淺談工商企業(yè)用電管理的分布式儲(chǔ)能設(shè)計(jì)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：文章設(shè)計(jì)了一種新的用于工商業(yè)用電管理的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)。由于儲(chǔ)能系統(tǒng)硬件置換成本高，選擇在傳統(tǒng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的硬件框架基礎(chǔ)上，對(duì)控制軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)模型，分析發(fā)電量、儲(chǔ)電量及損失電量三者之間的關(guān)系，并分析其優(yōu)化需求。在此基礎(chǔ)上，基于有限收斂?jī)?yōu)化系統(tǒng)調(diào)度，確定系統(tǒng)模態(tài)切換策略，實(shí)現(xiàn)倒送電能的*效充電存儲(chǔ)。對(duì)比傳統(tǒng)儲(chǔ)能系統(tǒng)，文章設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠管控倒送電能充電存儲(chǔ)、減少資源浪費(fèi)，并且存儲(chǔ)過程中電能調(diào)度成本更低、經(jīng)濟(jì)效益更高。

關(guān)鍵詞：工商業(yè)用電管理；分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)；有限

0.引言

當(dāng)前社會(huì)能源消耗巨大，傳統(tǒng)能源日漸減少，探求新的可再生能源成為資源發(fā)展的研究熱點(diǎn)，分布式電源應(yīng)運(yùn)而生。為解決分布式電源存在的局限性，保證微電網(wǎng)的功率平衡，電力企業(yè)引入了分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)。分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)具有適用范圍廣、污染小的優(yōu)勢(shì)，可以提升電網(wǎng)對(duì)新能源的消納比例。然而，分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展也面臨挑戰(zhàn)。在工商業(yè)用電管理中，充放電造成的電力損耗較大，造成了資源的浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)效益不明顯。為此，章設(shè)計(jì)了一種新的工商業(yè)用電管理分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)。

1.系統(tǒng)優(yōu)化需求

在分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)控制電網(wǎng)的過程中，如果遇到大規(guī)模用電接入的情況，分布式電源的出力會(huì)增大，極易導(dǎo)致配電網(wǎng)與主電網(wǎng)之間的負(fù)荷差值變大，進(jìn)而產(chǎn)生電壓超限的問題，使分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的電力損耗較大，且控制過程中的能源浪費(fèi)也隨之增加，增加系統(tǒng)整體的經(jīng)濟(jì)成本。假設(shè)某一時(shí)段配電網(wǎng)負(fù)荷參數(shù)值為，分布式電源的出力參數(shù)值為Et，當(dāng)發(fā)生功率倒送情況時(shí)，二者的關(guān)系如下：

Et＜Ed（1）

基于上述關(guān)系式，根據(jù)典型日負(fù)荷曲線（如圖1所示），可以分析系統(tǒng)的優(yōu)化需求。

在圖1中，電網(wǎng)中接入量過大時(shí)，分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電源出力增加，出現(xiàn)功率倒送的情況，這樣會(huì)導(dǎo)致能源的浪費(fèi)。因此，需要控制儲(chǔ)能系統(tǒng)，在倒送情況發(fā)生時(shí)管控倒送電能，進(jìn)行充電存儲(chǔ)，以減少電力資源的浪費(fèi)，提高對(duì)風(fēng)能、光能等新能源的消納能力。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為提高電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益，需要在傳統(tǒng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的硬件框架上，對(duì)軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1建立分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)模型

分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)是集合發(fā)電、儲(chǔ)能及能源監(jiān)控功能為一體的能源系統(tǒng)。需要在深入研究分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，分析發(fā)電量、儲(chǔ)電量和損失電量之間的關(guān)系，為后續(xù)優(yōu)化打下基礎(chǔ)。對(duì)于系統(tǒng)發(fā)電量的預(yù)測(cè)，多采用數(shù)值模擬的方法，建立儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部組件的數(shù)學(xué)模型。以分布式光伏電源為例，其發(fā)電量受太陽輻射量影響，并與溫度有關(guān)，受感應(yīng)的光伏組件會(huì)將太陽輻射轉(zhuǎn)化為電能，其運(yùn)行的瞬時(shí)功率的q計(jì)算公式可以表示如下：

式中：?為一般情況下電源內(nèi)部組件的發(fā)電效率；ε為溫度系數(shù)；Y為當(dāng)前實(shí)際的組件溫度；G為當(dāng)前接收的太陽輻射量?；谏鲜龉剑軌蚪⒎植际焦夥娫吹臄?shù)學(xué)模型。然而，實(shí)際發(fā)電量受太陽光照角度、系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行溫度及光譜等因素的影響。需要綜合考慮各種因素，對(duì)上述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化。假設(shè)光伏電源接收的有效輻射率為E，其計(jì)算公式如下

式中：s0為一般情況下系統(tǒng)內(nèi)部的短路電流；αs為短路時(shí)電流的溫度系數(shù)；s為系統(tǒng)內(nèi)短路電流；tc、t0分別為分布式電源組件運(yùn)行中的實(shí)際溫度和理想情況下的運(yùn)行溫度。

在這種情況下，計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)電源的發(fā)電量I，計(jì)算公式如下：

式中：Ia為分布式電源內(nèi)部的光電流；Ib為相應(yīng)的反向飽和電流；w為*大功率時(shí)電流的溫度參數(shù)；c為電源大功率時(shí)的電壓；z為開路電壓；x為開路電壓下，系統(tǒng)內(nèi)部相應(yīng)的溫度系數(shù)；φ為串聯(lián)的光伏電池的數(shù)量；u為單位負(fù)荷；κ為玻爾茲曼常數(shù)。上述各項(xiàng)參數(shù)均能夠通過測(cè)量獲得。

2.2基于有收斂?jī)?yōu)化系統(tǒng)調(diào)度

基于分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化需求，為減少能源損耗、提高計(jì)算效率，選擇在有限約束的基礎(chǔ)上，優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)的儲(chǔ)能調(diào)度，以得到收斂的方案。假設(shè)在分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)中，能夠儲(chǔ)能的組件單元有n個(gè)，為了使調(diào)度儲(chǔ)能過程中充電損耗*小，目標(biāo)函數(shù)如下：

式中：i為進(jìn)行儲(chǔ)能充電的單元組件；GiPi為單元組件i運(yùn)行時(shí)的功率損耗。

要滿足電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)度優(yōu)化需求，就要消滅倒送功率?？紤]電網(wǎng)穩(wěn)定性，需要維持功率平衡，也就是要滿足主電網(wǎng)負(fù)荷pg＞0的條件，其條件公式可以表示如下：

式中：ph為儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行過程中，電網(wǎng)在某一時(shí)段的總負(fù)荷；pd為同一時(shí)段下，分布式電源的功率；pc為相同時(shí)段內(nèi)，該儲(chǔ)能充電單元的運(yùn)行功率。

在上述條件的基礎(chǔ)上，基于拉格朗日理論，建立分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部調(diào)度的優(yōu)化算法，優(yōu)化后，儲(chǔ)能充電單元運(yùn)行功率cp的計(jì)算公式如下：

式中：S為正常數(shù)增益；D為正參數(shù)；α為拉格朗日系數(shù)；T為時(shí)間限制條件參數(shù)；i為n個(gè)儲(chǔ)能組件中的某一單元組件，滿足i=1,2,…,n；fi為單元組件進(jìn)行儲(chǔ)能工作時(shí)，運(yùn)行功率的*大參數(shù)值；βi為相應(yīng)的增量成本。

上述算法能夠優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部的調(diào)度，將充電時(shí)的能源損耗控制在很小范圍內(nèi)，同時(shí)獲取有限段內(nèi)系統(tǒng)收斂的解決方案。

2.3通過模態(tài)切換實(shí)現(xiàn)分布式儲(chǔ)能

在完成對(duì)系統(tǒng)的調(diào)度優(yōu)化后，為保證分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)整體運(yùn)行的穩(wěn)定性，降低運(yùn)行損耗，需要確定相應(yīng)的模態(tài)切換策略，降低系統(tǒng)內(nèi)部的電壓偏差，實(shí)現(xiàn)定容優(yōu)化。

在工商業(yè)用電管理中，需要考慮線路損耗的成本。假設(shè)系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行產(chǎn)生的損耗為，此時(shí)，成本損失D的計(jì)算公式如下：

式中：F為系統(tǒng)中的儲(chǔ)能單元組件的損耗成本；j為該單元組件運(yùn)行的某一時(shí)刻；Δj為運(yùn)行的某一時(shí)段，一般情況該參數(shù)取值為1。

基于上式，可以分析發(fā)生功率倒送情況時(shí)的成本損耗。為了提升分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的電壓質(zhì)量，降低成本損耗，需要降低系統(tǒng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的電壓偏差H，其計(jì)算公式如下：

式中：N為儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量；r為其中的某一單元節(jié)點(diǎn)，滿足r=1,2,…,N；t為系統(tǒng)運(yùn)行的某一時(shí)刻；Urt為r在t時(shí)刻的電壓；UN為同一時(shí)刻系統(tǒng)內(nèi)的額定電壓。

基于上述計(jì)算方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置優(yōu)化，完成系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)。

3.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為驗(yàn)證文章設(shè)計(jì)的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)在維持電壓穩(wěn)定、優(yōu)化能量調(diào)度方面的優(yōu)異性，特進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。采用基于傳統(tǒng)遺傳算法的儲(chǔ)能系統(tǒng)（傳統(tǒng)儲(chǔ)能系統(tǒng)）與文章設(shè)計(jì)的用于工商業(yè)用電管理的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，儲(chǔ)能系統(tǒng)硬件參數(shù)如表1所示。

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)過程中，測(cè)試了傳統(tǒng)儲(chǔ)能系統(tǒng)和文章設(shè)計(jì)系統(tǒng)的電網(wǎng)負(fù)荷變化情況，具體結(jié)果如圖2所示。如圖2所示，文章設(shè)計(jì)的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的控制能力較傳統(tǒng)儲(chǔ)能系統(tǒng)強(qiáng)在傳統(tǒng)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行過程中，電網(wǎng)功率變化范圍較大，出現(xiàn)多處功率倒送情況，在運(yùn)行至16～24h時(shí)，穩(wěn)定性不足；在文章設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，對(duì)電壓的控制較穩(wěn)定，能夠?qū)㈦娔苓M(jìn)行充電存儲(chǔ)，幾乎沒有出現(xiàn)功率倒送的問題，能源的損耗較傳統(tǒng)系統(tǒng)少，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。為了驗(yàn)證文章設(shè)計(jì)系統(tǒng)在進(jìn)行電能調(diào)度時(shí)的成本優(yōu)勢(shì)，試驗(yàn)測(cè)試了兩種系統(tǒng)的電網(wǎng)調(diào)度成本，如表2所示。

如表2所示，無論何種天氣，與傳統(tǒng)儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，文章設(shè)計(jì)的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)在能源調(diào)度中的成本更低。

1. Acrel-2000ES儲(chǔ)能柜能量管理系統(tǒng)

4.1系統(tǒng)概述

安科瑞儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)Acrel-2000ES，專門針對(duì)工商業(yè)儲(chǔ)能柜、儲(chǔ)能集裝箱研發(fā)的一款儲(chǔ)能EMS，具有完善的儲(chǔ)能監(jiān)控與管理功能,涵蓋了儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備(PCS、BMS、電表、消防、空調(diào)等)的詳細(xì)信息,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報(bào)警管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等功能。在高級(jí)應(yīng)用上支持能量調(diào)度,具備計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。

4.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Acrel-2000ES，可通過直采或者通過通訊管理或串口服務(wù)器將儲(chǔ)能柜或者儲(chǔ)能集裝箱內(nèi)部的設(shè)備接入系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：4.3系統(tǒng)功能

4.3.1實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)人機(jī)界面友好，能夠顯示儲(chǔ)能柜的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)PCS、BMS以及環(huán)境參數(shù)信息，如電參量、溫度、濕度等。實(shí)時(shí)顯示有關(guān)故障、告警、收益等信息。

4.3.2設(shè)備監(jiān)控

系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)PCS、BMS、電表、空調(diào)、消防、除濕機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行模式。

PCS監(jiān)控：滿足儲(chǔ)能變流器的參數(shù)與限值設(shè)置；運(yùn)行模式設(shè)置；實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能變流器交直流側(cè)電壓、電流、功率及充放電量參數(shù)的采集與展示；實(shí)現(xiàn)PCS通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開關(guān)狀態(tài)、異常告警等狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

BMS監(jiān)控：滿足電池管理系統(tǒng)的參數(shù)與限值設(shè)置；實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監(jiān)測(cè)；實(shí)現(xiàn)電池充放電狀態(tài)、電壓、電流及溫度異常狀態(tài)的告警。

空調(diào)監(jiān)控：滿足環(huán)境溫度的監(jiān)測(cè)，可根據(jù)設(shè)置的閾值進(jìn)行空調(diào)溫度的聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)及溫濕度數(shù)據(jù)，以曲線形式進(jìn)行展示。

UPS監(jiān)控：滿足UPS的運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)電參量監(jiān)測(cè)。

4.3.3曲線報(bào)表

系統(tǒng)能夠?qū)CS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。

4.3.4策略配置

滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)的配置、電價(jià)參數(shù)與時(shí)段的設(shè)置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制等。

4.3.5實(shí)時(shí)報(bào)警

儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)?chǔ)能充放電越限、溫度越限、設(shè)備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

4.3.6事件查詢統(tǒng)計(jì)

儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)能夠?qū)b信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，方便用戶對(duì)系統(tǒng)事件和報(bào)警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。4.3.7遙控操作

可以通過每個(gè)設(shè)備下面的紅色按鈕對(duì)PCS、風(fēng)機(jī)、除濕機(jī)、空調(diào)控制器、照明等設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制，但是當(dāng)設(shè)備未通信上時(shí)，控制按鈕會(huì)顯示無效狀態(tài)。

4.3.8用戶權(quán)限管理

儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如遙控的操作，數(shù)據(jù)庫(kù)修改等）?？梢远x不同級(jí)別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。

5.結(jié)束

為解決在工商業(yè)用電管理中的資源浪費(fèi)問題，提高發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益，文章設(shè)計(jì)了用于工商業(yè)用電管理的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)，并驗(yàn)證了該系統(tǒng)的應(yīng)用效果。在今后的研究中，需要進(jìn)一步深入，以推動(dòng)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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