浅谈基于智能微电网的充电系统
2024-09-14 15:45:54 来源：acrel2024
摘 要： 为推动智慧城市新能源系统的建设，本文将建立一种基于智能微电网的充电系统，给智慧出行提供新的思路。智能微电网充电系统运行于孤岛模式，由于不需要与大电网电气联系，因而可以灵活地建立在城市的各个角落。孤岛智能电网充电系统是否能良好运行取决于母线电压的稳定性及能量流动的平稳性。因此本文重点研究母线电压的控制和能量流动管理方法，针对孤岛运行的交直流微电网系统，通过控制策略，旨在当系统外部发生变化时，系统能够及时做出应对，保持母线电压稳定，也能让交流侧与直流侧之间的能量互通。 本文建立了一个典型的交直流微电网模型，并利用Matlab仿真验证了控制策略的有效性和可行性。
关键词：智能微电网；智慧能源；母线电压稳定；能量流动
0 引言
随着电动汽车、代步平衡车等产品的快速增长，给人们的出行带来了极 大的方便，而且电池能源相对于燃油更加清洁，对环境的污染起到了一定的缓解作用。但是随之而来的问题也比较明显，例如：大量的电动产品会使电网负荷不断增大，对电网的运行效率有很大的冲击，而增加配电设备容量将会涉及变电站建设、线路建设、多部门协调及复杂的施工改造等问题，成本巨大，推动过程缓慢，将不利于电动汽车的推广和普及；同时，目前市面上大多电动产品的电池续航能力令人堪忧，经常需要充电，有时甚至会在路上就出现电量不足的情况。
针对上述一些问题，本文以光储交直流微电网为研究对象，搭建一个基于智能微电网的充电系统，并运行于孤岛模式。
１ 智能微电网充电系统结构
本文研究的智能微电网的充电系统结构如图1所示。主要由光伏装置（PV）、储能模块以及交直流负荷单元组成。
图1 智能微电网充电系统
图1中，直流侧光伏装置通过升压式DC-DC接入到直流母线中电路，储能装置通过双向DC-DC电路接入到直流母线中，交流侧光伏装置通过DC-AC逆变器接入到交流母线中，负荷单元分为直流负荷和交流负荷。
2 系统各装置的控制
2.1 双向逆变器的控制
双向逆变器可以实现能量的双向流动，既可以把直流电源输出的直流电逆变成交流电，供给交流负荷，或者直接流入电网，又可以把电网的交流电整流为直流电，供给直流负荷，或者给储能装置充电。双向逆变器在微电网中有着重要的作用，为微电网内部的能量流动提供了可靠依据。
2.2 光伏装置的控制
大力发展光伏发电是中国经济社会可持续发展的客观要求，对中国调整能源结构、保障能源安全、促进节能减排、保护生态环境和实现经济社会可持续发展具有十分重要的意义。 光伏装置的控制仿真图如图5所示。光伏电池在一定的温度和辐照度下工作，温度和辐照度会随着实际的外界条件而改变。光伏装置经过升压电路后，输出作用于微电网系统MPPT(maximum powerpoint)、即*大功率点算法，外界气候环境确定时，光伏电池所发功率的*大值也是唯一的。常见的有2种基本的MPPT方法：扰动观察法和电导增量法。本文采用的是扰动观测法，即平移输出电压值，寻找到*大的功率输出点。
图2 光伏装置的控制仿真图
2.3 储能装置的控制
在实际应用中，太阳能、风能等新能源受时间段和天气因素的影响较大，因此，其发电系统的输出功率不易调度、波动性大。这类新能源属于一种不可调控类的电力能源，致使电网接纳面临电能质量控制、配电管理及电力调度等亟待解决的关键问题。伴随风电、光电系统对配电网渗透率的日益提升，其对配电网经济运行及电能质量所产生的负面影响将越来越大，已成为时下学界的研究热点之一。而配置储能系统则恰好可以应对这些问题。从发电侧看，储能装置的“平滑电流输出”功能可以为分布式光伏发电中的电网接入提供良好技术支持；对于用电侧，储能系统的“削峰填谷”功能为实现错时用电提供了可能。配置储能系统是未来风电、光电应用领域的发展趋势。
3 Acrel-2000MG微电网能量管理系统概述
3.1概述
Acrel-2000MG微电网能量管理系统，是我司根据新型电力系统下微电网监控系统与微电网能量管理系统的要求，总结国内外的研究和生产的先进经验，专门研制出的企业微电网能量管理系统。本系统满足光伏系统、风力发电、储能系统以及充电桩的接入，进行数据采集分析，直接监视光伏、风能、储能系统、充电桩运行状态及健康状况，是一个集监控系统、能量管理为一体的管理系统。该系统在安全稳定的基础上以经济优化运行为目标，提升可再生能源应用，提高电网运行稳定性、补偿负荷波动；有效实现用户侧的需求管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷，提高电力设备运行效率、降低供电成本。为企业微电网能量管理提供安全、可靠、经济运行提供了全新的解决方案。
微电网能量管理系统应采用分层分布式结构，整个能量管理系统在物理上分为三个层：设备层、网络通信层和站控层。站级通信网络采用标准以太网及TCP/IP通信协议，物理媒介可以为光纤、网线、屏蔽双绞线等。系统支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。
3.2技术标准
本方案遵循的国家标准有：
本技术规范书提供的设备应满足以下规定、法规和行业标准：
GB/T26802.1-2011工业控制计算机系统通用规范的1部分：通用要求
GB/T26806.2-2011工业控制计算机系统工业控制计算机基本平台第2部分：性能评定方法
GB/T26802.5-2011工业控制计算机系统通用规范第5部分：场地安全要求
GB/T26802.6-2011工业控制计算机系统通用规范第6部分：验收大纲
GB/T2887-2011计算机场地通用规范
GB/T20270-2006信息安全技术网络基础安全技术要求
GB50174-2018电子信息系统机房设计规范
DL/T634.5101远动设备及系统第5-101部分:传输规约基本远动任务配套标准
DL/T634.5104远动设备及系统第5-104部分:传输规约采用标准传输协议子集的IEC60870-5-网络访问101
GB/T33589-2017微电网接入电力系统技术规定
GB/T36274-2018微电网能量管理系统技术规范
GB/T51341-2018微电网工程设计标准
GB/T36270-2018微电网监控系统技术规范
DL/T1864-2018型微电网监控系统技术规范
T/CEC182-2018微电网并网调度运行规范
T/CEC150-2018低压微电网并网一体化装置技术规范
T/CEC151-2018并网型交直流混合微电网运行与控制技术规范
T/CEC152-2018并网型微电网需求响应技术要求
T/CEC153-2018并网型微电网负荷管理技术导则
T/CEC182-2018微电网并网调度运行规范
T/CEC5005-2018微电网工程设计规范
NB/T10148-2019微电网的1部分：微电网规划设计导则
NB/T10149-2019微电网第2部分：微电网运行导则
3.3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。
4系统配置
本平台采用分层分布式结构进行设计，即站控层、网络层和设备层，详细拓扑结构如下：
图1典型微电网能量管理系统组网方式
5系统功能
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。
5.1.1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。
5.1.2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，并展示当前电芯的大、小电压、温度值及所对应的位置。
5.1.3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。
5.1.4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。
5.1.5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。
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
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
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
5.5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
5.6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
5.7电能质量监测
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
5.8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
5.9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
5.10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
5.11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。
5.12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
5.13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
5.14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
5.15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
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图1 智能微电网充电系统图1中，直流侧光伏装置通过升压式DC-DC接入到直流母线中电路，储能装置通过双向DC-DC电路接入到直流母线中，交流侧光伏装置通过DC-AC逆变器接入到交流母线中，负荷单元分为直流负荷和交流负荷。
图2 光伏装置的控制仿真图2.3 储能装置的控制
图1典型微电网能量管理系统组网方式5系统功能
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。
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。
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，并展示当前电芯的大、小电压、温度值及所对应的位置。
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。
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。
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。
图16光伏预测界面
图17策略配置界面
图18运行报表5.5实时报警
图19实时告警5.6历史事件查询
图20历史事件查询5.7电能质量监测
图21微电网系统电能质量界面5.8遥控功能
图22遥控功能5.9曲线查询
图23曲线查询5.10统计报表
图24统计报表5.11网络拓扑图
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。
图26通信管理5.13用户权限管理
图27用户权限5.14故障录波
图28故障录波5.15事故追忆
图29事故追忆
