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淺談微電網的戶用儲能系統關鍵技術
任運業
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘 要：為了更好地協調和控制以家庭為單位的微電網能量利用，對基于微網的戶用儲能系統進行研究。針對戶用儲能系統中的工作模式、儲能電池組容量配置、電池管理系統設計、能量管理系統設計進行研究，并通過掛網試運行進行測試驗證。測試驗證結果表明，所設計的戶用儲能系統對入戶功率具有有效可靠的調節能力，能有效的進行能量控制。
關鍵詞：微電網；戶用儲能；能量管理電池管理系統（BMS）；試驗驗證
?0 引言
近年來，近年來國內外的戶用儲能市場開始井噴，尤其是國外市場已經非常火熱。戶用儲能系統相當于一個小型的儲能電站，在用電低峰時段，可對其中電池組進行充電，用以在用電高峰時段或斷電情況下使用，從而達到削峰填谷的效果，同時可以用來均衡家用用電負荷，節省家庭電費開支。結合各城區及城市電網可形成微電網，實現離/并網的雙模式運行，根據負荷、儲能能量、電網、和電價進行運行策略的調整，來實現系統運行優化和用戶收益較大化。因此，對戶用儲能系統相關關鍵技術研究具有重大意義和經濟價值，也符合的“雙碳"政策和目標。當前國內外相關研究機構均對戶用儲能系統，開展了相關研究，已有部分項目完成了成功試點。為了更好地協調和控制以家庭為單位的微電網能量利用，本文對基于微電網的戶用儲能系統關鍵技術進行研究。
戶用儲能系統可劃分為離網、并網、并離網切換型三類。并離網切換型應對不同工況和抗外部干擾能力強，供電可靠性高，并且具有靈活的管理系統。可根據電網、負荷、儲能及電價進行運行策略調整，用電低谷期自行充電，以備用電高峰或斷電時使用，提高了用戶的收益。
并離網切換型戶用儲能系統主要構成部件有雙向儲能變流器、儲能電池組、并網及計量設備、公共電網、負載設備、光伏組件。目前儲能系統拓撲結構方式可分為交流并網型和直流并網型兩類。圖1和圖2分別為兩種并網類型的拓撲結構，戶用儲能系統根據容量配置級別，通常采用直流耦合拓撲結構，并且方便接入光伏擴展組件。
針對戶用儲能系統關鍵技術的研究，本文從系統工作模式、儲能系統容量配置、電池管理系統（BMS）、能量管理系統（EMS）等方面開展研究。
2.1 系統工作模式
戶用儲能系統存在充電、放電以及待機三種工作模式，通過對儲能系統以及各用電負荷運行狀態的檢測，進行不同模式切換。在未接入光伏的運行情況下，戶用儲能系統的工作模式主要依據家庭負載總功率以及電池SOC情況作為控制切換條件。
如圖3所示，設定家庭總負載功率PN，當家庭所有負載的功率處于PN 范圍內時，戶用儲能系統投入供電模式一（充電模式），家庭所有負荷全部由市電供電，同時通過高電對儲能系統組進行充電，直至充滿或高于SOC上限值時，系統切換為待機工作模式。
如圖4所示，當家庭所有的負載功率超過PN時，戶用儲能系統投入供電模式二（放電模式），家庭所有負荷由儲能系統和市電同時供電，直至電池量較低或低于SOC下限值時，提示降低輸出功率至PN以下，系統切換為待機工作模式。
2.2 儲能電池組容量配置
在儲能電池組的容量配置上，主要考慮兩個因素：
根據用戶用電的整體需求，對儲能電池組的容量配置進行分析與確定。戶用儲能系統容量主要根據戶用總負荷大小決定，需保證特殊情況下必要用電設備的正常運行，所以在配置容量時，需考慮系統的自給時間，即離網戶用儲能系統在沒有任何外界能量來源時，僅由儲能電池組進行電能輸送，仍可保證所有設備正常運行的時長。
（2）儲能電池通過串并聯組合實現所需的電壓等級和儲能容量，串并聯方式需要依據實際需求合理設置。具體計算公式如下：
Q ? P /V (1)
N串 ?V /V0 (2)
N并 ? Q / Q0 (3)
式中，P為儲能系統配置的總能量（kWh），Q為系統中儲能電池組的額定容量（Ah），Q0為電池單體的額定容量，V為電池組的額定工作電壓，V0為電池的單體額定工作電壓，N串和N并分別為儲能電池組的串、并聯數量。
2.3 電池管理系統設計（BMS系統）
BMS系統由電池組的管理終端BMU和電池單體管理終端BCU組成兩級構架，如圖5所示。
BCU作為儲能系統的基礎管理功能單元，主要負責電池單體中電量、溫度、電流、電壓等信息進行采集，并通過通訊將采集的數據上傳給BMU。BMU通過對BCU上傳的數據進行整理和分析，下發控制指令，實現電池單體之間SOC均衡，并適配合理的溫控策略，對出現異常的電池組發出報警進行保護。
BMS系統對電池組的控制功能主要有：對電池單體的溫度、電流和電壓進行檢測，同時與儲能變流器以及上位機進行通信，可對電池組提供過充、過放、過流、過溫、適中保護及告警等功能。
2.4 能量管理系統設計
戶用儲能系統中EMS的設計一般采用戶用能量管理系統（HEMS）模式，這種模式在結構上對分散型用戶具有較好的適配性，每戶儲能系統獨立構成，其網絡結構如圖6所示。采集模塊輸送實時能量信息至EMS控制核心，并儲存于數據庫，控制器通過對數據分析處理，選取優化控制策略，對儲能系統進行管理。用戶可通過人機交互界面、移動終端查詢系統相關信息，并可以對儲能系統進行操作。EMS可以與電網進行雙向的信息交互，上傳本地的用電信息，下載實時電價。
3.1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，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，提升可再生能源應用，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。
3.2技術標準
本方案遵循的標準有：
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的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微電網的1部分：微電網規劃設計導則
3.3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。
3.4型號說明
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：
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。
5.1.1光伏界面
圖3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。
圖6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7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8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9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10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11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12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，并展示當前電芯的大、小電壓、溫度值及所對應的位置。
5.1.3風電界面
圖13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充電樁界面
圖14充電樁界面
本界面用來展示對充電樁系統信息，主要包括充電樁用電總功率、交直流充電樁的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電樁的運行數據等。
5.1.5視頻監控界面
圖15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。
5.2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16光伏預測界面
5.3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
5.4運行報表
應能查詢各子系統、回路或設備規定時間的運行參數，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。
圖18運行報表
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19實時告警
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
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、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
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
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23曲線查詢
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。
圖24統計報表
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25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。
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26通信管理
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27用戶權限
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28故障錄波
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規定和隨意修改。
圖29事故追憶
6硬件及其配套產品
序號 | 設備 | 型號 | 圖片 | 說明 |
1 | 能量管理系統 | Acrel-2000MG |
| 內部設備的數據采集與監控，由通信管理機、工業平板電腦、串口服務器、遙信模塊及相關通信輔件組成。 數據采集、上傳及轉發至服務器及協同控制裝置。 策略控制:計劃曲線、需量控制、削峰填谷、備用電源等 |
2 | 顯示器 | 25.1英寸液晶顯示器 |
| 系統軟件顯示載體 |
3 | UPS電源 | UPS2000-A-2-KTTS |
| 為監控主機提供后備電源 |
4 | 打印機 | HP108AA4 |
| 用以打印操作記錄，參數修改記錄、參數越限、復限，系統事故，設備故障，保護運行等記錄，以召喚打印為主要方式 |
5 | 音箱 | R19U |
| 播放報警事件信息 |
6 | 工業網絡交換機 | D-LINKDES-1016A16 |
| 提供16口百兆工業網絡交換機解決了通信實時性、網絡安全性、本質安全與安全防爆技術等技術問題 |
7 | GPS時鐘 | ATS1200GB |
| 利用gps同步衛星信號，接收1pps和串口時間信息，將本地的時鐘和gps衛星上面的時間進行同步 |
8 | 交流計量電表 | AMC96L-E4/KC |
| 電力參數測量(如單相或者三相的電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率,頻率、功率因數等)、復費率電能計量、 四象限電能計量、諧波分析以及電能監測和考核管理。多種外圍接口功能:帶有RS485/MODBUS-RTU協議:帶開關量輸入和繼電器輸出可實現斷路器開關的"遜信“和“遙控"的功能 |
9 | 直流計量電表 | PZ96L-DE |
| 可測量直流系統中的電壓、電流、功率、正向與反向電能。可帶RS485通訊接口、模擬量數據轉換、開關量輸入/輸出等功能 |
10 | 電能質量監測 | APView500 |
| 實時監測電壓偏差、頻率俯差、三相電壓不平衡、電壓波動和閃變、諾波等電能質量，記錄各類電能質量事件,定位擾動源。 |
11 | 防孤島裝置 | AM5SE-IS |
| 防孤島保護裝置，當外部電網停電后斷開和電網連接 |
12 | 箱變測控裝置 | AM6-PWC |
| 置針對光伏、風能、儲能升壓變不同要求研發的集保護，測控，通訊一體化裝置，具備保護、通信管理機功能、環網交換機功能的測控裝置 |
13 | 通信管理機 | ANet-2E851 |
| 能夠根據不同的采集規的進行水表、氣表、電表、微機保護等設備終端的數據果集匯總: 提供規約轉換、透明轉發、數據加密壓縮、數據轉換、邊緣計算等多項功能:實時多任務并行處理數據采集和數據轉發，可多鏈路上送平臺據: |
14 | 串口服務器 | Aport |
| 功能:轉換“輔助系統"的狀態數據，反饋到能量管理系統中。 1)空調的開關，調溫，及完quan斷電(二次開關實現) 2)上傳配電柜各個空開信號 3)上傳UPS內部電量信息等 4)接入電表、BSMU等設備 |
15 | 遙信模塊 | ARTU-K16 |
| 1)反饋各個設備狀態，將相關數據到串口服務器: 讀消防VO信號，并轉發給到上層(關機、事件上報等) 2)采集水浸傳感器信息，并轉發3)給到上層(水浸信號事件上報) 4)讀取門禁程傳感器信息，并轉發 |
7結束語
本文對基于微電網的戶用儲能系統進行研究，分別從系統工作模式、儲能電池組容量配置、電池管理系統設計、能量管理系統設計等關鍵技術進行了研究，從而實現了對微電網的實時監控、發用電預測、儲能調度優化和信息綜合管理。本系統已在電力研究院和多個能源電力公司推廣運行,達到其微電網的經濟優化運行,具有推廣應用價值,有助于綠色、節能微電網的推廣。
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[5] 戴 璐,譚德權,歐明文.基于微電網的戶用儲能系統研究.
[6] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022年05版.
作者介紹：
任運業，男，現任職于安科瑞電氣股份有限公司。
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