淺談工商企業(yè)用電管理的分布式儲能設計

安科瑞 劉邁

　　摘要：文章設計了一種新的用于工商業(yè)用電管理的分布式儲能系統(tǒng)。由于儲能系統(tǒng)硬件置換成本高，選擇在傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)的硬件框架基礎上，對控制軟件進行優(yōu)化設計，建立分布式儲能系統(tǒng)模型，分析發(fā)電量、儲電量及損失電量三者之間的關系，并分析其優(yōu)化需求。在此基礎上，基于有收斂優(yōu)化系統(tǒng)調(diào)度，確定系統(tǒng)模態(tài)切換策略，實現(xiàn)倒送電能的*效充電存儲。對比傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)，文章設計的系統(tǒng)能夠管控倒送電能充電存儲、減少資源浪費，并且存儲過程中電能調(diào)度成本更低、經(jīng)濟效益更高。

　　關鍵詞：工商業(yè)用電管理；分布式儲能系統(tǒng)

　　0.引言

　　當前社會能源消耗巨大，傳統(tǒng)能源日漸減少，探求新的可再生能源成為資源發(fā)展的研究熱點，分布式電源應運而生。為解決分布式電源存在的局限性，保證微電網(wǎng)的功率平衡，電力企業(yè)引入了分布式儲能系統(tǒng)。分布式儲能系統(tǒng)具有適用范圍廣、污染小的優(yōu)勢，可以提升電網(wǎng)對新能源的消納比例。然而，分布式儲能系統(tǒng)的發(fā)展也面臨挑戰(zhàn)。在工商業(yè)用電管理中，充放電造成的電力損耗較大，造成了資源的浪費，經(jīng)濟效益不明顯。為此，章設計了一種新的工商業(yè)用電管理分布式儲能系統(tǒng)。

　　1.系統(tǒng)優(yōu)化需求

　　在分布式儲能系統(tǒng)控制電網(wǎng)的過程中，如果遇到大規(guī)模用電接入的情況，分布式電源的出力會增大，極易導致配電網(wǎng)與主電網(wǎng)之間的負荷差值變大，進而產(chǎn)生電壓超限的問題，使分布式儲能系統(tǒng)的電力損耗較大，且控制過程中的能源浪費也隨之增加，增加系統(tǒng)整體的經(jīng)濟成本。假設某一時段配電網(wǎng)負荷參數(shù)值為，分布式電源的出力參數(shù)值為Et，當發(fā)生功率倒送情況時，二者的關系如下：

　　Et＜Ed（1）

　　基于上述關系式，根據(jù)典型日負荷曲線（如圖1所示），可以分析系統(tǒng)的優(yōu)化需求。

　　在圖1中，電網(wǎng)中接入量過大時，分布式儲能系統(tǒng)中的電源出力增加，出現(xiàn)功率倒送的情況，這樣會導致能源的浪費。因此，需要控制儲能系統(tǒng)，在倒送情況發(fā)生時管控倒送電能，進行充電存儲，以減少電力資源的浪費，提高對風能、光能等新能源的消納能力。

2.系統(tǒng)設計

　　為提高電網(wǎng)經(jīng)濟效益，需要在傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)的硬件框架上，對軟件進行優(yōu)化設計。

　　2.1建立分布式儲能系統(tǒng)模型

　　分布式儲能系統(tǒng)是集合發(fā)電、儲能及能源監(jiān)控功能為一體的能源系統(tǒng)。需要在深入研究分布式儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎上，建立相應的數(shù)學模型，分析發(fā)電量、儲電量和損失電量之間的關系，為后續(xù)優(yōu)化打下基礎。對于系統(tǒng)發(fā)電量的預測，多采用數(shù)值模擬的方法，建立儲能系統(tǒng)內(nèi)部組件的數(shù)學模型。以分布式光伏電源為例，其發(fā)電量受太陽輻射量影響，并與溫度有關，受感應的光伏組件會將太陽輻射轉(zhuǎn)化為電能，其運行的瞬時功率的q計算公式可以表示如下：

　　式中：?為一般情況下電源內(nèi)部組件的發(fā)電效率；ε為溫度系數(shù)；Y為當前實際的組件溫度；G為當前接收的太陽輻射量。基于上述公式，能夠建立分布式光伏電源的數(shù)學模型。然而，實際發(fā)電量受太陽光照角度、系統(tǒng)設備運行溫度及光譜等因素的影響。需要綜合考慮各種因素，對上述數(shù)學模型進行優(yōu)化。假設光伏電源接收的有效輻射率為E，其計算公式如下

　　式中：s0為一般情況下系統(tǒng)內(nèi)部的短路電流；αs為短路時電流的溫度系數(shù)；s為系統(tǒng)內(nèi)短路電流；tc、t0分別為分布式電源組件運行中的實際溫度和理想情況下的運行溫度。

　　在這種情況下，計算系統(tǒng)內(nèi)電源的發(fā)電量I，計算公式如下：

　　式中：Ia為分布式電源內(nèi)部的光電流；Ib為相應的反向飽和電流；w為*大功率時電流的溫度參數(shù)；c為電源大功率時的電壓；z為開路電壓；x為開路電壓下，系統(tǒng)內(nèi)部相應的溫度系數(shù)；φ為串聯(lián)的光伏電池的數(shù)量；u為單位負荷；κ為玻爾茲曼常數(shù)。上述各項參數(shù)均能夠通過測量獲得。

　　2.2基于收斂優(yōu)化系統(tǒng)調(diào)度

　　基于分布式儲能系統(tǒng)的優(yōu)化需求，為減少能源損耗、提高計算效率，選擇在時間約束的基礎上，優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)的儲能調(diào)度，以得到收斂的方案。假設在分布式儲能系統(tǒng)中，能夠儲能的組件單元有n個，為了使調(diào)度儲能過程中充電損耗*小，目標函數(shù)如下：

　　式中：i為進行儲能充電的單元組件；GiPi為單元組件i運行時的功率損耗。

　　要滿足電網(wǎng)儲能系統(tǒng)的調(diào)度優(yōu)化需求，就要消滅倒送功率。考慮電網(wǎng)穩(wěn)定性，需要維持功率平衡，也就是要滿足主電網(wǎng)負荷pg＞0的條件，其條件公式可以表示如下：

　　式中：ph為儲能系統(tǒng)運行過程中，電網(wǎng)在某一時段的總負荷；pd為同一時段下，分布式電源的功率；pc為相同時段內(nèi)，該儲能充電單元的運行功率。

　　在上述條件的基礎上，基于拉格朗日理論，建立分布式儲能系統(tǒng)內(nèi)部調(diào)度的優(yōu)化算法，優(yōu)化后，儲能充電單元運行功率cp的計算公式如下：

　　式中：S為正常數(shù)增益；D為正參數(shù)；α為拉格朗日系數(shù)；T為時間限制條件參數(shù)；i為n個儲能組件中的某一單元組件，滿足i=1,2,…,n；fi為單元組件進行儲能工作時，運行功率的*大參數(shù)值；βi為相應的增量成本。

　　上述算法能夠優(yōu)化儲能系統(tǒng)內(nèi)部的調(diào)度，將充電時的能源損耗控制在很小范圍內(nèi)，同時獲取時段內(nèi)系統(tǒng)收斂的解決方案。

　　2.3通過模態(tài)切換實現(xiàn)分布式儲能

　　在完成對系統(tǒng)的調(diào)度優(yōu)化后，為保證分布式儲能系統(tǒng)整體運行的穩(wěn)定性，降低運行損耗，需要確定相應的模態(tài)切換策略，降低系統(tǒng)內(nèi)部的電壓偏差，實現(xiàn)定容優(yōu)化。

　　在工商業(yè)用電管理中，需要考慮線路損耗的成本。假設系統(tǒng)內(nèi)部運行產(chǎn)生的損耗為，此時，成本損失D的計算公式如下：

　　式中：F為系統(tǒng)中的儲能單元組件的損耗成本；j為該單元組件運行的某一時刻；Δj為運行的某一時段，一般情況該參數(shù)取值為1。

　　基于上式，可以分析發(fā)生功率倒送情況時的成本損耗。為了提升分布式儲能系統(tǒng)的電壓質(zhì)量，降低成本損耗，需要降低系統(tǒng)內(nèi)節(jié)點的電壓偏差H，其計算公式如下：

　　式中：N為儲能系統(tǒng)內(nèi)節(jié)點的數(shù)量；r為其中的某一單元節(jié)點，滿足r=1,2,…,N；t為系統(tǒng)運行的某一時刻；Urt為r在t時刻的電壓；UN為同一時刻系統(tǒng)內(nèi)的額定電壓。

　　基于上述計算方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對于分布式儲能系統(tǒng)的容量配置優(yōu)化，完成系統(tǒng)軟件部分設計。

　　3.實驗驗證

　　3.1實驗準備

　　為驗證文章設計的分布式儲能系統(tǒng)在維持電壓穩(wěn)定、優(yōu)化能量調(diào)度方面的優(yōu)異性，特進行驗證實驗。采用基于傳統(tǒng)遺傳算法的儲能系統(tǒng)（傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)）與文章設計的用于工商業(yè)用電管理的分布式儲能系統(tǒng)進行測試，儲能系統(tǒng)硬件參數(shù)如表1所示。

3.2實驗結(jié)果

　　在實驗過程中，測試了傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)和文章設計系統(tǒng)的電網(wǎng)負荷變化情況，具體結(jié)果如圖2所示。如圖2所示，文章設計的分布式儲能系統(tǒng)對電網(wǎng)負荷的控制能力較傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)強在傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)運行過程中，電網(wǎng)功率變化范圍較大，出現(xiàn)多處功率倒送情況，在運行至16～24h時，穩(wěn)定性不足；在文章設計系統(tǒng)運行過程中，對電壓的控制較穩(wěn)定，能夠?qū)㈦娔苓M行充電存儲，幾乎沒有出現(xiàn)功率倒送的問題，能源的損耗較傳統(tǒng)系統(tǒng)少，具有很高的經(jīng)濟效益。為了驗證文章設計系統(tǒng)在進行電能調(diào)度時的成本優(yōu)勢，試驗測試了兩種系統(tǒng)的電網(wǎng)調(diào)度成本，如表2所示。

　　如表2所示，無論何種天氣，與傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)相比，文章設計的分布式儲能系統(tǒng)在能源調(diào)度中的成本更低。

　　Acrel-2000ES儲能柜能量管理系統(tǒng)

　　4.1系統(tǒng)概述

　　安科瑞儲能能量管理系統(tǒng)Acrel-2000ES，專門針對工商業(yè)儲能柜、儲能集裝箱研發(fā)的一款儲能EMS，具有完善的儲能監(jiān)控與管理功能,涵蓋了儲能系統(tǒng)設備(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。在高級應用上支持能量調(diào)度,具備計劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。

　　4.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　Acrel-2000ES，可通過直采或者通過通訊管理或串口服務器將儲能柜或者儲能集裝箱內(nèi)部的設備接入系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：

4.3系統(tǒng)功能

　　4.3.1實時監(jiān)測

　　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。實時顯示有關故障、告警、收益等信息。

4.3.2設備監(jiān)控

　　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)與限值設置；運行模式設置；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)及相關電參量監(jiān)測。

　　4.3.3曲線報表

　　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。

4.3.4策略配置

　　滿足儲能系統(tǒng)設備參數(shù)的配置、電價參數(shù)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。

4.3.5實時報警

　　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囟仍较蕖⒃O備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

　　4.3.6事件查詢統(tǒng)計

　　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。

4.3.7遙控操作

　　可以通過每個設備下面的紅色按鈕對PCS、風機、除濕機、空調(diào)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(tài)。

4.3.8用戶權(quán)限管理

　　儲能能量管理系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設置了用戶權(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）。可以定義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。

5.結(jié)束

　　為解決在工商業(yè)用電管理中的資源浪費問題，提高發(fā)電經(jīng)濟效益，文章設計了用于工商業(yè)用電管理的分布式儲能系統(tǒng)，并驗證了該系統(tǒng)的應用效果。在今后的研究中，需要進一步深入，以推動分布式儲能系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

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