程瑜 安科瑞

摘要：近年來，環境污染、能源短缺等問題愈加嚴重，大力發展光伏發電技術是解決這些問題的一個有效措施。本文對光伏與儲能一體化系統控制技術進一步的研討。

關鍵詞：光儲系統；一體化系統；控制技術；應用

一、儲能技術在光伏發電系統應用

由于太陽能的不可控性，致使光伏電池的輸出功率無法預測，所以近年來儲能技術在光伏發電領域得到了廣泛的利用，獨立型光伏發電系統更是離不開儲能裝置，因此都在大力研究儲能技術，我國也不例外。在發電系統中，常常存在負載和發電之間的功率不匹配問題，由于缺乏大規模發電系統的平衡機制，這種現象在小規模的發電系統中可能更為嚴重，因此儲能裝置需要經常被采用。現在為常見的仍舊是蓄電池和超級電容器，這兩種儲能方式的控制技術比較成熟，可靠性也比較高，在實際系統中常常將二者綜合起來使用，用以改善儲能裝置的特性。

二、光儲系統拓撲結構和控制策略

1.光儲系統拓撲結構

光伏發電指的是通過光生伏應在光伏電池板上將太陽能直接轉變成電能的發電形式，依據是否與電網相連分為兩大類，光伏并網發電系統和獨立光伏發電系統。光伏并網發電系統主要有兩類，類是不帶有儲能單元的光伏并網發電系統，另一類是帶有儲能單元的光伏并網發電系統。不帶有儲能單元的光伏并網發電系統，這種系統可控性極差，給負載提供能量完全依靠光伏電池板所處的環境，但是因為不帶有儲能單元，降低了生產成本以及由此產生的運行和后期維護費用，同時也消除了部分儲能單元對環境所造成的潛在污染。如圖1是不帶有儲能的光伏發電系統；

圖2是帶有儲能單元的光伏并網發電系統，這類系統因為存在儲能部分，所以需要單獨的DC-DC電路來給儲能單元進行充放電處理，在一定程度上增加了控制的難度。依據儲能單元連接的母線類型，這類光伏系統包括直流母線類型和交流母線類型兩種。

2.蓄電池剩余容量檢測

從本質上來講，蓄電池是一種化學電池，這就決定了其使用壽命是有限的，為了降低電池系統的維護成本、提高電池的效率和使用壽命，對蓄電池進行相應的監控已成為蓄電池應用不可缺少的關鍵技術之一。電池管理系統的作用就是實時監測整個電池系統的狀態，包括電池組的溫度、健康狀態、剩余容量等要素，同時對電池的充電與放電模式控制，從而實現電池系統的能量管理，其中準確估算蓄電池的荷電狀態（SOC）是電池管理系統的重要環節。蓄電池的荷電狀態（SOC）可以認為是當下時刻電池可用容量與總的可用容量的比值，其定義式如下，其中Qt代表當前時刻蓄電池剩余的可用容量，QO代表蓄電池總的可用容量。

3.光儲系統整體控制策略的設計

在光儲系統中，光伏電池是系統唯一的能量來源，負載消耗能量，蓄電池的功能是通過能量存儲和釋放以抑制系統功率的波動，在忽略系統的能量損耗時，從能量流動的角度，可以得出光儲系統有以下幾種能量流動的模式：

（1）當光伏電池發出的能量超出負載消耗的能量時，光伏電池產生的能量一方面流經輸出電路來滿足負載功率的要求，另一方面通過向蓄電池充電的方式將超出部分存儲起來。

（2）當光伏電池發出的能量不能夠滿足負載消耗的能量時，那么負載需求的能量一方面由光伏電池自身發電提供，另一方面通過蓄電池的放電來彌補不足的部分。

（3）當光伏電池發出的能量正好等于負載消耗的能量時，光伏電池產生的能量全部提供給負載，此時蓄電池的工作狀態是不充不放，維持自身的能量不變。

（4）當光伏電池不能夠產生能量時，系統的能量來源只能由蓄電池來充當，滿足負載消耗的能量，當蓄電池也不能滿足負載的功率需求時，整個光儲系統必停止工作。

光伏運維子站解決方案

安科瑞Acrel1000-DP分布式光伏電站電力監控系統為分布式光伏電站運維子系統提供了解決方案，滿足GB/T 38946《分布式光伏發電系統集中運維技術規范》中對運維子站的相關技術要求。

圖2 分布式光伏監控系統數據顯示

圖3 分布式光伏監控系統狀態顯示

圖4 分布式光伏監控系統數據展示

光伏運維主站解決方案

安科瑞AcrelEMS企業微電網能效管理平臺適用于分布式光伏電站的運維管理。GB/T 38946《分布式光伏發電系統集中運維技術規范》中對集中運維主站的相關技術要求如下：

圖5 分布式光伏電站場站管理及發電功率實時監控

圖6 日月年發電數據報表及逆變器發電曲線分析

圖7 遙控操作驗證及操作記錄

圖8 告警分級和異常分析

圖9 巡檢管理及用戶報告

圖10 設備檔案和設備保養管理

圖11 工單管理和缺陷記錄

系統管理宜具備以下功能:

a)權限設置:登錄權限?場站權限?功能權限?數據權限;

b)在線用戶管理:用戶登錄?操作記錄;

c)時間同步:宜采用簡單網絡時間協議(SNTP)對時方式,并以此同步各子站;

d)Web功能:主站宜具備相關數據的信息發布?瀏覽和下載等Web功能?

圖12 用戶權限配置及用戶狀態監測

光伏發電功率預測

運維主站可根據當日光照和溫濕度數據預測光伏電站發電功率數據進行對照，用于驗證光伏電站發電效率。

圖13 光伏運維主站、子站發電功率預測功能

圖14 箱變測控系統圖

通過AcrelEMS可實時監控箱變變壓器和高低壓柜電氣參數、溫度、箱變內濕度等數據，在數據超過正常閾值或發生異常變位時可及時發出告警信號。

圖15 變壓器及箱變環境監測

光伏運維相關二次設備選型

安科瑞提供光伏運維子站、運維主站監測軟件、數據網關和保護測控單元、交直流監測多功能儀表及相關傳感器，具備電能質量監測和治理裝置，保障光伏電站高效運行。

系統構成

根據NB/T 42091《電化學儲能電站監控系統技術規范》，儲能監控系統宜采用星型網絡，功率小于1MW且容量小于1MWh的電化學儲能監控系統宜采用單網配置，如圖16。

圖16 電化學儲能系統單網監控系統網絡結構圖

功率為1MW及以上且容量為1MWh及以上的電化學儲能監控系統宜采用雙網配冗余置，如圖17。

圖17 電化學儲能系統雙網監控系統網絡結構圖

監測設備包括BMS、PCS、保護測控設備、其他設備(電能計量、絕緣監測、消防、空調、站用直流屏等)。

Acrel-2000MG儲能系統能量管理系統和AcrelEMS企業微電網能效管理平臺能夠對企業微電網的源（市電、分布式光伏、微型風機）、網（企業內部配電網）、荷（固定負荷和可調負荷）、儲能系統、新能源汽車充電負荷進行實時監測和優化控制，保護微電網儲能系統運行安全，實現不同目標下源網荷儲資源之間的靈活互動，增加多策略控制下系統的穩定運行。同時促進新能源消納、合理削峰填谷，減少電網建設投資，提升微電網運行安全，降低運行成本。Acrel-2000MG儲能系統能量管理系統適合部署在本地，作為實時監控、異常告警和策略管理；AcrelEMS企業微電網能效管理平臺適用于企業源網荷儲充運維的一體化管理平臺，并提供移動端數據服務和異常告警。

數據采集和處理

監控系統應能通過測控單元及功率變換系統、電池管理系統進行實時信息的采集和處理。監控系統應設置通信接口與電池管理系統連接，接收和處理的信息宜包括但不限于：

a）電池模塊的電壓、溫度、電池能量；

b）電池簇的電流、電壓、功率、電池能量、可充可放電量、累積充放電電量，以及*高、*低

單體電壓及其電池編號：

c）電池堆可充可放電量、累積充放電電量；

d）各種故障告警和保護動作信號；

圖18 Acrel-2000MG和AcrelEMS電池數據采集

功率變換系統(PCS)上送信息宜包括但不限于：

a）開關量信息：直流側與交流側接觸器、斷路器的狀態；運行模式（并網、離網）、運行狀態

（充電、放電、待機等）、就地操作把手的狀態等：

b）模擬量信息：直流側電壓、電流、功率，交流側三相電壓、電流、有功、無功；

c）非電量信息：IGBT模塊溫度、電抗器溫度、隔離變溫度等；

d）運行信息：功率變換系統保護動作信號、事故告警信號等。

圖18 Acrel-2000MG和AcrelEMS 功率變換系統數據采集

監視和報警

監控系統的監視功能應符合但不限于下列要求：

a）應能通過顯示器對主要電氣設備運行參數和設備狀態進行監視；

b）應能監視并實時顯示各設備的通信狀態和通信報文；

c）電池管理系統、功率變換系統上傳監控系統的遙測量和告警量須有專門的界面顯示和告警

圖19 Acrel-2000MG和AcrelEMS 監視和報警分級

控制與調節

控制范圍：站內交流回路斷路器、功率變換系統及其他相關重要設備，包括功率變換系統啟/停、運行/檢修狀態切換、并網充/放電、離網放電、保護軟壓板投切等。監控系統根據功能定位支持下列應用模式：削峰填谷、孤網運行、系統調頻、電壓支撐、電能質量治理、平滑功率輸出、跟蹤計劃出力。

圖19 Acrel-2000MG和AcrelEMS 儲能系統監控

電能質量監測

監測儲能系統交流回路的電壓波動與閃變、三相電壓不平衡、電壓暫升/暫降、短時中斷、諧波畸變等工況，實時記錄事件并故障錄波，為電能質量分析與治理提供數據來源。

圖20 Acrel-2000MG和AcrelEMS 電能質量分析

企業微電網能效管理

AcrelEMS企業微電網能效管理平臺除了對儲能系統提供監控報警之外，還適用于企業內部的源網荷儲充運維的一體化管理平臺，為企業微電網能效管理提供全方位的監測、優化控制、設備管理、運維管理、分析報告等，并提供基于WEB和APP的數據服務和異常告警。

平臺可根據企業光伏發電數據、儲能控制策略以及負荷波動情況為企業提供微電網運行數據，制定用電優化方案，在提高企業微電網運行安全的前提下幫助企業降低用電成本，促進清潔能源消納。

圖21 AcrelEMS企業微電網能效管理平臺

電化學儲能電站監控運維管理系統二次設備選型

安科瑞提供電化學儲能電站監控運維管理軟件、數據網關和保護測控單元、多功能儀表及相關傳感器，具備電能質量監測和治理裝置，保障儲能電站及企業微電網高效運行。

表3 儲能電站監控運維管理系統選型方案

結束語

在雙碳目標以及電網運行安全要求驅動下，光伏發電以及配套儲能系統未來將會得到越來越多的政策支持，可以想象未來也會有越來越多的資本投入促使行業迅速發展，從而提高電網運行安全，提升電能使用效率。但是微電網系統，特別是光伏電站和儲能電站的運行安全不容忽視，需要嚴格按照標準，建立光伏和儲能監測運維管理系統對光伏電站和儲能系統進行監視、預警、控制和運維管理，保障安全生產。

未來新型電力系統中，企業光儲充微電網內部以及企業微電網和大電網的互動也會越來越頻繁，這需要一套統一平臺來對企業的“源-網-荷-儲-充”及運維進行統一監測和管理，這樣才能保障企業微電網高效運行，從而促進新型電力系統邁向穩定、可靠、低碳的良性循環。

審核編輯 黃宇