浅谈光伏储能微电网协调控制及经济性研究

摘要：光伏-混合储能微电网协调控制及经济性是研究重点，首先分析了光伏-混合储能微电网发展现状，其次对光伏-混合储能微电网协调控制进行分层研究，其一为光伏-混合储能微电网装置层控制设计；其二为光伏-混合储能微电网系统层控制设计，*后对光伏-混合储能微电网经济性进行仿真验证，得到光伏-混合储能微电网成本低、运行稳定的结果。目的在于拓展光伏-混合储能微电网发展空间，扎实发展基础。

关键词：光伏-混合储能；铅酸电池；锂电池；仿真验证

安科瑞汪洋/汪小姐/汪女士（销售专员）联系方式：18702106706

0引言

光伏-混合储能微电网协调控制及经济性的研究，是应对当下全球不*再生能源持续枯竭，可再生能源需求迅猛增加发展趋势的重要内容。随着可再生能源研究技术创新，可再生能源资源丰富并且低碳环保，已然成为全球关注与研究的焦点。光伏-混合储能微电网，主要以光伏+储能+柴发等有效混合，随着光伏+混合储能微电网技术的不断成熟，加上光伏等清洁能源的加入，很大程度上拓展了光伏+混合储能微电网系统的应用前景。目前光伏-混合储能微电网系统在马尔代夫、毛里求斯、安哥拉以及我国海南等地区应用需求巨大。目前我国在光伏、储能、PCS等微电网系统方面技术优势明显，协调控制方案成熟，并且在国内外有众多成功实施案例，因此光伏-混合储能微电网系统在技术和经济方面都具有明显的可行性。

1光伏-混合储能微电网发展现状

根据对《2020年全球微电网市场报告》统计资料整理发现，微电网项目数已突破5545个，项目地域跨度非常广，如非洲地区、拉丁美洲地区、大多数岛屿*家越来越重视光伏-混合储能微电网发展。

2光伏-混合储能微电网协调控制优势分析

此次研究主要以孤岛运行为载体，针对光伏-混合储能微电网运行展开协调控制。以改进扰动观测法对光伏-混合储能微电网发电系统进行控制，观察系统功率变化，对铅酸储能进行实时动态调整，及时补充光伏-混合储能微电网中锂电储能出力。根据PSCAD仿真模拟结果，对光伏-混合储能微电网协调性与控制优势进行验证。

2.1光伏-混合储能微电网装置层控制设计

2.1.1科学设计铅酸电池-锂电池混合储能结构

铅酸电池-锂电池混合储能结构的设计，其核心包括两个系统，其一是铅酸电池子储能系统；其二是锂电池子储能系统。铅酸电池、锂电池、储能电流器是主要组成，此外对两种电池所对应的换流器进行并联设计。功率控制同样包括两种，其一是定功率，即PQ控制；其二为电压/频率，即（V/F）控制。表1对定功率、电压/频率的具体控制过程进行详解，借此了解铅酸电池-锂电池混合储能结构。

2.1.2光伏逆变器MPPT控制设计

光伏-混合储能微电网协调控制中，MPPT控制即*大功率点跟踪，锁定光伏-混合储能微电网运行工作点，主要集中于外界环境条件变化，其一为光照强度；其二为光伏阵列温度的自动调整，使光伏-混合储能微电网随时保持输出功率*优化。MPPT算法在实际应用中，扰动观测法（P&O）*为常见，该方法主要根据对系统运行期间的光伏工作电压扰动，去观察光伏电压状态，并采集相关数值，根据扰动前后的对比，对系统电压进行调整，从而保证光伏阵列尽可能接近于*大功率点。期间需注意，对*大功率点速率的跟踪，会受到扰动步长的影响，因此*大功率会出现振荡情况。面对这种情况，可以通过设置对应门限值去改善，根据工作点与*大功率点的距离对步长跟踪灵活调整，若输出变化参数并未超出门限值，则取消扰动，为功率输出营造理想环境。

2.2光伏-混合储能微电网系统层控制设计

根据对光伏-混合储能微电网的研究发现，系统中锂电池消耗成本占额大，增加了光伏-混合储能微电网系统的造价。加上储能微电网系统中，锂电池的功能均局限于黑启动电源，整体上出力并不理想，这种情况下增加了黑启动失败风险。面对这种情况，结合锂电池储能系统特点的整理，充分发挥出其循环寿命长的优势，借助其能量密度高，对高功率波动方面实时调整。与此同时，基于铅酸电池性价比的优势与循环寿命短的缺点，注重低频功率的科学调整，以此合理控制充放电操作，提高光伏-混合储能微电网功率支撑力的同时，增加锂电池容量。光伏-混合储能微电网系统层控制，依据*大功率点跟踪原理，利用光伏逆变器，实时跟踪系统运行状态，监测光伏出力情况等。

利用低通滤波器及时对HESS充放电功率进行滤波处理，这是铅酸电池储能处于低频分量阶段功率指令值获得的重要措施。选择一阶低通滤波器，及时对HESS充放电功率进行滤波，从而得到对应功率指令值。

通过上述步骤了解了铅酸电池处理控制流程变化，基于*大充放电功率条件，铅酸电池功率超过限值条件的情况下，所显示的状态便是充放电功率*大限制值。

3光伏-混合储能微电网经济性优势分析

3.1光伏-混合储能微电网HESS（混合储能系统）成本

为客观了解光伏-混合储能微电网的经济性，除对光伏-混合储能微电网协调控制之外，还需要对其HESS成本进行分析。结合光伏-混合储能微电网HESS成本组成，如投资成本、回收残值以及运行成本等客观分析其全寿命周期。着重研究其中投资与运行方面的成本，从经济性角度去分析HESS功率、容量方面的配置，此次研究并未涉及光伏-混合储能微电网回收残值。

根据光伏-混合储能微电网组成，得出结论：铅酸电池与锂电池混合储能，不仅缓解了光伏-混合储能微电网的储能压力，并且铅酸电池与锂电池储能系统单位容量投资成本减少，为系统维护提供方便。尤其是其中的储能变流器成本明显减少。加上光伏-混合储能微电网系统，对用户自发自用效率明显提高，微电网的运行成本减少，经济效益增加。加上光伏-混合储能微电网回收率提高，单位功率增加，电池充放电量及电量维护成本等均得到有效控制，如此光伏-混合储能微电网HESS成本降低，使用效益增加。

3.2光伏-混合储能微电网经济性优势模拟分析

为对光伏-混合储能微电网经济性进行验证，此次研究针对某园区当前正在运行的微电网，利用PSCAD软件对其运行进行仿真系统搭建。系统中的分布式光伏，其运行装机容量参数是260kW，变流器为DC/AC，公共连接点设置为PCC，测试系统拓扑详见图1。

以对比实验的方式，将混合储能运行系统对比单一储能运行系统，由此凸显混合储能运行系统经济性方面的优势。其一是单一锂电池储能模式下的运行，其二是混合储能模式，即铅酸电池-锂电池储能，其余参数均相同。仿真系统设计中，运行周期根据实际微电网系统情况与仿真对比分析需求，设定30s。此外环境温度保持25℃恒定状态，系统频率参数设定50Hz。选择MPPT对系统运行进行控制，并及时统计系统出力、负荷变化。

3.3光伏-混合储能微电网经济可行性验证

单一锂电池储能系统运行期间，功率平衡的支撑为锂电池储能，观察系统运行负荷变化可以发现，随着系统运行时间的增加，功率平衡性下降，系统运行无法长时间维持稳定状态。光伏-混合储能系统运行期间，系统功率支撑分别包括铅酸电池、锂电池，系统功率波动情况下锂电池会针对性对波动进行控制，同时铅酸电池随后相应，如此一来不仅锂电池功率状态稳定，铅酸电池保证储能后备，维护系统整体的安全与稳定。经过二者系统运行对比可以发现，光伏-混合储能微电网应用，不仅做到了对微电网功率进行动态分配，并且锂电池出力压力明显减小。对两种微电网储能仿真模拟配置成本进行整理，可以发现，单一锂电池储能模式下，虽然锂电池储能容量大，但是运行稳定性得不到保障，并且锂电池消耗成本比较高详见图2。光伏-混合储能微电网模式下，虽然锂电池容量不如单一锂电池储能模式，但是因为铅酸电池的加入，锂电池容量需求做出调整，并且锂电池使用寿命延长，消耗成本减少详见图3。

光伏-混合储能微电网的大力推广主要在于其经济性优势突出。特别是全寿命周期成本方面，对比单一锂电池微电网成本，光伏-混合储能微电网的成本投入更低，并且成本消耗可控性理想，全寿命周期结束后光伏-混合储能微电网具有高回收率。光伏-混合储能微电网系统运行过程中，储能变流器运行更稳定，单位功率投入成本低。系统适应性强，能够在复杂环境中安全运行，既可以缓解地区电能压力，又可以提高低碳发展水平。光伏-混合储能微电网运行期间，单位电量消耗以及运行维护成本更低，减轻经济欠发达地区在供电方面的经济压力。由此可以看出，光伏-混合储能微电网的经济性优势明显。

4安科瑞Acrel-2000ES储能能量管理系统解决方案

4.1概述

安科瑞Acrel-2000ES储能能量管理系统具有完善的储能监控与管理功能，涵盖了储能系统设备(PCS、BMS、电表、消防、空调等)的详细信息，实现了数据采集、数据处理、数据存储、数据查询与分析、可视化监控、报警管理、统计报表等功能。在应用上支持能量调度，具备计划曲线、削峰填谷、需量控制、备用电源等控制功能。系统对电池组性能进行实时监测及历史数据分析、根据分析结果采用智能化的分配策略对电池组进行充放电控制，优化了电池性能，提高电池寿命。系统支持Windows操作系统，数据库采用SQLServer。本系统既可以用于储能一体柜，也可以用于储能集装箱，是专门用于储能设备管理的一套软件系统平台。

4.2适用场合

系统可应用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。

工商业储能四大应用场景

1）工厂与商场：工厂与商场用电习惯明显，安装储能以进行削峰填谷、需量管理，能够降低用电成本，并充当后备电源应急；

2）光储充电站：光伏自发自用、供给电动车充电站能源，储能平抑大功率充电站对于电网的冲击；

3）微电网：微电网具备可并网或离网运行的灵活性，以工业园区微网、海岛微网、偏远地区微网为主，储能起到平衡发电供应与用电负荷的作用；

4）新型应用场景：工商业储能探索融合发展新场景，已出现在5G基站、换电重卡、港口岸电等众多应用场景。

4.3系统结构

4.4系统功能

4.4.1实时监测

微电网能量管理系统人机界面友好，应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中，各子系统回路电参量主要有：三相电流、三相电压、总有功功率、总无功功率、总功率因数、频率和正向有功电能累计值；状态参数主要有：开关状态、断路器故障脱扣告警等。

系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理，使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。

系统应可以对储能系统进行状态管理，能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警，并支持定期的电池维护。

微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电桩及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求，也可将充电，储能及光伏系统信息进行显示。

图2系统主界面

子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电桩信息、通讯状况及一些统计列表等。

光伏界面

图3光伏系统界面

本界面用来展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

储能界面

图4储能系统界面

本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。

图5储能系统PCS参数设置界面

本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置，包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。

图6储能系统BMS参数设置界面

本界面用来展示对BMS的参数进行设置，主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。

图7储能系统PCS电网侧数据界面

本界面用来展示对PCS电网侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。

图8储能系统PCS交流侧数据界面

本界面用来展示对PCS交流侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。

图9储能系统PCS直流侧数据界面

本界面用来展示对PCS直流侧数据，主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。

图10储能系统PCS状态界面

本界面用来展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。

图11储能电池状态界面

本界面用来展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。

图12储能电池簇运行数据界面

本界面用来展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的电压、温度值及所对应的位置。

风电界面

图13风电系统界面

本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

充电桩界面

图14充电桩界面

本界面用来展示对充电桩系统信息，主要包括充电桩用电总功率、交直流充电桩的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电桩的运行数据等。

视频监控界面

图15微电网视频监控界面

本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。

4.4.2发电预测

系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划，便于用户对该系统新能源发电的集中管控。

图16光伏预测界面

4.4.3策略配置

系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、有序充电、动态扩容等。

图17策略配置界面

4.4.4运行报表

应能查询各子系统、回路或设备规定时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能等。

图18运行报表

4.4.5实时报警

应具有实时报警功能，系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位，及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警，应能实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。

图19实时告警

4.4.6历史事件查询

应能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度（锂离子电池）、压力（液流电池）、光照、风速、气压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

图20历史事件查询

4.4.7电能质量监测

应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。

1）在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度和正序/负序/零序电流值；

2）谐波分析功能：系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电流含有率；

3）电压波动与闪变：系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值；应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线；应能显示电压偏差与频率偏差；

4）功率与电能计量：系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率；应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素；应能提供有功负荷曲线，包括日有功负荷曲线（折线型）和年有功负荷曲线（折线型）；

5）电压暂态监测：在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时，系统应能产生告警，事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员；系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。

6）电能质量数据统计：系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据，包括均值、95%概率值、方均根值。

7）事件记录查看功能：事件记录应包含事件名称、状态（动作或返回）、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。

图21微电网系统电能质量界面

4.4.8遥控功能

应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作，并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。

图22遥控功能

4.4.9曲线查询

应可在曲线查询界面，可以直接查看各电参量曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。

图23曲线查询

4.4.10统计报表

具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析；对系统运行的节能、收益等分析；具备对微电网供电可靠性分析，包括年停电时间、年停电次数等分析；具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。

图24统计报表

4.4.11网络拓扑图

系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。

图25微电网系统拓扑界面

本界面主要展示微电网系统拓扑，包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。

4.4.12通信管理

可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序，然后选择通信控制启动所有端口或某个端口，快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

图26通信管理

4.4.13用户权限管理

应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控操作，运行参数修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

图27用户权限

4.4.14故障录波

应可以在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条，每条录波可触发6段录波，每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形，总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形。

图28故障录波

4.4.15事故追忆

可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据，包括开关位置、保护动作状态、遥测量等，形成事故分析的数据基础。

用户可自定义事故追忆的启动事件，当每个事件发生时，存储事故前10个扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户规定和随意修改。

图29事故追忆

4.5系统硬件配置清单

序号	设备	型号	图片	说明
1	能量管理系统	Acre1-2000ES		内部设备的数据采集与监控，由通信管理机、工业平板电脑、串口服务器、遥信模块及相关通信辅件组成。 数据采集、上传及转发至服 务器及协同控制装置。 策略控制:计划曲线、需量控制、削峰填谷、备用电源等。
2	工业平板电脑	PPX133L		承接系统软件 2)可视化展示:显示系统运行信息
3	交流计量电表	DTSD1352		集成电力参数测量及电能计量及考核管理，提供上48月的各类电能数据统计:具有2~31次分次谐波与总谐波含量检测，带有开关量输入和开关量输出可实现“遜信”和“遥控”功能，并具备报警输出。带有RS485通信接口，可选用MODBUS-RTU或DL/T645协议。
4	直流计量电表	DJSF1352		表可测量直流系统中的电压、电流、功率以及正反向电能等； 具有红外通讯接口和RS-485通讯接口，同时支持Modbus-RTU协议和DLT645协议:可带维电器报警输出和开关量输入功能；
5	通信管理机	ANet-2E8S1		能够根据不同的采集规约进行水表、气表、电表、微机保护等设备终端的数据采集汇总； 提供规约转换、透明转发、数据加密压缩、数据转换、边缘计算等多项功能； 实时多任务并行处理数据采集和数据转发，可多链路上送平台据；
6	串口服务器	Aport		功能:转换“辅助系统”的状态数据，反馈到能量管理系统中 1)空调的开关，调温，及完全断电(二次开关实现) 2)上传配电柜各个空开信号 3)上传UPS内部电量信息等 4)接入电表、BSMU等设备
7	遥信模块	ARTU-K16		反馈各个设备状态，将相关数据到串口服务器； 读消防I/0信号，并转发给到上层(关机、事件上报等) 采集水浸传感器信息，并转发给到上层(水浸信号事件上报) 4)读取门禁程传感器信息，并转发给到上层(门禁事件上报)

5结论

综上所述，通过对光伏-混合储能微电网协调控制的研究以及经济性分析，对光伏-混合储能微电网有更清楚地认识。特别是对装置层与系统层的深入研究，认识到光伏-混合储能微电网运行优势。针对铅酸电池-锂电池混合储能结构，为系统稳定运行与协调控制提供参考。此外对光伏-混合储能微电网经济可行性优势进行仿真验证，借助单一锂电池微电网、铅酸电池-锂电池混合储能微电网对比，发现光伏-混合储能微电网运行更稳定，成本更低。

审核编辑 黄宇