浅谈光储充电站储能系统的应用及解决方案
张玲玲
安科瑞电气股份有限公司上海嘉定201801
摘要：针对储能系统单一运行模式难以满足光储充电站多类技术需求的问题，提出一种考虑多模式融合的光储充电站储能系统优化运行策略。首先，分析光储充电站储能系统典型运行模式，在此基础上进行储能系统多模式融合设计；其次，建立不同模式下光储充电站储能系统运行模型，进一步提出多模式融合的光储充电站储能系统优化运行策略；*后，基于上海某光储充电站24h运行曲线，对所提策略进行仿真与实验分析。结果表明：所提策略可降低光储充电站并网负荷波动和储能系统能量平衡用电成本，提升光储充电站运行效益。
关键词：光储充电站；储能系统；功率平滑；负荷整形；分时电价；多模式融合
0引言
随着电动汽车的快速发展，人们对充电基础设施规划与建设提出了更高要求。与此同时，在“碳达峰、碳中和”战略背景下，为应对化石能源枯竭和环境污染问题，提升可再生能源发展和利用水平、实现能源可持续发展成为世界各国的目标。光储充电站作为兼具新能源消纳、负荷波动平抑和延缓输电线路扩容功能的新型充电服务设施，近年来得到了广泛关注与研究。储能系统具备双向变功率的电能传输特性，是光储充电站中*灵活的能量控制单元，因此储能系统优化运行策略研究对提升光储充电站综合效益具有重要意义。
根据给定控制目标，结合功率平衡关系得到被控对象的功率控制信号，使其在运行时对该信号进行跟踪，可有效解决上述问题。采用低通滤波、移动平均滤波和高斯滤波等方法得到目标并网功率值，对光储系统进行并网功率平滑控制，提高了光伏发电系统的电能输出质量；提出一种电池储能参与电网削峰填谷的变功率控制策略，通过设定峰谷阈值进行并网负荷整形；结合分时电价确定储能系统充放电时刻，通过对储能进行“低储高放”赚取峰谷电价差，提升了储能电站运行的经济效益。综上，根据不同控制目标，储能系统主要运行模式可分为并网功率平滑、并网负荷整形和分时电价套利等。实际应用中，光储充电站储能系统的优化运行往往不能简单从电网侧功率调节或负荷侧经济运行等单一方面考虑。
针对上述问题，本文提出一种考虑多模式融合的光储充电站储能系统优化运行策略。通过对光储充电站储能系统功率平滑、负荷整形和分时电价3种运行模式进行融合设计，建立光储充电站储能系统优化控制模型，得到兼具多种技术优势的储能系统优化运行策略，并结合上海某光储充电站运行数据进行仿真与实验分析，验证所提运行策略的有效性。
1光储充电站结构及运行模式
设计的光储充电站结构如图1所示，相比于传统电动汽车充电站结构，光储充电站中配置有光伏电池组和储能电池组。其中，光伏电池组经DC/AC变换器连接至交流母线，作为光储充电站的重要电力来源；储能电池组通过DC/AC变换器与交流母线相连，用于平抑交流母线不平衡功率；能量管理系统通过监测各能量单元的功率信息对各时刻光伏电池组、储能电池组和电网的功率进行调控，以满足充电负荷需求。
考虑*大化新能源消纳，光伏逆变器采用*大功率点跟踪控制模式[19]，任意时刻t的光伏出力可视为不可控量，与电动汽车充电负荷叠加为光储充电站的等效负荷，即
式中：为等效负荷；为电动汽车充电负荷；为光伏出力；为交流充电负荷；为直流充电负荷。
由式（3）可知，通过改变各时刻储能系统充放电功率，可优化电网与光储充电站间的功率传输。从电网运行和光储充电站运营的角度出发，光储充电站主要存在以下几种运行模式。
1）功率平滑模式。
功率平滑模式主要从电网运行角度优化光储充电站并网负荷变化率，其具体方式是利用储能系统双向变功率输出特性，通过调节各时刻储能系统充放电状态及其功率大小，缓冲光伏发电与电动汽车充电负荷的功率骤变，使光储充电站并网负荷曲线趋于平滑，减小充电负荷对配电网的冲击。
2）负荷整形模式。
负荷整形模式主要从电网运行角度优化光储充电站并网负荷变化范围，其具体方式是使储能系统在等效负荷低于设定功率下限时充电，高于设定功率上限时放电，保证光储充电站并网负荷稳定在合理的上下限之间，延缓输电线路扩容。
3）分时电价模式。
分时电价模式主要从光储充电站运营角度对储能系统充放电时段进行优化调整，其具体方式是利用储能系统在谷电价时段充电、峰电价时段放电，以获取峰谷差价利润，提高光储充电站运行经济性。
以上3种运行模式均能从不同角度实现光储充电站运行优化。如功率平滑模式和负荷整形模式分别从并网负荷变化率和变化范围2个方面进行了优化，改善了光储充电站并网负荷功率质量；分时电价模式则利用峰谷电价差降低了光储充电站购电成本，提高运行经济性。然而，光储充电站实际运行过程中需要兼顾电网侧运行的技术性指标和充电站经济性指标[6]，因此须对以上3种运行模式进行融合设计。
2多模式融合的光储充电站储能系统优化运行策略
2.1多模式融合设计
功率平滑模式和负荷整形模式的主要控制目标均为光储充电站并网负荷功率，是不同技术指标下2种并网负荷功率调节手段，具有较好的兼容性，可在完成功率平滑控制目标的基础上，同时实现负荷整形控制要求。分时电价模式的储能系统充放电功率则主要取决于峰谷电价时段，与实际并网负荷功率的变化情况可能存在一定偏差，即峰电价时段不一定为实际负荷峰值时段，谷电价时段不一定为实际负荷谷值时段。因此，若简单将3种运行模式叠加，可能导致并网负荷功率“峰上加峰”的情况，不利于光储充电站安全稳定运行。此外，考虑工作周期内储能系统参与并网负荷功率调节的充电量和放电量通常不相等，若不采取措施对储能系统进行能量平衡，将难以保证储能系统长时间持续运行。
为解决上述问题，提出一种多模式融合的储能系统优化运行策略，主要思路如下。
1）根据各时刻光伏出力和充电负荷数据，得到各时刻光储充电站原始并网负荷功率，即各时刻等效负荷功率，构成等效负荷功率序列。
2）对等效负荷功率序列进行功率平滑处理，得到功率平滑处理后的并网负荷功率序列，在此基础上对所得序列进行负荷整形处理，进一步得到负荷整形处理后的并网负荷功率序列。
3）计算负荷整形处理后的并网负荷功率序列与等效负荷功率序列之间的能量差，基于“低储高放”的分时电价模式，对上述能量差进行平衡。因此，光储充电站多模式融合运行目标主要由2个部分构成。从并网功率优化角度，对功率平滑模式和负荷整形模式进行融合，实现光储充电站并网负荷曲线的优化调节；结合光储充电站经济运行要求，利用分时电价模式进一步解决融合运行带来的储能系统能量不平衡问题。
3仿真分析
3.1数据来源
选取图3所示上海某光储充电站24h运行曲线进行仿真分析。该光储充电站具体配置参数如
表2所示，其功率采样时间间隔Δt=1min。
3.2仿真结果与分析
3.2.1仿真结果
设定滑动系数N=15，并网负荷上、下限分别为变压器额定功率的75%和1%，可得到光储充电站储能系统待平衡能量为−7.65kW·h，即能量平衡前储能系统24h放电量比充电量多7.65kW·h，因此须增大储能系统充电量。根据上海市*新分时电价政策，08:00—11:00、18:00—21:00为峰时段；06:00—08:00、11:00—18:00、21:00—22:00为平时段；22:00至次日06:00为谷时段。结合图3可知，光储充电站在00:00—06:00负荷较低，且处于谷电价时段，宜在此阶段增大储能系统充电功率，进行储能系统能量平衡。因此，设定00:00—06:00为能量平衡时段，即T1=00:00，T2=06:00。基于以上设定，可得到所提策略下储能系统充放电功率曲线及SOC变化曲线，如图4所示。
基于上述储能系统优化运行方案，可得到储能工作前后光储充电站并网负荷曲线对比，如图5所示。其中，储能工作前曲线为光储充电站原始并网负荷曲线（即光储充电站等效负荷曲线），储能工作后曲线为所提策略下光储充电站并网负荷曲线。由图5可知，所提策略可有效实现并网点功率平滑和负荷整形，降低光储充电站并网点功率变化率和变化范围，减小光充电站负荷波动对电网造成的冲击。
4 Acrel-2000MG充电站微电网能量管理系统
4.1平台概述
Acrel-2000MG微电网能量管理系统，是我司根据新型电力系统下微电网监控系统与微电网能量管理系统的要求，总结国内外的研究和生产的先进经验，专门研制出的企业微电网能量管理系统。本系统满足光伏系统、风力发电、储能系统以及充电站的接入，*进行数据采集分析，直接监视光伏、风能、储能系统、充电站运行状态及健康状况，是一个集监控系统、能量管理为一体的管理系统。该系统在安全稳定的基础上以经济优化运行为目标，促进可再生能源应用，提高电网运行稳定性、补偿负荷波动；有效实现用户侧的需求管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷，提高电力设备运行效率、降低供电成本。为企业微电网能量管理提供安全、可靠、经济运行提供了全新的解决方案。
微电网能量管理系统应采用分层分布式结构，整个能量管理系统在物理上分为三个层：设备层、网络通信层和站控层。站级通信网络采用标准以太网及TCP/IP通信协议，物理媒介可以为光纤、网线、屏蔽双绞线等。系统支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。
4.2平台适用场合
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。
4.3系统架构
本平台采用分层分布式结构进行设计，即站控层、网络层和设备层，详细拓扑结构如下：
图1典型微电网能量管理系统组网方式
5充电站微电网能量管理系统解决方案
5.1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，实时监测光伏、风电、储能、充电站等各回路电压、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：相电压、线电压、三相电流、有功/无功功率、视在功率、功率因数、频率、有功/无功电度、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、充电站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1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、充电站信息、通讯状况及一些统计列表等。
5.1.1光伏界面
图2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。
5.1.2储能界面
图3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4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5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。
6结束语
本文针对光储充电站储能系统优化运行问题进行了研究，对功率平滑、负荷整形和分时电价3种运行模式进行了融合设计，得出以下结论。
1）所提策略可使光储充电站负荷波动率降低为原来的22.4%，同时将光储充电站负荷变化范围限制于变压器额定功率的1%~75%，能够从负荷波动率和波动范围2个方面改善光储充电站并网负荷曲线，降低光储充电站负荷波动对电网电能质量造成的不利影响，延长变压器运行寿命。
2）所提策略下光储充电站储能系统24h充放电量相等，能够克服因并网功率调节导致的储能系统充放电量失衡问题，提升储能系统运行可靠性。
3）所提策略利用谷电价时段对储能系统进能量平衡，总购电成本相比原始状态降低了0.69%，同时还可兼顾实现并网功率平滑、并网负荷整形、储能系统能量平衡等技术效果，能够提升光储充电站的综合运行性能。
4）实验表明，所提策略下储能系统实际交流侧功率能够较好地跟踪其功率给定值，具备可行性。本研究将储能系统视为整体，与光储充电站中其他能量单元进行功率的优化分配。事实上，随着电池储能系统寿命周期的不断增长，其内部各储能单元将呈现出一定的个体差异性，因此基于论文所提策略框架下的储能系统内部功率分配问题将是下一步研究重点。
【参考文献】
【1】蔡海青，代伟,赵静怡,等.基于多参数规划的电动汽车充电站有效容量评估方法[J].中国电力,2022,55(11):175–183.
【2】毕悦，方思瑞，于舒祺.含光伏并网的弱交流系统低频振荡协调控制策略[J].电力科学与技术学报,2021,36(4):59–65
【3】时珊珊，魏新迟，张宇，王育飞，方陈，王皓靖.考虑多模式融合的光储充电站储能系统优化运行策略.
【4】安科瑞高校综合能效解决方案2022.5版.
【5】安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.05版.
