淺談工商企業用電管理的分布式儲能設計

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：文章設計了一種新的用于工商業用電管理的分布式儲能系統。由于儲能系統硬件置換成本高，選擇在傳統儲能系統的硬件框架基礎上，對控制軟件進行優化設計，建立分布式儲能系統模型，分析發電量、儲電量及損失電量三者之間的關系，并分析其優化需求。在此基礎上，基于有限收斂優化系統調度，確定系統模態切換策略，實現倒送電能的*效充電存儲。對比傳統儲能系統，文章設計的系統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度成本更低、經濟效益更高。

關鍵詞：工商業用電管理；分布式儲能系統；有限

0.引言

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

1.系統優化需求

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

Et＜Ed（1）

基于上述關系式，根據典型日負荷曲線（如圖1所示），可以分析系統的優化需求。

在圖1中，電網中接入量過大時，分布式儲能系統中的電源出力增加，出現功率倒送的情況，這樣會導致能源的浪費。因此，需要控制儲能系統，在倒送情況發生時管控倒送電能，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.系統設計

為提高電網經濟效益，需要在傳統儲能系統的硬件框架上，對軟件進行優化設計。

2.1建立分布式儲能系統模型

分布式儲能系統是集合發電、儲能及能源監控功能為一體的能源系統。需要在深入研究分布式儲能系統結構的基礎上，建立相應的數學模型，分析發電量、儲電量和損失電量之間的關系，為后續優化打下基礎。對于系統發電量的預測，多采用數值模擬的方法，建立儲能系統內部組件的數學模型。以分布式光伏電源為例，其發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部組件的發電效率；ε為溫度系數；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學模型。然而，實際發電量受太陽光照角度、系統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，對上述數學模型進行優化。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為一般情況下系統內部的短路電流；αs為短路時電流的溫度系數；s為系統內短路電流；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，計算系統內電源的發電量I，計算公式如下：

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

2.2基于有收斂優化系統調度

基于分布式儲能系統的優化需求，為減少能源損耗、提高計算效率，選擇在有限約束的基礎上，優化系統內的儲能調度，以得到收斂的方案。假設在分布式儲能系統中，能夠儲能的組件單元有n個，為了使調度儲能過程中充電損耗*小，目標函數如下：

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。

要滿足電網儲能系統的調度優化需求，就要消滅倒送功率。考慮電網穩定性，需要維持功率平衡，也就是要滿足主電網負荷pg＞0的條件，其條件公式可以表示如下：

式中：ph為儲能系統運行過程中，電網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，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內部調度的優化算法，優化后，儲能充電單元運行功率cp的計算公式如下：

式中：S為正常數增益；D為正參數；α為拉格朗日系數；T為時間限制條件參數；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*大參數值；βi為相應的增量成本。

上述算法能夠優化儲能系統內部的調度，將充電時的能源損耗控制在很小范圍內，同時獲取有限段內系統收斂的解決方案。

2.3通過模態切換實現分布式儲能

在完成對系統的調度優化后，為保證分布式儲能系統整體運行的穩定性，降低運行損耗，需要確定相應的模態切換策略，降低系統內部的電壓偏差，實現定容優化。

在工商業用電管理中，需要考慮線路損耗的成本。假設系統內部運行產生的損耗為，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，一般情況該參數取值為1。

基于上式，可以分析發生功率倒送情況時的成本損耗。為了提升分布式儲能系統的電壓質量，降低成本損耗，需要降低系統內節點的電壓偏差H，其計算公式如下：

式中：N為儲能系統內節點的數量；r為其中的某一單元節點，滿足r=1,2,…,N；t為系統運行的某一時刻；Urt為r在t時刻的電壓；UN為同一時刻系統內的額定電壓。

基于上述計算方法，能夠實現對于分布式儲能系統的容量配置優化，完成系統軟件部分設計。

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在維持電壓穩定、優化能量調度方面的優異性，特進行驗證實驗。采用基于傳統遺傳算法的儲能系統（傳統儲能系統）與文章設計的用于工商業用電管理的分布式儲能系統進行測試，儲能系統硬件參數如表1所示。

3.2實驗結果

在實驗過程中，測試了傳統儲能系統和文章設計系統的電網負荷變化情況，具體結果如圖2所示。如圖2所示，文章設計的分布式儲能系統對電網負荷的控制能力較傳統儲能系統強在傳統儲能系統運行過程中，電網功率變化范圍較大，出現多處功率倒送情況，在運行至16～24h時，穩定性不足；在文章設計系統運行過程中，對電壓的控制較穩定，能夠將電能進行充電存儲，幾乎沒有出現功率倒送的問題，能源的損耗較傳統系統少，具有很高的經濟效益。為了驗證文章設計系統在進行電能調度時的成本優勢，試驗測試了兩種系統的電網調度成本，如表2所示。

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

1. Acrel-2000ES儲能柜能量管理系統

4.1系統概述

安科瑞儲能能量管理系統Acrel-2000ES，專門針對工商業儲能柜、儲能集裝箱研發的一款儲能EMS，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、防逆流等控制功能。

4.2系統結構

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部的設備接入系統。系統結構如下：4.3系統功能

4.3.1實時監測

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。

4.3.2設備監控

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。

4.3.3曲線報表

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。

4.3.4策略配置

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。

4.3.5實時報警

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。

4.3.6事件查詢統計

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。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。

4.3.8用戶權限管理

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。

5.結束

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

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