淺談分布式新能源發(fā)電中的儲能系統(tǒng)能量管理分析
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801
【摘要】：能源是維持社會穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵助力，其可以在實際生產(chǎn)發(fā)展階段中合理轉(zhuǎn)化為社會公眾必需的動力、光能、熱能及其他自然資源。結(jié)合各類條件及劃分標(biāo)準(zhǔn)來看，可以將能源展開多樣化分類定位，主要包括常規(guī)能源與新能源，前者通常涵蓋了石油、水能、天然氣、煤炭等普及使用的能源類型，而后者是新時代社會還沒有普遍開發(fā)及利用的資源，主要涉及海洋能、太陽能、風(fēng)能及地?zé)崮艿鹊?。在此期間，風(fēng)能主要是因地表結(jié)構(gòu)在高溫度條件下產(chǎn)生的水蒸氣與氣溫差造成的氣壓差異，進而在空氣由高壓區(qū)域朝向低壓區(qū)域不斷流動所產(chǎn)生的風(fēng)，此過程中所形成的動能便被稱為風(fēng)能。太陽能指的是陽光照射于地球表層展開能量轉(zhuǎn)換與利用。分布式發(fā)電中的儲能系統(tǒng)為了有效降低功率波動所帶來的影響，就需要在外部電網(wǎng)展開新能源輸出，從而促使系統(tǒng)時刻維持自帶負載輸出狀態(tài)。
【關(guān)鍵詞】：分布式新能源；發(fā)電；儲能系統(tǒng)；能量管理；分析
1緒論
在新能源的概念下，可以將其定義為：新能源是指具有一定能量的清潔的可再生能源，它是一種新型的可持續(xù)發(fā)展的資源和能源。生物質(zhì)能是借助各類綠色植物的光合作用實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。地?zé)崮苤饕獊碓从诘厍蛉蹘r內(nèi)部存在的天然熱能，海洋能通常涵蓋了波浪能、潮汐能等等。成本是對資源消耗展開化運算的計量方法，不但涉及資金費用的消耗，還包括人力資源與物力資源的成本。成本作為產(chǎn)品價格的定價條件，其承擔(dān)著彰顯企業(yè)管理水準(zhǔn)、經(jīng)營業(yè)績和競爭實力的關(guān)鍵角色。各項產(chǎn)品的材料消耗、生產(chǎn)力及能源消耗量等均貫穿于企業(yè)經(jīng)營管理的全過程當(dāng)中，并利用成本指標(biāo)體現(xiàn)在大眾視界中。在社會發(fā)展的過程中，能源是人類生存和活動的物質(zhì)基礎(chǔ)，是經(jīng)濟增長的重要動力。在過去的幾十年里，化石燃料的大量消耗和環(huán)境污染的問題一直沒有得到解決，人們開始尋求新的清潔可再生能源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石油、煤炭等的能源資源。近年來，風(fēng)能、太陽能等新型可再生能源的開發(fā)利用越來越受到重視，我國已經(jīng)把風(fēng)電作為未來電力系統(tǒng)建設(shè)的重點項目。
2分析新能源的概述
2.1分析新能源的含義
我國的傳統(tǒng)化石能源主要是有煤炭、石油和天然氣，其中煤的儲量占據(jù)總儲量的百分之七十左右，然而這些礦物都是的，而可再生的煤量約占總產(chǎn)量的百分之六十以上，大約占據(jù)全國總產(chǎn)煤量的百分之五到百分之十。由于燃燒時產(chǎn)生了大量的污染物（如二氧化硫，NOx,CH4)，導(dǎo)致環(huán)境污染嚴重。因此，開發(fā)新型的潔凈高效的可替代的清潔環(huán)保的電力系統(tǒng)，減少對常規(guī)電源的依賴性，實現(xiàn)節(jié)能減排，提高電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，是電網(wǎng)公司的重要任務(wù)。在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中，主要使用的都是風(fēng)能、太陽能、水能等。而這些都是電能，它們都不能被替代，所以人們把目光轉(zhuǎn)向了其他的領(lǐng)域一光伏發(fā)電。風(fēng)能作為目前世界上豐富的可用能源，它也是取之不盡、用之不竭的重要來源。但是，由于其自身存在的局限性，導(dǎo)致了它的開發(fā)利用受到很大限制。因此，要想使風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)得到更好的應(yīng)用，就需要對其進行更深入的研究與探索。
2.2分析新能源發(fā)電的現(xiàn)狀
對于我國而言，是存在著比較豐富的風(fēng)能儲量，其中太陽能的開發(fā)和應(yīng)用是大的優(yōu)勢之一，在以往的二十年中，光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度是快的。在二零一一年，光伏發(fā)電的總裝機容量達到了三萬千瓦，占全國總發(fā)電量的百分之零點五。但是由于技術(shù)的落后和成本的高低等因素，導(dǎo)致目前的風(fēng)力發(fā)電的規(guī)模一直不能滿足市場的需求量。我國的新能源發(fā)電的開發(fā)與應(yīng)用起步較晚，在計劃經(jīng)濟體制下，對傳統(tǒng)的火力發(fā)電的依賴性很強，而且由于新能源資源分布不均勻，導(dǎo)致了新能源的利用率較低，這也限制了其使用范圍。
3分析分布式新能源發(fā)電中的儲能系統(tǒng)工作模式
系統(tǒng)能源管理的過程中，關(guān)鍵的參數(shù)主要包括以下幾個方面內(nèi)容：一是電池的超前狀態(tài)；二是超級電容器。在物理算法中，超電容器和單電壓的平方形成正比例的關(guān)系，因此可以推出能夠通過測量超電容器的單電壓獲取剩余容量。但需要特別注意的是，電池在工作過程中，剩余容量和單電壓兩者之間并不存在明確的函數(shù)關(guān)系，在此情況下就需要采取間接測量法。分布式新能源發(fā)電中的儲能系統(tǒng)使用的是系統(tǒng)系數(shù)積分法與卡門過濾器，從而實現(xiàn)在電池的線上能夠計算出SOC。對此進行簡要的分析與討論，根據(jù)相關(guān)預(yù)測，如果將電力容量的SOC正常狀態(tài)設(shè)定為百分之二十到百分之九十之間，那么低容量可能為百分之二十以下，高容量則為百分之九十以上?？梢缘贸鲈趯嶋H應(yīng)用過程中會存在諸如SOC的百分之三十到百分之九十、電池、低容量以及高容量等多種模式。當(dāng)采用同一種控制策略應(yīng)對所有模式時，檢查電池的SOC、超級電容器以及系統(tǒng)運行時間之外的電網(wǎng)，就可以明確分布式新能源中儲存能量所需的控制策略。如圖1所示，AC/DC總線混合發(fā)電系統(tǒng)，主要借助太陽能和風(fēng)力發(fā)電，通常情況下，在實際運行過程中，高的跟蹤狀態(tài)則為太陽能與風(fēng)力發(fā)電輸出處于快速的變化因素。例如，在天氣情況良好的狀態(tài)下，采用超級電容器作為能源儲存設(shè)備。在此之外分布式的新能源發(fā)電中，儲能系統(tǒng)為了可以促進其在孤島狀態(tài)下處于長期和穩(wěn)定的運行模式，則是需要采用長期能量儲存的裝置，通過合理的應(yīng)用大容量的電池，例如612V/65Hz。應(yīng)明確的是，根據(jù)兩種不同的能源儲存單元的自身特點、外部電網(wǎng)實際狀況以及剩余容量情況等，分別采用針對性的控制策略。
圖1交流混合母線分布式發(fā)電系統(tǒng)
4分析各種各樣工作模式下的電能管理策略
4.1分析儲能系統(tǒng)處于正常模式的情況
對于這種模式而言，是為常見的工作模式，此時電池的剩余容量和超級電容都是維持在正常狀態(tài)中，但是因為新能源發(fā)電系統(tǒng)采用的太陽能和風(fēng)能發(fā)電模式都是具有著間歇性的特點，所以實際運行時容易出現(xiàn)本地載荷驟然降低或增加的突發(fā)情況。當(dāng)出現(xiàn)此種情況時，勢必會導(dǎo)致發(fā)電系統(tǒng)輸出功率發(fā)生高頻波動。并且同時又因為蓄電池裝置需要比較長的時間來完成充電或是放點過程，就難以及時有效的控制此種高頻波動。所以，就應(yīng)當(dāng)充分利用超級電容控制這部分波動功率。除此之外，在分布式新能源發(fā)電儲能系統(tǒng)處在孤島條件或并網(wǎng)狀態(tài)下運行時，同樣可以對儲能系統(tǒng)中的功率采取上述能量管理策略進行合理的配置，根據(jù)實際運行情況產(chǎn)生出實際所需功率。同時能夠通過合理調(diào)節(jié)增益K的方式，實現(xiàn)有效分配超級電容與蓄電池兩種儲能裝置所輸出的功率。例如，當(dāng)超級電容剩余較大的容量時，可以將增益K相應(yīng)的提高，從而促使超級電容能夠承擔(dān)較多的功率輸出。
4.2分析蓄電池的異常模式
蓄電池異常模式狀態(tài)下的情況主要表現(xiàn)為蓄電池儲能裝置所剩余的容量處于比較低或比較高的狀態(tài)，然而超級電容裝置中的剩余容量卻一直處于正常狀態(tài)。在這個情況下，就會使其整體電網(wǎng)系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性大幅度的降低。所以為了確保系統(tǒng)的正常運行，在極短的時間內(nèi)使系統(tǒng)恢復(fù)到正常工作模式。同時，當(dāng)分布式發(fā)電中的儲能系統(tǒng)處于并網(wǎng)狀態(tài)的情況下，其實際的運行狀態(tài)就會與蓄電池電容異常模式比較接近，此時，為了盡快恢復(fù)蓄電池裝置自身的剩余容量，就采用內(nèi)外電網(wǎng)能量交換的方法，從而真正確保系統(tǒng)的正常運行。在此過程中，可能會產(chǎn)生一定的功率沖擊，但其對系統(tǒng)造成的實際影響并不明顯。除此之外，在孤島狀態(tài)下儲能系統(tǒng)實際運行過程中，由于超級電容裝置自身能量存儲狀態(tài)有一定的限制，因此難以促使蓄電池裝置在短時間內(nèi)借助能量傳遞的方式恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。針對此種情況，就只能借助超級電容來確保能量的有效傳遞，直到并網(wǎng)成功之后，才能夠再將蓄電池裝置充電，從而確保其能夠恢復(fù)到正常的運行狀態(tài)。
4.3分析超級電容異常模式
對于超級電容異常模式而言，其所表現(xiàn)出的異常情況主要是為在蓄電池儲能裝置自身剩余容量處于正常情況下，而超級電容儲能裝置中的剩余容量卻會出現(xiàn)較高或者是比較低的異常情況。在這個情況下，分布式發(fā)電儲能系統(tǒng)自身的性能會降低，例如其吸收和釋放高頻功率性能，嚴重時還會給整體系統(tǒng)相應(yīng)功能帶來嚴重的負面影響。及時使系統(tǒng)恢復(fù)到正常的工作模式。與此同時，當(dāng)分布式新能源發(fā)電中儲能系統(tǒng)處于并網(wǎng)狀態(tài)當(dāng)中時，可以將外部電網(wǎng)視為一個不設(shè)上限的電網(wǎng)連接，在此情況下，超級電容就可以借助能量傳遞的方式，來將超出自身的能量傳遞到外部電網(wǎng)當(dāng)中，從而能夠促使自身在短時間內(nèi)恢復(fù)到正常的運行狀態(tài)。此外，在孤島狀態(tài)下，儲能系統(tǒng)運行過程當(dāng)中，由于會缺乏外部電網(wǎng)提供的相應(yīng)輔助支持，因此就應(yīng)當(dāng)充分確保儲能系統(tǒng)一直維持在功率平衡的
穩(wěn)定狀態(tài)，通過超級電容來切實提升系統(tǒng)自身的反應(yīng)力。與此同時，為了確保分布式新能源發(fā)電輸出功率穩(wěn)定性的有效提升，還強化超級電容與蓄電池二者儲能裝置之間的能量傳遞，從而切實達到能量有效管理的目的。
4.4分析全部異常模式
針對于全部異常模式狀態(tài)下的儲能管理策略而言，是需要綜合上述幾種異常情況，通過直流母線之間的相互均衡，使其促進異常模式可以合理的轉(zhuǎn)變?yōu)樯鲜龅钠渲幸粋€模式，之后采用相對應(yīng)的管理策略進行控制。針對都處于異常模式下的能量管理策略來講，可以分為下面兩種情況：一是蓄電池剩余容量與超級電容都處于過高的情況，此時就需要在孤島運行過程中，控制其自身輸出功率；二是對于蓄電池剩余容量與超級電容兩者都處在過低的狀態(tài)下來講，為了有效維持敏感負荷始終處于正常狀態(tài)下，就剔除一些不必要的負載，從而充分確保分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。
5 Acrel-2000ES儲能能量管理系統(tǒng)
5.1平臺概述
安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統(tǒng)具有完善的儲能監(jiān)控與管理功能,涵蓋了儲能系統(tǒng)設(shè)備(PCS、BMS、電表、消防、空調(diào)等)的詳細信息,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報警管理、統(tǒng)計報表等功能。在高級應(yīng)用上支持能量調(diào)度,具備計劃曲線、削峰填谷、需量控制、備用電源等控制功能。既可以用于儲能一體柜,也可以用于儲能集裝箱,是專門用于設(shè)備管理的一套軟件系統(tǒng)平臺。
5.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
系統(tǒng)人機界面友好，能夠顯示儲能柜的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測PCS、BMS以及環(huán)境參數(shù)信息，如電參量、溫度、濕度等。實時顯示有關(guān)故障、告警、收益等信息。
系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測PCS、BMS、電表、空調(diào)、消防、除濕機等設(shè)備的運行狀態(tài)及運行模式。
PCS監(jiān)控：滿足儲能變流器的參數(shù)與限值設(shè)置；運行模式設(shè)置；實現(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；實現(xiàn)儲能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監(jiān)測；實現(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)置的閾值進行空調(diào)溫度的聯(lián)動調(diào)節(jié)，并實時監(jiān)測空調(diào)的運行狀態(tài)及溫濕度數(shù)據(jù)，以曲線形式進行展示。
UPS監(jiān)控：滿足UPS的運行狀態(tài)及相關(guān)電參量監(jiān)測。
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。
滿足儲能系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)的配置、電價參數(shù)與時段的設(shè)置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制等。
儲能能量管理系統(tǒng)具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)δ艹浞烹娫较蕖囟仍较?、設(shè)備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。
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行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。
可以通過每個設(shè)備下面的紅色按鈕對PCS、風(fēng)機、除濕機、空調(diào)控制器、照明等設(shè)備進行相應(yīng)的控制，但是當(dāng)設(shè)備未通信上時，控制按鈕會顯示無效狀態(tài)。
儲能能量管理系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，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)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。
6相關(guān)平臺部署硬件選型清單
設(shè)備 | 型號 | 圖片 | 說明 |
儲能能量管理系統(tǒng) | Acrel-2000ES |
| 實現(xiàn)儲能設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，統(tǒng)計分析、異常告警、優(yōu)化控制、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等； 策略控制:計劃曲線、需量控制、削峰填谷、備用電源等。 |
觸摸屏電腦 | PPX-133L |
| 1)承接系統(tǒng)軟件 2)可視化展示:顯示系統(tǒng)運行信息 |
交流計量表計 | DTSD1352 |
| 集成電力參量及電能計量及考核管理，提供各類電能數(shù)據(jù)統(tǒng)計。具有諧波與總諧波含量檢測，帶有開關(guān)量輸入和開關(guān)量輸出可實現(xiàn)“遙信"和“遙控"功能，并具備報警輸出。帶有RS485 通信接口，可選用MODBUS-RTU或 DL/T645協(xié)議。 |
直流計量表計 | DJSF1352 |
| 表可測量直流系統(tǒng)中的電壓、電流、功率以及正反向電能等;具有紅外通訊接口和RS-485通訊接口，同時支持Modbus-RTU協(xié)議和DLT645協(xié)議;可帶繼電器報警輸出和開關(guān)量輸入功能。 |
溫度在線監(jiān)測裝置 | ARTM-8 |
| 適用于多路溫度的測量和控制，支持測量8通道溫度;每一通道溫度測量對應(yīng)2段報警，繼電器輸出可以任意設(shè)置報警方向及報警值。 |
通訊管理機 | ANet-2E8S1 |
| 能夠根據(jù)不同的采集規(guī)約進行水表、氣表、電表、微機保護等設(shè)備終端的數(shù)據(jù)采集匯總；提供規(guī)約轉(zhuǎn)換、透明轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)加密壓縮、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、邊緣計算等多項功能；實時多任務(wù)并行處理數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，可多鏈路上送平臺據(jù)。 |
串口服務(wù)器 | Aport |
| 功能:轉(zhuǎn)換“輔助系統(tǒng)"的狀態(tài)數(shù)據(jù)，反饋到能量管理系統(tǒng)中。1)空調(diào)的開關(guān)，調(diào)溫，及斷電(二次開關(guān)實現(xiàn))；2)上傳配電柜各個空開信號；3)上傳UPS內(nèi)部電量信息等；4)接入電表、BSMU等設(shè)備 |
遙信模塊 | ARTU-KJ8 |
| 1)反饋各個設(shè)備狀態(tài)，將相關(guān)數(shù)據(jù)到串口服務(wù)器；2)讀消防1/0信號，并轉(zhuǎn)發(fā)給到上層(關(guān)機、事件上報等)；3)采集水浸傳感器信息，并轉(zhuǎn)發(fā)給到上層(水浸信號事件上報)；4)讀取門禁程傳感器信息，并轉(zhuǎn)發(fā)給到上層(門禁事件上報)。 |
參考文獻
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陳浩龍.適應(yīng)分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)負荷調(diào)峰策略研究[J].節(jié)能與環(huán)保
黃北軍.共直流母線型的分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究[J].電氣開關(guān)
安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2022.05版
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