浅谈分时计费用户侧光伏储能系统的研究与探讨
安科瑞 陈聪
摘要：微电网是一种新型网络结构，由微电源、负荷、储能系统和控制装置构成的系统单元，能够实现自我保护控制和能量管理的自治系统，可与外部电网并网运行，也可以孤立运行，既可满足用户供电需求，也可满足冷、热、电三联供的需要。
关键词：储能；微电网；能量管理
0、前言
化石能源是不再生的，能够利用太阳能、风能这类取之不尽的能源发电，对能源的可持续发展和环保都有着巨大的现实意义。然而，太阳能、风能等新能源的利用具有不可预测性，一旦条件不允许就可能导致电网网络的不稳定，严重的甚至会导致电网系统的崩溃，微电网就在这样的背景下诞生了。
微电网是大电网的有力补充，是智能电网领域的重要组成部分，可用于解决分布式电源并网带来的技术、市场和政策上的问题，为*大发挥分布式发电技术在经济、能源和环境中的优势提供新思路，在孤立海岛、城市片区及偏远农村地区有广泛的应用前景。
综上，顺应电网智能化建设、安全运行的步伐，在电网中开展微电网电源系统已经迫在眉睫。
1、优势分析
太阳能、风能等可再生能源接入电网给电力系统带来了非常大的影响，虽然相对于传统的能源发电，可再生能源的成本并不低，但是其新型的发电技术对于电网的发展起到了关键的作用。微电网作为分布式发电优化集成的一种方式，在大规模应用之前，还有许多问题需要解决，但是微电网的诸多优点，已经成为世界各国研究的重点，微电网将在未来占有重要的地位。
1.1就近消纳，提高能源效率
微电网内部的电来自于天然气、光伏及风电等分布式能源。在西北之类风光资源充足的地方，修建大型风电场、光伏电站，用户(工业园区、商业区、学校、医院甚至大型的地产项目)在接入小型的风机、光伏、储能、燃气轮机等电源设备时，就能使电能就近消纳，省去了在电网中传输的损耗，提高了能源的使用效率。
1.2单点连接，减少对大电网冲击
微电网与电网系统之间电能交流，是通过微电网与电网系统的公共连接点连接，避免了多个分布式电源与电网系统直接连接。微电网主要用于区域内部的供电，不向外输送或输送很小的功率，对电网系统的影响可以忽略不计。
1.3提高供电可靠性，解决电能需求
微电网采用的控制方式以及大量电力电子装置，将分布式电源、储能装置、可控负荷连接在一起，使得它对于电网系统成为一个可控负荷，并且可以施行并网和独立两种运行方式，充分维护了微电网和大电网的安全稳定运行。
2、微电网能量管理与调度优化
在微电网研究领域，*为关键的技术是储能技术和微电网的运行控制。储能技术在微电网中是特别重要的一项技术，它不仅可以为微电网建立V/F源，还具有削峰填谷的作用，从而提高了间歇式能源的利用效率，该技术的关键在于超导储能技术、超级电容等方面。本文主要围绕微电网的运行控制为内容进行介绍
2.1控制方法
在微电网研究领域，*为关键的技术是微电网的运行控制，目前，有三种比较常见的微电网控制方式，下文对其分别进行阐述。
2.1.1基于电力电子技术等概念的控制方法
该方法根据微电网的控制要求与发电机的下垂特性将不平衡功率动态分配给各机组承担，具有简单、可靠、易于实现的优点。
2.1.2基于能量管理系统的控制方法
该方法采用不同的控制模块分别对有功和无功进行控制，很好地满足了微电网的多种控制要求，此外该方法针对微电网中对无功的不同需求，功率管理系统采用了不同的控制方法从而提高了控制性能。
2.1.3基于多代理技术的微电网控制
该方法将计算机领域的多代理技术应用到微电网，代理的自治性、自发性等特点能够很好地适应和满足微电网分散控制的要求。
2.2微电网能量管理
能量管理系统(EMS)主要针对发输电系统，对电网进行调度决策管理以及控制，提供电网的各种实时信息给调度管理人员，能够提高电能质量，保证电网安全运行以及改善电网运行经济性。
微网能量管理系统(MGEMS)是基于现有电力系统EMS的研究成果，考虑了分布式电源、储能系统的接入以及微网系统技术的应用，是EMS进一步发展的一个重要方面。
微网能量管理系统(MGEMS)通过管理微网内微源及负荷运行状态，结合电价、燃料费用等信息，并根据系统内潮流需求对分布式发电设备、可控负荷、储能设备进行有功、无功指令控制，不仅可实现风能、太阳能等可再生能源的有效利用，而且能使微网经济、可靠运行。
微网能量管理按照时间尺度可分为长期能量管理、短期能量管理，其MGEMS功能模块逻辑图如图1所示。
图1MGEMS功能模块逻辑图
长期能量管理系统的主要功能为：①考虑环境影响及发电成本的分布式发电及负荷小时级预测；②系统内的可控负荷监管及投切管理；③根据网外电力市场信息及网内负荷预测状态，管理系统备用；④考虑长期功率平衡。
短期能量管理的主要功能为：①系统内电压及频率调节；②系统内分布式电源、储能设备实时功率分配。
能量管理系统的框架可分为3个层级分析，设备层、管理层和优化层，具体各层级的功能如下文所述。
设备层包括分布式发电设备、储能设备、开关和量测设备、电子装置，微源储能等终端设备以及能量转换设备，可完成电能供给、设备开断和底层控制命令的执行等。管理层包括管理装置、测控装置以及继电保护装置，是设备层与优化层的信息交互枢纽，实现使用一个间隔的数据并且作用于该间隔一次设备的功能，如电气量采集、设备运行状态监测等。优化层主要是指微电网能量监控与优化系统，可完成能量优化分配，保护信息管理等功能，提供微电网运行的人际交互界面。功能宜高度集成，可由一台计算机实现。
为了做好微电网系统的稳定性和可靠性，目前还需要从如下几方面进行重点的研究：①建立分布式能源单元模型以及微网系统的整体运行、协调控制和优化配置等方面的模型；②准确预测太阳能、风能等发电单元短期及长期出力；③微网内分布式电源及储能系统运行依赖于电力电子接口技术，需要相应的充放电控制策略；④综合热电负荷需求、交互电价、燃料成本、需求侧管理要求等制定运行优化策略。
2.3微电网优化调度
微电网优化调度为能量管理研究的重要内容，一般以实现微电网运行成本、排放成本以及停电成本*小化为目标，满足各类运行约束的前提下，*大限度提高可再生能源利用率及微网运行经济性。
常见约束条件：机组出力约束、运行状态约束、系统潮流约束、可靠性约束。
常用的优化方法有：①数学优化算法：优先顺序法、动态规划法、拉格朗日松弛法等；②智能优化算法：粒子群优化算法、遗传算法、蚁群优化算法、人工神经网络法、专家系统以及网格自适应直接搜索法等.
其微网调度的经济、环境和技术各因素之间的关系如图2所示。
与电力系统的调度相比较，微电网优化调度有较大的不同。①热(冷)电联供：微电网可提供热(冷)/电能，需要同时保证热(冷)电供需平衡。②功率波动显著:微电网中各类分布式电源运行特性不同，且风力发电、光伏发电等可再生能源易受天气因素影响。同时由于微源容量较小，单一的负荷变化将会对微电网的功率平衡产生显著影响；③考虑环境效益：微电网的优化调度不仅仅需要考虑发电的经济成本，还需要考虑分布式电源组合的整体环境效益，调度更加复杂。④不同运行模式：微电网有并网运行和离网运行两种方式，存在着两种不同的优化调度模式。并网运行首先需要考虑大电网的调度计划，其次需要考虑微电网与大电网的交互约束条件。离网运行首先需要确保微网系统安全稳定运行，其次需要考虑微源的*佳出力组合以及负荷调度。
图2微网调度的经济、环境和技术各因素之间的关系
2.4微网控制策略
所有的控制方法都应当满足以下要求：①新的微电源的接入不对大电网造成威胁；②能够自主的选择系统运行点；③平滑与大电网联网或解耦；④对有功、无功可以根据动态的要求进行独立的结构控制。
微电网的控制方式和微电源的类型有关，对于采用的电力电子逆变器来说，常用的控制方法有微电网联网状态下的P/Q控制方式，电压频率VIF控制模式和微网孤岛状态下的下垂控制模式；
2.4.1P/Q控制模式
P/Q控制是逆变器输出的有功功率P和无功功率Q的大小可控，可以根据设定。通常P/Q控制方式用于微电网联网运行状态。在该状态下，微电网内负荷功率波动、频率和电压的扰动由大电网承担，微电网不参与频率调节和电压调节，直接采用电网频率和电压作为支撑。中小型的分布式电源以恒功率拟负荷的外特性为宜，关系上类似负荷，但并不吸收功率。
2.4.2V/F控制模式
VIF控制即恒压恒频控制，指的是通过控制手段使逆变器输出端口电压的幅值U和频率F保持恒定。
微网中逆变器的电压和频率控制是电网在孤岛运行中提供强有力的电压稳定和频率稳定保障，与传统电力系统的频率二次调整类似。当大系统发生故障时，微电网与大电网发生解列，由于微电网的内部功率不平衡所带来的一系列问题都可以由VIF控制来解决。
2.4.3下垂控制模式
下垂控制方式主要是指逆变器经过一定电力电子控制与传统电力系统一次调频相似。通过解耦有功-频率与无功-电压之间的下垂特性曲线进行系统电压和频率调节的方式。
目前主要由两种常有逆变器调差率控制的方式，一种采用有功-频率(P-F)和无功-电压(Q-V)调差率控制方式。另一种则采用有功-电压(P-V)和无功-功率(Q-F)反调差率控制。两种控制方式原理基本类似，根据不同线路特性和控制要求，选择不同的控制方法即可。
3、安科瑞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1部分：微电网规划设计导则
NB/T10149-2019微电网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。
3.6.1.2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*大、*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*和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度百分*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、*大值、*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和随意修改。
图29事故追忆
4、结语
微网运行方式灵活，不仅解决了分布式电源接入电网对电网造成的影响，发挥了分布式电源的各项优势，而且实现了能源的高效、清洁利用，大大提高了电力系统的灵活性和安全可靠性。
微网能量优化作为微电网研究的重要组成部分，是发挥微电网良好经济效益和环境效益的关键技术。目前对微电网能量优化的研究已较为深入，但实际的工程应用还较少，后期可根据实际工程开发微网能量管理系统，将研究成果转化为工程应用。也可随着电网的不断发展建设和微电网项目数量不断增多，将若干微电网通过特定方式组合在一起可构成微网群，因此需要研究各自微网之间能量互济以及协调优化。
参考文献
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