浅谈分布式光储能量管理系统及其控制策略
2024-10-15 14:04:27 来源：acrel2024
0.引言
分布式光储电站目前已成为工业园区、智能楼宇场景下的重要组成部分。光伏和风电的间歇性和波动性制约着新能源的大规模应用，而储能系统具有调峰、调频、平滑输出的功能，光储结合使分布式电站装机量逐年增加。
分布式光储电站的能量管理系统（EMS）是其电站运行*备的核心系统，EMS是基于SCADA系统的数字化信息，实现自动发电控制、网络分析等功能，促进了光储电站数字化、自动化。
本文EMS指对区域内电源、配电、负荷的综合管理与调度，实现内部优化运行、对外部电力系统友好接入并提供支持服务。EMS可向上接入更大规模、更高层级的EMS，也可向下调度多个发电设备控制器及负荷管理器。
大部分现存研究只对EMS进行了简单功能介绍。林青瑜提出的光储一体化电站关键技术设计，对能量管理系统及策略进行了简单说明。高建东提出的面向智能台区的风光储充能量管理策略，但没有对管理系统功能进行详细介绍。李军微等提出的10kW／20kW·h锂电池能量管理系统的设计，将BMS融入到EMS软件中，模块划分不太合理。
本文进一步阐述分布式光储能量管理系统的定义、组成、各部件的功能、EMS作用边界及在光储电站中的位置，*后分析分布式能量管理策略。
1.分布式光储电站
1.1光储电站通信系统
光储电站通信系统架构图如图1所示。
光储电站包括光伏组件、光伏逆变器、电池及BMS、储能PCS、SCADA、EMS等。光储系统的实时控制设备分为两层，底层是本地控制器，主要完成电池储能系统（BESS）内部储能变流器、能量存储单元等底层部件的协同与控制；顶层为EMS，独立于BESS之外依据储能场景的经济模型、历史及预测数据、电力电价政策等外部信息，对BESS的运行模式、功率-时间曲线进行优化调度。
1.2光储电站系统结构
光储电站系统结构如图2所示。
U1、U2为光储系统两个连接点电压。其中（PS、QS）向电网送入功率，负载（PL、QL）从电网吸收功率，储能系统（PB、QB）既可以向电风输送功率，也可以从电网吸收功率。PCC连接点U2的表达式：
U2=U1
[R(PS+PL±PB)+
]（1）
光伏输出功率发生波动或负载切入切出时都会影响系统PCC点母线电压的稳定，当其波动范围超过±10%，就会损坏负载。此时本地控制器或EMS控制器对储能系统进行PQ控制，来维持微网注入有功功率的恒定，从而维持U2的恒定。当储能系统超出其调节范围，可再生电源造成PCC点电压波动大于±10%，或配电网发生短路故障时，断开并网开关，微网运行于离网模式。此时系统中至少有一个储能系统采取U/f控制，为系统提供频率和电压支撑。孤岛模式下，当光伏出力大于负载时，光伏给储能系统充电；当光伏出力小于负载时，光伏和储能联合为负载供电。
2.能量管理系统设计
2.1总体架构
EMS的总体架构由两大部分组成，分别是支撑平台与应用软件，如图3所示。
图1光储电站通信系统
图2光储系统结构
2.2支撑平台
支撑平台是EMS的载体与软件功能实现的基础，主要包括量测终端、传输信道、控制器、数据库等。
2.3量测组件
量测组件实现对现场数据的采集。现场电能表、摄像头、测量设备等产生的大量数据通过本地控制器或转为以太网数据向上传输，为EMS决策提供数据支撑。该过程包括信息量测、数据处理/转换、指令发送等。
2.4传输信道
EMS控制系统通过RS485通讯，接入不同类型的设备，如光伏逆变器、汇流箱、电表、环境监测仪等。不同类型的设备接入本地控制器不同端口。
对于有远程监控的分布式场景，通过4G/5G网络接入监控云平台。
2.5控制器
EMS控制器采用Cotex-A8核心板，运行Linux系统，通信接口丰富，内置多种能量管理功能模块，可应用于不同场景。硬件框图如图4所示。
EMS控制器可接入设备包括本地控制器、光伏逆变器、储能/风电变流器、电表等。ETH2可通过交换机、路由器等设备连接至后台主站；ETH1用于下层设备；干接点输入接口，内部电压DC24V，漏电保护信号、电网逆流反馈信号、并网断路器反馈信号的输入；DO采用继电器输出接口；模拟量输入精度4mA~20mA/0V~10V1%。
2.6数据库
数据库将物理模型转化为数学模型，为EMS各功能的实现提供所需数据源。包括实时数据库、预测与计划数据库、基本数据库、临时数据库、历史数据库等。
3.应用软件
EMS主要的三大功能：数据采集与监控、能量管理和网络分析。EMS*级应用由算法服务器和实时控制器两组硬件平台联合实现。EMS算法服务器主要完成能量管理软件研究模式算法及网络分析软件算法的运行；实时控制器主要完成能量管理软件实时模式算法运行，综合实时系统状态及安全约束条件，产生*终的光储控制指令。
3.1数据采集与监控
SCADA是EMS的基本功能。SCADA具有光储电站数据采集功能，EMS通过它向电力系统发送控制指令，网络分析软件向它返回量测质量信息。能量管理软件利用所采集信息，包括来自SCADA的系统功率、频率以及网损修正系统和安全限制值，形成发电计划与预测结果，进行调度决策，提高系统运行质量和改善运行经济性。网络分析软件利用电力系统的*面信息，包括实测量与开关状态以及来自能量管理软件的预测结果与发电计划，进行量测质量信息分析。
集中显示系统的重要的运行参数和运行状态，分组显示不同设备的信息。基于地理图的总体信息监视，提供电站监视分析功能。
系统监控功能，包括多台PCS的遥测、遥控、遥调；多台分布式发电设备的遥测、遥控、遥调；环境监测仪设备信息读取；电表设备的信息读取；外部设备控制、干接点预留等；本地数据显示、控制；电池信息显示；远程监控；实时监测电网数据。
光伏信息监视：逆变器采集的数据包括遥测量和遥信量，其中，遥测量采集：额定输出功率、日发电量、总发电量、交流三相电压电流、电网频率、逆变器效率等值；遥信量采集：逆变器相关状态量、相关故障代码等。
BMS信息监视：包括电池数目/标称容量、总电压、电流、单体*高*低电压、SOC、SOH、电池温度、每组电池电压平均值、电压/电流/温度报警信息、工作状态。
PCS信息监视：包括充放电信息、温度、频率、交流/直流断路器状态、工作状态、直流电压/电流/功率、逆变三相交流电压/电流/功率、直流报警故障信息。
SCADA还监控变压器温控、环境检测仪、UPS、电表、温湿度等信息。
3.2能量管理
以SCADA为数据来源的能量管理功能集中了EMS的主要核心算法，是更高层的应用功能。
能量管理功能包括微电网电压与频率调节，功率因数调节；电网调度；储能调节；负荷控制；预留负荷预测接口和资源。具有分时段模式设备功能；装置具备对时功能，采用光或电B码对时，误差不大于1ms；装置具备人机交互功以能，可就地查看运行报告、故障报告等；系统协调优化功能，包括安全监控、调度管理与计划等；分时电价功能；数据实
时监控；自动运行控制；电池组均衡管理；电力数据、缺陷统计报表。
EMS控制器用于储能系统不同场合的实时控制策略，可接入云端对分散布局的储能系统远程集中运维。简单功能的管理系统可通过EMS的Web页面实现监控，为客户提供低成本解决方案。
能量管理模块具有参数设备功能，参数信息如表1所示。
表1参数设置
3.3网络分析
网络分析功能具有故障模型、*优调度模型，具有系统的潮流分析、安全约束、短路计算等模块，由EMS算法服务器实现。
4.本地控制器
本地控制器是发电设备必不可少的控制设备，是EMS工作的必要设备，有些情况下可扩展为EMS的硬件支撑设备。
4.1软件架构
本地控制器软件分括驱动层、服务层、应用层，如图5所示。
驱动层统一了设备数据的存储、读取规范、封装IO、串口及网络调用等接口，封装了常用函数。
服务层主要包括线程管理、基础通信、采集、参数配置、日志、WebServer等模块，实现控制器管理，负责相关数据采集和计算，并控制相关设备。
应用层主要实现具体应用需求，包含自检启停、模式切换、控制联动、故障告警、协同保护和用户管理等。
4.2功能设计
监控信息包括概要信息、储能变流器等设备信息、BSC信息、测控信息、ATS信息、详细信息、运行参数、系统参数、通讯参数、子设备参数、保护参数、运行事件记录、故障告警记录、版本信息、固件升级、备份&恢复、Modbus点表、CAN点表。
本地控制器能通过CAN、RS485或工业以太网采集BMS状态信息。BMS系统信息包括模拟量、状态量、统计量。电池管理通信采取身份认证、访问控制、加密或完整性保护等防护措施中至少一种，访问控制采取IP访问控制或时间访问控制等措施中至少一种。电池管理通信加密满足国标，密钥加密存储，支持更新。
本地控制器需要对储能变流器的数据进行采集，具体采集包括模拟量、状态量，通过CAN、RS485或工业以太网进行采集和控制。
采信信息包括启动停止状态、有功功率输出设定、储能电池串组退出、充放电电压上下限、充放电电流上下限及充电*高SOC等的设定。
采集储能消防系统的故障信息，通过CAN、RS485或工业以太网通信，通过Modbus协议上传详细工作状态、远程联动等实时通信，支持设置消防系统的工作状态如报警动作值、动作温度等，支持数字量输出接口与消防系统联动控制。
5.EMS与其它系统关系
5.1EMS与本地控制器
本地控制器主要功能：1.实现BESS内部环境、底层设备的信息采集及记录；2.向SCADA系统、EMS控制系统上传BESS内部数据、接受调度指令；3.依据系统实时状态和外部指令，统一协调BESS内部设备工作达到控制目标；4.采取自主措施实现紧急状态下的故障保护、故障记录及诊断等功能。
本地控制器也随应用需求而变化。有的BESS中内部包含若干独立的PCS+电池单元，本地控制器根据SOC参数协调PCS功率分配，以实现长期运行。本地控制器的应用层随具体系统配置与应用功能灵活设计，在小型化储能应用中，可以扩大本地控制器范围，将部分EMS的功能融入其中，如分时电价、削峰填谷等，通过距离功能模块满足不同客户不同场景的应用要求。
5.2EMS与SCADA系统
SCADA系统将电力系统设备相关信息和数控实时采集、集中显示，使得调度运维人员能够及时掌握系统运行状况，并对运行过程发出人工干预指令、修改运行参数。
而EMS是基于SCADA系统所提供的数字化信息，进一步实现自动发电控制、网络分析功能，提高电力系统数字化、自动化水平，为调度人员提供基于大数据、*级算法的辅助决策工具，增强对电力系统的分析判断。
5.3EMS与BMS
PCS与BMS等设备具有多个接口，可直接与EMS或SCADA通讯。在要求PCS的EMS调度响应能力更快时，由EMS直接调度。BMS电池数据体量较大时直接上传到SCADA。
6.控制策略
控制策略依据能量系统的复杂性和客户需求的经济性而不同。EMS管理对象或管理范围，广义上包括BESS、新能源发电单元、常规发电机组、输配电设备及用电负荷在内的所有与能量产生、传输等相关设备或相对独立区域。
6.1离并网模式
EMS基于电池特性和耐久性模型，结合用户用电行为，通过多层神经网络算法自动优化系统运行策略，满足用户需求前提下，使系统尽可能运行在*高效率点和*佳环境温度，提升系统效率，延长电池寿命。
稳态情况下，光储电站并网运行，储能系统配合光伏电源工作，参与新能源消纳，为负载提供高质量电能。当检测到配电网或PCC点的频率和电压越限时，断开并网，控制模式切为孤岛运行模式。离网系统中，储能系统用来组网，为负载提供稳定电压，保证正常运行。
6.2控制策略
6.2.1恒功率充放电
EMS控制器按计划表设定功率对储能变流器下发指令，储能变流器采用恒定功率对电池进行充电或放电。
6.2.2削峰填谷
根据用户用电规律，设置峰谷值，降低负荷高峰，填补负荷低谷，使发电、用电趋于平衡。该模式下，光伏系统*大化出力，若触发防逆流功能，则限制光伏出力。当电网功率大于峰值时，储能系统放电，小于谷值时，储能系统充电。
6.2.3自发自用
自发自用模式即PCC功率控制模式，用户设置PCC点功率，系统控制其稳定在设置值。当光伏系统输出功率大于负载功率，储能系统充电；输出小于负载时，储能系统放电。
6.2.4需量控制
光伏系统*大化出力时，若负荷仍超过设置的需求量功率，则EMS控制器控制储能系统出力，平抑超出功率。系统响应需求侧指令控制储能系统充放电，并获取经济补贴。
6.2.5防逆流控制
EMS控制光伏发电优先供给负载，多余电能充入储能，当储能系统和负荷不能消纳时，限制光伏发电，避免光伏发电馈入电网。
6.2.6一次调频、动态调压
接收调度和电化学储能电站监控系统的调控指令，控制多台储能变流器，实现一次调频、动态调压等。
7.安科瑞Acrel-2000ES储能能量管理系统概述
7.1概述
安科瑞Acrel-2000ES储能能量管理系统，专门针对工商业储能柜、储能集装箱研发的一款储能EMS，具有完善的储能监控与管理功能,涵盖了储能系统设备(PCS、BMS、电表、消防、空调等)的详细信息,实现了数据采集、数据处理、数据存储、数据查询与分析、可视化监控、报警管理、统计报表等功能。在高级应用上支持能量调度,具备计划曲线、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。
7.2系统结构
Acrel-2000ES，可通过直采或者通过通讯管理或串口服务器将储能柜或者储能集装箱内部的设备接入系统。系统结构如下：
7.3接入设备
Acrel-2000ES，具备多种接口，多种协议对接的能力，支持多种设备接入。
7.4系统功能
7.4.1实时监测
系统人机界面友好，能够显示储能柜的运行状态，实时监测PCS、BMS以及环境参数信息，如电参量、温度、湿度等。实时显示有关故障、告警、收益等信息。
7.4.2设备监控
系统能够实时监测PCS、BMS、电表、空调、消防、除湿机等设备的运行状态及运行模式。
PCS监控：满足储能变流器的参数与限值设置；运行模式设置；实现储能变流器交直流侧电压、电流、功率及充放电量参数的采集与展示；实现PCS通讯状态、启停状态、开关状态、异常告警等状态监测。
BMS监控：满足电池管理系统的参数与限值设置；实现储能电池的电芯、电池簇的温度、
电压、电流的监测；实现电池充放电状态、电压、电流及温度异常状态的告警。
空调监控：满足环境温度的监测，可根据设置的阈值进行空调温度的联动调节，并实时监测空调的运行状态及温湿度数据，以曲线形式进行展示。
UPS监控：满足UPS的运行状态及相关电参量监测。
7.4.3曲线报表
系统能够对PCS充放电功率曲线、SOC变换曲线、及电压、电流、温度等历史曲线的查询与展示。
7.4.4策略配置
满足储能系统设备参数的配置、电价参数与时段的设置、控制策略的选择。目前支持的控制策略包含计划曲线、削峰填谷、需量控制等。
7.4.5实时报警
储能能量管理系统具有实时告警功能，系统能够对储能充放电越限、温度越限、设备故障或通信故障等事件发出告警。
7.4.6事件查询统计
储能能量管理系统能够对遥信变位，温湿度、电压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。
7.4.7遥控操作
可以通过每个设备下面的红色按钮对PCS、风机、除湿机、空调控制器、照明等设备进行相应的控制，但是当设备未通信上时，控制按钮会显示无效状态。
7.4.8用户权限管理
储能能量管理系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控的操作，数据库修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。
7.4.9安科瑞配套产品
8.结语
分布式光储电站离用户较近，可以有效减轻电网负担，减少远距离电能传输损耗，促进节能减排，EMS系统应用广泛。本文对EMS的总体结构、支撑平台设计、应用软件进行介绍与设计，阐述了其与其它系统的关系。各系统配合实现分布式光储系统能量管理，使光伏电站稳定运行。EMS支持光储电站恒功率充放电、削峰填谷、自发自用、需量控制、防逆流控制、一次调频、动态调压等。EMS的体系架构正在由封闭式、集中式向开放式、分布式体系架构发展，随着光储业务的大规模应用实践，可移植、可伸缩、模块化、规范化和标准化逐渐成为EMS的主要发展方向。
参考文献：
[1]王兵.分布式光储能量管理系统及其控制策略.
[2]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.5版
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图1光储电站通信系统
图2光储系统结构2.2支撑平台
2.6数据库
PCS监控：满足储能变流器的参数与限值设置；运行模式设置；实现储能变流器交直流侧电压、电流、功率及充放电量参数的采集与展示；实现PCS通讯状态、启停状态、开关状态、异常告警等状态监测。
BMS监控：满足电池管理系统的参数与限值设置；实现储能电池的电芯、电池簇的温度、
空调监控：满足环境温度的监测，可根据设置的阈值进行空调温度的联动调节，并实时监测空调的运行状态及温湿度数据，以曲线形式进行展示。
UPS监控：满足UPS的运行状态及相关电参量监测。
7.4.4策略配置
7.4.5实时报警
8.结语
