浅谈光伏储能直流微电网监测系统的研发

摘要：在“双碳”战略背景下，光伏技术成为光伏与建筑两大行业关注的焦点。在建设中引入光电、储能、微网是目前的一个发展趋势，受接入资源的多样性和不连续的限制,合理控制、优化分配资源成为一项难题。研究建立一个智能微电网控制系统,利用集态控制系统、分布式网络结构电源系统和计量系统合理平衡电力、负载和储能装置,达到离网工作的有功电源与无功功率的均衡,同时逐步切断部分非关键负载,确保对关键负载的安全用电,并大限度增加系统的可靠性和智能度。

关键词：光伏发电；直流储能；智能微电网；监控

1、引言

微电网是指由多种能源组成的小型发配电系统，微电网的提出旨在实现分布式电源的灵活、高效应用，解决数量庞大、形式多样的分布式电源并网问题。开发和延伸微电网能够充分促进分布式电源与可再生能源的大规模接入，实现对负荷多种能源形式的高可靠供给，是实现主动式配电网的一种有效方式，使传统电网向智能电网过渡。

鉴于现有电力系统监控与数据采集系统的能量管理平台存在灵活性差且调试周期长的问题，同时缺乏对环境温度、水汽等建筑能耗参数的测控能力，无法支持可再生能源建筑和社区热电联供系统实现优化能量管理和精细化能效分析，本项目将开发一套光伏储能直流智能微电网监测系统。

2、技术背景

近几年，全球范围应对气候变化进程显著加速，将气候变化问题作为21世纪人类面临的重大挑战之一成为全球共识。2020年9月，我国提出“力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和”的战略决策。应对碳中和领域的挑战，在绿色转型中实现共同发展，已经成为国内国际面临的重要共同任务。据国际能源署（IEA）数据显示，2018年，碳排放（折算为CO2，下同）约为100亿t，其中，建筑运行约为21亿t，占21%，建筑业约为18亿t，占18%。同西方发达相比，我国建筑运行碳排放占比偏低，但建筑材料和建造碳排放占比偏高。2022年4月1日，住房和城乡建设部出台《建筑节能与可再生能源通用技术规范》，对建筑节能和太阳能、地热能、空气能与建筑的结合应用提出了更具体的要求，将逐步提升至近零能耗建筑。由于应用了各种类型的能源形式，依靠常规的电网和化石能源的建筑能源系统正在向多种能源综合利用模式发展。同时，多种储电、储冷、储热技术得到广泛应用，使得能源系统更加复杂多样。靠人工控制和简单的自动化控制难以满足建筑综合能源系统可靠、高效运行的需要。光伏储能直流智能微电网监测系统已经成为国内外的研究热点。

西门子SpectrumPower微网管理系统和EnergyIPDEOP云平台可完成对热电多能互补和电源负荷的统一管理。施耐德电气公司推出新一代数字能效管理平台EMS+，实现了设备可视化管理、设备预防性维护和BIM3D建模；日本的松下、日立等公司推出了CEMS、HEMS等社区级和家庭级通用能源管理平台，实现了能源供给与负荷用能的协调。国外的软件一般规模较大，可塑性弱，难以适应国内建筑能源系统的多样化需求。

国内的建筑监控和能量管理软件主要是在常规电力监控软件上衍生出来的，如组态王、力控、MCGS、瑞尔、杰控等组态软件，其主要功能还停留在数据采集和统计分析阶段，若需要增加负荷控制和能效管理，需要进行定制化开发，费用和周期长。与国外的综合能源管理平台相比，国内平台处于起步阶段，功能较单一，难以实现多种能源的协调运行。

1. 技术方案

为了解决社区或工业园区级能源系统的智能化管理和控制问题，拟开发一套光伏储能直流智能微电网监测系统。该系统由基于嵌入式技术的硬件控制器和主控系统两部分组成，立足于为商业园区、现代化社区或新型城镇等多种能源利用场景提供定制化服务，提高用能的安全性、可靠性和经济性。整体技术方案及功能如下：

（1）开发基于嵌入式技术的边缘控制器，主要功能为通信功能、数据采集、系统保护以及智能化控制和能量管理。

（2）开发一套能量管理主控系统，除具备SCADA系统的监控、保护、数据存储、事件记录、人机交互等功能外，还具备智能化能量管理功能。

（3）开发不同控制和能量管理功能的软件模块，可自由组合调用，实现多目标优化控制。

（4）该系统硬件设备及软件程序均具有高度的兼容性，支持各类通信协议的端口及软件程序，可实现对光伏、风电、天然气、电采暖、电储能、热储能等各种能源形式的管理。

3.1系统框架搭建

光伏储能直流智能微电网监测系统采用“云-边-端”协同的能量管理系统架构，通过“本地计算＋云端优化”的协同方式，实现系统在线优化升级，也降低了网络通信的依赖。系统架构如图1所示。

系统框架分为配电网调度层、微电网集中控制层、就地控制层。就地控制层包括发电电源、储能系统、负载及交直流（DC/AC）控制部分。微电网集中控制层包括控制，由监测单元和统计分析组成，监测单元按照监测对象不同包含发电、储能、负载3部分。发电监测其重点电压、电流、功率等参数；储能监测内容包括电压、电流、功率及荷电状态等；负载监测包括类型、功率、用电量等；而统计分析利用多种展示形式，分析各部分的运行状态及决策处理。保护部分分别对储能、电源、用户进行保护，计量部分通过电表进行电费结算。配电网调度层有调度系统，根据统计分析结果进行能源调度，实现能源的优化利用。

3.2软硬件设计

3.2.1储能系统

储能系统包括储能蓄电池和逆变器两部分。储能蓄电池可以是铅酸电池、磷酸铁锂电池、飞轮储能系统；逆变器的作用是控制储能部分，并进行交直流逆变。逆变器有功率闭环运行和电压闭环运行两种工作方式，分别在并网和离网两种状态下运行。逆变器直流侧电压为储能系统工作电压，交流侧电压常用380V或400V母线电压。储能系统还配置了电池管理系统，用于实时检测储能单元的电压、电流、温度等参数，通过高精度剩余电量及电池健康度估算，评估蓄电池的放点电流，并上传监控参数。

3.2.2能量管理系统

能量管理系统研究冷、热、电、气物理量的低耗电量无线传输技术以及模块化组网通信技术，开发嵌入式边缘控制器。主要功能为通信、数据采集、系统保护，以及智能化控制和能量管理功能。

3.2.3微电网监控管理系统

微电网监控管理系统基于浏览器和服务器（B/S）架构模式的能源管理云平台设计技术，除具备数据采集与监视控制（SCADA）系统的监控、保护、数据存储、事件记录、人机交互等功能外，还具备智能化能量管理功能。主控系统具有高度兼容性和可扩展性，可根据不同的应用场景组成定制化系统架构以及实现监控保护功能。

3.3性能参数

系统具有高度兼容性和可扩展性，可根据不同的应用场景组成定制化系统架构，并提供相应的控制管理策略，以及监控保护功能。在此过程中，不仅支持各类能源之间的调度和分配，同时考虑电热转换、电冷转换等不同类型能源形式之间的交叉耦合利用。

系统主要参数如表1所示。

4.系统功能

4.1.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。

4.2.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.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。

4.4.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。

4.5.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。

4.6.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。

4.7.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。

4.8.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。

4.9储能电表产品选型

5.结语

光伏储能直流智能微电网监测系统有利用集态控制系统、分布式网络结构电源系统和计量系统合理平衡电力、负载和储能装置，达到离网工作的有功功率与无功功率的均衡，同时逐步切断部分非关键负载，确保对关键负载的安全用电，并高限度提高系统的可靠性和智能度。为满足不同能源系统需求，能源管理平台采用的模块化设计方案分为不同的系列和功能，可根据系统规模和类型进行配置。应用场景可适用于常规光伏发电系统、光储发电系统、交流微电网系统、直流微电网系统以及建筑电热冷综合能源。能源管理平台适用于的系统装机容量从几十千瓦到几百千瓦不等。