淺談工商業(yè)用電能量管理儲能系統(tǒng)的設計和運用

安科瑞 陳聰

摘要：為提高電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性，面向工商業(yè)用電用戶，研究了一種儲能系統(tǒng)容量規(guī)劃方法。采用聚類分析方法對工商業(yè)用戶的用電特征進行辨識，根據(jù)儲能系統(tǒng)的供電模式構建儲能系統(tǒng)容量規(guī)劃的目標，并在主、備用電池容量規(guī)劃的約束條件下優(yōu)化目標，根據(jù)計算的目標結果得到容量規(guī)劃方案。為檢測模型的容量規(guī)劃效果，根據(jù)某地工商業(yè)用戶群體的日負荷特征進行了仿真實驗，結果顯示，容量規(guī)劃后，實驗組峰谷之間的差值比對照組高31.93%，表明所設計的儲能系統(tǒng)容量規(guī)劃方法優(yōu)化程度更顯著，提高了儲存電能的利用效率以及工商業(yè)用戶的用電經(jīng)濟性。

關鍵詞：工商業(yè)用電；用電管理；能量儲存；儲能系統(tǒng)；儲能系統(tǒng)容量規(guī)劃；容量配置

0.引言

經(jīng)濟不斷發(fā)展與進步，使我國進入了數(shù)字化時代，許多行業(yè)順應時代發(fā)展，進行了智能化的變革與更新。我國電力系統(tǒng)的發(fā)電也應用了智能化信息技術，不同地區(qū)的電網(wǎng)集團智能化收集到了不同的用電信息，并對其進行相應的管理。由于不同用電區(qū)域或團體都有各自的用電特征需求，為了進一步分析和管理相應區(qū)域的用電情況，面向不同的團體設立了其相對應的電能量儲能系統(tǒng)[4]。但由于目前對不同區(qū)域用電數(shù)據(jù)信息的分析能力不夠具體和完善，不能準確進行儲能系統(tǒng)的容量規(guī)劃配置，不利于電量的按需分配和節(jié)約環(huán)保性。基于以上背景，本文研究了一種面向工商業(yè)用電能量管理的儲能系統(tǒng)容量規(guī)劃分配方法，優(yōu)化電力能量的調控與分配，希望可以提高電力分配的按需分配性以及用戶用電的經(jīng)濟性，優(yōu)化電網(wǎng)運行效率，提升電力行業(yè)長期發(fā)展的穩(wěn)定性，實現(xiàn)其經(jīng)濟效益與社會效益。

1. 工商業(yè)用電儲能特征辨識

電能量供應與需求的平衡可以實現(xiàn)能量資源轉化的目標。需求響應是我國現(xiàn)階段電力運行中非常重要的一種電力配置方法。對于電能管理的大容量儲能系統(tǒng)，一般采用抽水蓄能、電池儲能、壓縮空氣法儲能等方法。在面向工商業(yè)用戶的電能管理下，根據(jù)便捷性、容量易調節(jié)性、不限制區(qū)域等優(yōu)點，選擇一種基于電池的儲能系統(tǒng)進行容量規(guī)劃的研究。

采用聚類分析方法，對工商業(yè)用戶的用電特征進行辨識。可以針對不同的用電特征、工商用戶的負荷模式進行劃分，為儲能系統(tǒng)的容量規(guī)劃提供基礎參考?；贑alinski-Harabasz中的有效性指標進行聚類劃分。

儲能系統(tǒng)的主要功能包括：能量管理，將用電信息通過儲能裝置的電化學儲能技術與電網(wǎng)連接，提供功率調節(jié)和保護功能，儲能裝置可通過數(shù)據(jù)通信技術與電網(wǎng)進行實時信息交換，并可根據(jù)電網(wǎng)的負荷變化情況實時調節(jié)運行模式、優(yōu)化運行策略；以電力電子技術為核心的儲能技術應用，可實現(xiàn)功率實時監(jiān)測和能量調度；儲能裝置在關鍵時刻可以根據(jù)實際情況對電網(wǎng)電壓、電流以及用電負荷等進行實時調整。該儲能系統(tǒng)設計中選擇了基于Solaris技術和國際電工委員會（InternationalElectricalCommission，IEC）標準、RS485總線進行通信接口與不間斷電源（UninterruptiblePowerSupply，UPS）總線以及近場通信（NearFieldCommunication，NFC）技術進行通信連接，對電網(wǎng)接入功率進行優(yōu)化調整，控制UPS功率實現(xiàn)實時、靈活調控。儲能電站控制模塊使用單片機為系統(tǒng)提供電力交易控制功能，可為電站提供電力交易指令、智能電力交易控制命令、綜合電氣控制命令等服務，實現(xiàn)對電網(wǎng)電源進行實時調節(jié)。儲能電站運行參數(shù)根據(jù)電網(wǎng)負荷進行實時優(yōu)化調整，控制儲能系統(tǒng)能量達到使用效果，提高用戶用電效率和安全水平。

2.儲能系統(tǒng)容量規(guī)劃構建

2.1目標確定

本文根據(jù)工商業(yè)用戶電力儲能系統(tǒng)的供電方式，研究電力儲能系統(tǒng)的規(guī)劃方法，供電方式示意如圖1所示。在實際的用電負荷規(guī)劃中，備用電池可以解決規(guī)劃模型中用電負荷的不確定性問題，因此現(xiàn)基于備用電池研究儲能系統(tǒng)的容量規(guī)劃方案。

圖1工商業(yè)用戶電力儲能系統(tǒng)供電方式

電池為系統(tǒng)中提供儲能服務的主要來源，電池模塊和充放電控制器與逆變器連接，將蓄電池組所產(chǎn)生的電能通過逆變裝置轉換為電力，并通過蓄電池向電網(wǎng)提供給用戶。電池的能量越大，其能量密度或功率密度就越高，電池的技術要求也就越高。本系統(tǒng)電池采用方形電池組，其外殼使用的是環(huán)保材料并具有良好的耐腐蝕性，使電池組具有更高的安全性。

儲能應用能夠滿足快速響應市場變化的要求，在大范圍電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，可以立即起到穩(wěn)定電力系統(tǒng)的作用，為用戶提供更多的靈活性與便利性，并在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時為設備提供更多的電源。儲能電站能使用戶快速響應市場信號以維持電網(wǎng)穩(wěn)定，電力系統(tǒng)和電網(wǎng)之間的相互聯(lián)系更加緊密。儲能電站通過使用“電池—儲能—充放電”循環(huán)機制實現(xiàn)“電—儲—用”一體化運行。電池經(jīng)過一系列復雜處理后被儲存起來或充電，從而實現(xiàn)快速響應市場信號和電網(wǎng)穩(wěn)定工作。

2.2儲能優(yōu)化

用戶用電數(shù)據(jù)采集后，通過數(shù)據(jù)分析軟件對用戶的用電行為進行實時分析，通過對用戶用電數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，將電網(wǎng)與用戶進行交互，了解用戶在用電方面是否存在違規(guī)用電、電表使用狀態(tài)與計量不準確、功率不匹配等問題。將用戶端的用電數(shù)據(jù)進行智能分析，對用戶在用電方面存在的問題進行預警提示。

儲能系統(tǒng)充放電是一個長期的運行狀態(tài)，因此會出現(xiàn)電池的老化情況，在電池不斷老化的過程中，電池的可用容量會逐漸降低，使設計的電池容量值與實際容量不同，造成規(guī)劃不準確的情況。因此，需要將電池老化的相關特征加入電池規(guī)劃的約束條件中。

儲能電站能提供給客戶的另外一項重要功能是利用其*特的管理功能，為用戶提供智能管理，幫助客戶在緊急情況下做出正確的決策，同時也可以減少因電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障而造成的經(jīng)濟損失。由于電網(wǎng)的運行特點，儲能電站的調峰和調頻能力比其他方式更加突出。隨著電源結構復雜化和分布式電源規(guī)模增加，其調峰能力可能會逐步增加。

3.實驗與檢測

為檢測本文設計面向工商業(yè)用電能量管理的儲能系統(tǒng)容量規(guī)劃的應用效果，對某城市的工商業(yè)用戶進行儲能系統(tǒng)容量規(guī)劃仿真試驗。繪制該地區(qū)工商業(yè)用戶24h的負荷預測曲線，如圖2所示。

基于圖2所示的負荷曲線，現(xiàn)調查相關用戶對應儲能系統(tǒng)的具體參數(shù)，如表1所示。

系統(tǒng)根據(jù)每路電流信號計算出每路需要補償?shù)牧縼碛嬎愠雒總€電池的容量，以達到利用每個電池的目的。采用具有更高精度的電流傳感器來檢測每路的電流數(shù)據(jù)，在進行電流補償時采用3階自適應濾波算法。多路電流信號通過通信接口進行發(fā)送傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速率為100Mb/s。采用多路信號同時傳送給控制器并進行實時計算輸出，可大大減少通信量并且提高系統(tǒng)響應速度。

系統(tǒng)采用2級控制體系實現(xiàn)各環(huán)節(jié)參數(shù)整定，其中主控制系統(tǒng)由主控制器完成各傳感器信號的采集與存儲；而各個傳感器作為采樣單元負責測量數(shù)據(jù)并輸出給各個控制器。對電池的充電容量、放電深度、放電次數(shù)進行了分析，在此基礎上提出了一種基于狀態(tài)觀測器的電流補償方法，并應用了功率跟蹤算法對蓄電池進行充電和放電管理。將各蓄電池的輸出功率與其初始值進行對比，并以此作為判定的基礎。利用多組不同的電流傳感器對各電池的運行狀況和各電池的溫度進行實時監(jiān)控，實時分析充電容量、放電深度、放電次數(shù)，從而達到對電池進行智能充放電的控制。

利用硬件在環(huán)仿真模擬了各種電流傳感器及不同容量的電池性能。（1）采用高精度、高分辨率的傳感器和采集器，保證采集數(shù)據(jù)的準確性和完整性；（2）數(shù)據(jù)采集設備主要包括無線通信模塊，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳、下載功能，與上位機通信；（3）數(shù)據(jù)采集終端設計。本設計中采用2種類型的數(shù)據(jù)采集終端，一是基于Modbus遠程終端單元（RemoteTerminalUnit，RTU）的無線通信模塊；二是基于無線控制單元或智能手機端的無線通信器。

采用先進的智能控制技術可實現(xiàn)對蓄電池的實時監(jiān)控與自動充放電，具有安全可靠、經(jīng)濟環(huán)保、效率高、等優(yōu)點，是解決新能源并網(wǎng)中的不穩(wěn)定因素的理想方式。本文利用智能手機與儲能系統(tǒng)相連，對蓄電池實現(xiàn)實時監(jiān)控；通過數(shù)據(jù)分析將實時監(jiān)控到的數(shù)據(jù)自動上傳至云服務器進行分析。

目前，該項目已經(jīng)成功應用于某鋼鐵企業(yè)，儲能系統(tǒng)可以有效提升該系統(tǒng)的運行效率、提高用電設備的運行可靠性和電能質量改善能力，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)和負荷設備之間的協(xié)調控制，使能源綜合利用更加便捷，還有效降低了用戶成本，減少了資源浪費及環(huán)境污染，同時也為企業(yè)提供了更多、更有效的用電服務。

1. Acrel-2000ES儲能柜能量管理系統(tǒng)

4.1系統(tǒng)概述

安科瑞儲能能量管理系統(tǒng)Acrel-2000ES，專門針對工商業(yè)儲能柜、儲能集裝箱研發(fā)的一款儲能EMS，具有完善的儲能監(jiān)控與管理功能,涵蓋了儲能系統(tǒng)設備(PCS、BMS、電表、消防、空調等)的詳細信息,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報警管理、統(tǒng)計報表等功能。在應用上支持能量調度,具備計劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。

4.2系統(tǒng)結構

Acrel-2000ES，可通過直采或者通過通訊管理或串口服務器將儲能柜或者儲能集裝箱內部的設備接入系統(tǒng)。系統(tǒng)結構如下：4.3系統(tǒng)功能

4.3.1實時監(jiān)測

系統(tǒng)人機界面友好，能夠顯示儲能柜的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測PCS、BMS以及環(huán)境參數(shù)信息，如電參量、溫度、濕度等。實時顯示有關故障、告警、收益等信息。

4.3.2設備監(jiān)控

系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測PCS、BMS、電表、空調、消防、除濕機等設備的運行狀態(tài)及運行模式。

PCS監(jiān)控：滿足儲能變流器的參數(shù)與限值設置；運行模式設置；實現(xiàn)儲能變流器交直流側電壓、電流、功率及充放電量參數(shù)的采集與展示；實現(xiàn)PCS通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開關狀態(tài)、異常告警等狀態(tài)監(jiān)測。

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

空調監(jiān)控：滿足環(huán)境溫度的監(jiān)測，可根據(jù)設置的閾值進行空調溫度的聯(lián)動調節(jié)，并實時監(jiān)測空調的運行狀態(tài)及溫濕度數(shù)據(jù)，以曲線形式進行展示。

UPS監(jiān)控：滿足UPS的運行狀態(tài)及相關電參量監(jiān)測。

4.3.3曲線報表

系統(tǒng)能夠對PCS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

滿足儲能系統(tǒng)設備參數(shù)的配置、電價參數(shù)與時段的設置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制等。

4.3.5實時報警

儲能能量管理系統(tǒng)具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠對儲能充放電越限、溫度越限、設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

儲能能量管理系統(tǒng)能夠對遙信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

4.3.7遙控操作

可以通過每個設備下面的紅色按鈕對PCS、風機、除濕機、空調控制器、照明等設備進行相應的控制，但是當設備未通信上時，控制按鈕會顯示無效狀態(tài)。

4.3.8用戶權限管理

儲能能量管理系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作（如遙控的操作，數(shù)據(jù)庫修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

1. 結論

在互聯(lián)網(wǎng)大時代，我國的國民經(jīng)濟發(fā)展持續(xù)增長，智能化已經(jīng)遍布到各個行業(yè)中。電力儲能容量的優(yōu)化分配通過分析對應團體的用電行為及特征按需供電，可以提高電力資源的利用率，使電力資源可以實現(xiàn)*大轉化，提高我國電力工程行業(yè)的經(jīng)濟效益與社會效益。

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