园区光储充能量管理系统设计及应用.pdf

48园区光储充能量管理系统设计及应用王志民1林云松1鄢治国1张川2张豪亨11.东方电气自动控制工程有限公司，四川 德阳 618000；2.东方日立（成都）电控设备有限公司，成都 611731摘要：本文在对光储充系统相关研究的基础上，设计了一种园区光储充能量管理系统（EMS）。介绍了 EMS 的系统架构及设备管理、系统管理、数据展示、能源分析等功能设计，根据光伏发电量和用电负荷，结合峰谷用电时段分布，制定了能量管理策略，实现了经济利益最大化。关键词：光储充系统；储能；能量管理中图分类号：TM615文献标识码：A文章编号：1001-9006（2023）02-0048-05Desing and Implementation of Energy Management System for IndustrialPark-used Photovolatic-energy Storage-charging SystemWANG Zhimin1,LIN Yunsong1,YAN Zhiguo1,ZHANG Chuan2,ZHANG Haoheng1(1.Dongfang ElectricAutomatic Control Engineering Co.,Ltd.,618000,Deyang,Sichuan,China;2.Dongfang Hitachi(Chengdu)Electrical ControlEquipment Co.,Ltd.,611731,Chengdu,Sichuan,China)Abstract:Based on the research of photovoltaic-energy storage-charging system,an industrial park-used energymanagement system was designed.The software architecture and the function design including device management、system management、data presentation、energy analysis of the energy management system were introduced.Based onthe energy generated by the photovoltaic system,the load and the peak-valley electricity time distribution,an energymanagement strategy was made,and the maximal economic profits was achieved.Key words:photovolatic-energy storage-charging system;energy storage;energy management system1收稿日期：2023-03-20作者简介：王志民（1980），男，硕士，高级工程师，现在东方电气自动控制工程有限公司科技创新中心主要从事新能源、电力电子、储能专业的相关研究工作。随着我国“碳达峰”“碳中和”计划的提出，我国能源结构将持续调整，风力发电、光伏发电等新能源发电将会迎来跨越式发展。由于新能源发电具有很强的波动性和随机性，大规模接入电网会对电网造成巨大的冲击。运用储能技术可以有效平抑新能源发电的波动性和随机性，从而在提升新能源接入电网比例的同时保持电网稳定。同时，在国家对新能源汽车产业发展大力支持和动力电池技术日渐成熟的背景下，新能源汽车市场发展迅速，产销量快速提升。特别是在新增乘用汽车市场，消费者购买新能源汽车的比例不断提升。因此，随着新能源汽车社会保有量不断提升，充电桩的需求量随之持续上涨，成为未来重要的用电负荷。将分布式新能源发电系统、储能系统及充电桩相结合可以组成光储充系统。通过能量管理系统（EMS）控制光储充系统内相关设备间的配合，可以提升系统整体的安全性、可靠性。同时根据电价信息、功率限制政策、应急供电需求等制定合适的运行调度策略，可以有效增加系统的经济收益1-2。基于上述目的，本文设计了一种园区光储充能量管理系统，其主要功能为实时运行状态监控、运行数据的采集、展示、储存与分析，在确保系统安全运行的同时提升系统的运行经济性。1光储充能量管理系统（EMS）结构光储充系统分为三个部分：光伏发电系统、储能系统和充电桩系统。三个系统通过 AC400V 母线49耦合，通过以太网与 EMS 进行通讯，由 EMS 协调控制各系统的运行策略。EMS 可以通过网络将监控数据传送给远方监控系统和监视大屏显示系统。光储充系统的系统架构如图 1 所示。图 1 光储充系统的系统架构EMS 是光储充系统的核心组成部分，负责整个系统的底层数据采集、系统网络监控、能量管理调度和运行数据分析。为保证光储充系统的稳定运行，EMS 采用两级分级控制体系，分为本地 EMS 和集控 EMS，其结构图如图 2 所示。图 2 能量管理系统（EMS）结构图本地 EMS 可实现对储能变流器（PCS）、电池管理系统（BMS）、光伏逆变器、充电桩和电网的数据采集，并根据峰谷电价、限电政策、应急需求等不同的使用场景，制定和运行不同的能量管理策略。本地 EMS 通过向 PCS 发送有功、无功等控制指令控制 PCS 执行相应的动作，同时可以将监测的光储充系统实时运行状态、系统内各种设备状态等信息上传至集控 EMS。集控 EMS 由 EMS 工作站和 EMS 服务器构成。EMS 工作站的主要功能是实时监控光储充系统的运行状态，同时负责制定光储充系统的运行模式；而 EMS 服务器的主要功能是储存光储充系统的运行数据，可以提供历史数据查询、数据分析等服务，是后期根据大数据分析制定运行策略的前提保障。2EMS 系统设计2.1 系统架构设计EMS 采用分层设计思路进行系统架构设计，分为客户端和服务器两层架构。采用面向服务器架构的设计模式。系统内部功能模块分别进行独立封装，提供各自的运行服务，在降低系统设计难度的同时，有利于新模块的嵌入。整体系统的稳定性、可维护性与可扩展性都有了明显的提升3-4。光储充系统 EMS 的架构如图 3 所示，主要分为设备层、数据层和应用层。设备层可以通过 EMS 就地控制器采集来自PCS、BMS、光伏系统、充电桩、用电设备的数据，同时可以采集其他基于标准协议的，需要接入 EMS进行调度的设备的各项数据。数据层可以实现实时数据库和历史数据库的交互。同时数据层可以提供数据库接口，供应用层访问使用。应用层主要面对用户，提供用户数据交互、界面展示、数据查询、命令下发、授权验证、任务调度等服务。图 3 能量管理系统（EMS）架构2.2 系统硬件设计EMS 硬件主要包括 EMS 就地控制器、EMS 集控工作台和服务器，现场布置如图 4 所示。EMS 就地控制器是基于RISC架构ARM9处理器构建而成，支持 CAN、RS232、RS485、以太网等多种通信接口，可以同时接入 Modbus RTU、Modbus TCP、IEC104、CAN 等标准协议，能实时解析来自 PCS、BMS、光伏发电系统、充电桩等设备的总线报文。50图 4 能量管理系统（EMS）硬件布置EMS 集控工作台采用工控机，采用 MySQL 完成对历史数据库的记录，采用 Redis 完成对实时数据库的记录。EMS 集控服务器用来存储光储充系统的运行参数，为保证数据记录的安全与可靠，数据服务器采用双服务器热备份架构。数据采集后被分别送到两台服务器中同时进行处理，若其中一台服务器出现故障，不会影响整个光储充系统的正常工作。双服务器热备份模式可以有效提高光储充系统的运行稳定性。3EMS 系统功能设计实现EMS 系统功能主要包括数据展示、设备信息、能源分析、告警信息、系统调度、系统管理等，如图 5 所示。下面主要对设备管理、系统管理、数据展示、系统调度和能源分析五个功能进行介绍。图 5 能量管理系统（EMS）功能结构3.1 设备管理设备管理是指系统具备可二次开发的设备管理功能，EMS 可提供不同类型设备、多个设备同时接入系统的接口，同时可以在后期对设备进行调整。图 6 为设备模板添加和管理界面。设备管理功能提供了 EMS 接入设备的灵活性，在设备类型和设备数量上均可以根据使用场景和用户要求进行定制化调整，同时在部署初期和后期均可进行更改。图 6 设备模板管理界面3.2 系统管理系统管理主要是指用户权限管理。系统可进行用户级别及权限设置，防止用户非法访问。权限设置是指根据使用人员角色的不同进行分类，可分为管理人员、开发人员、运维操作人员、浏览用户等，从而实现对不同级别人员的安全管理，保证光储充系统监控和管理的安全。系统管理中的用户管理界面如图 7 所示。图 7 用户管理界面3.3 数据展示数据展示主要包括数据化大屏和实时监控功能。数据化大屏用于展示光储充系统的站点概况、二氧化碳减排曲线、3D模型、光伏系统发电的实时信息、外部环境监测、综合能源对比趋势、故障告警等信息。可以使用户获取清晰、详实的系统运行信息。实时监控用于展示光储充系统的实时信息，包括电网实时信息、BMS采集的电池实时信息、光伏51系统发电实时信息、充电桩实时信息等。实时监控界面如图8所示。图 8 实时监控界面数据化大屏和实时监控也可以根据用户需求进行页面布局和展示信息的更改，在用户指定的位置显示用户所关注的信息，极大提升用户使用体验。3.4 系统调度EMS根据系统调度要求，执行各种任务调度策略。任务调度策略通过脚本开发，通过添加调度任务进行上传，可以满足客户不同的任务调度策略需求。任务调度界面如图9所示。图 9 任务调度界面3.5 能源分析能源分析是指对接入设备的能耗进行统计分析，同时可以按照时间段分布全方位体现光储充系统发电、用电情况，为客户提供能源使用情况分析报告。能源分析界面如图10所示。图 10 能源分析界面4光储充系统能量管理策略光储充系统能量管理策略遵循三个基本的设计原则，一是为了减少从电网购电的费用，尽可能多的利用光伏系统进行发电，减少弃光现象；二是避免储能系统进行深度放电，尽可能延长储能系统的使用寿命；三是根据当地梯度电价信息动态制定储能控制策略，最大程度利用峰谷电价差提升系统整体的经济性5-6。根据上述设计原则，制定的具体控制策略如下：采用一天一个充放电循环的模式，在储能系统合理荷电状态（SOC）范围内进行充放电，避免储能系统过充过放；最大限度消纳光伏系统发电电量，在负荷无法完全消纳光伏系统发电电量的时候使用储能系统进行电能储存，减少弃光现象；严格监视园区总用电功率，在不超过园区总用电需量限制的情况下对储能系统进行充电；实时监控光伏系统发电电量与负荷用电电量，在实在无法消纳光伏系统发电电量的情况下停止光伏系统发电，避免向电网反向送电；为降低购电成本，尽量使用谷电价或平电价时段的电网电能；采取措施有效减小用户对电网的最大需求量，减小对电网可能产生的冲击。以成都市为例，根据四川省发改委印发的关于进一步完善我省分时电价机制的通知的相关内容，项目所在地峰谷分时电价信息如表1所示。表 1 项目所在地峰谷分时电价序号时段时间范围电价（元）1高峰时段11:0012:00；14:0021:000.832平段7:0011:00；12:0014:00；21:0023:000.523低谷时段23:00次日 7:000.21结合上述成都地区电价峰、平、谷政策中的时间段分布，可以制定储能系统每日的充放电运行策略。储能系统充放电策略主要分为夜间谷电价充电策略和白天峰电价充放电策略两个部分。（1）夜间谷电价充电策略：在夜间谷电价时段，光伏系统不发电。首先计算园区包括充电桩和其他用电负荷在内的负荷总功率。接着判断储能系统的故障状态和SOC状态是否满足充电要求。如果储能系统故障或者SOC大于90%，则不对储能系统进行充电，园区所有负荷由电网提供电力支持；如果储52能系统无故障且SOC小于90%，则电网在给园区所有负荷提供电力支持的同时对储能系统进行充电。整个过程中，电网总供电功率不超过园区总需量限制。（2）白天峰电价充放电策略：在白天峰电价时段，光伏系统进行发电。首先计算园区包括充电桩和其他用电负荷在内的负荷总功率以及光伏系统发电功率。接着比较总负荷功率和光伏发电功率大小，如果光伏系统发电功率大于总负荷功率，则接着判断储能系统故障状态和SOC状态是否满足充电要求，如果储能系统无故障且SOC小于90%，则光伏系统在为总负荷提供电力支持的同时对储能系统进行充电；如果储能系统有故障或者SOC大于90%，则抑制光伏系统发电，光伏系统仅满足总负荷用电功率即可，丢弃掉多出的发电能力。如果光伏系统发电功率小于总负荷功率，则接着判断储能系统故障状态和SOC状态是否满足放电要求，如果储能系统无故障且SOC大于10%，则光伏系统和储能系统同时出力为总负荷提供电力支持，如果储能系统有故障或者SOC小于10%，则光伏系统和电网同时出力为总负荷体提供电力支持。图 11 实际策略运行曲线项目实际运行曲线如图11所示。在系统整体投入运行后，可以实现对进线功率的削减，极大的减小了电网冲击负荷。同时可以最大程度消纳光伏发电电量，充分利用太阳能资源。通过谷充峰放的循环，实现峰谷套利，提升光储充系统的经济性。5结语本文设计了一种园区光储充能量管理系统，具有实时监控、设备管理、系统调度、能源分析等功能，根据光伏系统发电功率和用电负荷总负荷功率，结合当地峰谷用电时间段分布政策，制定了储能系统控制策略，实现了平移园区用电负荷、峰谷套利、园区经济利益最大化。该光储充能量管理系统已经在成都某企业园区安全稳定运行，为区域电网错峰避开负荷高峰发挥了巨大的作用，取得了很好的经济效益和社会效益。参考文献：1 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