光伏儲(chǔ)能控制系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保技術(shù)在加油站的應(yīng)用

豐明魁

(中國石化銷售股份有限公司北京石油分公司，北京 100022)

“十四五”期間，作為國有重要骨干能源企業(yè)，為中國石化積極響應(yīng)“一基兩翼三新”戰(zhàn)略部署，著眼打造綠色潔凈亮麗形象，全面提升環(huán)境保護(hù)水平。中國石化北京石油分公司(簡稱北京石油)充分發(fā)揮營銷網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，大力推動(dòng)加氫、充電、分布式光伏發(fā)電示范工程建設(shè)，為實(shí)施綠色潔凈戰(zhàn)略保駕護(hù)航。

和傳統(tǒng)能源發(fā)電相比，光伏發(fā)電能夠增加儲(chǔ)能的功能，對(duì)于平衡電力電價(jià)、安全保電有非常重要的意義。當(dāng)市電斷電時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠支撐電力正常運(yùn)行。

本文將對(duì)光伏儲(chǔ)能一體化的節(jié)能環(huán)保新技術(shù)在加油站的應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)的闡述。

1 光伏儲(chǔ)能控制系統(tǒng)建設(shè)設(shè)計(jì)原則

目前，中國石化銷售股份有限公司北京石油分公司在全市擁有自營加油站580余座，加氣站17座。未來，加油(氣)站要承載大量電力設(shè)備對(duì)多電源系統(tǒng)的供電，具備電能保障能力,這就對(duì)其提出了很高的要求。同時(shí),考慮到未來該多電源系統(tǒng)內(nèi)要接入多個(gè)功率較大、對(duì)電能質(zhì)量要求較高的負(fù)載,因此要求多電源系統(tǒng)具有靈活的可擴(kuò)展性和較高的供電質(zhì)量。

主要原則應(yīng)滿足：

1)建設(shè)包含光伏發(fā)電、儲(chǔ)能、市電、電能質(zhì)量檢測和治理的多電源系統(tǒng)，并可靈活擴(kuò)展，可以接入多種分布式能源、各種有源和無源負(fù)荷，且系統(tǒng)可以模擬典型負(fù)荷特性；

2)體現(xiàn)分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)智能協(xié)調(diào)工作，凸顯智能多電源系統(tǒng)能量優(yōu)化調(diào)度控制的效果；

3)可孤島運(yùn)行，自動(dòng)無縫并離網(wǎng)切換，不影響高精密儀器的正常工作；

4)新能源就地最大限度消納原則，打造低碳項(xiàng)目；

5)儲(chǔ)能電池和分布式能源的使用效能最佳，最大發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)效益；

6)控制策略簡單可靠原則，控制系統(tǒng)開源，方便未來系統(tǒng)擴(kuò)展；

7)智能的遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)展示，建設(shè)示范項(xiàng)目。

2 光伏儲(chǔ)能控制系統(tǒng)建設(shè)組成方案

2.1 基本原理

由儲(chǔ)能系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)及負(fù)載組成的多電源系統(tǒng)統(tǒng)一接入，采用快速開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)快速投切和遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)組成方案見圖1。

圖1 系統(tǒng)組成方案

以中國石化望京新城加油站為例：

該加油站屋頂面積為780 m2，光伏板建設(shè)科利用面積400 m2，標(biāo)準(zhǔn)光伏板可鋪設(shè)16塊，光伏功率為30 kWp，預(yù)計(jì)發(fā)電量為2.9萬kWh/a。建議采用40 kW的光伏逆變器。

考慮光伏逆變器發(fā)電直接送到電網(wǎng)為脫硫電價(jià)0.3元/kWh，自用電價(jià)峰值1.4元/kWh，光伏發(fā)電應(yīng)盡可能自用。光伏發(fā)電間歇不穩(wěn)定，使用儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行能量平滑。以儲(chǔ)能逆變器10 kW、鋰電池30 kWh為參數(shù)，分3類情況進(jìn)行分析：

1)光伏發(fā)電大于本地負(fù)荷。儲(chǔ)能電池容量<90%時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收光伏發(fā)電量與本地負(fù)荷的差值；儲(chǔ)能電池充滿時(shí)，光伏發(fā)電大于本地負(fù)荷的部分送電網(wǎng)。

2)光伏發(fā)電功率小于本地負(fù)荷功率時(shí)。儲(chǔ)能電池容量>20%時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)提供本地負(fù)荷與光伏發(fā)電功率的差值；儲(chǔ)能電池容量<20%時(shí)，電網(wǎng)提供本地負(fù)荷與光伏發(fā)電功率的差值。

3)儲(chǔ)能系統(tǒng)可設(shè)置峰谷電價(jià)差“削峰填谷”功能。

設(shè)計(jì)建設(shè)方案是采用一套儲(chǔ)能系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)30 kWp、電能質(zhì)量控制、能效監(jiān)控、多電源系統(tǒng)能源管理系統(tǒng)組成的多電源系統(tǒng)，并且隨著負(fù)荷的增加擴(kuò)展光伏和儲(chǔ)能容量；系統(tǒng)可以進(jìn)行靈活的并離網(wǎng)切換；通過平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)的展示、數(shù)據(jù)分析和報(bào)表；采用可視化觸摸屏設(shè)計(jì)，界面友好、人機(jī)交互便捷，可進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)設(shè)置，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)狀態(tài)和故障信息等。設(shè)備支持 Modbus RTU、Modbus TCP/IP等多種通訊協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)與后臺(tái)可靠通訊，接收電網(wǎng)調(diào)度指令。

多電源系統(tǒng)現(xiàn)階段可以實(shí)現(xiàn)光伏、儲(chǔ)能系統(tǒng)、模擬負(fù)荷(預(yù)留功能接口)和柴油發(fā)電機(jī)(預(yù)留功能接口)等多種一次的設(shè)備的互聯(lián)，各個(gè)設(shè)備都可以單獨(dú)控制，實(shí)現(xiàn)四遙。利用多電源系統(tǒng)能源管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)多電源系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)的功率控制，以及快速平滑光伏、負(fù)荷變化等造成的功率的波動(dòng)，將接入電網(wǎng)的各類設(shè)備實(shí)現(xiàn)檢測、記錄多電源系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

該多電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活，可以實(shí)現(xiàn)不同的分布式能源的重新組合，運(yùn)行方式也可以靈活設(shè)置，可以用于研究不同類型的分布式電源的特性。

2.2 多電源系統(tǒng)

2.2.1 光伏部分

光伏部分以太陽能光伏發(fā)電為基礎(chǔ)，滿足光伏發(fā)電和建筑一體化要求，以可操作性、實(shí)用性為原則，光伏發(fā)電主要考慮自發(fā)自用，余電可用來上網(wǎng)。光伏組件布置擬采用固定式安裝方式，并與建筑一體化。這種方式可確保建筑的整體美觀。由于前期負(fù)荷較少，光伏可分步安裝實(shí)施，一期光伏組件可先安裝功率總計(jì)約400 kWp的裝置，并采用高效雙面發(fā)電單晶組件。

1)對(duì)于分布式光伏系統(tǒng)，考慮現(xiàn)有彩鋼瓦罩棚的載荷承重原因，結(jié)合北京石油的戰(zhàn)略部署，逐步將現(xiàn)有罩棚改造成鋼結(jié)構(gòu)，這樣安裝方式比較靈活、安全。罩棚下面有埋地油罐時(shí)，由于此種情況油罐的通氣管一般穿過罩棚，受防爆距離限制，所以不適宜安裝光伏組件。太陽能電池板傾角大約在15°左右(根據(jù)實(shí)際測量情況調(diào)整)。

2)組件支架采用熱鍍鋅薄壁卷鋼支架，并采用配重方案，不對(duì)屋面防水造成破壞。

3)支架主體采用熱鍍鋅薄壁卷鋼，須保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、抗風(fēng)能力強(qiáng)，可使用25年以上。主體骨架全部是標(biāo)準(zhǔn)化、工業(yè)化生產(chǎn)(包括小的連接件、配件)，采用不銹鋼螺栓連接。

4)光伏發(fā)電通過數(shù)據(jù)接口將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、發(fā)電量等信息上傳至多電源系統(tǒng)能源管理系統(tǒng)。

5)為了后期試驗(yàn)和監(jiān)測的方便，預(yù)留類似輻照度、溫度、風(fēng)速、圖像等數(shù)據(jù)監(jiān)測接口。

2.2.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)部分

建設(shè)一套10 kW/30 kWh的儲(chǔ)能系統(tǒng)。儲(chǔ)能電池單元由電池堆(BP)、電池管理系統(tǒng)(BMS)、儲(chǔ)能雙向變流器(PCS)和主監(jiān)控單元組成。

儲(chǔ)能電池采用高密度鋰電池，該電池具有安全可靠、循環(huán)壽命長、性價(jià)比高等特點(diǎn)。

電池系統(tǒng)電氣原理見圖2。高壓箱電氣原理見圖3。

圖2 電池系統(tǒng)電氣原理

圖3 高壓箱電氣原理

2.3 電池管理系統(tǒng)

2.3.1 系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)每個(gè)電池箱由9串單體串聯(lián)6路電池(單串電壓6 V)組成，LBMS-SU12P-A 作為第一層數(shù)據(jù)采集，每個(gè)BMU采集1箱電池。

每個(gè)電池簇(SBCU)管理24個(gè)電池柜(SBMU)(216串電池，24個(gè)電池插箱，936 Ah)，組成電池系統(tǒng)。

2.3.2 系統(tǒng)低壓供電

BMS系統(tǒng)供電采用DC24V，每個(gè)主控盆(SBAU)系統(tǒng)組成一個(gè)單獨(dú)系統(tǒng)。出于供電可靠性以及靈活性考慮，建議每個(gè)SBAU進(jìn)行單獨(dú)供電，由不間斷電源(UPS)輸出220 V交流電壓。SBAU系統(tǒng)供電原理見圖4。

圖4 SBAU系統(tǒng)供電原理

2.3.3 系統(tǒng)控制策略

系統(tǒng)控制層以SBAU為單位，一個(gè)SBAU控制若干個(gè)SBCU，每個(gè)SBCU通過SBMU獲取電池電壓、溫度等信息。BMU負(fù)責(zé)采集電池電壓、溫度信息，均衡控制等。

SBCU負(fù)責(zé)管理電池組中的全部BMU，通過控制器域網(wǎng)(CAN)總線，獲取所有BMU的單體電壓與溫度信息；負(fù)責(zé)電池簇的電流采集、總電壓采集、漏電檢測，并進(jìn)行報(bào)警判斷，在電池組狀態(tài)發(fā)生異常時(shí)斷開高壓功率接觸器，使電池簇退出運(yùn)行，保障電池安全使用。

SBAU負(fù)責(zé)管理所有SBCU，若電池簇發(fā)生了嚴(yán)重故障，SBAU主動(dòng)控制切斷繼電器。

系統(tǒng)主要有“自動(dòng)運(yùn)行模式”、“維護(hù)模式”兩種。系統(tǒng)默認(rèn)為“自動(dòng)運(yùn)行模式”，SBAU根據(jù)下屬SBCU狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制吸合與斷開。

“自動(dòng)運(yùn)行模式”控制策略如下：

1)上電SBCU數(shù)量檢測

SBAU上電檢測SBCU就位數(shù)量，當(dāng)1組SBCU全部就位后，SBAU允許滿功率充放電。

2)上電總壓差檢測

當(dāng)SBAU檢測就位通過后，進(jìn)行總壓壓差判斷。當(dāng)電池組最大總壓與最小總壓之間壓差小于“電池組允許吸合最大總壓差”時(shí)，BMS認(rèn)為，所有就位電池組壓差較小，符合吸合繼電器條件，則會(huì)閉合所有SBCU主負(fù)繼電器，進(jìn)入預(yù)充均衡流程。

當(dāng)SBAU檢測當(dāng)前就位總壓差超過允許值時(shí)，SBAU報(bào)總壓差大故障，需人工干預(yù)，關(guān)閉故障組電池組或啟用維護(hù)模式，人工對(duì)電池組進(jìn)行均衡。

3)上電預(yù)充均衡控制

SBAU在進(jìn)行預(yù)充均衡控制時(shí)，先控制所有SBCU，閉合預(yù)充繼電器。當(dāng)SBCU檢測到預(yù)充電流<1 A、預(yù)充時(shí)間>5 s、預(yù)充前后電壓<5 V時(shí)，則SBCU報(bào)預(yù)充完成，此時(shí)SBAU檢測所有預(yù)充完成后，控制吸合主正，斷開預(yù)充。

4)充放電管理

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測每個(gè)單體電壓以及電池包溫度。根據(jù)電池系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估可充、放電最大電流，通過報(bào)文發(fā)給PCS。PCS根據(jù)最大充、放電電流，進(jìn)行充放電操作(PCS控制充、放電電流不能超過BMS請(qǐng)求最大值)。

5)系統(tǒng)保護(hù)(自動(dòng)運(yùn)行模式)

一級(jí)報(bào)警發(fā)生時(shí)，BMS通知PCS降功率運(yùn)行；二級(jí)報(bào)警發(fā)生時(shí)，BMS通知PCS停止進(jìn)行充放電(限制電流為0)；三級(jí)報(bào)警發(fā)生時(shí)，BMS通知PCS停機(jī)，延時(shí)后，BMS主動(dòng)斷開繼電器。

6)維護(hù)模式

當(dāng)電池簇出現(xiàn)單體壓差大、總壓大或發(fā)生三級(jí)報(bào)警需要維護(hù)時(shí)，可通過SBAU上位機(jī)、人工控制故障簇電池組進(jìn)行單獨(dú)充、放電，人工小電流進(jìn)行充、放電維護(hù)；當(dāng)電池組平臺(tái)基本一致時(shí)，可停止維護(hù)模式，重新給BMS上低壓電后，BMS自動(dòng)識(shí)別進(jìn)入自動(dòng)控制模式。

2.3.4 電池模擬量高精度監(jiān)測及上報(bào)功能

電池模擬量高精度監(jiān)測及上報(bào)功能包括電池簇實(shí)時(shí)電壓檢測，電池簇充、放電電流檢測，單體電池端電壓檢測，電池組多點(diǎn)溫度檢測，電池絕緣監(jiān)測等。

2.3.5 電池系統(tǒng)保護(hù)功能

電池管理系統(tǒng)在電池系統(tǒng)出現(xiàn)電壓、電流、溫度等模擬量超過安全保護(hù)門限的情況時(shí)，進(jìn)行故障隔離，使問題電池簇退出運(yùn)行，同時(shí)上報(bào)保護(hù)信息，并在本地進(jìn)行顯示。

BMS擁有三級(jí)軟件保護(hù)功能。

2.3.6 SOC估算

BMS動(dòng)態(tài)剩余電量(SOC)通過電流積分法計(jì)算動(dòng)態(tài)SOC，當(dāng)電池充滿或放空時(shí)匹配合單體電壓的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)充滿或放空SOC的校正。

在電池充滿情況下(充電達(dá)到截止充電電壓)，系統(tǒng)自動(dòng)將SOC置為100%。

在電池放空情況下(放電達(dá)到截止放電電壓)，系統(tǒng)自動(dòng)將SOC置為0%。

2.3.7 絕緣檢測

BMS系統(tǒng)絕緣采用分時(shí)檢測技術(shù)，即SBAU作為主控，SBCU具體執(zhí)行檢測任務(wù)。SBCU分時(shí)絕緣檢測可避免相互之間絕緣檢測的干擾。

2.3.8 均衡功能

本套電池管理系統(tǒng)使用被動(dòng)均衡策略，當(dāng)電芯單體電壓達(dá)到均衡開啟電壓(例如3.45 V)、壓差>均衡開啟壓差(50 MV)時(shí)，則BMS分時(shí)開啟被動(dòng)均衡，這樣能夠很好地維護(hù)電池組的一致性。

2.3.9 自診斷功能

本電池管理系統(tǒng)具備自診斷功能。在電池管理系統(tǒng)內(nèi)部通信或與外部通信出現(xiàn)中斷故障時(shí)，能夠上報(bào)通信中斷告警；另外，針對(duì)模擬量采集異常等其他異常也具備故障自診斷、本地顯示和上報(bào)就地監(jiān)測系統(tǒng)的功能，如：采樣線斷線故障、溫度線斷線故障、繼電器粘連故障等。

2.3.10 本地?cái)?shù)據(jù)顯示

本電池管理系統(tǒng)自帶7寸顯示屏，可以顯示總體概要信息以及報(bào)警信息等，能夠在本地對(duì)電池系統(tǒng)的各項(xiàng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行顯示。具體包括：

1)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)顯示(系統(tǒng)總電壓、電流、SOC、運(yùn)行狀態(tài)、最高單體信息、最低單體信息、報(bào)警信息等)；

2)可顯示每簇(SBCU層面)電池組統(tǒng)計(jì)信息(電流、總壓、最高單體信息、最低單體信息、絕緣信息、報(bào)警信息等)；

3)電池簇電流/SOC顯示；

4)告警信息顯示；

5)繼電器狀態(tài)等信息顯示；

6)其他異常信息顯示。

2.3.11 參數(shù)設(shè)定(接入調(diào)試上位機(jī))

本電池管理系統(tǒng)另外標(biāo)配一套運(yùn)行在電腦中的維護(hù)上位機(jī)，提供本地對(duì)電池管理系統(tǒng)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)的修改操作。參數(shù)設(shè)定項(xiàng)目包括：單體電池充放電電壓、運(yùn)行溫度、過流門限等。

2.3.12 繼電器強(qiáng)制控制(接入調(diào)試上位機(jī))

接入調(diào)試上位機(jī)后，可通過上位機(jī)授權(quán)使用控制功能，強(qiáng)制控制主正、主負(fù)繼電器吸合。強(qiáng)制控制時(shí)要注意總壓差。該功能一旦開啟，則BMS系統(tǒng)失去系統(tǒng)保護(hù)功能，必須重新上電。

2.3.13 程序升級(jí)

本電池管理系統(tǒng)具備程序離線燒錄功能，可通過CAN總線進(jìn)行升級(jí)。

2.3.14 對(duì)外通訊

SBAU對(duì)外主要與PCS以及網(wǎng)元管理系統(tǒng)(EMS)進(jìn)行通訊，考慮數(shù)據(jù)量大小、抗干擾、實(shí)時(shí)性等，推薦SBAU與PCS通訊接口使用CAN，波特率推薦為500 Kbps。

2.4 儲(chǔ)能雙向變流器

儲(chǔ)能變流器是電網(wǎng)與電能儲(chǔ)存設(shè)備之間的紐帶，負(fù)責(zé)充電和電能回饋。PCS能夠適應(yīng)儲(chǔ)能系統(tǒng)不同的充放電控制模式。充放電控制模式可以通過參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)恒流、恒壓、恒功率、快速充放、最長壽命充放電等多種充放電管理模式。PCS應(yīng)用于各種具有儲(chǔ)能電池(電容)充、放電、并網(wǎng)及多電源系統(tǒng)供電的場所，其中控制和顯示的功能由觸摸屏人機(jī)界面完成的。

儲(chǔ)能系統(tǒng)連接示意見圖5。

圖5 儲(chǔ)能系統(tǒng)連接

儲(chǔ)能系統(tǒng)可以同多電源系統(tǒng)控制器接入。多電源系統(tǒng)控制電壓、電流、開關(guān)狀態(tài)以及關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，采取快速判據(jù)確定多電源系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)及微電源的運(yùn)行模式。同時(shí)，裝置具有連續(xù)的功率閉環(huán)調(diào)節(jié)功能，快速生成功率指令下發(fā)給微電源執(zhí)行，以保持多電源系統(tǒng)具有連續(xù)、穩(wěn)定的工況。

2.5 電能質(zhì)量治理

電能質(zhì)量需要具有諧波治理、無功電流補(bǔ)償?shù)哪芰Α?/p>

2.6 光伏MPPT控制器

光伏MPPT控制器需要滿足以下要求：

1)輸入電壓范圍500～900 V；

2)最大功率點(diǎn)工作范圍450～800 V；

3)最大功率跟蹤效率99%；

4)輸出電壓范圍600～850 V；

5)額定功率50 kW；

6)最高變換效率98%。

3 效益分析

光伏儲(chǔ)能控制系統(tǒng)建設(shè)完成之后,具有非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益,以望京新城加油站為例,效益計(jì)算方法如下：

總造價(jià)25萬元(光伏+儲(chǔ)能)；

光伏發(fā)電量2.9萬kWh/a,按照平均電價(jià)0.7元/kWh計(jì)算,可節(jié)省2.03萬元；

儲(chǔ)能系統(tǒng)按照低谷電時(shí)充電、峰值電價(jià)放電(電價(jià)1元/kWh)。

按每天4 h計(jì)算，則10 kW×4 h×1元×365 d=1.46萬元，因此，整個(gè)光伏+儲(chǔ)型系統(tǒng)一年可節(jié)約3.49萬元。

4 展望

傳統(tǒng)能源布局清潔能源，既是對(duì)傳統(tǒng)能源未來轉(zhuǎn)型的鋪墊，也是對(duì)綠色能源、環(huán)保事業(yè)的重視。加油站上建光伏，可在減少二氧化碳排放的同時(shí)，利用分布式光伏發(fā)電有效提供潔凈可再生電能。深化“光伏+儲(chǔ)能”的應(yīng)用，能夠優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。未來，本著集團(tuán)公司的“應(yīng)裝盡裝、適度超前”的原則，應(yīng)加快光儲(chǔ)一體的建設(shè)，使越來越多的加油站向“油氣氫電非”綜合能源服務(wù)商轉(zhuǎn)型升級(jí)，踐行新發(fā)展理念，為美好生活注入綠色環(huán)保新力量！