淺談光儲充微電網系統在工業園區的應用

摘要：以滿足將來電網消納規模化可再生能源的需求出發，研究適合工商業園區推廣應用的光儲充微電網系統關鍵技術。首先論述園區光儲充微電網的必要性，然后搭建了園區光儲充微電網的系統架構，以及各系統通信方式的說明。研究園區光儲充微電網的順序控制策略，包括并網模式和離網模式以及并離網切換技術。*后在園區光儲充微電網的經濟性，從直接體現和間接體現進行建模分析和論述。

關鍵詞：園區光儲充微電網，順序控制、并離網切換、經濟性

0引言

大力發展可再生能源已成為全球性的能源戰略，微電網技術是提高可再生能源發電靈活性和可控性的有效途徑，但微電網的技術復雜性和經濟性一直制約其規模化推廣使用。并且隨著可再生能源的規模化發展，我國大電網存在著越來越嚴重的安全性和可靠性問題，目前微電網技術應用主要還是國家相關示范工程，技術商業應用尚未清晰，行業還處于系統關鍵技術研究階段。文獻[4]提出自適應下垂控制策略，有利于儲能與負荷功率自動分配，但源荷功率易受母線電壓影響而頻繁切換。文獻[5]采用電壓滯環控制，但會造成控制延時導致并離網誤切換事故發生。文獻[6]采用分層協調控制策略，各單元變流器可依次對模型電壓進行自動調節，但受到母線電壓波動影響。文獻[7]對農村地區多能源互補發電微電網進行研究，分析了微電網孤島和并網兩種運行方式的調度策略，但并未考慮微電網的經濟性運行。文獻[8]利用儲能削峰填谷，使光儲微電網系統的運行成本*低，但未能利用分布式光伏及負荷來實現*大化降低運行成本。本文從園區光儲充微電網的必要性開始論述，搭建了園區光儲充微電網的系統架構，以及各系統通信方式的說明。研究了園區光儲充微電網的順序控制策略，包括并網模式和離網模式以及并離網切換技術。從直接體現和間接體現進行建模分析和論述了園區光儲充微電網的經濟性。

1園區光儲充微電網的必要性

隨著近幾年光伏及充電樁迅速發展，城市電氣化的不斷深入，規模化的光伏電站及充電站對城市電網的沖擊尤為突出[9]。利用光儲充微電網進行功率調整對區域性配電網顯得越來越重要，本文針對工業園區光儲充微電網進行分析，具體如下。

1）光伏電站角度。當前很多公司建設光伏電站，卻并未考慮到光伏電站對電網產生的影響，并且自給率很低。大規模應用對電網的穩定性產生較大沖擊，使得國網公司對光伏并入電網進行一定的限制。

2）充電站角度。充電站易出現集中性額定功率充電，產生用電高峰，對電網造成一定的波動，可通過增配儲能來進行有效地。

3）配電網角度。由于城市初期配電線路的容量規劃并未考慮大規模充電樁的建設，充電樁對電網產生的負荷壓力，使得變壓器及配網線路不得不進行改造。故可增加儲能及光伏使得充電站在用電高峰從電網側需求功率大大減少，實現線路上的負荷平移，符合電網初期建設投入及穩定性。而且對于計劃或非計劃（包括突發災害）而導致的停電，儲能也可提供一定的后備保障，提高電網的健壯性。

4）經濟角度。園區用電和充電站的峰谷用電量及峰谷電價差距大。可通過園區加入儲能，建設園區光儲微電網來實現峰谷填移。投資者只需幾年便可收回成本，取得收益。而且隨著國家對儲能補貼的制定及光伏平價上網，建設園區光儲微電網的經濟性更為明顯。

5）綜合需求角度。隨著近幾年光伏、新能源汽車和儲能的迅猛發展，各工業園都會選擇在本園區投資建設光伏、充電樁亦或儲能。但建設光伏、充電樁和儲能的廠家大都是孤立的，沒有進行各系統功率的協調。本系統解決的就是綜合各系統功能，可自由組合，充分發揮光伏電站、充電站和儲能的功能，能取得良好的經濟效益和社會效益。

2園區光儲充微電網系統

2.1園區光儲充微電網系統架構

由于工業園區和充電站的占地面積比較大，無須考慮占地問題，是建設光儲充微電網系統的良好條件。

本系統接入示意圖如圖1所示。采用三相交流母線的方式，將各光伏子系統、儲能子系統及充電樁通過交流母線聯絡在一起，并于電網側并網接入。微電網監控裝置可對微電網進行實時的監測與控制，主要包括監測配電網功率和電能質量，對光伏電站數據采集和必要時的功率限制，通過對儲能電站充放電控制進行峰谷填移，實現良好的經濟效益，對充電站的數據采集并進行功率分配。而云平臺管理則可通過微電網監控裝置獲取的信息進行數據存儲、預測分析和優化調度，并且可對微電網監控裝置的下發命令，實時控制各子系統。園區光儲充微電網接入示意圖如圖1所示。

圖1園區光儲充微電網接入示意圖

2.2通信方式

考慮建設成本及方便可靠性，云平臺管理系統和微電網監控裝置宜采用無線通信方式，可采用目前配用電通用的DL/T634.5104通信協議。而微電網監控裝置對各子系統的實時監測與控制，則需要針對不同子系統來選擇不同的通信方式。譬如對光伏電站，可通過RS485通信方式，采用光伏逆變器標準的Modbus通信協議。對于儲能電站，可通過CAN通信方式，采用BMS和PCS通用的CAN2.0B協議。針對充電站，宜采用以太網通信或無線通信方式。

3園區光儲充微電網控制技術

本系統分為兩種模式：并網模式和離網模式。在并網模式下，云平臺通過獲取次日天氣數據和光伏功率歷史數據，預測出次日光伏功率曲線。并且云平臺通過充電站的功率歷史數據，預測出次日充電站的功率曲線。根據預測的次日光伏和充電站功率曲線，以及峰谷時間段，云平臺經過優化分析，計算出次日*優的儲能電站出力功率曲線。云平臺下發調度曲線給微電網監控裝置，由微電網監控裝置對各子系統實時控制。當夏天光伏發電功率過大，微電網監控裝置通過云平臺下發的調度指令對光伏電站進行限功率運行。而當充電站在用電高峰用電過大，可對光伏電站*大功率運行，對儲能電站進行放電，也可調節充電站的用電功率。這些方式都可用來平衡聯絡線功率。該光儲充微電網從而保證了電網電能質量和穩定性。

當電網由于自然災害或者發電側不能滿足用電側時，只好切斷園區負荷用電，這時此園區光儲充微電網進行離網模式下運行，為園區正常供電。

存在并網模式和離網模式便會涉及到并離網模式的切換，本系統采用順序控制。當電網失電或孤島保護，本系統便從并網模式切換到離網模式，主要包括并網停機，黑啟動兩個步驟，流程框圖如圖2所示。首先初始化，然后儲能電站、光伏電站和充電站停機，并將并網點開關分閘，*后運行儲能電站、充電站和光伏電站。通過調節充電站、儲能電站和光伏電站功率進行平衡聯絡線功率。

當電網來電后，系統會由離網模式自動切換到并網模式，主要包括離網停機、并網啟動兩個步驟，流程框圖如圖3所示。首先初始化，然后儲能電站、光伏電站和充電站停機，并將并網點合閘，*后運行充電站、光伏電站和儲能電站。通過微電網監控裝置獲取云平臺調度指令，對充電站、光伏電站和儲能電站進行功率調節，獲得各子系統*優的功率配置。

通過云平臺管理系統和微電網監控裝置的信息交互，可群管群控充電站、光伏電站和儲能電站。

并且儲能電站和光伏電站直接與充電站聯絡，能夠解決充電站集中大功率充電所帶來的饋線容量問題。同時有利于光伏電站的自發自用，就地消納。儲能電站不僅能進行削峰填谷，而且為用戶提供用電的后備保障。

4園區微電網光儲充微電網經濟性分析

建設光儲充微電網相比較各獨立系統的經濟性主要可分為直接體現和間接體現。

圖2并網模式切換到離網模式流程框圖

圖3離網模式切換到并網模式流程框圖

（1）直接體現

相對于獨立的光伏系統，還有光儲充微電網可以就地消納，自發自用，通過買賣電成本差價的原理帶來光伏收益*大化，其中光伏在此微電網1kW·h電帶來的收益如EPVN公式（1）所示（由于光伏系統建設成本都是必要的，在此公式不考慮初期投資建設成本）。

式中，ESUB為1kW·h電量在光伏電站中補貼收益，不同區域補貼收益不同；ESELL為1kW·h電量在光伏電站中售電收益。

售電收益包括賣給電網的收益，自發自用的收益兩部分，計算如公式（2）所示。

式中，ESUB為園區光伏每發1kW·h電自發自用部分的收益，計算如式（3）所示。

式中，EONLIN為園區光伏每發1度電余電上網部分的收益，計算如式（4）所示。

式中，EUSE為1kW·h電量在該時段的綜合峰谷平電價；KUSE為自發自用的電量在光伏每發1kW·h電的占比；SONLIN為光伏賣給電網的電價。

儲能電站主要通過峰谷差價實現經濟化收益，其中儲能在此微電網1kW·h電帶來的收益計算公式為

式中，KLOSS為1kW·h電在園區微電網儲能電站中的損耗。STOU為峰谷差價；CEQ為1kW·h電在園區微電網儲能電站中的成本，計算如式（6）所示。

式中，CBAT為電池1kW·h電成本，元；NCYCLE為電池的總循環充電次數。

（2）間接體現

在此園區光儲充微電網中儲能電站主要間接經濟體現在一方面是在提供后備保障性用電，同時通過和光伏電站的配合，有效利用停電時光伏不能離網發電的問題。一方面在光伏電站發電高峰時期，過多電量流入電網，可通過儲能電站充電將多余電量盡量存儲下來。在夜間光伏不可發電的用電高峰時，再通過儲能電站放電實現儲能更經濟運行。另一方面在園區短時用電高峰，可通過儲能電站大功率放電，減少園區需量超標而增加用電需量成本。在此園區光儲充微電網中充電站主要間接經濟體現在于可通過動態調節負荷，和其他電站配合，提高光伏電站發電利用率，充分利用儲能電站峰谷時段差價，實現*優經濟運行。在配電網層面，可有效降低配電網饋線建設和升級改造成本，通過云平臺智能管理調度也可實現變壓器和饋線的零升級，并且有效降低網損。

5安科瑞微電網能量管理系統

Acrel-2000MG微電網能量管理系統能夠對微電網的源、網、荷、儲能系統、充電負荷進行實時監控、診斷告警、全景分析、有序管理和控制，滿足微電網運行監視化、安全分析智能化、調整控制前瞻化、全景分析動態化的需求，完成不同目標下光儲充資源之間的靈活互動與經濟優化運行，實現能源效益、經濟效益和環境效益*大化。

5.1主要功能

實時監測；

能耗分析；

智能預測；

協調控制；

經濟調度；

需求響應。

5.2系統特點

平滑功率輸出，提升綠電使用率；

削峰填谷、谷電利用，提高經濟性；

降低充電設備對局部電網的沖擊；

降低站內配電變壓器容量；

實現源荷*高匹配。

5.3相關控制策略

1. 削峰填谷：配合儲能設備、低充高放
2. 需量控制：能量儲存、充放電功率跟蹤

1. 備用電源

1. 柔性擴容：短期用電功率大于變壓器容量時，儲能放電，滿足負載用能要求

5.4核心功能

1）多種協議

支持多種規約協議，包括：ModbusTCP/RTU、DL/T645-07/97、IEC60870-5-101/103/104、MQTT、CDT、第三方協議定制等。

2）多種通訊方式

支持多種通信方式：串口、網口、WIFI、4G。

3）通信管理

提供通信通道配置、通信參數設定、通信運行監視和管理等。提供規約調試的工具，可監視收發原碼、報文解析、通道狀態等。

4）智能策略

系統支持自定義控制策略，如削峰填谷、需量控制、動態擴容、后備電源、平抑波動、有序充電、逆功率保護等策略，保障用戶的經濟性與安全性。

5）全量監控

覆蓋傳統EMS盲區，可接入多種協議和不同廠家設備實現統一監制，實現環境、安防、消防、視頻監控、電能質量、計量、繼電保護等多系統和設備的全量接入。

5.5系統功能

系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電樁及總體負荷情況，體現系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電樁信息、告警信息、收益、環境等。

1. 儲能監控

系統綜合數據：電參量數據、充放電量數據、節能減排數據；

運行模式：峰谷模式、計劃曲線、需量控制等；

統計電量、收益等數據；

儲能系統功率曲線、充放電量對比圖，實時掌握儲能系統的整體運行水平。

1. 光伏監控

光伏系統總出力情況

逆變器直流側、交流側運行狀態監測及報警

逆變器及電站發電量統計及分析

并網柜電力監測及發電量統計

電站發電量年有效利用小時數統計，識別低效發電電站；

發電收益統計(補貼收益、并網收益)

輻照度/風力/環境溫濕度監測

并網電能質量監測及分析

1. 光伏預測

以海量發電和環境數據為根源，以高精度數值氣象預報為基礎，采用多維度同構異質BP、LSTM神經網絡光功率預測方法。

時間分辨率：15min

超短期未來4h預測精度＞90%

短期未來72h預測精度＞80%

短期光伏功率預測

超短期光伏功率預測

數值天氣預報管理

誤差統計計算

實時數據管理

歷史數據管理

光伏功率預測數據人機界面

1. 風電監控

風力發電系統總出力情況

逆變器直流側、交流側運行狀態監測及報警

逆變器及電站發電量統計及分析

并網柜電力監測及發電量統計

電站發電量年有效利用小時數統計，識別低效發電電站；

發電收益統計(補貼收益、并網收益)

風力/風速/氣壓/環境溫濕度監測

并網電能質量監測及分析

1. 充電樁系統

實時監測充電系統的充電電壓、電流、功率及各充電樁運行狀態；

統計各充電樁充電量、電費等；

針對異常信息進行故障告警；

根據用電負荷柔性調節充電功率。

1. 電能質量

對整個系統范圍內的電能質量和電能可靠性狀況進行持續性的監測。如電壓諧波、電壓閃變、電壓不平衡等穩態數據和電壓暫升/暫降、電壓中斷暫態數據進行監測分析及錄波展示，并對電壓、電流瞬變進行監測。

5.6設備選型

6結束語

本文針對園區光儲充微電網系統進行研究，分析了其必要性，研究了園區光儲充微電網系統架構，通信技術，提出了一種并離網模式及切換的方案，基于此方案提出了順序控制策略。*后分析園區光儲充微電網的經濟性，為將來園區光儲充微電網商業化發展提供技術基礎。