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光储微电网混合储能系统的控制策略解决方案

光储微电网混合储能系统的控制策略解决方案

摘要:随着社会生产力的不断提高,对不可再生资源的大量消耗,人们已经意识到发展可再生能源的重要性,因此微电网技术作为再生能源利用的有效形式被快速发展。蓄电池容量无限大是传统光储微电网混合储能系统控制策略一种理想形式,但实际上蓄电池的容量是有限度的,传统控制策略在蓄电池剩余电量达到阖值时将无法正常使用,由此提出了光储微电网混合储能系统的新型控制策略,又结合实际情况,对开关进行了改进,利用开关与二极管并联,使其拥有四种工作状态,当储能元件剩余电量达到阈值时,可自动恢复电量降低成本,提高并输出电池电能质量。

关键词:光储微电网;控制策略;开关优化

0、前言

在微电网运行过程中,光储能系统可以使系统中的能量进行缓冲,是微电网运行中不可缺少的环节,由于经济原因光储能设备的配置不应太高,在选择储能系统容量与额定功率时要结合实际情况,选用合适的设备配置,提高微电网安全经济的运行。目前市场上储能功率容量大小,没有统一的规定,这是由于混合储系统中储能介质之间功率分配及容量优化所导致的,因此需要对此进行深入的研究,笔者在独立微电网到并网微电网,从单一储能到混合储能,做了较为立体的研究,在开关优化方面也做了一些相关的介绍,并得到了一些有意义的结论。

1、光储微电网混合储能系统

独立型微电网:结合仿真实验,在满足供电可靠的前提下,弃置部分过剩能量可以使得所需的储能容量维持在较低水平,克服了传统的储能容量在运行中逐渐增加的缺陷。如何减小储能容量,通过实验发现选用光伏发电院与风力发电混合比例可以达到。通过提高微电网发电充裕度,可以降低微电网对储能的需求,并对光伏发电和风力发电的最优比例混合产生影响。

储能系统与微电网:等效微电网的调度效果是利用储能系统补偿,可再生能源发电预测性误差所产生的,它是针对可再生能源发电系统中微电网与储能系统配合发电的运行机制。通过分析,可再生能源发电预测误差的概率分布,运用区间估计和概率理论的方法大致获得储能系统的容量和功率,在此基础上可以预测储能配置与准确性的关系,能够进一步得出微电网中储能分散配置与集中配置对储存能量的影响,通过实验结果可以得出,充分利用各个装置的可用容量减小微电网系统的容量,从这一角度而言,集中配置好于分散配置。

能装置分析:通过科学实验比较以锂电池为代表的能量型储能装置和超级电容为代表的功率型储能装置,在平滑能量波动方面的特性,得出结果表明功率型储能装置可以平滑短时功率波动,但对常识功率波动表现不佳,能量型储能装置可以平滑,小浮动功率波动,特别在平滑常识波动过洞中最能发挥其优势,却难以适应大幅波动情况。

混合储能系统分析:考虑到单一功率型和能量型储存装置在平滑功率时的波动局限性,可以将两者有机的结合到一起组成混合储能系统,从而发挥其各自长处,通过控制理论功率优化分配法,可以降低混合系统的总成本。通过运用遗传算法使各储能间的充放电功率约束荷电状态,满足平滑目标的柔性约束,达到混合系统最优配置。通过实验仿真结果表明,功率优化分配方法可以充分发挥两种介质的优点,了解的状态设定的范围内并有效的减少能量的储能充电次数,并在柔性约束优化问题中,采用遗传算法求解,能够使用优化问题收敛至最优解。另外通过仿真结果表明适当的放松充电次数,可以有效的减少混合储能系统的容量与功率,可以结合实际成本,进行混合储能的系统配。

储能元件保护开关优化:在故障发生或极端天气的情况下,原件的保护开关发挥着重要作用,为防止储能元件过充与过放,在储能元件soc达到阈值时将其从电网断开。传统的保护开关只有断开和闭合的功能。这就使开关在断开后,需要独立的充放电路,将储能元件soc恢复到正常水平,才能在接入电网;其过程非常繁琐,并且成本也很高,针对这种情况,笔者对保护电路进行改造,通过两个开关,两个二极管并联组成,使保护电路形成四种不同的工作状态,当储能元件Soc到达上限时,一个开关导通,一个开关断开,储能原件只放电,并且防止原件同时自动恢复电量独立放电电路,从而降低成本,soc下线时同里,改进保护开关结合上文中的改进控制策略就可以实现储能原件恢复电量的同时,平抑光伏输入功率波动平滑,并网输出功率,提高并网电能质量。

2、光储微电网混合储能系统发展展望

在对独立性微电网储能系统控制策略研究时,从储能容量最小方向进行研究的,仿真结果表明储能放电效率对光伏风电优化比例及储能容量存在一定的影响,具体产生的原因,本文中没有进一步讨论。

在比较能量型储能与功率型储能在平华可再生能源功率波动方面性能差异时,只是在投资成本相同的前提下额定容量和额定功率,这之间未考虑想用速度方面的影响。另外,不同的储能戒指成本也不是随着额定容量和额定功率现金增长的因素,也未能考虑。

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,是我司根据新型电力系统下微电网监控系统与微电网能量管理系统的要求,总结国内外的研究和生产的先进经验,专门研制出的企业微电网能量管理系统。本系统满足光伏系统、风力发电、储能系统以及充电桩的接入,全天候进行数据采集分析,直接监视光伏、风能、储能系统、充电桩运行状态及健康状况,是一个集监控系统、能量管理为一体的管理系统。该系统在安全稳定的基础上以经济优化运行为目标,促进可再生能源应用,提高电网运行稳定性、补偿负荷波动;有效实现用户侧的需求管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷,提高电力设备运行效率、降低供电成本。为企业微电网能量管理提供安全、可靠、经济运行提供了全新的解决方案。

微电网能量管理系统应采用分层分布式结构,整个能量管理系统在物理上分为三个层:设备层、网络通信层和站控层。站级通信网络采用标准以太网及TCP/IP通信协议,物理媒介可以为光纤、网线、屏蔽双绞线等。系统支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

3.2技术标准

本方案遵循的国家标准有:

本技术规范书提供的设备应满足以下规定、法规和行业标准:

GB/T26802.1-2011工业控制计算机系统通用规范第1部分:通用要求

GB/T26806.2-2011工业控制计算机系统工业控制计算机基本平台第2部分:性能评定方法

GB/T26802.5-2011工业控制计算机系统通用规范第5部分:场地安全要求

GB/T26802.6-2011工业控制计算机系统通用规范第6部分:验收大纲

GB/T2887-2011计算机场地通用规范

GB/T20270-2006信息安全技术网络基础安全技术要求

GB50174-2018电子信息系统机房设计规范

DL/T634.5101远动设备及系统第5-101部分:传输规约基本远动任务配套标准

DL/T634.5104远动设备及系统第5-104部分:传输规约采用标准传输协议子集的IEC60870-5-网络访问101

GB/T33589-2017微电网接入电力系统技术规定

GB/T36274-2018微电网能量管理系统技术规范

GB/T51341-2018微电网工程设计标准

GB/T36270-2018微电网监控系统技术规范

DL/T1864-2018独立型微电网监控系统技术规范

T/CEC182-2018微电网并网调度运行规范

T/CEC150-2018低压微电网并网一体化装置技术规范

T/CEC151-2018并网型交直流混合微电网运行与控制技术规范

T/CEC152-2018并网型微电网需求响应技术要求

T/CEC153-2018并网型微电网负荷管理技术导则

T/CEC182-2018微电网并网调度运行规范

T/CEC5005-2018微电网工程设计规范

NB/T10148-2019微电网第1部分:微电网规划设计导则

NB/T10149-2019微电网第2部分:微电网运行导则

3.3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。

3.4型号说明

3.5系统配置

3.5.1系统架构

本平台采用分层分布式结构进行设计,即站控层、网络层和设备层,详细拓扑结构如下:

图1典型微电网能量管理系统组网方式

3.6系统功能

3.6.1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。

3.6.1.1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。3.6.1.2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,并展示当前电芯的最大、最小电压、温度值及所对应的位置。

3.6.1.3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。

3.6.1.4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。

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。

3.6.2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

3.6.3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

3.6.4运行报表

应能查询各子系统、回路或设备指定时间的运行参数,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

3.6.5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

3.6.6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

3.6.7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、三相电压不平衡度百分百和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度百分百和正序/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、最大值、最小值、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

3.6.8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

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

3.6.11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。

3.6.12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。

3.6.13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)。可以定义不同级别用户的登录名、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。

3.6.14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。

3.6.15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指定和随意修改。

图29事故追忆

4、结语

通过对光储微电网混合系统控制策略及开关优化方面的分析,能够合理的选择出额定功率和额定容量的配置,从而保障微电网的经济运行。

参考文献

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[5]赵亮.光储微电网混合储能系统的控制策略及开关优化[C].2019

[6]安科瑞企业微电网设计与应用设计,2022,05

审核编辑(
王静
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