、事件記錄、人機(jī)交互等功能外，還具備智能化能量管理功能。

（3）開發(fā)不同控制和能量管理功能的軟件模塊，可自由組合調(diào)用，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化控制。

（4）該系統(tǒng)硬件設(shè)備及軟件程序均具有高度的兼容性，支持各類通信協(xié)議的端口及軟件程序，可實(shí)現(xiàn)對光伏、風(fēng)電、天然氣、電采暖、電儲能、熱儲能等各種能源形式的管理。

3.1系統(tǒng)框架搭建

光伏儲能直流智能微電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)采用“云-邊-端”協(xié)同的能量管理系統(tǒng)架構(gòu)，通過“本地計(jì)算＋云端優(yōu)化”的協(xié)同方式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在線優(yōu)化升級，也降低了網(wǎng)絡(luò)通信的依賴。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)框架分為配電網(wǎng)調(diào)度層、微電網(wǎng)集中控制層、就地控制層。就地控制層包括發(fā)電電源、儲能系統(tǒng)、負(fù)載及交直流（DC/AC）控制部分。微電網(wǎng)集中控制層包括控制，由監(jiān)測單元和統(tǒng)計(jì)分析組成，監(jiān)測單元按照監(jiān)測對象不同包含發(fā)電、儲能、負(fù)載3部分。發(fā)電監(jiān)測其重點(diǎn)電壓、電流、功率等參數(shù)；儲能監(jiān)測內(nèi)容包括電壓、電流、功率及荷電狀態(tài)等；負(fù)載監(jiān)測包括類型、功率、用電量等；而統(tǒng)計(jì)分析利用多種展示形式，分析各部分的運(yùn)行狀態(tài)及決策處理。保護(hù)部分分別對儲能、電源、用戶進(jìn)行保護(hù)，計(jì)量部分通過電表進(jìn)行電費(fèi)結(jié)算。配電網(wǎng)調(diào)度層有調(diào)度系統(tǒng)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果進(jìn)行能源調(diào)度，實(shí)現(xiàn)能源的優(yōu)化利用。

3.2軟硬件設(shè)計(jì)

3.2.1儲能系統(tǒng)

儲能系統(tǒng)包括儲能蓄電池和逆變器兩部分。儲能蓄電池可以是鉛酸電池、磷酸鐵鋰電池、飛輪儲能系統(tǒng)；逆變器的作用是控制儲能部分，并進(jìn)行交直流逆變。逆變器有功率閉環(huán)運(yùn)行和電壓閉環(huán)運(yùn)行兩種工作方式，分別在并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種狀態(tài)下運(yùn)行。逆變器直流側(cè)電壓為儲能系統(tǒng)工作電壓，交流側(cè)電壓常用380V或400V母線電壓。儲能系統(tǒng)還配置了電池管理系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)檢測儲能單元的電壓、電流、溫度等參數(shù)，通過高精度剩余電量及電池健康度估算，評估蓄電池的放點(diǎn)電流，并上傳監(jiān)控參數(shù)。

3.2.2能量管理系統(tǒng)

能量管理系統(tǒng)研究冷、熱、電、氣物理量的低耗電量無線傳輸技術(shù)以及模塊化組網(wǎng)通信技術(shù)，開發(fā)嵌入式邊緣控制器。主要功能為通信、數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)保護(hù)，以及智能化控制和能量管理功能。

3.2.3微電網(wǎng)監(jiān)控管理系統(tǒng)

微電網(wǎng)監(jiān)控管理系統(tǒng)基于瀏覽器和服務(wù)器（B/S）架構(gòu)模式的能源管理云平臺設(shè)計(jì)技術(shù)，除具備數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（SCADA）系統(tǒng)的監(jiān)控、保護(hù)、數(shù)據(jù)存儲、事件記錄、人機(jī)交互等功能外，還具備智能化能量管理功能。主控系統(tǒng)具有高度兼容性和可擴(kuò)展性，可根據(jù)不同的應(yīng)用場景組成定制化系統(tǒng)架構(gòu)以及實(shí)現(xiàn)監(jiān)控保護(hù)功能。

3.3性能參數(shù)

系統(tǒng)具有高度兼容性和可擴(kuò)展性，可根據(jù)不同的應(yīng)用場景組成定制化系統(tǒng)架構(gòu)，并提供相應(yīng)的控制管理策略，以及監(jiān)控保護(hù)功能。在此過程中，不僅支持各類能源之間的調(diào)度和分配，同時(shí)考慮電熱轉(zhuǎn)換、電冷轉(zhuǎn)換等不同類型能源形式之間的交叉耦合利用。

系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。

4.系統(tǒng)功能

4.1.實(shí)時(shí)監(jiān)測

系統(tǒng)人機(jī)界面友好，能夠顯示儲能柜的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)顯示有關(guān)故障、告警、收益等信息。

4.2.設(shè)備監(jiān)控

系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測PCS、BMS、電表、空調(diào)、消防、除濕機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行模式。

PCS監(jiān)控：滿足儲能變流器的參數(shù)與限值設(shè)置；運(yùn)行模式設(shè)置；實(shí)現(xiàn)儲能變流器交直流側(cè)電壓、電流、功率及充放電量參數(shù)的采集與展示；實(shí)現(xiàn)PCS通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開關(guān)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(shè)置；實(shí)現(xiàn)儲能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監(jiān)測；實(shí)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(diào)監(jiān)控：滿足環(huán)境溫度的監(jiān)測，可根據(jù)設(shè)置的閾值進(jìn)行空調(diào)溫度的聯(lián)動調(diào)節(jié)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)及溫濕度數(shù)據(jù)，以曲線形式進(jìn)行展示。

UPS監(jiān)控：滿足UPS的運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)電參量監(jiān)測。

4.3.曲線報(bào)表

系統(tǒng)能夠?qū)CS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。

4.4.策略配置

滿足儲能系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)的配置、電價(jià)參數(shù)與時(shí)段的設(shè)置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制等。

4.5.實(shí)時(shí)報(bào)警

儲能能量管理系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)δ艹浞烹娫较?、溫度越限、設(shè)備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

4.6.事件查詢統(tǒng)計(jì)

儲能能量管理系統(tǒng)能夠?qū)b信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報(bào)警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。

4.7.遙控操作

可以通過每個(gè)設(shè)備下面的紅色按鈕對PCS、風(fēng)機(jī)、除濕機(jī)、空調(diào)控制器、照明等設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制，但是當(dāng)設(shè)備未通信上時(shí)，控制按鈕會顯示無效狀態(tài)。

4.8.用戶權(quán)限管理

儲能能量管理系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如遙控的操作，數(shù)據(jù)庫修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。

4.9儲能電表產(chǎn)品選型

5.結(jié)語

光伏儲能直流智能微電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)有利用集態(tài)控制系統(tǒng)、分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)電源系統(tǒng)和計(jì)量系統(tǒng)合理平衡電力、負(fù)載和儲能裝置，達(dá)到離網(wǎng)工作的有功功率與無功功率的均衡，同時(shí)逐步切斷部分非關(guān)鍵負(fù)載，確保對關(guān)鍵負(fù)載的安全用電，并高限度提高系統(tǒng)的可靠性和智能度。為滿足不同能源系統(tǒng)需求，能源管理平臺采用的模塊化設(shè)計(jì)方案分為不同的系列和功能，可根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模和類型進(jìn)行配置。應(yīng)用場景可適用于常規(guī)光伏發(fā)電系統(tǒng)、光儲發(fā)電系統(tǒng)、交流微電網(wǎng)系統(tǒng)、直流微電網(wǎng)系統(tǒng)以及建筑電熱冷綜合能源。能源管理平臺適用于的系統(tǒng)裝機(jī)容量從幾十千瓦到幾百千瓦不等。

參考文獻(xiàn)

【1】韓金峰，陳敬欣.光伏儲能直流智能微電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)研發(fā)

【2】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用手冊.2020.06版