光储充多站合一能量管理系统设计

光储充多站合一能量管理系统设计
张　翀　张嘉楠　杨伟涛　张　迪
（先进输电技术国家重点实验室（国网智能电网研究院有限公司）
）摘　要：本文设计了光伏、储能、充电站多站合一的分层控制器架构，提出了一种实现智慧能源集移
动储能站、电动汽车充电站、数据中心站、光伏发电站、５
Ｇ通信基站等多站合一的直流微电网能量管理系统。

通过该能量管理系统实现以直流微电网的运行经济性、分布式电源合理出力、减少储能系统
运行损耗为目标的电网运行策略，并可实现不同运行策略之间的相互切换。

最后，依托国内首个“六站合一”的直流微电网示范工程———巷尾多站合一直流微电网示范工程对本文所设计能量管理系统的实际工程效果进行测试，实测波形表明该能量管理系统可以实现能量的统一管理、统一调控、统一运维。

关键词：微电网；电动汽车；储能；能量管理系统
０　引言
随着我国可再生能源的大力开发，分布式能源以智能微电网的形式接入现有大电网成为未来实现低碳
目标的重要手段
［１ ２］。

微电网可以定义为由少量分布式能源组成的系统。

这些能源的组合使得微电网可以
处于并网运行模式或独立运行模式
［３ ４］。

微电网能量管理系统是集发电机的优化调度、负荷的管理和实时监测并自动实现微电网同步等功能为
一体的综合能量管理系统
［５ ８］。

它主要用于为包含风电、光伏发电、微型燃气轮机等各种分布式电源和储
能单元的微电网系统提供监视与控制功能。

随着微电网的发展，能量管理系统的重要性越来越突出
［９］。

因
此本文研究智慧能源多站合一能量管理系统的设计。

基于直流微电网的稳定与经济机理，设计了光伏、储能、充电站多站合一的分层控制器架构，提出了一种实现智慧能源集移动储能站、电动汽车充电站、数据
中心站、光伏发电站、５
Ｇ通信基站等多站合一的直流微电网能量管理系统。

结合实际投运示范工程，对其实际效果进行测试分析。

１　光储充多站合一的分层控制器架构设计
光储充多站合一的分层控制器架构如图１所示。

控制器三层结构中最上层为能量管理系统，保证系统经济运行，同时完成直流微电网自动化的故障自愈。

中间层主要职责是根据能量管理系统的指令，确定两个直流微电网的工作模式，是交流微电网与直流微电网连接单元的参考值，所承担的功能模块主要有各个工作模式之间的切换以及电压频率二次控制。

最底层为设备级控制，按控制对象来划分主要有：电力电子变压器、直流变流器、光伏逆变器、充电桩以及应急电源接入交直流电源等变流器。

图１
　光储充多站合一的分层控制器架构
图１所示的能量管理系统，可以实现以多站合一微电网的运行经济性、分布式电源合理出力、减少储能系统运行损耗为目标的电网运行策略，并可实现不同运行策略之间的相互切换。

具体主要实现以下功能：
（
１）能量优化调度。

在满足负荷需求与分布式电源出力限制的前提下，考虑到微电网中不同类型、容量的分布式发电所消耗的燃料、发电效率、运行维护费用、温室气体排放量存在差异，以燃料成本、运行维护成本以及温室气体排放成本最小为优化目标，实现微电网环保经济调度。

（
２）分布式电源实时运行控制。

根据系统控制层的命令改变微电源的工作方式，并且按照发送的设定值调节微电源的功率输出，当负荷需求增大时，控制微电源增加输出功率；当负荷需求减少且蓄电池充满时，则控制微电源减少输出功率或关闭某些微电源。

（
３）负荷管理。

区分微电网系统中的重要负荷和次要负荷，根据微电网系统稳定运行的需要控制负荷的投切。

２　能量管理系统设计
２ １　功能架构设计
图２所示为本文提出的能量管理系统架构，主要包括运行监控和能量管理控制两大部分。

运行监控通过人机交互实现数据监测、实时操作等功能，通过对风、光等发电历史数据的分析，进行预测。

能量管理控制通过对风、光发电数据的预测和负荷预测，基于经济优化等原则，综合考虑离网等运行方式，从而得出优化决策。

图２
　能量管理系统功能架构２ ２　功能分析
能量管理系统用于高密度分布式能源接入的柔性互联配电网的运行监控与优化调度，实现微网的综合优化运行、多时间尺度的可再生能源发电预测和负荷预测等功能。

其主要功能包含两个部分：
（
１）直流微网运行监控监控系统的主要功能包括：数据采集与处理、报警处理、控制和操作记录（包括人工操作、控制器自动控制等）
、事件顺序记录和事故追忆、管理功能、控制和操作、在线统计计算、画面显示功能、制表打印功能、人机接口功能、时钟同步、通信接口、系统的自诊断和自恢复、维护功能、权限管理等。

（
２）交流配电网能量管理控制高密度分布式能源接入的柔性互联配电网能量管理主要实现电网的稳态运行与经济优化运行，因此能量管理系统主要包括分布式电源发电预测、负荷预测、经济优化调度、能量平衡控制、交换功率控制、黑启动等。

２ ３　控制策略分析
直流微网能量管理的目标是在满足系统负荷需求和各种物理约束条件的情况下，以最小化分布式电源运行成本、系统网损、停电概率、污染排放等为目标，为分布式电源和储能系统提供功率运行点。

由于有多个运行目标，能量管理的控制目标可以描述成多目标函数或者某一方面的单目标函数。

微电网的调度策略一般是优先利用可再生能源的发电，通过预测系统来预测可再生能源和负荷的出力值，在此基础上安排可调度机组和储能系统的出力。

可调度机组的约束条件包括发电上下限约束、机组爬坡约束、最小启停时间约束。

对于储能系统的建模，常用的模型有电力库模型、Ｋ
ｉＢａＭ模型，其约束条件一般包括电力容量约束、充放电上下限约束。

对于系统约束则包括功率平衡约束、热能平衡约束、系统备用约束、线路潮流限值约束、母线电压限值约束。

对于有特殊控制要求的设备，可以加入一些额外约束，如蓄电池充放电次数约束。

另外，对于有逆变器接口的分布式电源，其有功／频率的下垂特性也常作为约束条件。

（１）在配电网负荷转移控制方面，结合电力电子变压器装置过载、直流电压等限制条件，建立直流转移优化模型，并求解计算直流最大转移能力；基于拓扑搜索技术进行转移路径分析，确定转移路径后，调整直流微网内各电力电子装置的控制模式和运行点，以实现最大转移能力控制。

针对传统转移过程的
短时供电中断问题，通过分析转移控制与保护之间的配合时序，实现电力电子装置控制模式的平滑切换，并调度分布式电源等可调装置参与转移控制，保障系统安全稳定转移。

（２）在交流配电网无功电压支撑控制方面，分析电力电子变压器装置在不同电压控制模式下的直流网内电压分布特性，同时分析直流网内分布式电源、分布式储能、可调负荷的功率调节能力和响应特性，计算各类型可调源的功率控制因子，建立与电力电子变压器装置相协调的功率控制策略，保证电力电子变压器装置具备充分的交流无功电压控制能力。

同时考虑电力电子变压器装置交流侧的连续可调无功和离散无功补偿在时间尺度上的差异，通过无功补偿设备超前优化与电力电子变压器装置交流侧无功连续调节相配合的方式，实现交流电压无功的协调控制。

（
３）在综合调度方面，并网模式下综合监控与优化运行层用于检测低压交流微电网和直流微电网的运行状态，包括低压微电网的光伏状态、充电桩状态以及净负荷功率（分布式电源出力与负荷差），按照一定的优化运行目标开展优化运行计算，从而给出电力电子变压器、直流变压器和其它电力电子设备的功率参考指令。

常用的优化目标包括交流系统的网络损耗、电压偏差等。

从交流配电网的优化运行角度，利
用直流中心的潮流双向可控能力，来改善配电网的运行指标。

３　工程算例验证
３ １　工程概况
国内首个集移动储能站、电动汽车充电站、数据中心站、光伏发电站、５
Ｇ通信基站于一体的东莞巷尾多站合一直流微电网示范工程于２
０２１年投运。

本工程在站内建设１
０ｋＶ交流电力舱，将１１０ｋＶ巷尾变电站１
０ｋＶ馈线引至新建开关站，从开关舱新建出线驳回原巷尾站馈线负荷，并馈出１
０ｋＶ交流线路至直流电源舱，向数据舱、光伏系统和充电桩系统等提供直流电源。

直流电源舱采用低压直流方案，由交流联络变提供交流０
４ｋＶ电源，通过电力电子变压器降压至直流７
５０Ｖ，分别接入光伏发电系统、柔性直流充电堆和储能系统，此外，通过Ｄ
Ｃ／ＤＣ变流器进一步降压至直流２
４０Ｖ，接入数据舱负荷。

本文依托该实际工程对文中能量管理系统的应用效果进行验证。

３ ２　实测数据
图３和图４所示分别为充电桩接入、光伏发电及储能充电相关波形。

由图可知，本文所提出的光储充多站合一能量管理系统可以实现直流微电网的稳定、可靠、经济运行。

图３
　充电桩接入测试波形
图４　光伏发电、储能充电波形
４　结束语
随着微电网的发展，能量管理系统的重要性越来越突出，它能够实现能量的统一管理、统一调控。

本文设计了智慧能源多站合一的分层控制器架构，提出了一种集移动储能站、电动汽车充电站、数据中心站、光伏发电站、５Ｇ通信基站等多站合一的智慧能源直流微电网能量管理系统。

依托国内首个“六站合一”的直流微电网示范工程对本文所设计的能量管理系统的应用效果进行测试。

参考文献
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（收稿日期：２０２２ １０ ０９）。