任運業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：隨著“雙碳"目標的提出，光伏發(fā)電已經成為了新能源發(fā)電領域重要的發(fā)電方式之一。本文提出了火力發(fā)電廠光儲充一體化發(fā)電系統設計方案，對光儲充系統設計過程進行了分析闡述，在查閱相關文獻資料后，設計了可靠、合理的方案，對火力發(fā)電廠發(fā)展光儲充一體化具有參考意義。

關鍵詞：分布式；光儲充；火電廠；光伏+

0 引言

“光伏+"應用場景雖然已經在我國已遍地開花，但“光伏+"是一種以光伏為主，附加其他能源為輔的新型清潔能源。特別是“光伏+儲能+充電樁"的模式，既能滿足清潔能源發(fā)電的特點，也能滿足利用儲能達到削峰填谷的作用，還能給新能源汽車（負荷）即發(fā)即用，越來越收到大眾的廣泛接受。因此，分析光儲存初步設計，對節(jié)能減排，助力碳中和碳達峰，是一件非常有意義的事情。

1項目概況

某火力發(fā)電廠光儲充一體化項目位于廣東省內，項目由73.5kW光伏發(fā)電系統、100kWh儲能系統、2臺直流充電系統以及后臺監(jiān)控系統組成。

白天，光伏組件的硅電池在陽光的照射下，利用硅半導體的光生伏打效應將光能轉化為電能，通過單塊組件的串聯把電壓升高到逆變器的額定電壓，再通過并聯將電流匯流，使得光伏發(fā)電直流側電壓和電流達到光伏發(fā)電系統輸入額定電壓、電流轉為交流側的要求。儲能系統分為直流側儲能和交流側儲能，目前應用較廣的是交流側儲能，它們之間的唯*區(qū)別是儲能變流器（PCS）放置直流側還是交流側。光伏控制器控制光伏發(fā)電量，類似于水龍頭的閥門一樣。因此，蓄電池能夠充多少電，能不能穩(wěn)定地充電與充放電控*器有關系。儲能控*器和電池系統、發(fā)電系統一起將光能轉化為電能儲存起來，使得電能能夠在合適的時機充分被利用。

晚上，電力不夠用時，儲能系統將發(fā)揮作用，通過PCS將蓄電池的電釋放出來給負荷使用。在整個儲能系統的充放電中，由能源管理系統（EMS）控制，EMS根據負荷的用電情況，控制著蓄電池釋放電量的多少和時間段?？梢钥闯?，光伏控*器和EMS是整個光儲存系統的兩大核心控制裝置系統。此外，為了以防設備被雷擊等過電壓損壞設備，造成*員和設備的損失，在整個系統中需要設計完備的過電壓保護和過負荷等保護，以此來保護整個系統的安全運行。

2光儲充一體化系統設計過程和思路

本項目的光伏組件安裝在發(fā)電廠內的汽車車棚頂，光伏所發(fā)的電優(yōu)先給電動汽車充電，用不完的電量利用蓄電池儲存起來，并入到廠用電低壓柜380V母線

3光伏發(fā)電系統設計

光伏組件是太陽能光伏發(fā)電系統*核心部件，在整個光伏發(fā)電系統生命周期中，光伏組件的發(fā)電效率和造價成本是我們選擇光伏組件要考慮的兩個首要因素。目前，應用于商業(yè)性質的太陽能光伏組件主要有太陽能晶硅電池、薄膜太陽能電池。

薄膜電池由于轉化效率低，功率衰減相對較快，僅適用于小批量示范項目；晶體硅電池轉化效率高、產量大、性能穩(wěn)定、使用壽命長、技術成熟、應用范圍廣、并網電站用量多，適合在分布式光伏電站中應用。綜合價*、規(guī)模、轉化效率等因素，在火力發(fā)電廠光儲充一體化發(fā)電項目中分別選擇發(fā)電效率高、制造技術成熟單晶硅太陽能組件；弱光性能好的、碲化鎘太陽能電池組件、銅銦硒太陽能組件組件。

4充電樁系統設計

目前市場處比較常見的充電樁有交流充電樁和直流充電樁，功率有60kW、120kW、240kW等，也有單槍和雙槍設置，它們的電氣參數表1。結合本項目的情況，選擇2臺120kWh直流充電樁。

5儲能系統設計

儲能系統是電網“發(fā)-輸-變-配-用"環(huán)節(jié)的重要組成部分，是能源互聯網和智慧能源的必bu可少的組成部分，整個系統包括發(fā)電部分、充電控制部分和交流逆變三個部分。

5.1蓄電池的選擇

目前我國電力市場中儲能的方式有很多種，其中形成規(guī)?；瘧玫膬δ芊绞街饕腥N，分別是鉛酸電池儲能、鋁電池儲能和液流電池儲能。儲能對于用戶來說，通常有2個指標需要考慮。首先要求電池要有很大的瞬時能源，即要求滿足短時間內輸出較大的功率來滿足負荷的瞬時波動；其次要求有較高的安全性能，需要滿足大電流、寬電壓、高溫度的生產環(huán)境，不能釋放有毒的物質，更不能產生爆*；*后要有較長的壽命周期，即要滿足較高的循環(huán)次數。相對于其他的儲能方式，鋰電池由于具備了以上較多的優(yōu)點，它的放電深*DOD在100%的條件下也能達到循環(huán)次數7500，目前是儲能領域首*性價比*高的儲能方式。根據火力發(fā)電廠重要負荷月平均用電量4000kWh計算，日平均用電量=4000kWh/m÷30d=133kWh/d，因此滿足1d用電量存儲的蓄電池，可以采用120節(jié)12V100AH的蓄電池，為了保證絕*的電量供應不間斷，對于電廠通信保護這樣的重要負荷，一般至少要考慮按照5個白天的電量存儲，那么需要300節(jié)蓄電池。

5.2電氣系統的設計

光儲充一體化充電設施低壓母線設置于戶外匯流箱內，低壓母線采用一進四出的接線形式，自上級配電房取電，為監(jiān)控攝*頭、充電樁、光儲并網系統提供電能，電氣主接線方案見圖1。光儲并網逆變器保護測控回路、充電樁保護測控回路、監(jiān)控攝*頭信號回路等二次回路接入上級配電房監(jiān)控系統總線，實現上級配電房對一體化充電設施的實時監(jiān)控。

6監(jiān)控系統的設計

光儲充監(jiān)控系統能源管理系統運行方式有并網運行方式、離網運行方式和并網和離網切換運行方式三類。*一種是并網運行方式，這種方式是光伏發(fā)電直接電網市電直接連

接。儲能系統對光伏發(fā)電的波動電壓、功率和頻率進行平衡，使其達到合適的范圍。*二種是離網運行方式。儲能系統協同主電源工作，在能源關系系統的統一協調和控制下，對負荷和發(fā)電量進行調節(jié)控制，當光伏發(fā)電量大于負荷用電時，將光伏發(fā)電多余的電量儲存起來，提高了能源的利用效率。*三種是分時段并網與離網切換運行的方式。EMS利用低谷時段和高峰用電時段，將并網和離網運行方式相互轉換，實現系統的穩(wěn)定*優(yōu)運行，實現用戶的節(jié)約能源。

7 Acrel-2000MG微電網能源管理系統概述

7.1概述

Acrel-2000MG微電網能源管理系統，是我司根據新型電力系統下微電網監(jiān)控系統與微電網能源管理系統的要求，總結國內外的研究和生產的經驗，專門研制出的企業(yè)微電網能源管理系統。本系統滿足光伏系統、風力發(fā)電、儲能系統以及充電樁的接入，全天候進行數據采集分析，直接監(jiān)視光伏、風能、儲能系統、充電樁運行狀態(tài)及健康狀況，是一個集監(jiān)控系統、能源管理為一體的管理系統。該系統在安全穩(wěn)定的基礎上以經濟優(yōu)化運行為目標，提升可再生能源應用，提高電網運行穩(wěn)定性、補償負荷波動；有效實現用戶側的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為企業(yè)微電網能源管理提供安全、可靠、經濟運行提供了全新的解決方案。

微電網能源管理系統應采用分層分布式結構，整個能源管理系統在物理上分為三個層：設備層、網絡通信層和站控層。站級通信網絡采用標準以太網及TCP/IP通信協議，物理媒介可以為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規(guī)約。

7.2技術標準

本方案遵循的標準有：

本技術規(guī)范書提供的設備應滿足以下規(guī)定、法規(guī)和行業(yè)標準：

GB/T26802.1-2011工業(yè)控制計算機系統通用規(guī)范*1部分：通用要求

GB/T26806.2-2011工業(yè)控制計算機系統工業(yè)控制計算機基本平臺*2部分：性能評定方法

GB/T26802.5-2011工業(yè)控制計算機系統通用規(guī)范*5部分：場地安全要求

GB/T26802.6-2011工業(yè)控制計算機系統通用規(guī)范*6部分：驗收大綱

GB/T2887-2011計算機場地通用規(guī)范

GB/T20270-2006信息安全技術網絡基礎安全技術要求

GB50174-2018電子信息系統機房設計規(guī)范

DL/T634.5101遠動設備及系統*5-101部分:傳輸規(guī)約基本遠動任務配套標準

DL/T634.5104遠動設備及系統*5-104部分:傳輸規(guī)約采用標準傳輸協議子集的IEC60870-5-網絡訪問101

GB/T33589-2017微電網接入電力系統技術規(guī)定

GB/T36274-2018微電網能源管理系統技術規(guī)范

GB/T51341-2018微電網工程設計標準

GB/T36270-2018微電網監(jiān)控系統技術規(guī)范

DL/T1864-2018型微電網監(jiān)控系統技術規(guī)范

T/CEC182-2018微電網并網調度運行規(guī)范

T/CEC150-2018低壓微電網并網一體化裝置技術規(guī)范

T/CEC151-2018并網型交直流混合微電網運行與控制技術規(guī)范

T/CEC152-2018并網型微電網需求響應技術要求

T/CEC153-2018并網型微電網負荷管理技術導則

T/CEC182-2018微電網并網調度運行規(guī)范

T/CEC5005-2018微電網工程設計規(guī)范

NB/T10148-2019微電網*1部分：微電網規(guī)劃設計導則

NB/T10149-2019微電網*2部分：微電網運行導則

7.3適用場合

系統可應用于城市、高速公路、工業(yè)園區(qū)、工商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、智能建筑、海島、無電地區(qū)可再生能源系統監(jiān)控和能源管理需求。

7.4型號說明

8系統配置

8.1系統架構

本平臺采用分層分布式結構進行設計，即站控層、網絡層和設備層，詳細拓撲結構如下：

圖1典型微電網能源管理系統組網方式

9系統功能

9.1實時監(jiān)測

微電網能源管理系統人機界面友好，應能夠以系統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態(tài)監(jiān)視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態(tài)及有關故障、告警等信號。其中，各子系統回路電參量主要有：三相電流、三相電壓、總有功功率、總無功功率、總功率因數、頻率和正向有功電能累計值；狀態(tài)參數主要有：開關狀態(tài)、斷路器故障脫扣告警等。

系統應可以對分布式電源、儲能系統進行發(fā)電管理，使管理人員實時掌握發(fā)電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態(tài)及發(fā)電單元與儲能單元運行功率設置等。

系統應可以對儲能系統進行狀態(tài)管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態(tài)進行及時告警，并支持定期的電池維護。

微電網能源管理系統的監(jiān)控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電樁及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節(jié)能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統信息進行顯示。

圖2系統主界面

子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電樁信息、通訊狀況及一些統計列表等。

9.1.1光伏界面

圖3光伏系統界面

本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態(tài)監(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統計及分析、并網柜電力監(jiān)測及發(fā)電量統計、電站發(fā)電量年有效利用小時數統計、發(fā)電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

9.1.2儲能界面

圖4儲能系統界面

本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖5儲能系統PCS參數設置界面

本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖6儲能系統BMS參數設置界面

本界面用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖7儲能系統PCS電網側數據界面

本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖8儲能系統PCS交流側數據界面

本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。

圖9儲能系統PCS直流側數據界面

本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。

圖10儲能系統PCS狀態(tài)界面

本界面用來展示對PCS狀態(tài)信息，主要包括通訊狀態(tài)、運行狀態(tài)、STS運行狀態(tài)及STS故障告警等。

圖11儲能電池狀態(tài)界面

本界面用來展示對BMS狀態(tài)信息，主要包括儲能電池的運行狀態(tài)、系統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。

圖12儲能電池簇運行數據界面

本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的*大、*小電壓、溫度值及所對應的位置。

9.1.3風電界面

圖13風電系統界面

本界面用來展示對風電系統信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態(tài)監(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統計及分析、電站發(fā)電量年有效利用小時數統計、發(fā)電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

9.1.4充電樁界面

圖14充電樁界面

本界面用來展示對充電樁系統信息，主要包括充電樁用電總功率、交直流充電樁的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電樁的運行數據等。

9.1.5視頻監(jiān)控界面

圖15微電網視頻監(jiān)控界面

本界面主要展示系統所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。

9.2發(fā)電預測

系統應可以通過歷史發(fā)電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發(fā)電進行短期、超短期發(fā)電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發(fā)電計劃，便于用戶對該系統新能源發(fā)電的集中管控。

圖16光伏預測界面

9.3策略配置

系統應可以根據發(fā)電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、有序充電、動態(tài)擴容等。

圖17策略配置界面

9.4運行報表

應能查詢各子系統、回路或設備指ding時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能等。

圖18運行報表

9.5實時報警

應具有實時報警功能，系統能夠對各子系統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發(fā)出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。

圖19實時告警

9.6歷史事件查詢

應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

圖20歷史事件查詢

9.7電能質量監(jiān)測

應可以對整個微電網系統的電能質量包括穩(wěn)態(tài)狀態(tài)和暫態(tài)狀態(tài)進行持續(xù)監(jiān)測，使管理人員實時掌握供電系統電能質量情況，以便及時發(fā)現和消除供電不穩(wěn)定因素。

1）在供電系統主界面上應能實時顯示各電能質量監(jiān)測點的監(jiān)測裝置通信狀態(tài)、各監(jiān)測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度百fen百和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度百fen百和正序/負序/零序電流值；

2）諧波分析功能：系統應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；

3）電壓波動與閃變：系統應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與頻率偏差；

4）功率與電能計量：系統應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；

5）電壓暫態(tài)監(jiān)測：在電能質量暫態(tài)事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發(fā)生時，系統應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統應能查看相應暫態(tài)事件發(fā)生前后的波形。

6）電能質量數據統計：系統應能顯示1min統計整2h存儲的統計數據，包括均值、*大值、*小值、95%概率值、方均根值。

7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態(tài)（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續(xù)時間、事件發(fā)生的時間。

圖21微電網系統電能質量界面

9.8遙控功能

應可以對整個微電網系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統維護人員可以通過管理系統的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執(zhí)行的操作順序，可以及時執(zhí)行調度系統或站內相應的操作命令。

圖22遙控功能

9.9曲線查詢

應可在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

圖23曲線查詢

9.10統計報表

具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節(jié)點的用電情況，即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與外部系統間電能源交換進行統計分析；對系統運行的節(jié)能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。

圖24統計報表

9.11網絡拓撲圖

系統支持實時監(jiān)視接入系統的各設備的通信狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態(tài)，發(fā)生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖25微電網系統拓撲界面

本界面主要展示微電網系統拓撲，包括系統的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

9.12通信管理

可以對整個微電網系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監(jiān)測。系統維護人員可以通過管理系統的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規(guī)約。

圖26通信管理

9.13用戶權限管理

應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

圖27用戶權限

9.14故障錄波

應可以在系統發(fā)生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發(fā)6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。

圖28故障錄波

9.15事故追憶

可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態(tài)、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。

用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發(fā)生時，存儲事故qian10個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數據。啟動事件和監(jiān)視的數據點可由用戶指ding和隨意修改。

圖29事故追憶

10結束語

火力發(fā)電廠消耗大量的化石能源，也產生較大的污染，建設太陽能光儲充一體化直流系統，對火力發(fā)電廠節(jié)約能源具有非常重要的意義。通過光伏建筑一體化把火電廠應用場景與光儲充相結合來產生電能，滿足火電廠重要的廠用電負荷用電，既節(jié)約了火力發(fā)電廠的燃煤消耗，也讓多余的電能能夠充分地得到利用。作兩種方式，相較于其他控制方法，獲得更好的準確性、效率性和可靠性。為電源管理的研究提供一些積*的理論建議，供業(yè)界人士參考。

配電房監(jiān)控系統總線配電房低壓母線

光儲并網逆變器

低壓母線

戶外匯流箱

監(jiān)控攝*頭

圖1電氣主接線方案示意圖

參考文獻

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作者簡介

任運業(yè)，男，現任職與安科瑞電氣股份有限公司。