探究光储充一体化智能微电网工程应用关键技术
2024-10-24 09:56:39 来源:acrel2024
摘要:随着环保工作的快速发展,能源危机受到广泛重视。微电网能够借助地域性新能源发电,具有成本低、灵活性高的特点,且微电网具备一定的抗害能力,能源供应安全性、稳定性较高,具有推广价值。科学采用光储充一体化智能微电网工程关键技术不仅能够提高微电网的建设水平,而且能促使微电网与配电网实现高效、稳定互动。基于此,分析微电网技术,研究光储充一体化智能微电网工程应用的关键技术,为实现光储充一体化智能微电网工程的良好运行提供助力。
关键词:光储充一体化电站;智能微电网工程;微电网技术
0引言
当前我国大力贯彻落实环保政策,并颁布了相关的电网政策,微电网、主动配电网的建设工程受到广泛重视,能够有效解决电网系统并入新能源、可再生能源等问题,具有高灵活性、有序性的特点。采用微电网技术整合分布式新能源发电系统,可构建光储充一体化智能微电网体系,就地消纳新能源发电,增强微电网和配电网性能,改善电力系统的组合能效。因此,需要重视对光储充一体化智能微电网关键技术的运用,完善技术模式体系,为促进光储充一体化智能微电网的良好建设作出贡献。
1微电网技术分析
1.1微电网技术特点
微电网主要由分布式电源、储能与转换设备等组成(见图 1)。微电网属于小型电力系统,可独立或以一个整体对负荷进行供电,并结合电力电子技术、传统电网技术,具有自我控制、保护、调节等特性,能够灵活参与电力市场交易。同时,微电网能够对负荷进行独立供电,不受大电网故障的影响。此外,微电网能够参与电力市场交易,具有一定的市场竞争力,可利用储能装置调节负荷,优化能源利用,降低碳排放,为分布式电源提供并网、调度管理平台,并促进分布式能源的发展,降低运行维护成本。
图1 微电网的组成部分
微电网具有分布式发电的特点,分布式电源不仅可以灵活控制输出功率,按照需要与微电网进行交互,提升微电网的灵活性、适应性,而且能够利用可再生能源进行发电,减少化石燃料的消耗,降低碳排放。同时,分布式电源可以独立运行,不受电网故障的影响,保证重要负荷的供电可靠性。此外,分布式电源能够与储能装置结合,实现能量的高效储存、利用,优化能源配置,为可再生能源的发展提供并网、调度管理平台,促进可再生能源的应用与发展。
微电网可利用电池、超级电容器等储能装置进行高效储存,调节微电网的负荷和电压,并优化能源利用,快速响应微电网的负荷变化,提升微电网的稳定性、可靠性。同时,可与分布式电源、负荷进行灵活互动,完成微电网独立调节、控制。在分布式电源或负载出现故障的情况下,储能装置可以提供备用电力,保证微电网的供电可靠性。
1.2微电网接入主动配电网构造
主动配电网具有高度自愈功能,能够快速检测、修复故障,保证供电连续性、可靠性。其采用先进的自动化技术,能够进行自动调度、调节,优化能源利用,同时支持分布式电源、储能装置等分布式能源的广泛接入,以实现能源分散供应、自组织运行。在主动配电网中引入微电网,技术人员可在微电网结构的助力下,凭借其灵活性的网络拓扑结构管控主动配电网,减少输电能耗问题。
1.3 微电网的现状与趋势
微电网是目前电力系统的重要形式,具有独立运行、灵活调节、优化能源利用等特点,能够为用户提供更加可靠、经济的电力供应,可利用分布式电源、储能装置等设备实现能源高效利用和优化配置。光储充一体化是新型的充电设施,结合太阳能、储能电池、充电设施实现能源储存和利用,提高充电设施的可靠性、经济性。随着新能源技术的发展、普及,光储充一体化逐渐成为充电设施的发展趋势。在未来发展过程中,微电网、光储充一体化将实现更紧密的结合和更加智能化的能源管理。采用智能化技术可以使微电网、光储充一体化进行能源精细化管理、优化调度,提高能源利用效率,降低碳排放,促进可再生能源的应用与发展。
微电网、光储充一体化是电力系统的重要发展方向,具有广阔的发展前景和应用潜力。随着智能化技术的发展、应用,微电网、光储充一体化将实现更加智能化的能源管理,为电力系统的可靠性、经济性做出更大贡献。另外,在未来发展过程中,微电网的市场规模会不断扩大,按照中投产业研究院的预测,2024—2028 年全球微电网市场规模会大幅度提升(见表 1)。这也是我国大力建设微电网系统、促进技术创新发展的主要原因。我国应按照实际情况,重视基础设施建设,使微电网实现良好发展。
表1 全球微电网市场规模的趋势
2光储充一体化智能微电网工程应用关键技术
2.1分布式储能容量配置技术
利用时序生产模拟技术可以全面计算并分析配电网的运行状态,深入研究电网运行期间各种约束条件对其性能的影响,并了解光伏出力特点。这样可以准确识别配电网中的关键节点及其存在的不足。基于电网的实际情况,结合分布式光伏并网接入的形式、网架的具体数据、关键节点位置等因素,可以根据实际需求制定分布式储能的布局方案计划。同时,分析配电网在分布式光伏的就地消纳情况、电网调峰情况、线路拥塞管理情况等,设置不同场景的目标函数、约束条件,并以此为基础构建储能优化配置模型。在此过程中,需要不断收集配电网的相关数据,包括分布式光伏发电量、负荷需求、线路拥塞情况等,并将这些数据存储到相应的数据库。按照配电网的实际情况,建立储能优化配置数学模型。该模型需要综合考虑分布式光伏就地消纳、电网调峰、线路拥塞等多个因素,并明确储能装置的容量、位置、时间等参数。采用优化算法求解这一数学模型,以遗传算法、粒子群算法为基础找到*优的储能配置方案,并利用时序生产模拟对储能优化配置方案进行仿真模拟,验证方案的可行性和效果。*后,结合仿真结果进行调整和优化,将优化后的储能配置方案应用于实际配电网,以解决分布式光伏就地消纳、电网调峰、线路拥塞等问题,提升配电网可靠性和经济性。在此期间,需要按照时序生产模拟的特点,科学计算相关的电网数据。在电网风电接纳能力评估的过程中,可以时序生产模拟为基础设定目标函数,将风电场的单位电量运行成本设置成为 0,能够*大限度降低弃风电量,促使风电优先消纳。
2.2充电桩有序运行技术
智能微电网实际运行期间,需要结合光伏发电的情况设置光伏和其他基础方面的用电负荷、储能设备等能量管理模型,将*大限度降低光伏弃电量作为目标,利用分时电价引导的方式开展光储充一体化智能微电网的运行管控。此期间,以电动汽车接入电桩过程中的剩余电量、电池容量等为基础,构建电动汽车充电成本*低化、放电收益*高化的相关体系,完善电动汽车充电负荷和用户价格模型。同时,利用微电网的光储充放电控制方式,科学合理设定分时充电服务价格,对充电时段进行优化处理,使其可以分成引导峰类型、引导平类型、引导谷类型 3 种时间段,并分析用户价格响应模型,设置引导后电动汽车充电负荷模型,有序进行充电桩充电运行管理。此外,需建立充电桩运行管理系统实时监测和管理充电桩的运行状态、充电量、充电时间等数据,并根据实际情况制定合理的调度计划,实现充电桩有序运行。采用智能充电控制技术按照车辆充电需求、充电桩容量,自动分配充电时间、充电量,避免充电桩过载或资源浪费,同时提高充电效率;或是采用储能技术对充电桩进行精细化管理和优化调度,提高充电桩的运行效率和稳定性;构建充电桩运行监测系统实时监测和预警充电桩的运行状态、故障情况,及时发现并处理故障,确保充电桩安全、稳定运行。
2.3光储充就地协调控制技术
在应用光储充就地协调控制技术的过程中,需要全面研究光伏发电的具体状况,准确把握储能系统、电动汽车充放电的实际运作情况,并研究各类系统的运行特点。基于此,构建一套多目标优化调度的框架,该框架应涵盖购电费用*小化、蓄电池循环电量优化等多个维度,以*大限度实现光伏发电电量的本地消纳,同时有效减少储能充放电循环次数,延长设备使用寿命。此外,需基于电动汽车的充放电时间、电池功率、容量剩余情况以及电网供电系数等信息,采用NSGA-II 算法,构建多目标优化模型。光储充就地协调控制技术的应用流程如图2所示。在应用该技术期间,需按照具体算例,考虑不同类型的光照条件、电动汽车电池的初始容量参数等环境因素,计算并比较多种不同的方案。通过综合评估,选出*佳的调度控制方式,确保科学调控不同光伏组件功率,使分布式光伏实现就地消纳,*大限度发挥微电网系统的整体价值。
图2技术应用流程
在实际工作中,需按照光储充一体化智能微电网的特点、运行需求,制定合理的协调控制策略对光伏、储能、充电桩等设备进行协同控制和优化调度,提高能源利用效率。同时,采用分布式控制技术对充电桩、光伏、储能等设备进行实时监测和控制,根据实际情况进行自动调整和优化,或采用通信技术实现光储充一体化智能微电网各设备之间的信息交互与数据共享,完成远程监控和管理。此外,需要提高系统实时性和响应速度,联合人工智能、大数据等智能化技术分析和预测光储充一体化智能微电网的运行状态与故障情况,为系统优化与调整提供依据。
2.4其他类型的技术
2.4.1智能化调控技术
为进一步提高光储充一体化智能微电网的运行水平,需采用智能化调控技术,结合配电网的实际情况,制定合理的调度策略,对分布式光伏、储能装置、充电设施等设备进行优化调度,提高其能源利用效率。同时,采用先进的智能控制算法对配电网进行实时监测、控制,及时发现并解决电网故障、异常情况。此外,需要构建能源管理平台实时监测和管理配电网的能源消耗、存储情况,为能源的精细化管理、优化调度提供支持,实现充电设施的智能化建设,并完善充电预约、充电计费、充电安全监控等功能。
2.4.2 网络安全技术
在光储充一体化智能微电网工程中,网络系统是非常重要的组成部分,一旦出现网络安全问题,将会对整体工程的运行造成不利影响,因此需要重点维护网络安全,构建完善的网络安全体系。通过设置网络安全设备、安全监测系统、安全应急预案等,提升配电网安全性;或采用加密技术对配电网中的重要数据和信息进行加密处理,预防数据泄露、攻击;采用入侵检测、防御技术实时监测配电网中的异常行为、攻击行为,及时发现并采取相应的防御措施。此外,采用访问控制技术对配电网中的不同用户、设备进行权限管理、访问控制,防止受到非法访问和攻击;编制完善的安全管理制度,加强员工安全培训,提高员工的安全意识、技能水平,以实现配电网的安全运行。
2.4.3优化调度技术
光储充一体化智能微电网调度策略的优化十分重要。例如,采用先进的自动化技术、智能算法构建智能调度系统,对分布式光伏、储能装置、充电设施等设备进行智能化调度和管理,提高能源利用效率;结合配电网的实际情况和需求优化调度计划,以实现能源高效利用和优化配置;实时监测配电网的运行状态、能源消耗情况,按照实际情况调整调度策略,确保配电网的安全、稳定运行;结合储能技术、充电设施技术对能源进行精细化管理和优化调度,提高能源利用效率;针对可能出现的电网故障、异常情况设置应急预案,确保在紧急情况下能够及时采取相应的措施,减少损失。
3光储充一体化智能微电网工程技术的发展趋势
光储充一体化智能微电网工程技术具有较大的发展潜力。随着可再生能源的发展、普及,光储充一体化智能微电网将更加注重绿色能源的利用,包括太阳能、风能等可再生能源,进一步提高能源利用效率。随着人工智能、物联网、大数据等技术的发展,光储充一体化智能微电网将更加注重智能化、数字化技术的应用,对配电网进行实时监测、智能控制、优化调度,提高配电网的可靠性、经济性。储能技术作为光储充一体化智能微电网的关键技术之一,其未来的发展方向将聚焦于持续的创新与突破,主要包括电池储能、超级电容器储能、飞轮储能等,以提高储能系统的效率和稳定性。随着电动汽车的普及和发展,充电设施将得到进一步普及,如充电桩、充电站等,以满足电动汽车的充电需求,同时提升充电设施的安全性和便利性。未来,光储充一体化智能微电网将更加注重协同发展,实现能源、交通、建筑等领域的协同发展,提高能源利用效率和社会经济效益。
4安科瑞Acrel-2000ES储能能量管理系统解决方案
4.1概述
安科瑞Acrel-2000ES储能能量管理系统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。在应用上支持能量调度,具备计划曲线、削峰填谷、需量控制、备用电源等控制功能。系统对电池组性能进行实时监测及历史数据分析、根据分析结果采用智能化的分配策略对电池组进行充放电控制,优化了电池性能,提高电池寿命。系统支持Windows操作系统,数据库采用SQLServer。本系统既可以用于储能一体柜,也可以用于储能集装箱,是专门用于储能设备管理的一套软件系统平台。
4.2适用场合
系统可应用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。
工商业储能四大应用场景
1)工厂与商场:工厂与商场用电习惯明显,安装储能以进行削峰填谷、需量管理,能够降低用电成本,并充当后备电源应急;
2)光储充电站:光伏自发自用、供给电动车充电站能源,储能平抑大功率充电站对于电网的冲击;
3)微电网:微电网具备可并网或离网运行的灵活性,以工业园区微网、海岛微网、偏远地区微网为主,储能起到平衡发电供应与用电负荷的作用;
4)新型应用场景:工商业储能探索融合发展新场景,已出现在5G基站、换电重卡、港口岸电等众多应用场景。
4.3系统结构
4.4系统功能
4.4.1实时监测
微电网能量管理系统人机界面友好,应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态,实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息,动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中,各子系统回路电参量主要有:三相电流、三相电压、总有功功率、总无功功率、总功率因数、频率和正向有功电能累计值;状态参数主要有:开关状态、断路器故障脱扣告警等。
系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理,使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。
系统应可以对储能系统进行状态管理,能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警,并支持定期的电池维护。
微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面,包含微电网光伏、风电、储能、充电桩及总体负荷组成情况,包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求,也可将充电,储能及光伏系统信息进行显示。
图2系统主界面
子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电桩信息、通讯状况及一些统计列表等。
光伏界面
图3光伏系统界面
本界面用来展示对光伏系统信息,主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析;同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。
储能界面
图4储能系统界面
本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。
图5储能系统PCS参数设置界面
本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置,包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。
图6储能系统BMS参数设置界面
本界面用来展示对BMS的参数进行设置,主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。
图7储能系统PCS电网侧数据界面
本界面用来展示对PCS电网侧数据,主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。
图8储能系统PCS交流侧数据界面
本界面用来展示对PCS交流侧数据,主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。
图9储能系统PCS直流侧数据界面
本界面用来展示对PCS直流侧数据,主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。
图10储能系统PCS状态界面
本界面用来展示对PCS状态信息,主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。
图11储能电池状态界面
本界面用来展示对BMS状态信息,主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等,同时展示当前储能电池的SOC信息。
图12储能电池簇运行数据界面
本界面用来展示对电池簇信息,主要包括储能各模组的电芯电压与温度,并展示当前电芯的电压、温度值及所对应的位置。
风电界面
图13风电系统界面
本界面用来展示对风电系统信息,主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析;同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。
充电桩界面
图14充电桩界面
本界面用来展示对充电桩系统信息,主要包括充电桩用电总功率、交直流充电桩的功率、电量、电量费用,变化曲线、各个充电桩的运行数据等。
视频监控界面
图15微电网视频监控界面
本界面主要展示系统所接入的视频画面,且通过不同的配置,实现预览、回放、管理与控制等。
4.4.2发电预测
系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据,对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测,并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划,便于用户对该系统新能源发电的集中管控。
图16光伏预测界面
4.4.3策略配置
系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息,进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、有序充电、动态扩容等。
图17策略配置界面
4.4.4运行报表
应能查询各子系统、回路或设备规定时间的运行参数,报表中显示电参量信息应包括:各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能等。
图18运行报表
4.4.5实时报警
应具有实时报警功能,系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位,及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警,应能实时显示告警事件或跳闸事件,包括保护事件名称、保护动作时刻;并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。
图19实时告警
4.4.6历史事件查询
应能够对遥信变位,保护动作、事故跳闸,以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度(锂离子电池)、压力(液流电池)、光照、风速、气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。
图20历史事件查询
4.4.7电能质量管理
应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测,使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况,以便及时发现和消除供电不稳定因素。
1)在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度和正序/负序/零序电流值;
2)谐波分析功能:系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率;应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5~63.5次间谐波电压含有率、0.5~63.5次间谐波电流含有率;
3)电压波动与闪变:系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值;应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线;应能显示电压偏差与频率偏差;
4)功率与电能计量:系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率;应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素;应能提供有功负荷曲线,包括日有功负荷曲线(折线型)和年有功负荷曲线(折线型);
5)电压暂态监测:在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时,系统应能产生告警,事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员;系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。
6)电能质量数据统计:系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据,包括均值、95%概率值、方均根值。
7)事件记录查看功能:事件记录应包含事件名称、状态(动作或返回)、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。
图21微电网系统电能质量界面
4.4.8遥控功能
应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作,并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序,可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。
图22遥控功能
4.4.9曲线查询
应可在曲线查询界面,可以直接查看各电参量曲线,包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。
图23曲线查询
4.4.10统计报表
具备定时抄表汇总统计功能,用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况,即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析;对系统运行的节能、收益等分析;具备对微电网供电可靠性分析,包括年停电时间、年停电次数等分析;具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。
图24统计报表
4.4.11网络拓扑图
系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态,能够完整的显示整个系统网络结构;可在线诊断设备通信状态,发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。
图25微电网系统拓扑界面
本界面主要展示微电网系统拓扑,包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。
4.4.12通信管理
可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序,然后选择通信控制启动所有端口或某个端口,快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。
图26通信管理
4.4.13用户权限管理
应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作(如遥控操作,运行参数修改等)。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。
图27用户权限
4.4.14故障录波
应可以在系统发生故障时,自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况,通过对这些电气量的分析、比较,对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条,每条录波可触发6段录波,每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形,总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形。
图28故障录波
4.4.15事故追忆
可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据,包括开关位置、保护动作状态、遥测量等,形成事故分析的数据基础。
用户可自定义事故追忆的启动事件,当每个事件发生时,存储事故前10个扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户规定和随意修改。
图29事故追忆
4.5系统硬件配置清单
5结论
目前,全球微电网建设规模不断扩大,对光储充一体化智能微电网工程的建设要求不断增加。因此,需按照具体的工程建设需求,合理采用现代化的关键技术,以完善分布式储能容量配置,确保充电桩有序运行,并构建光储充一体化的就地协调控制技术模式。未来需要不断进行工程关键技术创新,以达到预期的技术发展