安科瑞 劉邁

　　摘要：光伏-混合儲能微電網協調控制及經濟性是研究重點，首先分析了光伏-混合儲能微電網發展現狀，其次對光伏-混合儲能微電網協調控制進行分層研究，其一為光伏-混合儲能微電網裝置層控制設計；其二為光伏-混合儲能微電網系統層控制設計，*后對光伏-混合儲能微電網經濟性進行仿真驗證，得到光伏-混合儲能微電網成本低、運行穩定的結果。目的在于拓展光伏-混合儲能微電網發展空間，扎實發展基礎。

　　關鍵詞：光伏-混合儲能；鉛酸電池；鋰電池；仿真驗證

　　0引言

　　光伏-混合儲能微電網協調控制及經濟性的研究，是應對當下全球不*再生能源持續枯竭，可再生能源需求迅猛增加發展趨勢的重要內容。隨著可再生能源研究技術創新，可再生能源資源豐富并且低碳環保，已然成為全球關注與研究的焦點。光伏-混合儲能微電網，主要以光伏+儲能+柴發等有效混合，隨著光伏+混合儲能微電網技術的不斷成熟，加上光伏等清潔能源的加入，很大程度上拓展了光伏+混合儲能微電網系統的應用前景。目前光伏-混合儲能微電網系統在馬爾代夫、毛里求斯、安哥拉以及我國海南等地區應用需求巨大。目前我國在光伏、儲能、PCS等微電網系統方面技術優勢明顯，協調控制方案成熟，并且在國內外有眾多成功實施案例，因此光伏-混合儲能微電網系統在技術和經濟方面都具有明顯的可行性。

　　1光伏-混合儲能微電網發展現狀

　　根據對《2020年全球微電網市場報告》統計資料整理發現，微電網項目數已突破5545個，項目地域跨度非常廣，如非洲地區、拉丁美洲地區、大多數島嶼*家越來越重視光伏-混合儲能微電網發展。

　　2光伏-混合儲能微電網協調控制優勢分析

　　此次研究主要以孤島運行為載體，針對光伏-混合儲能微電網運行展開協調控制。以改進擾動觀測法對光伏-混合儲能微電網發電系統進行控制，觀察系統功率變化，對鉛酸儲能進行實時動態調整，及時補充光伏-混合儲能微電網中鋰電儲能出力。根據PSCAD仿真模擬結果，對光伏-混合儲能微電網協調性與控制優勢進行驗證。

　　2.1光伏-混合儲能微電網裝置層控制設計

　　2.1.1科學設計鉛酸電池-鋰電池混合儲能結構

　　鉛酸電池-鋰電池混合儲能結構的設計，其核心包括兩個系統，其一是鉛酸電池子儲能系統；其二是鋰電池子儲能系統。鉛酸電池、鋰電池、儲能電流器是主要組成，此外對兩種電池所對應的換流器進行并聯設計。功率控制同樣包括兩種，其一是定功率，即PQ控制；其二為電壓/頻率，即（V/F）控制。表1對定功率、電壓/頻率的具體控制過程進行詳解，借此了解鉛酸電池-鋰電池混合儲能結構。

2.1.2光伏逆變器MPPT控制設計

　　光伏-混合儲能微電網協調控制中，MPPT控制即*大功率點跟蹤，鎖定光伏-混合儲能微電網運行工作點，主要集中于外界環境條件變化，其一為光照強度；其二為光伏陣列溫度的自動調整，使光伏-混合儲能微電網隨時保持輸出功率*優化。MPPT算法在實際應用中，擾動觀測法（P&O）*為常見，該方法主要根據對系統運行期間的光伏工作電壓擾動，去觀察光伏電壓狀態，并采集相關數值，根據擾動前后的對比，對系統電壓進行調整，從而保證光伏陣列盡可能接近于*大功率點。期間需注意，對*大功率點速率的跟蹤，會受到擾動步長的影響，因此*大功率會出現振蕩情況。面對這種情況，可以通過設置對應門限值去改善，根據工作點與*大功率點的距離對步長跟蹤靈活調整，若輸出變化參數并未超出門限值，則取消擾動，為功率輸出營造理想環境。

　　2.2光伏-混合儲能微電網系統層控制設計

　　根據對光伏-混合儲能微電網的研究發現，系統中鋰電池消耗成本占額大，增加了光伏-混合儲能微電網系統的造價。加上儲能微電網系統中，鋰電池的功能均局限于黑啟動電源，整體上出力并不理想，這種情況下增加了黑啟動失敗風險。面對這種情況，結合鋰電池儲能系統特點的整理，充分發揮出其循環壽命長的優勢，借助其能量密度高，對高功率波動方面實時調整。與此同時，基于鉛酸電池性價比的優勢與循環壽命短的缺點，注重低頻功率的科學調整，以此合理控制充放電操作，提高光伏-混合儲能微電網功率支撐力的同時，增加鋰電池容量。光伏-混合儲能微電網系統層控制，依據*大功率點跟蹤原理，利用光伏逆變器，實時跟蹤系統運行狀態，監測光伏出力情況等。

　　利用低通濾波器及時對HESS充放電功率進行濾波處理，這是鉛酸電池儲能處于低頻分量階段功率指令值獲得的重要措施。選擇一階低通濾波器，及時對HESS充放電功率進行濾波，從而得到對應功率指令值。

　　通過上述步驟了解了鉛酸電池處理控制流程變化，基于*大充放電功率條件，鉛酸電池功率超過限值條件的情況下，所顯示的狀態便是充放電功率*大限制值。

　　3光伏-混合儲能微電網經濟性優勢分析

　　3.1光伏-混合儲能微電網HESS（混合儲能系統）成本

　　為客觀了解光伏-混合儲能微電網的經濟性，除對光伏-混合儲能微電網協調控制之外，還需要對其HESS成本進行分析。結合光伏-混合儲能微電網HESS成本組成，如投資成本、回收殘值以及運行成本等客觀分析其全壽命周期。著重研究其中投資與運行方面的成本，從經濟性角度去分析HESS功率、容量方面的配置，此次研究并未涉及光伏-混合儲能微電網回收殘值。

　　根據光伏-混合儲能微電網組成，得出結論：鉛酸電池與鋰電池混合儲能，不僅緩解了光伏-混合儲能微電網的儲能壓力，并且鉛酸電池與鋰電池儲能系統單位容量投資成本減少，為系統維護提供方便。尤其是其中的儲能變流器成本明顯減少。加上光伏-混合儲能微電網系統，對用戶自發自用效率明顯提高，微電網的運行成本減少，經濟效益增加。加上光伏-混合儲能微電網回收率提高，單位功率增加，電池充放電量及電量維護成本等均得到有效控制，如此光伏-混合儲能微電網HESS成本降低，使用效益增加。

　　3.2光伏-混合儲能微電網經濟性優勢模擬分析

　　為對光伏-混合儲能微電網經濟性進行驗證，此次研究針對某園區當前正在運行的微電網，利用PSCAD軟件對其運行進行仿真系統搭建。系統中的分布式光伏，其運行裝機容量參數是260kW，變流器為DC/AC，公共連接點設置為PCC，測試系統拓撲詳見圖1。

　　以對比實驗的方式，將混合儲能運行系統對比單一儲能運行系統，由此凸顯混合儲能運行系統經濟性方面的優勢。其一是單一鋰電池儲能模式下的運行，其二是混合儲能模式，即鉛酸電池-鋰電池儲能，其余參數均相同。仿真系統設計中，運行周期根據實際微電網系統情況與仿真對比分析需求，設定30s。此外環境溫度保持25℃恒定狀態，系統頻率參數設定50Hz。選擇MPPT對系統運行進行控制，并及時統計系統出力、負荷變化。

3.3光伏-混合儲能微電網經濟可行性驗證

　　單一鋰電池儲能系統運行期間，功率平衡的支撐為鋰電池儲能，觀察系統運行負荷變化可以發現，隨著系統運行時間的增加，功率平衡性下降，系統運行無法長時間維持穩定狀態。光伏-混合儲能系統運行期間，系統功率支撐分別包括鉛酸電池、鋰電池，系統功率波動情況下鋰電池會針對性對波動進行控制，同時鉛酸電池隨后相應，如此一來不僅鋰電池功率狀態穩定，鉛酸電池保證儲能后備，維護系統整體的安全與穩定。經過二者系統運行對比可以發現，光伏-混合儲能微電網應用，不僅做到了對微電網功率進行動態分配，并且鋰電池出力壓力明顯減小。對兩種微電網儲能仿真模擬配置成本進行整理，可以發現，單一鋰電池儲能模式下，雖然鋰電池儲能容量大，但是運行穩定性得不到保障，并且鋰電池消耗成本比較高詳見圖2。光伏-混合儲能微電網模式下，雖然鋰電池容量不如單一鋰電池儲能模式，但是因為鉛酸電池的加入，鋰電池容量需求做出調整，并且鋰電池使用壽命延長，消耗成本減少詳見圖3。

　　光伏-混合儲能微電網的大力推廣主要在于其經濟性優勢突出。特別是全壽命周期成本方面，對比單一鋰電池微電網成本，光伏-混合儲能微電網的成本投入更低，并且成本消耗可控性理想，全壽命周期結束后光伏-混合儲能微電網具有高回收率。光伏-混合儲能微電網系統運行過程中，儲能變流器運行更穩定，單位功率投入成本低。系統適應性強，能夠在復雜環境中安全運行，既可以緩解地區電能壓力，又可以提高低碳發展水平。光伏-混合儲能微電網運行期間，單位電量消耗以及運行維護成本更低，減輕經濟欠發達地區在供電方面的經濟壓力。由此可以看出，光伏-混合儲能微電網的經濟性優勢明顯。

　　4安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統解決方案

　　4.1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。系統對電池組性能進行實時監測及歷史數據分析、根據分析結果采用智能化的分配策略對電池組進行充放電控制，優化了電池性能，提高電池壽命。系統支持Windows操作系統，數據庫采用SQLServer。本系統既可以用于儲能一體柜，也可以用于儲能集裝箱，是專門用于儲能設備管理的一套軟件系統平臺。

　　4.2適用場合

　　系統可應用于城市、高速公路、工業園區、工商業區、居民區、智能建筑、海島、無電地區可再生能源系統監控和能量管理需求。

　　工商業儲能四大應用場景

　　1）工廠與商場：工廠與商場用電習慣明顯，安裝儲能以進行削峰填谷、需量管理，能夠降低用電成本，并充當后備電源應急；

　　2）光儲充電站：光伏自發自用、供給電動車充電站能源，儲能平抑大功率充電站對于電網的沖擊；

　　3）微電網：微電網具備可并網或離網運行的靈活性，以工業園區微網、海島微網、偏遠地區微網為主，儲能起到平衡發電供應與用電負荷的作用；

　　4）新型應用場景：工商業儲能探索融合發展新場景，已出現在5G基站、換電重卡、港口岸電等眾多應用場景。

　　4.3系統結構

4.4系統功能

　　4.4.1實時監測

　　微電網能量管理系統人機界面友好，應能夠以系統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態，實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。其中，各子系統回路電參量主要有：三相電流、三相電壓、總有功功率、總無功功率、總功率因數、頻率和正向有功電能累計值；狀態參數主要有：開關狀態、斷路器故障脫扣告警等。

　　系統應可以對分布式電源、儲能系統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態及發電單元與儲能單元運行功率設置等。

　　系統應可以對儲能系統進行狀態管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態進行及時告警，并支持定期的電池維護。

　　微電網能量管理系統的監控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電樁及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統信息進行顯示。

圖2系統主界面

　　子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電樁信息、通訊狀況及一些統計列表等。

　　光伏界面

圖3光伏系統界面

　　本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、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、發電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

　　儲能界面

圖4儲能系統界面

　　本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖5儲能系統PCS參數設置界面

　　本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖6儲能系統BMS參數設置界面

　　本界面用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖7儲能系統PCS電網側數據界面

　　本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖8儲能系統PCS交流側數據界面

　　本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。

圖9儲能系統PCS直流側數據界面

　　本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。

圖10儲能系統PCS狀態界面

　　本界面用來展示對PCS狀態信息，主要包括通訊狀態、運行狀態、STS運行狀態及STS故障告警等。

圖11儲能電池狀態界面

　　本界面用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲能電池的運行狀態、系統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。

圖12儲能電池簇運行數據界面

　　本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的電壓、溫度值及所對應的位置。

　　風電界面

圖13風電系統界面

　　本界面用來展示對風電系統信息，主要包括逆變控制一體機直流側、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、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

　　充電樁界面

圖14充電樁界面

　　本界面用來展示對充電樁系統信息，主要包括充電樁用電總功率、交直流充電樁的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電樁的運行數據等。

　　視頻監控界面

圖15微電網視頻監控界面

　　本界面主要展示系統所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。

　　4.4.2發電預測

　　系統應可以通過歷史發電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發電進行短期、超短期發電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發電計劃，便于用戶對該系統新能源發電的集中管控。

圖16光伏預測界面

　　4.4.3策略配置

　　系統應可以根據發電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、有序充電、動態擴容等。

圖17策略配置界面

　　4.4.4運行報表

　　應能查詢各子系統、回路或設備規定時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能等。

圖18運行報表

　　4.4.5實時報警

　　應具有實時報警功能，系統能夠對各子系統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。

圖19實時告警

　　4.4.6歷史事件查詢

　　應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣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。

圖20歷史事件查詢

　　4.4.7電能質量監測

　　應可以對整個微電網系統的電能質量包括穩態狀態和暫態狀態進行持續監測，使管理人員實時掌握供電系統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。

　　1）在供電系統主界面上應能實時顯示各電能質量監測點的監測裝置通信狀態、各監測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度和正序/負序/零序電流值；

　　2）諧波分析功能：系統應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；

　　3）電壓波動與閃變：系統應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與頻率偏差；

　　4）功率與電能計量：系統應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；

　　5）電壓暫態監測：在電能質量暫態事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發生時，系統應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統應能查看相應暫態事件發生前后的波形。

　　6）電能質量數據統計：系統應能顯示1min統計整2h存儲的統計數據，包括均值、95%概率值、方均根值。

　　7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續時間、事件發生的時間。

圖21微電網系統電能質量界面

　　4.4.8遙控功能

　　應可以對整個微電網系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統維護人員可以通過管理系統的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度系統或站內相應的操作命令。

圖22遙控功能

　　4.4.9曲線查詢

　　應可在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

圖23曲線查詢

　　4.4.10統計報表

　　具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的用電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與外部系統間電能量交換進行統計分析；對系統運行的節能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。

圖24統計報表

　　4.4.11網絡拓撲圖

　　系統支持實時監視接入系統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖25微電網系統拓撲界面

　　本界面主要展示微電網系統拓撲，包括系統的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

　　4.4.12通信管理

　　可以對整個微電網系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監測。系統維護人員可以通過管理系統的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

圖26通信管理

　　4.4.13用戶權限管理

　　應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）。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。

圖27用戶權限

　　4.4.14故障錄波

　　應可以在系統發生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。

圖28故障錄波

　　4.4.15事故追憶

　　可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。

　　用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發生時，存儲事故掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數據。啟動事件和監視的數據點可由用戶規定和隨意修改。

圖29事故追憶

　　4.5系統硬件配置清單

5結論

　　綜上所述，通過對光伏-混合儲能微電網協調控制的研究以及經濟性分析，對光伏-混合儲能微電網有更清楚地認識。特別是對裝置層與系統層的深入研究，認識到光伏-混合儲能微電網運行優勢。針對鉛酸電池-鋰電池混合儲能結構，為系統穩定運行與協調控制提供參考。此外對光伏-混合儲能微電網經濟可行性優勢進行仿真驗證，借助單一鋰電池微電網、鉛酸電池-鋰電池混合儲能微電網對比，發現光伏-混合儲能微電網運行更穩定，成本更低。

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