安科瑞 陳聰

摘要：在“雙碳”戰略背景下，光伏技術成為光伏與建筑兩大行業關注的焦點。在建設中引入光電、儲能、微網是目前的一個發展趨勢，受接入資源的多樣性和不連續的限制,合理控制、優化分配資源成為一項難題。研究建立一個智能微電網控制系統,利用集態控制系統、分布式網絡結構電源系統和計量系統合理平衡電力、負載和儲能裝置,達到離網工作的有功電源與無功功率的均衡,同時逐步切斷部分非關鍵負載,確保對關鍵負載的安全用電,并大限度增加系統的可靠性和智能度。

關鍵詞：光伏發電；直流儲能；智能微電網；監控

1、引言

微電網是指由多種能源組成的小型發配電系統，微電網的提出旨在實現分布式電源的靈活、高效應用，解決數量龐大、形式多樣的分布式電源并網問題。開發和延伸微電網能夠充分促進分布式電源與可再生能源的大規模接入，實現對負荷多種能源形式的高可靠供給，是實現主動式配電網的一種有效方式，使傳統電網向智能電網過渡。

鑒于現有電力系統監控與數據采集系統的能量管理平臺存在靈活性差且調試周期長的問題，同時缺乏對環境溫度、水汽等建筑能耗參數的測控能力，無法支持可再生能源建筑和社區熱電聯供系統實現優化能量管理和精細化能效分析，本項目將開發一套光伏儲能直流智能微電網監測系統。

2、技術背景

近幾年，全球范圍應對氣候變化進程顯著加速，將氣候變化問題作為21世紀人類面臨的重大挑戰之一成為全球共識。2020年9月，我國提出“力爭2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和”的戰略決策。應對碳中和領域的挑戰，在綠色轉型中實現共同發展，已經成為國內國際面臨的重要共同任務。據國際能源署（IEA）數據顯示，2018年，中國碳排放（折算為CO2，下同）約為100億t，其中，建筑運行約為21億t，占21%，建筑業約為18億t，占18%。同西方發達相比，我國建筑運行碳排放占比偏低，但建筑材料和建造碳排放占比偏高。2022年4月1日，住房和城鄉建設部出臺《建筑節能與可再生能源通用技術規范》，對建筑節能和太陽能、地熱能、空氣能與建筑的結合應用提出了更具體的要求，將逐步提升至近零能耗建筑。由于應用了各種類型的能源形式，依靠常規的電網和化石能源的建筑能源系統正在向多種能源綜合利用模式發展。同時，多種儲電、儲冷、儲熱技術得到廣泛應用，使得能源系統更加復雜多樣。靠人工控制和簡單的自動化控制難以滿足建筑綜合能源系統可靠、高效運行的需要。光伏儲能直流智能微電網監測系統已經成為國內外的研究熱點。

西門子SpectrumPower微網管理系統和EnergyIPDEOP云平臺可完成對熱電多能互補和電源負荷的統一管理。施耐德電氣公司推出新一代數字能效管理平臺EMS+，實現了設備可視化管理、設備預防性維護和BIM3D建模；日本的松下、日立等公司推出了CEMS、HEMS等社區級和家庭級通用能源管理平臺，實現了能源供給與負荷用能的協調。國外的軟件一般規模較大，可塑性弱，難以適應國內建筑能源系統的多樣化需求。

國內的建筑監控和能量管理軟件主要是在常規電力監控軟件上衍生出來的，如組態王、力控、MCGS、瑞爾、杰控等組態軟件，其主要功能還停留在數據采集和統計分析階段，若需要增加負荷控制和能效管理，需要進行定制化開發，費用和周期長。與國外的綜合能源管理平臺相比，國內平臺處于起步階段，功能較單一，難以實現多種能源的協調運行。

1. 技術方案

為了解決社區或工業園區級能源系統的智能化管理和控制問題，擬開發一套光伏儲能直流智能微電網監測系統。該系統由基于嵌入式技術的硬件控制器和主控系統兩部分組成，立足于為商業園區、現代化社區或新型城鎮等多種能源利用場景提供定制化服務，提高用能的安全性、可靠性和經濟性。整體技術方案及功能如下：

（1）開發基于嵌入式技術的邊緣控制器，主要功能為通信功能、數據采集、系統保護以及智能化控制和能量管理。

（2）開發一套能量管理主控系統，除具備SCADA系統的監控、保護、數據存儲、事件記錄、人機交互等功能外，還具備智能化能量管理功能。

（3）開發不同控制和能量管理功能的軟件模塊，可自由組合調用，實現多目標優化控制。

（4）該系統硬件設備及軟件程序均具有高度的兼容性，支持各類通信協議的端口及軟件程序，可實現對光伏、風電、天然氣、電采暖、電儲能、熱儲能等各種能源形式的管理。

3.1系統框架搭建

光伏儲能直流智能微電網監測系統采用“云-邊-端”協同的能量管理系統架構，通過“本地計算＋云端優化”的協同方式，實現系統在線優化升級，也降低了網絡通信的依賴。系統架構如圖1所示。

系統框架分為配電網調度層、微電網集中控制層、就地控制層。就地控制層包括發電電源、儲能系統、負載及交直流（DC/AC）控制部分。微電網集中控制層包括控制，由監測單元和統計分析組成，監測單元按照監測對象不同包含發電、儲能、負載3部分。發電監測其重點電壓、電流、功率等參數；儲能監測內容包括電壓、電流、功率及荷電狀態等；負載監測包括類型、功率、用電量等；而統計分析利用多種展示形式，分析各部分的運行狀態及決策處理。保護部分分別對儲能、電源、用戶進行保護，計量部分通過電表進行電費結算。配電網調度層有調度系統，根據統計分析結果進行能源調度，實現能源的優化利用。

3.2軟硬件設計

3.2.1儲能系統

儲能系統包括儲能蓄電池和逆變器兩部分。儲能蓄電池可以是鉛酸電池、磷酸鐵鋰電池、飛輪儲能系統；逆變器的作用是控制儲能部分，并進行交直流逆變。逆變器有功率閉環運行和電壓閉環運行兩種工作方式，分別在并網和離網兩種狀態下運行。逆變器直流側電壓為儲能系統工作電壓，交流側電壓常用380V或400V母線電壓。儲能系統還配置了電池管理系統，用于實時檢測儲能單元的電壓、電流、溫度等參數，通過高精度剩余電量及電池健康度估算，評估蓄電池的放點電流，并上傳監控參數。

3.2.2能量管理系統

能量管理系統研究冷、熱、電、氣物理量的低耗電量無線傳輸技術以及模塊化組網通信技術，開發嵌入式邊緣控制器。主要功能為通信、數據采集、系統保護，以及智能化控制和能量管理功能。

3.2.3微電網監控管理系統

微電網監控管理系統基于瀏覽器和服務器（B/S）架構模式的能源管理云平臺設計技術，除具備數據采集與監視控制（SCADA）系統的監控、保護、數據存儲、事件記錄、人機交互等功能外，還具備智能化能量管理功能。主控系統具有高度兼容性和可擴展性，可根據不同的應用場景組成定制化系統架構以及實現監控保護功能。

3.3性能參數

系統具有高度兼容性和可擴展性，可根據不同的應用場景組成定制化系統架構，并提供相應的控制管理策略，以及監控保護功能。在此過程中，不僅支持各類能源之間的調度和分配，同時考慮電熱轉換、電冷轉換等不同類型能源形式之間的交叉耦合利用。

系統主要參數如表1所示。

4.系統功能

4.1.實時監測

系統人機界面友好，能夠顯示儲能柜的運行狀態，實時監測PCS、BMS以及環境參數信息，如電參量、溫度、濕度等。實時顯示有關故障、告警、收益等信息。

4.2.設備監控

系統能夠實時監測PCS、BMS、電表、空調、消防、除濕機等設備的運行狀態及運行模式。

PCS監控：滿足儲能變流器的參數與限值設置；運行模式設置；實現儲能變流器交直流側電壓、電流、功率及充放電量參數的采集與展示；實現PCS通訊狀態、啟停狀態、開關狀態、異常告警等狀態監測。

BMS監控：滿足電池管理系統的參數與限值設置；實現儲能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監測；實現電池充放電狀態、電壓、電流及溫度異常狀態的告警。

空調監控：滿足環境溫度的監測，可根據設置的閾值進行空調溫度的聯動調節，并實時監測空調的運行狀態及溫濕度數據，以曲線形式進行展示。

UPS監控：滿足UPS的運行狀態及相關電參量監測。

4.3.曲線報表

系統能夠對PCS充放電功率曲線、SOC變換曲線、及電壓、電流、溫度等歷史曲線的查詢與展示。

4.4.策略配置

滿足儲能系統設備參數的配置、電價參數與時段的設置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制等。

4.5.實時報警

儲能能量管理系統具有實時告警功能，系統能夠對儲能充放電越限、溫度越限、設備故障或通信故障等事件發出告警。

4.6.事件查詢統計

儲能能量管理系統能夠對遙信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

4.7.遙控操作

可以通過每個設備下面的紅色按鈕對PCS、風機、除濕機、空調控制器、照明等設備進行相應的控制，但是當設備未通信上時，控制按鈕會顯示無效狀態。

4.8.用戶權限管理

儲能能量管理系統為保障系統安全穩定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控的操作，數據庫修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

4.9儲能電表產品選型

5.結語

光伏儲能直流智能微電網監測系統有利用集態控制系統、分布式網絡結構電源系統和計量系統合理平衡電力、負載和儲能裝置，達到離網工作的有功功率與無功功率的均衡，同時逐步切斷部分非關鍵負載，確保對關鍵負載的安全用電，并高限度提高系統的可靠性和智能度。為滿足不同能源系統需求，能源管理平臺采用的模塊化設計方案分為不同的系列和功能，可根據系統規模和類型進行配置。應用場景可適用于常規光伏發電系統、光儲發電系統、交流微電網系統、直流微電網系統以及建筑電熱冷綜合能源。能源管理平臺適用于的系統裝機容量從幾十千瓦到幾百千瓦不等。

參考文獻

【1】韓金峰，陳敬欣.光伏儲能直流智能微電網監測系統的基礎研發

【2】安科瑞企業微電網設計及應用手冊.2020.06版