简要分析园区光储充能量管理系统设计及应用
2024-11-18 14:59:12 来源：acrel2024
摘要：本文在对光储充系统相关研究的基础上，设计了一种园区光储充能量管理系统（EMS）。介绍了EMS的系统架构及设备管理、系统管理、数据展示、能源分析等功能设计，根据光伏发电量和用电负荷，结合峰谷用电时段分布，制定了能量管理策略，实现了经济利益*大化。
关键词：光储充系统；储能；能量管理
0.引言
随着我国“碳达峰”“碳中和”计划的提出，我国能源结构将持续调整，风力发电、光伏发电等新能源发电将会迎来跨越式发展。由于新能源发电具有很强的波动性和随机性，大规模接入电网会对电网造成巨大的冲击。运用储能技术可以有效平抑新能源发电的波动性和随机性，从而在提升新能源接入电网比例的同时保持电网稳定。同时，在国家对新能源汽车产业发展大力支持和动力电池技术日渐成熟的背景下，新能源汽车市场发展迅速，产销量快速提升。特别是在新增乘用汽车市场，消费者购买新能源汽车的比例不断提升。因此，随着新能源汽车社会保有量不断提升，充电桩的需求量随之持续上涨，成为未来重要的用电负荷。将分布式新能源发电系统、储能系统及充电桩相结合可以组成光储充系统。通过能量管理系统（EMS）控制光储充系统内相关设备间的配合，可以提升系统整体的安全性、可靠性。同时根据电价信息、功率限制政策、应急供电需求等制定合适的运行调度策略，可以有效增加系统的经济收益。基于上述目的，本文设计了一种园区光储充能量管理系统，其主要功能为实时运行状态监控、运行数据的采集、展示、储存与分析，在确保系统安全运行的同时提升系统的运行经济性。
1.光伏储能系统的基础
光伏发电技术是一种将太阳辐射能转化为电能的过程。它基于光伏效应，这是一种物理现象，根据这一现象，某些材料在受到光照射时会产生电流。光伏电池通常由半导体材料制成，比较常见的是硅。当光子（太阳光）碰撞到光伏电池的半导体表面时，它们激发了电子，使其从材料中释放出来，从而形成电流。这产生的直流电流可以被用来为电网供电或储存在电池中以备将来使用，以便在晚上或云天等不可控的时段供电。
储能技术是光伏储能系统的关键组成部分，它允许将通过光伏发电产生的电能储存在电池或其他储能设备中，常见的储能技术包括：
锂离子电池：这是目前*常用的储能技术之一，用于存储电能，供应家庭、工业和商业用途。
铅酸电池：被广泛应用于低成本和短期应用中。
电容器：具有高速充放电能力，通常用于瞬态储能需求。
氢能源储能：通过将电能用于制氢，将氢储存在燃料电池中，以供电时重新产生电能。
热能储能：利用热能储存原理，例如蓄热式太阳能电站。
2.光伏储能系统的工作原理
光伏发电：光伏电池在阳光照射下产生直流电。这一过程是系统的电力输入。
电能转换：直流电经过逆变器转换为交流电，以便在电网中使用或供给交流设备。
电能储存：剩余的电能可以储存在电池或其他储能设备中，以备将来使用。这是系统的能量存储部分。
能量管理：系统的能量管理控制器监控能源需求、电池状态和其他参数，并根据需要分配电能。它确保在不可预测的太阳能供应条件下，系统能够提供连续可靠的电力供应。
电网互连：如果系统与电网互连，多余的电能可以卖给电网，从而实现双向电流。这有助于提高系统的经济性和可持续性。
3.光储充能量管理系统（EMS）结构
光储充系统分为三个部分：光伏发电系统、储能系统和充电桩系统。三个系统通过AC400V母线49耦合，通过以太网与EMS进行通讯，由EMS协调控制各系统的运行策略。EMS可以通过网络将监控数据传送给远方监控系统和监视大屏显示系统。光储充系统的系统架构如下图所示。
图1光储充系统的系统架构
EMS是光储充系统的核心组成部分，负责整个系统的底层数据采集、系统网络监控、能量管理调度和运行数据分析。为保证光储充系统的稳定运行，EMS采用两级分级控制体分为本地EMS和集控EMS，其结构图如下图所示。
图2能量管理系统（EMS）结构图
本地EMS可实现对储能变流器（PCS）、电池管理系统（BMS）、光伏逆变器、充电桩和电网的数据采集，并根据峰谷电价、限电政策、应急需求等不同的使用场景，制定和运行不同的能量管理策略。本地EMS通过向PCS发送有功、无功等控制指令控制PCS执行相应的动作，同时可以将监测的光储充系统实时运行状态、系统内各种设备状态等信息上传至集控EMS。
集控EMS由EMS工作站和EMS服务器构成。EMS工作站的主要功能是实时监控光储充系统的运行状态，同时负责制定光储充系统的运行模式；而EMS服务器的主要功能是储存光储充系统的运行数据，可以提供历史数据查询、数据分析等服务，是后期根据大数据分析制定运行策略的前提保障。
4.Acrel-2000ES储能柜能量管理系统
4.1系统概述
安科瑞储能能量管理系统Acrel-2000ES，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。
4.2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：
4.3系统功能
4.3.1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。
4.3.2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。
4.3.3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。
4.3.4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。
4.3.5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。
4.3.6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。
4.3.7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。
4.3.8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。
5.相关平台部署硬件选型清单
6.结束语
本文设计了一种园区光储充能量管理系统，具有实时监控、设备管理、系统调度、能源分析等功能，根据光伏系统发电功率和用电负荷总负荷功率，结合当地峰谷用电时间段分布政策，制定了储能系统控制策略，实现了平移园区用电负荷、峰谷套利、园区经济利益*大化。该光储充能量管理系统已经在成都某企业园区安全稳定运行，为区域电网错峰避开负荷高峰发挥了巨大的作用，取得了很好的经济效益和社会效益。
参考文献
[1]王晓华,孙德亮,李维华.光储微网系统设计与应用[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2016,39(1):79-83
[2]傅金洲.光(伏)储(能)一体发电系统的储能配置和能量管理策略研究[D].合肥工业大学,2018
[3]王志民，林云松， 鄢治国，张川，张豪亨.园区光储充能量管理系统设计及应用园
[4]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版.
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图1光储充系统的系统架构EMS是光储充系统的核心组成部分，负责整个系统的底层数据采集、系统网络监控、能量管理调度和运行数据分析。为保证光储充系统的稳定运行，EMS采用两级分级控制体分为本地EMS和集控EMS，其结构图如下图所示。
图2能量管理系统（EMS）结构图本地EMS可实现对储能变流器（PCS）、电池管理系统（BMS）、光伏逆变器、充电桩和电网的数据采集，并根据峰谷电价、限电政策、应急需求等不同的使用场景，制定和运行不同的能量管理策略。本地EMS通过向PCS发送有功、无功等控制指令控制PCS执行相应的动作，同时可以将监测的光储充系统实时运行状态、系统内各种设备状态等信息上传至集控EMS。
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。
4.3.4策略配置
4.3.5实时报警
