任運業

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定201801

摘要：針對儲能系統單一運行模式難以滿足光儲充電站多類技術需求的問題，提出一種考慮多模式融合的光儲充電站儲能系統優化運行策略。首先，分析光儲充電站儲能系統典型運行模式，在此基礎上進行儲能系統多模式融合設計；其次，建立不同模式下光儲充電站儲能系統運行模型，進一步提出多模式融合的光儲充電站儲能系統優化運行策略；*后，基于上海某光儲充電站24h運行曲線，對所提策略進行仿真與實驗分析。結果表明：所提策略可降低光儲充電站并網負荷波動和儲能系統能量平衡用電成本，提升光儲充電站運行效益。

關鍵詞：光儲充電站；儲能系統；功率平滑；負荷整形；分時電價；多模式融合

0引言

隨著電動汽車的快速發展，人們對充電基礎設施規劃與建設提出了更高要求。與此同時，在“碳達峰、碳中和”戰略背景下，為應對化石能源枯竭和環境污染問題，提升可再生能源發展和利用水平、實現能源可持續發展成為世界各國的目標。光儲充電站作為兼具新能源消納、負荷波動平抑和延緩輸電線路擴容功能的新型充電服務設施，近年來得到了廣泛關注與研究。儲能系統具備雙向變功率的電能傳輸特性，是光儲充電站中*靈活的能量控制單元，因此儲能系統優化運行策略研究對提升光儲充電站綜合效益具有重要意義。

根據給定控制目標，結合功率平衡關系得到被控對象的功率控制信號，使其在運行時對該信號進行跟蹤，可有效解決上述問題。采用低通濾波、移動平均濾波和高斯濾波等方法得到目標并網功率值，對光儲系統進行并網功率平滑控制，提高了光伏發電系統的電能輸出質量；提出一種電池儲能參與電網削峰填谷的變功率控制策略，通過設定峰谷閾值進行并網負荷整形；結合分時電價確定儲能系統充放電時刻，通過對儲能進行“低儲高放”賺取峰谷電價差，提升了儲能電站運行的經濟效益。綜上，根據不同控制目標，儲能系統主要運行模式可分為并網功率平滑、并網負荷整形和分時電價套利等。實際應用中，光儲充電站儲能系統的優化運行往往不能簡單從電網側功率調節或負荷側經濟運行等單一方面考慮。

針對上述問題，本文提出一種考慮多模式融合的光儲充電站儲能系統優化運行策略。通過對光儲充電站儲能系統功率平滑、負荷整形和分時電價3種運行模式進行融合設計，建立光儲充電站儲能系統優化控制模型，得到兼具多種技術優勢的儲能系統優化運行策略，并結合上海某光儲充電站運行數據進行仿真與實驗分析，驗證所提運行策略的有效性。

1光儲充電站結構及運行模式

設計的光儲充電站結構如圖1所示，相比于傳統電動汽車充電站結構，光儲充電站中配置有光伏電池組和儲能電池組。其中，光伏電池組經DC/AC變換器連接至交流母線，作為光儲充電站的重要電力來源；儲能電池組通過DC/AC變換器與交流母線相連，用于平抑交流母線不平衡功率；能量管理系統通過監測各能量單元的功率信息對各時刻光伏電池組、儲能電池組和電網的功率進行調控，以滿足充電負荷需求。

考慮*大化新能源消納，光伏逆變器采用*大功率點跟蹤控制模式[19]，任意時刻t的光伏出力可視為不可控量，與電動汽車充電負荷疊加為光儲充電站的等效負荷，即

式中：為等效負荷；為電動汽車充電負荷；為光伏出力；為交流充電負荷；為直流充電負荷。

由式（3）可知，通過改變各時刻儲能系統充放電功率，可優化電網與光儲充電站間的功率傳輸。從電網運行和光儲充電站運營的角度出發，光儲充電站主要存在以下幾種運行模式。

1）功率平滑模式。

功率平滑模式主要從電網運行角度優化光儲充電站并網負荷變化率，其具體方式是利用儲能系統雙向變功率輸出特性，通過調節各時刻儲能系統充放電狀態及其功率大小，緩沖光伏發電與電動汽車充電負荷的功率驟變，使光儲充電站并網負荷曲線趨于平滑，減小充電負荷對配電網的沖擊。

2）負荷整形模式。

負荷整形模式主要從電網運行角度優化光儲充電站并網負荷變化范圍，其具體方式是使儲能系統在等效負荷低于設定功率下限shi充電，高于設定功率上限shi放電，保證光儲充電站并網負荷穩定在合理的上下限之間，延緩輸電線路擴容。

3）分時電價模式。

分時電價模式主要從光儲充電站運營角度對儲能系統充放電時段進行優化調整，其具體方式是利用儲能系統在谷電價時段充電、峰電價時段放電，以獲取峰谷差價利潤，提高光儲充電站運行經濟性。

以上3種運行模式均能從不同角度實現光儲充電站運行優化。如功率平滑模式和負荷整形模式分別從并網負荷變化率和變化范圍2個方面進行了優化，改善了光儲充電站并網負荷功率質量；分時電價模式則利用峰谷電價差降低了光儲充電站購電成本，提高運行經濟性。然而，光儲充電站實際運行過程中需要兼顧電網側運行的技術性指標和充電站經濟性指標[6]，因此須對以上3種運行模式進行融合設計。

2多模式融合的光儲充電站儲能系統優化運行策略

2.1多模式融合設計

功率平滑模式和負荷整形模式的主要控制目標均為光儲充電站并網負荷功率，是不同技術指標下2種并網負荷功率調節手段，具有較好的兼容性，可在完成功率平滑控制目標的基礎上，同時實現負荷整形控制要求。分時電價模式的儲能系統充放電功率則主要取決于峰谷電價時段，與實際并網負荷功率的變化情況可能存在一定偏差，即峰電價時段不一定為實際負荷峰值時段，谷電價時段不一定為實際負荷谷值時段。因此，若簡單將3種運行模式疊加，可能導致并網負荷功率“峰上加峰”的情況，不利于光儲充電站安全穩定運行。此外，考慮工作周期內儲能系統參與并網負荷功率調節的充電量和放電量通常不相等，若不采取措施對儲能系統進行能量平衡，將難以保證儲能系統長時間持續運行。

為解決上述問題，提出一種多模式融合的儲能系統優化運行策略，主要思路如下。

1）根據各時刻光伏出力和充電負荷數據，得到各時刻光儲充電站原始并網負荷功率，即各時刻等效負荷功率，構成等效負荷功率序列。

2）對等效負荷功率序列進行功率平滑處理，得到功率平滑處理后的并網負荷功率序列，在此基礎上對所得序列進行負荷整形處理，進一步得到負荷整形處理后的并網負荷功率序列。

3）計算負荷整形處理后的并網負荷功率序列與等效負荷功率序列之間的能量差，基于“低儲高放”的分時電價模式，對上述能量差進行平衡。因此，光儲充電站多模式融合運行目標主要由2個部分構成。從并網功率優化角度，對功率平滑模式和負荷整形模式進行融合，實現光儲充電站并網負荷曲線的優化調節；結合光儲充電站經濟運行要求，利用分時電價模式進一步解決融合運行帶來的儲能系統能量不平衡問題。

3仿真分析

3.1數據來源

選取圖3所示上海某光儲充電站24h運行曲線進行仿真分析。該光儲充電站具體配置參數如

表2所示，其功率采樣時間間隔Δt=1min。

3.2仿真結果與分析

3.2.1仿真結果

設定滑動系數N=15，并網負荷上、下限分別為變壓器額定功率的75%和1%，可得到光儲充電站儲能系統待平衡能量為−7.65kW·h，即能量平衡前儲能系統24h放電量比充電量多7.65kW·h，因此須增大儲能系統充電量。根據上海市*新分時電價政策，08:00—11:00、18:00—21:00為峰時段；06:00—08:00、11:00—18:00、21:00—22:00為平時段；22:00至次日06:00為谷時段。結合圖3可知，光儲充電站在00:00—06:00負荷較低，且處于谷電價時段，宜在此階段增大儲能系統充電功率，進行儲能系統能量平衡。因此，設定00:00—06:00為能量平衡時段，即T1=00:00，T2=06:00。基于以上設定，可得到所提策略下儲能系統充放電功率曲線及SOC變化曲線，如圖4所示。

基于上述儲能系統優化運行方案，可得到儲能工作前后光儲充電站并網負荷曲線對比，如圖5所示。其中，儲能工作前曲線為光儲充電站原始并網負荷曲線（即光儲充電站等效負荷曲線），儲能工作后曲線為所提策略下光儲充電站并網負荷曲線。由圖5可知，所提策略可有效實現并網點功率平滑和負荷整形，降低光儲充電站并網點功率變化率和變化范圍，減小光充電站負荷波動對電網造成的沖擊。

4 Acrel-2000MG充電站微電網能量管理系統

4.1平臺概述

Acrel-2000MG微電網能量管理系統，是我司根據新型電力系統下微電網監控系統與微電網能量管理系統的要求，總結國內外的研究和生產的先進經驗，專門研制出的企業微電網能量管理系統。本系統滿足光伏系統、風力發電、儲能系統以及充電站的接入，*進行數據采集分析，直接監視光伏、風能、儲能系統、充電站運行狀態及健康狀況，是一個集監控系統、能量管理為一體的管理系統。該系統在安全穩定的基礎上以經濟優化運行為目標，促進可再生能源應用，提高電網運行穩定性、補償負荷波動；有效實現用戶側的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為企業微電網能量管理提供安全、可靠、經濟運行提供了全新的解決方案。

微電網能量管理系統應采用分層分布式結構，整個能量管理系統在物理上分為三個層：設備層、網絡通信層和站控層。站級通信網絡采用標準以太網及TCP/IP通信協議，物理媒介可以為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

4.2平臺適用場合

系統可應用于城市、高速公路、工業園區、工商業區、居民區、智能建筑、海島、無電地區可再生能源系統監控和能量管理需求。

4.3系統架構

本平臺采用分層分布式結構進行設計，即站控層、網絡層和設備層，詳細拓撲結構如下：

圖1典型微電網能量管理系統組網方式

5充電站微電網能量管理系統解決方案

5.1實時監測

微電網能量管理系統人機界面友好，應能夠以系統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態，實時監測光伏、風電、儲能、充電站等各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。其中，各子系統回路電參量主要有：相電壓、線電壓、三相電流、有功/無功功率、視在功率、功率因數、頻率、有功/無功電度、頻率和正向有功電能累計值；狀態參數主要有：開關狀態、斷路器故障脫扣告警等。

系統應可以對分布式電源、儲能系統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態及發電單元與儲能單元運行功率設置等。

系統應可以對儲能系統進行狀態管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態進行及時告警，并支持定期的電池維護。

微電網能量管理系統的監控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電站及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統信息進行顯示。

圖1系統主界面

子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電站信息、通訊狀況及一些統計列表等。

5.1.1光伏界面

圖2光伏系統界面

本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、并網柜電力監測及發電量統計、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

5.1.2儲能界面

圖3儲能系統界面

本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖4儲能系統PCS參數設置界面

本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖5儲能系統BMS參數設置界面

本界面用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖6儲能系統PCS電網側數據界面

本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖7儲能系統PCS交流側數據界面

本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。

圖8儲能系統PCS直流側數據界面

本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。

圖9儲能系統PCS狀態界面

本界面用來展示對PCS狀態信息，主要包括通訊狀態、運行狀態、STS運行狀態及STS故障告警等。

圖10儲能電池狀態界面

本界面用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲能電池的運行狀態、系統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。

圖11儲能電池簇運行數據界面

本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的電壓、溫度值及所對應的位置。

5.1.3風電界面

圖12風電系統界面

本界面用來展示對風電系統信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

5.1.4充電站界面

圖13充電站界面

本界面用來展示對充電站系統信息，主要包括充電站用電總功率、交直流充電站的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電站的運行數據等。

5.1.5視頻監控界面

圖14微電網視頻監控界面

本界面主要展示系統所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。

5.1.6發電預測

系統應可以通過歷史發電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發電進行短期、超短期發電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發電計劃，便于用戶對該系統新能源發電的集中管控。

圖15光伏預測界面

5.1.7策略配置

系統應可以根據發電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、防逆流、有序充電、動態擴容等。

具體策略根據項目實際情況（如儲能柜數量、負載功率、光伏系統能力等）進行接口適配和策略調整，同時支持定制化需求。

圖16策略配置界面

5.1.8運行報表

應能查詢各子系統、回路或設備*時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能、尖峰平谷時段電量等。

圖17運行報表

5.1.9實時報警

應具有實時報警功能，系統能夠對各子系統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。

圖18實時告警

5.1.10歷史事件查詢

應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣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。

圖19歷史事件查詢

5.1.11電能質量監測

應可以對整個微電網系統的電能質量包括穩態狀態和暫態狀態進行持續監測，使管理人員實時掌握供電系統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。

1）在供電系統主界面上應能實時顯示各電能質量監測點的監測裝置通信狀態、各監測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度*和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度*和正序/負序/零序電流值；

2）諧波分析功能：系統應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；

3）電壓波動與閃變：系統應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與頻率偏差；

4）功率與電能計量：系統應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；

5）電壓暫態監測：在電能質量暫態事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發生時，系統應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統應能查看相應暫態事件發生前后的波形。

6）電能質量數據統計：系統應能顯示1min統計整2h存儲的統計數據，包括均值、*值、*值、95%概率值、方均根值。

7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續時間、事件發生的時間。

圖20微電網系統電能質量界面

5.1.12遙控功能

應可以對整個微電網系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統維護人員可以通過管理系統的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度系統或站內相應的操作命令。

圖21遙控功能

5.1.13曲線查詢

應可在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

圖22曲線查詢

5.1.14統計報表

具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的發電、用電、充放電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與外部系統間電能量交換進行統計分析；對系統運行的節能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。

圖23統計報表

5.1.15網絡拓撲圖

系統支持實時監視接入系統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖24微電網系統拓撲界面

本界面主要展示微電網系統拓撲，包括系統的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

5.1.16通信管理

可以對整個微電網系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監測。系統維護人員可以通過管理系統的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

圖25通信管理

5.1.17用戶權限管理

應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）。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。

圖26用戶權限

5.1.18故障錄波

應可以在系統發生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。

圖27故障錄波

5.1.19事故追憶

可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。

用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發生時，存儲事故qian10個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數據。啟動事件和監視的數據點可由用戶隨意修改。

6結束語

本文針對光儲充電站儲能系統優化運行問題進行了研究，對功率平滑、負荷整形和分時電價3種運行模式進行了融合設計，得出以下結論。

1）所提策略可使光儲充電站負荷波動率降低為原來的22.4%，同時將光儲充電站負荷變化范圍限制于變壓器額定功率的1%~75%，能夠從負荷波動率和波動范圍2個方面改善光儲充電站并網負荷曲線，降低光儲充電站負荷波動對電網電能質量造成的不利影響，延長變壓器運行壽命。

2）所提策略下光儲充電站儲能系統24h充放電量相等，能夠克服因并網功率調節導致的儲能系統充放電量失衡問題，提升儲能系統運行可靠性。

3）所提策略利用谷電價時段對儲能系統進能量平衡，總購電成本相比原始狀態降低了0.69%，同時還可兼顧實現并網功率平滑、并網負荷整形、儲能系統能量平衡等技術效果，能夠提升光儲充電站的綜合運行性能。

4）實驗表明，所提策略下儲能系統實際交流側功率能夠較好地跟蹤其功率給定值，具備可行性。本研究將儲能系統視為整體，與光儲充電站中其他能量單元進行功率的優化分配。事實上，隨著電池儲能系統壽命周期的不斷增長，其內部各儲能單元將呈現出一定的個體差異性，因此基于論文所提策略框架下的儲能系統內部功率分配問題將是下一步研究重點。

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【4】安科瑞高校綜合能效解決方案2022.5版.

【5】安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.05版.

作者簡介

任運業，男，現任職于安科瑞電氣股份有限公司。