安科瑞電氣張田田

摘要:隨著我國經濟的快速發展，人們對于能源的消費需求也越來越大,在電力系統中，風光發電成為了一的形式。由于風能資源豐富、環境適應性強等特點以及可再生和清潔性高的優勢被廣泛應用到世界范圍內。本文主要研究大規模儲能管理策略下蓄電池組充放電過程中能量存儲及最大功率跟蹤問題；分析風力發電機并網時對電網的影響來確定最佳充放電技術；利用風光發電系統自身特性，在大型電力系統中應用合適的儲能方式

關鍵詞:發電系統；能源；儲能技術

0引言

隨著世界經濟的飛速發展，能源需求量與日俱增，同時對環境也造成了一定程度上地壓力。在我國可再生能源資源非常豐富、分布廣泛且十分分散。因此如何高效利用風能是能源開發和發電技術研究領域關注的重點之一；風電作為一種清潔環保型電力系統已經成為當今社會電源形式；風能發電具有取之不竭以及無污染等特點使得其在電能供應中占據重要地位，同時風力發電易受氣候影響的特點導致電能輸出不穩定對電網系統具有一定的沖擊性，而儲能管理策略則可以有效地解決這些問題并使之得到更好地利用價值。能源是人類賴以生存的物質基礎，在當前人們生活當中，化石燃料作為主要的能量來源。而隨著社會經濟和科學技術水平不斷進步以及對環保意識增強等因素影響下使得可利用資源變得越來越少。因此我們國家大力發展清潔能源產業來滿足日益增長的能源需求。

1風光儲發電系統運行特性分析

1.1風光儲發電系統結構特點

風光儲發電系統的主要組成部分是風力發電機組、光伏組件和蓄電池，其能量轉化效率高，并且可以根據用戶要求調節。在風光儲發電系統中風力發電機組是最重要的部分。風速與光照強度呈反比關系，光伏陣列在整個電力網絡中起著至關重要作用，光伏組件接受太陽光的輻射產生大量電能來對風能進行互補；蓄電池組也就是大規模風光儲發電調節裝置，其能量轉化效率高、體積化小。風光儲發電系統的工作原理是通過對外部風電場和太陽能

能量進行吸收，從而產生電能，實現電力資源在內最大限度地滿足用戶需求。

1.2風光儲發電系統負荷預測

在風光儲發電系統中，其負荷預測的方法主要包括隨機建模法。這種算法能夠從不同方面來對風電場進行分類模擬。例如風速、風向等氣象因素和風力發電機組以及其他相關影響因素；還有就是通過隨機變化模型可以得到相應的風速與風向之間關系曲線圖，并以此為基礎建立大規模風電機組運行時負荷數學模型與發電機特性曲線圖，進而實現了在實際中運用該系統預測方法的可行性及準確性。風光發電系統的負荷預測是在對風電場進行風速和輻度分析后，通過建立相應模型，利用該模型來計算出最大功率點下的有功功率。其中包括了風力發電機、太陽能光伏方陣等。風電機組包括恒壓恒頻風力發電機組以及變速變槳距發電機組兩種；風電機組主要由風能發電機及其控制器組成；風光儲發電系統中逆流器和升壓變壓

器構成逆流電路并網運行。

1.3風光儲發電系統出力

風光儲發電系統的容量一般為幾千瓦到幾百兆瓦，其發電量與季節性因素有關，不同季節、晝夜交替等多種原因導致這些能源都具有隨機性和間歇式特性。風光發電系統的功率波動是影響風力發電機組輸出電能質量、電力資源利用率和電網經濟運行以及社會效益等重要因素，其對風電機組的工作效率有著直接而明顯地影響。所以在大規模光伏并網發電系統中應用儲能管理策略具有極其重大意義。建立風速、輻照度與負荷之間關系模型。通過計算得出風光電源出力下的有功功率曲線圖，結合實際情況選擇合適蓄電池容量來提高風力發電機組輸出電能質量和電網經濟運行效益。

2大規模風電系統中儲能管理存在的問題

2.1儲放容量有限

在實際情況下通常采用雙饋風力發電機組來進行供電；如果風電機組需要長期不間斷工作會導致系統出現故障的概率增大而影響電網運行安全。在電力系統中，風力發電的容量一般都比較小，而且，由于風能資源是非常有限的。因此當大規模風光電源出現時就會造成很大一部分電網斷網。因為風電機組沒有固定儲放點和蓄電池容量不高導致了其存儲能力不足；并且隨著時間推移風速不斷下降、頻率越來越大以及溫度也在逐漸升高等這些因素使得風力發電系統中的容量衰減速度加快，從而影響到整個電力系統運行安全問題。

2.2設備壽命短

在電力系統中，風力發電設備的壽命是指風機、發電機組以及其它輔助裝置等所耗電和維護用。其中機組成本主要包括葉片材料消耗及機械損耗(葉輪、發電機轉子)磨損。風能轉換效率低，風力渦輪發電機技術不成熟存在較大缺陷，調度管理水平不高且運行方式單一等因素都會影響到系統的發電能力與可靠性問題，因此在對風光電源進行設計時一定要考慮設備壽命和機組經濟性之間的關系。所以風力發電技術發展迅速。在大規模能源使用過程中對設備的壽命要求也越來越高。但是由于現在大部分風光互補發電站并沒有安裝兆瓦級功率轉換裝置和低電壓穿越能力強、體積大、重量輕等優點來替代昂貴而又價格高昂設施建設費用以及環境污染問題嚴重制約了小型風電系統的快速推廣應用，因此我國目前還不能大型電力系統對于風力發電技術更高標準更完善的需求。

2.3風能利用率低等缺點

我國大部分風光發電系統中都沒有對風力發電機組進行設計，在開發過程中會出現很多問題，例如:風機葉片材料選用不當。目前大多數小型風力發電機都是采用了硅鋼片材質制成。但是由于其制造工藝不夠完善、加工工序復雜等原因導致它很難得到大規模應用。由于風能資源和太陽能資源分布不協調，使得風力發電系統中所使用到的太陽能利用效率也比較低下。我國目前在開發和應用大規模風光能源時大多數都采用了分散模式。這種方式不僅僅能夠有效地提高光伏發電量、降低成本還可以減少對當地生態環境造成巨大破壞；而且它是一個較為復雜且技術相對缺乏的工程設計過程。

3.大規模風光發電系統的儲能管理策略

大規模風電并網運行是一個非常復雜的過程，由于風力發電和其他電力能源相互影響，因此需要大量的電源來保證其連續穩定高效地工作。目前常用到的是分布式儲能系統。

3.1采用恒壓變流器

在大容量發電機出現故障或負載過大時可以提供足夠時間維持發電機組持續供電；當大容量機組停止運行后可通過控制逆止器將備用機組從電網獲得部分低峰電能向負荷提供給用戶，同時也不會影響其他電源的正常供應。在風光發電系統中，風能和太陽能光伏是主要的兩種能源。風力發電技術可以將其轉化為電能，而太陽電池則是直接轉換成化學電源。但是由于風光電網并網困難且容量有限、能量的不穩定及風速變化比較大等原因使得風電機組輸出功率并不高而且波動大；所以目前世界上大部分國家都把開發大規模風光互補供電系統作為提高和改善電力市場運行質量的重要手段之一來解決發電負荷高峰期間存在峰值電壓過低問題。

3.2降低風電裝機容量

風電是清潔能源，可以實現無污染，可再生能源的充分利用。而大規模風光發電并網運行時容易出現電網中斷問題。在風力發電機組發電量大于系統裝機容量時就需要進行調流器操作；當風速超過一定值時會自動關閉發電機繼續向負載供電或直接并入交變頻器等設備來滿足用電需求；同時也會導致電力輸送線路斷線、電壓波動和功率因數降低等一系列嚴重后果，因此風電場必須根據負荷變化及時調整其出力狀態以保證電網的安全運行。風力發電的隨機性和間歇性能，決定了風電在大規模地區運行時，必須保證電網安全穩定。首先應合理規劃與設計風電場的容量。對風速小于或等于5m/s、大于25kW及以上最大負荷和多余無備用機組進行調度安排；其次是要使系統具有良好經濟效益并考慮到成本問題等因素來減少不必要的損失以及降低風力發電工程中風電比例所占比重，從而提高了電網安全運行水平，達到節能減排效果。

3.3提高風力發電技術水平

在開發和使用大型風機時，應該盡量選擇經濟性較高、運行穩定可靠的發電機組。風力發電技術的研發和應用是一項長期而艱巨且艱難地任務，需要政府、企業以及科研機構等多方主體共同努力。首先，政府應加大對風電開發補貼力度。通過稅收政策來鼓勵風電場進行規?；ㄔO；其次是企業要積極引進新能源與可再生能源并駕齊驅力發展新產業；最后則應該加強對于風力發電機組的研究及研發工作和技術水平上的提高與進步從而使其性能得到進一步提升，為我國未來大規模風光發電項目的開展奠定基礎。風力發電是利用風能，在風速較高的地區，將其轉換為電能。由于風光電網技術不完善、設備落后等因素制約和限制了風力發電系統發展。目前我國使用最多的是兆瓦級風電(MW)作為備用電源進行供電；而隨著國家對環境保護政策力度增大以及能源危機愈加嚴重、環境污染問題日益突出以及可再生能源開發利用率低，兆瓦級的風能已經難以滿足需求了，因此需要增加新技術來提高其轉換效率及輸出功率大小。

3.4建立合理有效地儲存裝置

對大容量機組采用集中存儲方式進行控制，大規模風光發電系統的儲能方式有多種，而其存儲裝置也是多種多樣。在實際中，可以選擇適當的儲存方法。例如:風電、光伏和潮汐能等可再生能源作為主要能源進行供電；太陽能、風機或生物電池等作為輔助能源加以使用以及風力發電和光電產業所具有巨大潛力發展前景；小型水庫及蓄電站建設中需要大量資金投入用于發電設備設施維護與管理上等等這些都有廣泛地應用空間。在大規模風光發電系統中，風力發電機組是一個關鍵的組成部分，它主要承擔著風電機組自身所需功率輸出、輸送和分配任務。如果想提高其發電量及效率必須要將其儲能裝置進行合理有效地規劃。建立合理高效并且具有針對性的儲存設備對于大型規模小型風電站來說十分重要；而小規模光伏發電站由于技術限制難以大規模投入使用所以應該在設計時就考慮到如何能上滿足電網負荷需求。

3.5加強調度管理與優化設計

在風力發電系統中，風速與功率之間存在著相互影響的關系，因此需要對風電場進行加減速調節。當電網電壓波動時功率輸出也會隨之變化；反之則會發生變化。由于風光電源具有較強的隨機性特點和間歇特性以及大容量負載需求特點等特征使得其必須能夠保證一定頻率下最大負荷不超過最大值、同時要具備較高風速裕度并在短時間內保持系統穩定運行狀態，從而確保大規模發電對能源供應的充足率。優化設計首先要考慮風光調度時風速大小、頻率高低以及負載能力等方面來確配置；其次要通過建立模型得到最大輸出功率點下所需有功出力發電成本之間函數關系式曲線圖；最后根據計算得出最佳風電機組的控制策略和最佳運行方式。

4.Acrel-2000MG微電網能量管理系統概述

4.1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、儲能系統以及充電樁的接入，全天候進行數據采集分析，直接監視光伏、風能、儲能系統、充電樁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技術標準

本方案遵循的國家標準有：

本技術規范書提供的設備應滿足以下規定、法規和行業標準：

GB/T26802.1-2011工業控制計算機系統通用規范第1部分：通用要求

GB/T26806.2-2011工業控制計算機系統工業控制計算機基本平臺第2部分：性能評定方法

GB/T26802.5-2011工業控制計算機系統通用規范第5部分：場地安全要求

GB/T26802.6-2011工業控制計算機系統通用規范第6部分：驗收大綱

GB/T2887-2011計算機場地通用規范

GB/T20270-2006信息安全技術網絡基礎安全技術要求

GB50174-2018電子信息系統機房設計規范

DL/T634.5101遠動設備及系統第5-101部分:傳輸規約基本遠動任務配套標準

DL/T634.5104遠動設備及系統第5-104部分:傳輸規約采用標準傳輸協議子集的IEC60870-5-網絡訪問101

GB/T33589-2017微電網接入電力系統技術規定

GB/T36274-2018微電網能量管理系統技術規范

GB/T51341-2018微電網工程設計標準

GB/T36270-2018微電網監控系統技術規范

DL/T1864-2018獨立型微電網監控系統技術規范

T/CEC182-2018微電網并網調度運行規范

T/CEC150-2018低壓微電網并網一體化裝置技術規范

T/CEC151-2018并網型交直流混合微電網運行與控制技術規范

T/CEC152-2018并網型微電網需求響應技術要求

T/CEC153-2018并網型微電網負荷管理技術導則

T/CEC182-2018微電網并網調度運行規范

T/CEC5005-2018微電網工程設計規范

NB/T10148-2019微電網第1部分：微電網規劃設計導則

NB/T10149-2019微電網第2部分：微電網運行導則

4.3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。

4.4型號說明

Acrel-2000

Acrel-2000系列監控系統

MG

MG—微電網能量管理系統。

4.5系統配置

4.5.1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：

4.6系統功能

4.6.1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：三相電流、三相電壓、總有功功率、總無功功率、總功率因數、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、充電樁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2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、充電樁信息、通訊狀況及一些統計列表等。

4.6.1.1光伏界面

圖4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5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。

4.6.1.5視頻監控界面

4.6.3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、有序充電、動態擴容等。

圖17策略配置界面

4.6.4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、正向有功電能等

4.6.5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。

4.6.6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20歷史事件查詢

4.6.7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、最大值、最小值、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21微電網系統電能質量界面

4.6.8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22遙控功能

4.6.9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。

4.6.10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用電情況，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。

4.6.11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。

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。

4.6.12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。

4.6.13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）?？梢远x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。

4.6.14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。

4.6.15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和隨意修改。

5.結束語

污水處隨著現代科學技術的飛速發展和人民生活水平不斷提高，對能源需求量越來越大，傳統化石燃料發電已經不能滿足社會生產及經濟建設需要。而風能、太陽能以及潮汐能等可再生能源成為新時代下炙手不可代的話題。這些清潔型能源被認為是未來具有活力的資源之一；風力發電機組在電力系統中扮演著重要角色并為人們提供了巨大貢獻力和動力來源，而且它也可以作為電網的補充設備來進行電能輸出與轉換工作。

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