淺談分布式新能源發電中的儲能系統能量管理分析
劉辰
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801
【摘要】：能源是維持社會穩定發展的關鍵助力，其可以在實際生產發展階段中合理轉化為社會公眾必需的動力、光能、熱能及其他自然資源。結合各類條件及劃分標準來看，可以將能源展開多樣化分類定位，主要包括常規能源與新能源，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及利用的資源，主要涉及海洋能、太陽能、風能及地熱能等等。在此期間，風能主要是因地表結構在高溫度條件下產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域朝向低壓區域不斷流動所產生的風，此過程中所形成的動能便被稱為風能。太陽能指的是陽光照射于地球表層展開能量轉換與利用。分布式發電中的儲能系統為了有效降低功率波動所帶來的影響，就需要在外部電網展開新能源輸出，從而促使系統時刻維持自帶負載輸出狀態。
【關鍵詞】：分布式新能源；發電；儲能系統；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發展的資源和能源。生物質能是借助各類綠色植物的光合作用實現能量轉換。地熱能主要來源于地球熔巖內部存在的天然熱能，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。成本作為產品價格的定價條件，其承擔著彰顯企業管理水準、經營業績和競爭實力的關鍵角色。各項產品的材料消耗、生產力及能源消耗量等均貫穿于企業經營管理的全過程當中，并利用成本指標體現在大眾視界中。在社會發展的過程中，能源是人類生存和活動的物質基礎，是經濟增長的重要動力。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傳統的石油、煤炭等的能源資源。近年來，風能、太陽能等新型可再生能源的開發利用越來越受到重視，我國已經把風電作為未來電力系統建設的重點項目。
2分析新能源的概述
2.1分析新能源的含義
我國的傳統化石能源主要是有煤炭、石油和天然氣，其中煤的儲量占據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量的百分之六十以上，大約占據全國總產煤量的百分之五到百分之十。由于燃燒時產生了大量的污染物（如二氧化硫，NOx,CH4)，導致環境污染嚴重。因此，開發新型的潔凈高效的可替代的清潔環保的電力系統，減少對常規電源的依賴性，實現節能減排，提高電力系統的安全穩定運行，是電網公司的重要任務。在傳統的電力系統中，主要使用的都是風能、太陽能、水能等。而這些都是電能，它們都不能被替代，所以人們把目光轉向了其他的領域一光伏發電。風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，導致了它的開發利用受到很大限制。因此，要想使風力發電的技術得到更好的應用，就需要對其進行更深入的研究與探索。
2.2分析新能源發電的現狀
對于我國而言，是存在著比較豐富的風能儲量，其中太陽能的開發和應用是大的優勢之一，在以往的二十年中，光伏產業的發展速度是快的。在二零一一年，光伏發電的總裝機容量達到了三萬千瓦，占全國總發電量的百分之零點五。但是由于技術的落后和成本的高低等因素，導致目前的風力發電的規模一直不能滿足市場的需求量。我國的新能源發電的開發與應用起步較晚，在計劃經濟體制下，對傳統的火力發電的依賴性很強，而且由于新能源資源分布不均勻，導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電中的儲能系統工作模式
系統能源管理的過程中，關鍵的參數主要包括以下幾個方面內容：一是電池的超前狀態；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關系，在此情況下就需要采取間接測量法。分布式新能源發電中的儲能系統使用的是系統系數積分法與卡門過濾器，從而實現在電池的線上能夠計算出SOC。對此進行簡要的分析與討論，根據相關預測，如果將電力容量的SOC正常狀態設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。可以得出在實際應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。當采用同一種控制策略應對所有模式時，檢查電池的SOC、超級電容器以及系統運行時間之外的電網，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總線混合發電系統，主要借助太陽能和風力發電，通常情況下，在實際運行過程中，高的跟蹤狀態則為太陽能與風力發電輸出處于快速的變化因素。例如，在天氣情況良好的狀態下，采用超級電容器作為能源儲存設備。在此之外分布式的新能源發電中，儲能系統為了可以促進其在孤島狀態下處于長期和穩定的運行模式，則是需要采用長期能量儲存的裝置，通過合理的應用大容量的電池，例如612V/65Hz。應明確的是，根據兩種不同的能源儲存單元的自身特點、外部電網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電系統
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中，但是因為新能源發電系統采用的太陽能和風能發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本地載荷驟然降低或增加的突發情況。當出現此種情況時，勢必會導致發電系統輸出功率發生高頻波動。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，就應當充分利用超級電容控制這部分波動功率。除此之外，在分布式新能源發電儲能系統處在孤島條件或并網狀態下運行時，同樣可以對儲能系統中的功率采取上述能量管理策略進行合理的配置，根據實際運行情況產生出實際所需功率。同時能夠通過合理調節增益K的方式，實現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，當超級電容剩余較大的容量時，可以將增益K相應的提高，從而促使超級電容能夠承擔較多的功率輸出。
4.2分析蓄電池的異常模式
蓄電池異常模式狀態下的情況主要表現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，然而超級電容裝置中的剩余容量卻一直處于正常狀態。在這個情況下，就會使其整體電網系統運行的安全性和穩定性大幅度的降低。所以為了確保系統的正常運行，在極短的時間內使系統恢復到正常工作模式。同時，當分布式發電中的儲能系統處于并網狀態的情況下，其實際的運行狀態就會與蓄電池電容異常模式比較接近，此時，為了盡快恢復蓄電池裝置自身的剩余容量，就采用內外電網能量交換的方法，從而真正確保系統的正常運行。在此過程中，可能會產生一定的功率沖擊，但其對系統造成的實際影響并不明顯。除此之外，在孤島狀態下儲能系統實際運行過程中，由于超級電容裝置自身能量存儲狀態有一定的限制，因此難以促使蓄電池裝置在短時間內借助能量傳遞的方式恢復到正常工作狀態。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到正常的運行狀態。
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較高或者是比較低的異常情況。在這個情況下，分布式發電儲能系統自身的性能會降低，例如其吸收和釋放高頻功率性能，嚴重時還會給整體系統相應功能帶來嚴重的負面影響。及時使系統恢復到正常的工作模式。與此同時，當分布式新能源發電中儲能系統處于并網狀態當中時，可以將外部電網視為一個不設上限的電網連接，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當中，從而能夠促使自身在短時間內恢復到正常的運行狀態。此外，在孤島狀態下，儲能系統運行過程當中，由于會缺乏外部電網提供的相應輔助支持，因此就應當充分確保儲能系統一直維持在功率平衡的
穩定狀態，通過超級電容來切實提升系統自身的反應力。與此同時，為了確保分布式新能源發電輸出功率穩定性的有效提升，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變為上述的其中一個模式，之后采用相對應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下來講，為了有效維持敏感負荷始終處于正常狀態下，就剔除一些不必要的負載，從而充分確保分布式新能源發電系統處于穩定狀態。
5 Acrel-2000ES儲能能量管理系統
5.1平臺概述
安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統具有完善的儲能監控與管理功能,涵蓋了儲能系統設備(PCS、BMS、電表、消防、空調等)的詳細信息,實現了數據采集、數據處理、數據存儲、數據查詢與分析、可視化監控、報警管理、統計報表等功能。在高級應用上支持能量調度,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,是專門用于設備管理的一套軟件系統平臺。
5.2系統結構圖
系統人機界面友好，能夠顯示儲能柜的運行狀態，實時監測PCS、BMS以及環境參數信息，如電參量、溫度、濕度等。實時顯示有關故障、告警、收益等信息。
系統能夠實時監測PCS、BMS、電表、空調、消防、除濕機等設備的運行狀態及運行模式。
PCS監控：滿足儲能變流器的參數與限值設置；運行模式設置；實現儲能變流器交直流側電壓、電流、功率及充放電量參數的采集與展示；實現PCS通訊狀態、啟停狀態、開關狀態、異常告警等狀態監測。
BMS監控：滿足電池管理系統的參數與限值設置；實現儲能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監測；實現電池充放電狀態、電壓、電流及溫度異常狀態的告警。
空調監控：滿足環境溫度的監測，可根據設置的閾值進行空調溫度的聯動調節，并實時監測空調的運行狀態及溫濕度數據，以曲線形式進行展示。
UPS監控：滿足UPS的運行狀態及相關電參量監測。
系統能夠對PCS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。
滿足儲能系統設備參數的配置、電價參數與時段的設置、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。
儲能能量管理系統具有實時告警功能，系統能夠對儲能充放電越限、溫度越限、設備故障或通信故障等事件發出告警。
儲能能量管理系統能夠對遙信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。
可以通過每個設備下面的紅色按鈕對PCS、風機、除濕機、空調控制器、照明等設備進行相應的控制，但是當設備未通信上時，控制按鈕會顯示無效狀態。
儲能能量管理系統為保障系統安全穩定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控的操作，數據庫修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。
6相關平臺部署硬件選型清單
設備 | 型號 | 圖片 | 說明 |
儲能能量管理系統 | Acrel-2000ES |
| 實現儲能設備的數據采集與監控，統計分析、異常告警、優化控制、數據轉發等； 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)承接系統軟件 2)可視化展示:顯示系統運行信息 |
交流計量表計 | DTSD1352 |
| 集成電力參量及電能計量及考核管理，提供各類電能數據統計。具有諧波與總諧波含量檢測，帶有開關量輸入和開關量輸出可實現“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協議。 |
直流計量表計 | DJSF1352 |
| 表可測量直流系統中的電壓、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協議和DLT645協議;可帶繼電器報警輸出和開關量輸入功能。 |
溫度在線監測裝置 | 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2段報警，繼電器輸出可以任意設置報警方向及報警值。 |
通訊管理機 | ANet-2E8S1 |
| 能夠根據不同的采集規約進行水表、氣表、電表、微機保護等設備終端的數據采集匯總；提供規約轉換、透明轉發、數據加密壓縮、數據轉換、邊緣計算等多項功能；實時多任務并行處理數據采集和數據轉發，可多鏈路上送平臺據。 |
串口服務器 | Aport |
| 功能:轉換“輔助系統"的狀態數據，反饋到能量管理系統中。1)空調的開關，調溫，及斷電(二次開關實現)；2)上傳配電柜各個空開信號；3)上傳UPS內部電量信息等；4)接入電表、BSMU等設備 |
遙信模塊 | ARTU-KJ8 |
| 1)反饋各個設備狀態，將相關數據到串口服務器；2)讀消防1/0信號，并轉發給到上層(關機、事件上報等)；3)采集水浸傳感器信息，并轉發給到上層(水浸信號事件上報)；4)讀取門禁程傳感器信息，并轉發給到上層(門禁事件上報)。 |
參考文獻
史明亮.探析新能源發電與分布式發電及其對電力系統的影響[J].現代制造技術與裝備
陳浩龍.適應分布式新能源發電系統負荷調峰策略研究[J].節能與環保
黃北軍.共直流母線型的分布式新能源發電系統協調控制技術研究[J].電氣開關
安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05版
董暢.分布式新能源發電中的儲能系統能量管理分析
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