1、 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、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
2、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 引 言
3、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-。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-。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
4、系 统-。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。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
5、 车 充 电 站、数 据中 心 站、光 伏 发 电 站、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。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 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
6、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 光 储 充 多 站 合 一 的 分 层 控 制 器 架 构 电 气 技 术 与 经 济 产 品 与 解
7、决 方 案 图 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：（）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
8、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。（）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。（）
9、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。能 量 管 理 系 统 设 计.功 能 架 构 设 计图 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
10、 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 能 量 管 理 系 统 功 能 架 构.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：（）直 流 微 网 运 行 监 控监 控 系 统 的 主 要 功 能 包 括：数 据 采 集 与
11、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。（）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
12、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。.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
13、 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、模 型，其 约 束 条 件 一 般 包 括 电 力 容 量约 束、充 放
14、 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。（）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
15、 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 电 气 技 术 与 经 济 产 品 与 解 决 方 案 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
16、 等 可 调 装 置 参 与 转 移 控 制，保 障 系统 安 全 稳 定 转 移。（）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
17、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。（）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
18、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。工 程 算 例 验 证.工 程 概
19、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、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 年 投 运。本工 程 在 站 内 建 设 交 流 电 力 舱，将 巷 尾 变电 站 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 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
20、 变 提 供 交 流.电 源，通 过 电 力 电 子 变 压 器 降 压至 直 流，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 变 流 器 进 一 步降 压 至 直 流，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。.实 测 数 据图 和 图 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
21、 网 的 稳 定、可 靠、经 济 运 行。图 充 电 桩 接 入 测 试 波 形 电 气 技 术 与 经 济 产 品 与 解 决 方 案 图 光 伏 发 电、储 能 充 电 波 形 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、通 信 基 站 等 多 站 合 一 的 智 慧 能源 直 流 微
22、 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 张 海 龙 中 国 新 能 源 发 展 研 究 长 春：吉 林 大学，刘 琦 中 国 新 能 源 发 展 研 究 电 网 与 清 洁 能 源，（）：-刘 振 亚 中 国 电 力 与 能 源 北 京：中 国 电 力 出版 社，：，：-，微 电 网 能 量 管 理 系 统 技 术 规 范 肖 建 风 光 水 火 储 系 统 的 多 能 容 量 优 化 配 置 分 析 电 气 技 术 与 经 济，（）：-吴 榆 俊，钟 森 风 光 储 微 电 网 容 量 配 置 优 化 综 述 电 气 技 术 与 经 济，（）：-邵 林 微 电 网 能 量 管 理 系 统 设 计 与 实 现 南京：东 南 大 学，徐 康 含 光 伏 电 源 的 微 电 网 储 能 控 制 技 术 分 析 电 子 技 术，（）：-（收 稿 日 期：-）电 气 技 术 与 经 济 产 品 与 解 决 方 案
