面向工商業(yè)用電能量管理的儲能系統(tǒng)設(shè)計和系統(tǒng)搭建

陳 浩，朱躍貼，劉際波，南 隆

（1.浙江電力變壓器有限公司，浙江 溫州 325000；2.溫州電力設(shè)計有限公司，浙江 溫州 325000）

0 引 言

經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展與進(jìn)步，使我國進(jìn)入了數(shù)字化時代，許多行業(yè)順應(yīng)時代發(fā)展，進(jìn)行了智能化的變革與更新[1]。我國電力系統(tǒng)的發(fā)電也應(yīng)用了智能化信息技術(shù)，不同地區(qū)的電網(wǎng)集團(tuán)智能化收集到了不同的用電信息，并對其進(jìn)行相應(yīng)的管理[2,3]。由于不同用電區(qū)域或團(tuán)體都有各自的用電特征需求，為了進(jìn)一步分析和管理相應(yīng)區(qū)域的用電情況，面向不同的團(tuán)體設(shè)立了其相對應(yīng)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(zhǔn)確進(jìn)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(diào)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(jì)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(jì)效益與社會效益最大化。

1 工商業(yè)用電儲能特征辨識

電能量供應(yīng)與需求的平衡可以實現(xiàn)能量資源最大轉(zhuǎn)化的目標(biāo)。需求響應(yīng)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[5]。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[6]。在面向工商業(yè)用戶的電能管理下，根據(jù)高效性、便捷性、容量易調(diào)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(jìn)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(jìn)行辨識?？梢葬槍Σ煌挠秒娞卣?、工商用戶的負(fù)荷模式進(jìn)行劃分，為儲能系統(tǒng)的容量規(guī)劃提供基礎(chǔ)參考。基于Calinski-Harabasz中的有效性指標(biāo)進(jìn)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(xué)儲能技術(shù)與電網(wǎng)連接，提供功率調(diào)節(jié)和保護(hù)功能，儲能裝置可通過數(shù)據(jù)通信技術(shù)與電網(wǎng)進(jìn)行實時信息交換，并可根據(jù)電網(wǎng)的負(fù)荷變化情況實時調(diào)節(jié)運行模式、優(yōu)化運行策略；以電力電子技術(shù)為核心的儲能技術(shù)應(yīng)用，可實現(xiàn)功率實時監(jiān)測和能量精確調(diào)度；儲能裝置在關(guān)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(fù)荷等進(jìn)行實時調(diào)整。該儲能系統(tǒng)設(shè)計中選擇了基于Solaris技術(shù)和國際電工委員會（International Electrical Commission，IEC）標(biāo)準(zhǔn)、RS485總線進(jìn)行通信接口與不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）總線以及近場通信（Near Field Communication，NFC）技術(shù)進(jìn)行通信連接，對電網(wǎng)接入功率進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，控制UPS功率實現(xiàn)實時、靈活調(diào)控。儲能電站控制模塊使用單片機(jī)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(wù)，實現(xiàn)對電網(wǎng)電源進(jìn)行實時調(diào)節(jié)。儲能電站運行參數(shù)根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷進(jìn)行實時優(yōu)化調(diào)整，控制儲能系統(tǒng)能量達(dá)到最佳使用效果，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(gòu)建

2.1 目標(biāo)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(fù)荷規(guī)劃中，備用電池可以解決規(guī)劃模型中用電負(fù)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(wù)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(zhuǎn)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(shù)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(yīng)用能夠滿足快速響應(yīng)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(shè)備提供更多的電源。儲能電站能使用戶快速響應(yīng)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(jī)制實現(xiàn)“電—儲—用”一體化運行。電池經(jīng)過一系列復(fù)雜處理后被儲存起來或充電，從而實現(xiàn)快速響應(yīng)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(jìn)行實時分析，通過對用戶用電數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，將電網(wǎng)與用戶進(jìn)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(zhǔn)確、功率不匹配等問題。將用戶端的用電數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，對用戶在用電方面存在的問題進(jìn)行預(yù)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(shè)計的電池容量值與實際容量不同，造成規(guī)劃不準(zhǔn)確的情況。因此，需要將電池老化的相關(guān)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獨特的管理功能，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(jì)損失。由于電網(wǎng)的運行特點，儲能電站的調(diào)峰和調(diào)頻能力比其他方式更加突出。隨著電源結(jié)構(gòu)復(fù)雜化和分布式電源規(guī)模增加，其調(diào)峰能力可能會逐步增加。

3 實驗與檢測

為檢測本文設(shè)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(yīng)用效果，對某城市的工商業(yè)用戶進(jìn)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24 h的負(fù)荷預(yù)測曲線，如圖2所示。

圖2 某地工商業(yè)用戶24 h負(fù)荷預(yù)測曲線

基于圖2所示的負(fù)荷曲線，現(xiàn)調(diào)查相關(guān)用戶對應(yīng)儲能系統(tǒng)的具體參數(shù)，如表1所示。

表1 某地工商業(yè)用戶儲能系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

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(dá)到最大限度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(jìn)行電流補償時采用3階自適應(yīng)濾波算法。多路電流信號通過通信接口進(jìn)行發(fā)送傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速率為100 Mb/s。采用多路信號同時傳送給控制器并進(jìn)行實時計算輸出，可大大減少通信量并且提高系統(tǒng)響應(yīng)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(fù)責(zé)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(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上提出了一種基于狀態(tài)觀測器的電流補償方法，并應(yīng)用了最大功率跟蹤算法對蓄電池進(jìn)行充電和放電管理。將各蓄電池的輸出功率與其初始值進(jìn)行對比，并以此作為判定的基礎(chǔ)。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(jìn)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(dá)到對電池進(jìn)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(zhǔn)確性和完整性；（2）數(shù)據(jù)采集設(shè)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(jī)通信；（3）數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計。本設(shè)計中采用2種類型的數(shù)據(jù)采集終端，一是基于Modbus遠(yuǎn)程終端單元（Remote Terminal Unit，RTU）的無線通信模塊；二是基于無線控制單元或智能手機(jī)端的無線通信器。

采用先進(jìn)的智能控制技術(shù)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(jì)環(huán)保、效率高、無污染等優(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(jī)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(wù)器進(jìn)行分析。

目前，該項目已經(jīng)成功應(yīng)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(shè)備的運行可靠性和電能質(zhì)量改善能力，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)和負(fù)荷設(shè)備之間的協(xié)調(diào)控制，使能源綜合利用更加高效便捷，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(wù)。

4 結(jié) 論

在互聯(lián)網(wǎng)大時代，我國的國民經(jīng)濟(jì)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(yīng)團(tuán)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)最大轉(zhuǎn)化，提高我國電力工程行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。