淺談分布式新能源發(fā)電中的儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理分析
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(huì)穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵助力，其可以在實(shí)際生產(chǎn)發(fā)展階段中合理轉(zhuǎn)化為社會(huì)公眾必需的動(dòng)力、光能、熱能及其他自然資源。結(jié)合各類條件及劃分標(biāo)準(zhǔn)來看，可以將能源展開多樣化分類定位，主要包括常規(guī)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(shí)代社會(huì)還沒有普遍開發(fā)及利用的資源，主要涉及海洋能、太陽能、風(fēng)能及地?zé)崮艿鹊取Ｔ诖似陂g，風(fēng)能主要是因地表結(jié)構(gòu)在高溫度條件下產(chǎn)生的水蒸氣與氣溫差造成的氣壓差異，進(jìn)而在空氣由高壓區(qū)域朝向低壓區(qū)域不斷流動(dòng)所產(chǎn)生的風(fēng)，此過程中所形成的動(dòng)能便被稱為風(fēng)能。太陽能指的是陽光照射于地球表層展開能量轉(zhuǎn)換與利用。分布式發(fā)電中的儲(chǔ)能系統(tǒng)為了有效降低功率波動(dòng)所帶來的影響，就需要在外部電網(wǎng)展開新能源輸出，從而促使系統(tǒng)時(shí)刻維持自帶負(fù)載輸出狀態(tài)。
【關(guān)鍵詞】：分布式新能源；發(fā)電；儲(chǔ)能系統(tǒng)；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(xù)發(fā)展的資源和能源。生物質(zhì)能是借助各類綠色植物的光合作用實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。地?zé)崮苤饕獊碓从诘厍蛉蹘r內(nèi)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(duì)資源消耗展開化運(yùn)算的計(jì)量方法，不但涉及資金費(fèi)用的消耗，還包括人力資源與物力資源的成本。成本作為產(chǎn)品價(jià)格的定價(jià)條件，其承擔(dān)著彰顯企業(yè)管理水準(zhǔn)、經(jīng)營業(yè)績和競爭實(shí)力的關(guān)鍵角色。各項(xiàng)產(chǎn)品的材料消耗、生產(chǎn)力及能源消耗量等均貫穿于企業(yè)經(jīng)營管理的全過程當(dāng)中，并利用成本指標(biāo)體現(xiàn)在大眾視界中。在社會(huì)發(fā)展的過程中，能源是人類生存和活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是經(jīng)濟(jì)增長的重要?jiǎng)恿ΑＴ谶^去的幾十年里，化石燃料的大量消耗和環(huán)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?zhèn)鹘y(tǒng)的石油、煤炭等的能源資源。近年來，風(fēng)能、太陽能等新型可再生能源的開發(fā)利用越來越受到重視，我國已經(jīng)把風(fēng)電作為未來電力系統(tǒng)建設(shè)的重點(diǎn)項(xiàng)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(tǒng)化石能源主要是有煤炭、石油和天然氣，其中煤的儲(chǔ)量占據(jù)總儲(chǔ)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(chǎn)量的百分之六十以上，大約占據(jù)全國總產(chǎn)煤量的百分之五到百分之十。由于燃燒時(shí)產(chǎn)生了大量的污染物（如二氧化硫，NOx,CH4)，導(dǎo)致環(huán)境污染嚴(yán)重。因此，開發(fā)新型的潔凈高效的可替代的清潔環(huán)保的電力系統(tǒng)，減少對(duì)常規(guī)電源的依賴性，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，提高電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，是電網(wǎng)公司的重要任務(wù)。在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中，主要使用的都是風(fēng)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(zhuǎn)向了其他的領(lǐng)域一光伏發(fā)電。風(fēng)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(dǎo)致了它的開發(fā)利用受到很大限制。因此，要想使風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)得到更好的應(yīng)用，就需要對(duì)其進(jìn)行更深入的研究與探索。
2.2分析新能源發(fā)電的現(xiàn)狀
對(duì)于我國而言，是存在著比較豐富的風(fēng)能儲(chǔ)量，其中太陽能的開發(fā)和應(yīng)用是大的優(yōu)勢(shì)之一，在以往的二十年中，光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度是快的。在二零一一年，光伏發(fā)電的總裝機(jī)容量達(dá)到了三萬千瓦，占全國總發(fā)電量的百分之零點(diǎn)五。但是由于技術(shù)的落后和成本的高低等因素，導(dǎo)致目前的風(fēng)力發(fā)電的規(guī)模一直不能滿足市場(chǎng)的需求量。我國的新能源發(fā)電的開發(fā)與應(yīng)用起步較晚，在計(jì)劃經(jīng)濟(jì)體制下，對(duì)傳統(tǒng)的火力發(fā)電的依賴性很強(qiáng)，而且由于新能源資源分布不均勻，導(dǎo)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(fā)電中的儲(chǔ)能系統(tǒng)工作模式
系統(tǒng)能源管理的過程中，關(guān)鍵的參數(shù)主要包括以下幾個(gè)方面內(nèi)容：一是電池的超前狀態(tài)；二是超級(jí)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(guān)系，因此可以推出能夠通過測(cè)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(shù)關(guān)系，在此情況下就需要采取間接測(cè)量法。分布式新能源發(fā)電中的儲(chǔ)能系統(tǒng)使用的是系統(tǒng)系數(shù)積分法與卡門過濾器，從而實(shí)現(xiàn)在電池的線上能夠計(jì)算出SOC。對(duì)此進(jìn)行簡要的分析與討論，根據(jù)相關(guān)預(yù)測(cè)，如果將電力容量的SOC正常狀態(tài)設(shè)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(shí)際應(yīng)用過程中會(huì)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(dāng)采用同一種控制策略應(yīng)對(duì)所有模式時(shí)，檢查電池的SOC、超級(jí)電容器以及系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間之外的電網(wǎng)，就可以明確分布式新能源中儲(chǔ)存能量所需的控制策略。如圖1所示，AC/DC總線混合發(fā)電系統(tǒng)，主要借助太陽能和風(fēng)力發(fā)電，通常情況下，在實(shí)際運(yùn)行過程中，高的跟蹤狀態(tài)則為太陽能與風(fēng)力發(fā)電輸出處于快速的變化因素。例如，在天氣情況良好的狀態(tài)下，采用超級(jí)電容器作為能源儲(chǔ)存設(shè)備。在此之外分布式的新能源發(fā)電中，儲(chǔ)能系統(tǒng)為了可以促進(jìn)其在孤島狀態(tài)下處于長期和穩(wěn)定的運(yùn)行模式，則是需要采用長期能量儲(chǔ)存的裝置，通過合理的應(yīng)用大容量的電池，例如612V/65Hz。應(yīng)明確的是，根據(jù)兩種不同的能源儲(chǔ)存單元的自身特點(diǎn)、外部電網(wǎng)實(shí)際狀況以及剩余容量情況等，分別采用針對(duì)性的控制策略。
圖1交流混合母線分布式發(fā)電系統(tǒng)
4分析各種各樣工作模式下的電能管理策略
4.1分析儲(chǔ)能系統(tǒng)處于正常模式的情況
對(duì)于這種模式而言，是為常見的工作模式，此時(shí)電池的剩余容量和超級(jí)電容都是維持在正常狀態(tài)中，但是因?yàn)樾履茉窗l(fā)電系統(tǒng)采用的太陽能和風(fēng)能發(fā)電模式都是具有著間歇性的特點(diǎn)，所以實(shí)際運(yùn)行時(shí)容易出現(xiàn)本地載荷驟然降低或增加的突發(fā)情況。當(dāng)出現(xiàn)此種情況時(shí)，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致發(fā)電系統(tǒng)輸出功率發(fā)生高頻波動(dòng)。并且同時(shí)又因?yàn)樾铍姵匮b置需要比較長的時(shí)間來完成充電或是放點(diǎn)過程，就難以及時(shí)有效的控制此種高頻波動(dòng)。所以，就應(yīng)當(dāng)充分利用超級(jí)電容控制這部分波動(dòng)功率。除此之外，在分布式新能源發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)處在孤島條件或并網(wǎng)狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，同樣可以對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)中的功率采取上述能量管理策略進(jìn)行合理的配置，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況產(chǎn)生出實(shí)際所需功率。同時(shí)能夠通過合理調(diào)節(jié)增益K的方式，實(shí)現(xiàn)有效分配超級(jí)電容與蓄電池兩種儲(chǔ)能裝置所輸出的功率。例如，當(dāng)超級(jí)電容剩余較大的容量時(shí)，可以將增益K相應(yīng)的提高，從而促使超級(jí)電容能夠承擔(dān)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(tài)下的情況主要表現(xiàn)為蓄電池儲(chǔ)能裝置所剩余的容量處于比較低或比較高的狀態(tài)，然而超級(jí)電容裝置中的剩余容量卻一直處于正常狀態(tài)。在這個(gè)情況下，就會(huì)使其整體電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性大幅度的降低。所以為了確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行，在極短的時(shí)間內(nèi)使系統(tǒng)恢復(fù)到正常工作模式。同時(shí)，當(dāng)分布式發(fā)電中的儲(chǔ)能系統(tǒng)處于并網(wǎng)狀態(tài)的情況下，其實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)就會(huì)與蓄電池電容異常模式比較接近，此時(shí)，為了盡快恢復(fù)蓄電池裝置自身的剩余容量，就采用內(nèi)外電網(wǎng)能量交換的方法，從而真正確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在此過程中，可能會(huì)產(chǎn)生一定的功率沖擊，但其對(duì)系統(tǒng)造成的實(shí)際影響并不明顯。除此之外，在孤島狀態(tài)下儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，由于超級(jí)電容裝置自身能量存儲(chǔ)狀態(tài)有一定的限制，因此難以促使蓄電池裝置在短時(shí)間內(nèi)借助能量傳遞的方式恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。針對(duì)此種情況，就只能借助超級(jí)電容來確保能量的有效傳遞，直到并網(wǎng)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(fù)到正常的運(yùn)行狀態(tài)。
4.3分析超級(jí)電容異常模式
對(duì)于超級(jí)電容異常模式而言，其所表現(xiàn)出的異常情況主要是為在蓄電池儲(chǔ)能裝置自身剩余容量處于正常情況下，而超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置中的剩余容量卻會(huì)出現(xiàn)較高或者是比較低的異常情況。在這個(gè)情況下，分布式發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)自身的性能會(huì)降低，例如其吸收和釋放高頻功率性能，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)給整體系統(tǒng)相應(yīng)功能帶來嚴(yán)重的負(fù)面影響。及時(shí)使系統(tǒng)恢復(fù)到正常的工作模式。與此同時(shí)，當(dāng)分布式新能源發(fā)電中儲(chǔ)能系統(tǒng)處于并網(wǎng)狀態(tài)當(dāng)中時(shí)，可以將外部電網(wǎng)視為一個(gè)不設(shè)上限的電網(wǎng)連接，在此情況下，超級(jí)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(wǎng)當(dāng)中，從而能夠促使自身在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到正常的運(yùn)行狀態(tài)。此外，在孤島狀態(tài)下，儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行過程當(dāng)中，由于會(huì)缺乏外部電網(wǎng)提供的相應(yīng)輔助支持，因此就應(yīng)當(dāng)充分確保儲(chǔ)能系統(tǒng)一直維持在功率平衡的
穩(wěn)定狀態(tài)，通過超級(jí)電容來切實(shí)提升系統(tǒng)自身的反應(yīng)力。與此同時(shí)，為了確保分布式新能源發(fā)電輸出功率穩(wěn)定性的有效提升，還強(qiáng)化超級(jí)電容與蓄電池二者儲(chǔ)能裝置之間的能量傳遞，從而切實(shí)達(dá)到能量有效管理的目的。
4.4分析全部異常模式
針對(duì)于全部異常模式狀態(tài)下的儲(chǔ)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(jìn)異常模式可以合理的轉(zhuǎn)變?yōu)樯鲜龅钠渲幸粋€(gè)模式，之后采用相對(duì)應(yīng)的管理策略進(jìn)行控制。針對(duì)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(jí)電容都處于過高的情況，此時(shí)就需要在孤島運(yùn)行過程中，控制其自身輸出功率；二是對(duì)于蓄電池剩余容量與超級(jí)電容兩者都處在過低的狀態(tài)下來講，為了有效維持敏感負(fù)荷始終處于正常狀態(tài)下，就剔除一些不必要的負(fù)載，從而充分確保分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。
5 Acrel-2000ES儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)
5.1平臺(tái)概述
安科瑞Acrel-2000ES儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)具有完善的儲(chǔ)能監(jiān)控與管理功能,涵蓋了儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備(PCS、BMS、電表、消防、空調(diào)等)的詳細(xì)信息,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報(bào)警管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等功能。在高級(jí)應(yīng)用上支持能量調(diào)度,具備計(jì)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(chǔ)能一體柜,也可以用于儲(chǔ)能集裝箱,是專門用于設(shè)備管理的一套軟件系統(tǒng)平臺(tái)。
5.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
系統(tǒng)人機(jī)界面友好，能夠顯示儲(chǔ)能柜的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)PCS、BMS以及環(huán)境參數(shù)信息，如電參量、溫度、濕度等。實(shí)時(shí)顯示有關(guān)故障、告警、收益等信息。
系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)PCS、BMS、電表、空調(diào)、消防、除濕機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行模式。
PCS監(jiān)控：滿足儲(chǔ)能變流器的參數(shù)與限值設(shè)置；運(yùn)行模式設(shè)置；實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)PCS通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開關(guān)狀態(tài)、異常告警等狀態(tài)監(jiān)測(cè)。
BMS監(jiān)控：滿足電池管理系統(tǒng)的參數(shù)與限值設(shè)置；實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監(jiān)測(cè)；實(shí)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(cè)，可根據(jù)設(shè)置的閾值進(jìn)行空調(diào)溫度的聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)及溫濕度數(shù)據(jù)，以曲線形式進(jìn)行展示。
UPS監(jiān)控：滿足UPS的運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)電參量監(jiān)測(cè)。
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。
滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)的配置、電價(jià)參數(shù)與時(shí)段的設(shè)置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制等。
儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)?chǔ)能充放電越限、溫度越限、設(shè)備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。
儲(chǔ)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(jìn)行存儲(chǔ)和管理，方便用戶對(duì)系統(tǒng)事件和報(bào)警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。
可以通過每個(gè)設(shè)備下面的紅色按鈕對(duì)PCS、風(fēng)機(jī)、除濕機(jī)、空調(diào)控制器、照明等設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制，但是當(dāng)設(shè)備未通信上時(shí)，控制按鈕會(huì)顯示無效狀態(tài)。
儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)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(jí)別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。
6相關(guān)平臺(tái)部署硬件選型清單
設(shè)備 | 型號(hào) | 圖片 | 說明 |
儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng) | Acrel-2000ES |
| 實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，統(tǒng)計(jì)分析、異常告警、優(yōu)化控制、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等； 策略控制:計(jì)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(tǒng)軟件 2)可視化展示:顯示系統(tǒng)運(yùn)行信息 |
交流計(jì)量表計(jì) | DTSD1352 |
| 集成電力參量及電能計(jì)量及考核管理，提供各類電能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。具有諧波與總諧波含量檢測(cè)，帶有開關(guān)量輸入和開關(guān)量輸出可實(shí)現(xiàn)“遙信"和“遙控"功能，并具備報(bào)警輸出。帶有RS485 通信接口，可選用MODBUS-RTU或 DL/T645協(xié)議。 |
直流計(jì)量表計(jì) | DJSF1352 |
| 表可測(cè)量直流系統(tǒng)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(shí)支持Modbus-RTU協(xié)議和DLT645協(xié)議;可帶繼電器報(bào)警輸出和開關(guān)量輸入功能。 |
溫度在線監(jiān)測(cè)裝置 | ARTM-8 |
| 適用于多路溫度的測(cè)量和控制，支持測(cè)量8通道溫度;每一通道溫度測(cè)量對(duì)應(yīng)2段報(bào)警，繼電器輸出可以任意設(shè)置報(bào)警方向及報(bào)警值。 |
通訊管理機(jī) | ANet-2E8S1 |
| 能夠根據(jù)不同的采集規(guī)約進(jìn)行水表、氣表、電表、微機(jī)保護(hù)等設(shè)備終端的數(shù)據(jù)采集匯總；提供規(guī)約轉(zhuǎn)換、透明轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)加密壓縮、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、邊緣計(jì)算等多項(xiàng)功能；實(shí)時(shí)多任務(wù)并行處理數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，可多鏈路上送平臺(tái)據(jù)。 |
串口服務(wù)器 | Aport |
| 功能:轉(zhuǎn)換“輔助系統(tǒng)"的狀態(tài)數(shù)據(jù)，反饋到能量管理系統(tǒng)中。1)空調(diào)的開關(guān)，調(diào)溫，及斷電(二次開關(guān)實(shí)現(xiàn))；2)上傳配電柜各個(gè)空開信號(hào)；3)上傳UPS內(nèi)部電量信息等；4)接入電表、BSMU等設(shè)備 |
遙信模塊 | ARTU-KJ8 |
| 1)反饋各個(gè)設(shè)備狀態(tài)，將相關(guān)數(shù)據(jù)到串口服務(wù)器；2)讀消防1/0信號(hào)，并轉(zhuǎn)發(fā)給到上層(關(guān)機(jī)、事件上報(bào)等)；3)采集水浸傳感器信息，并轉(zhuǎn)發(fā)給到上層(水浸信號(hào)事件上報(bào))；4)讀取門禁程傳感器信息，并轉(zhuǎn)發(fā)給到上層(門禁事件上報(bào))。 |
參考文獻(xiàn)
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