浅谈风光发电系统中的储能管理
武陈燕
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定201801
摘要:随着我国经济的快速发展，人们对于能源的消费需求也越来越大,在电力系统中，风光发电成为了一种重要且必不可少的形式。由于风能资源丰富、环境适应性强等特点以及可再生和清洁性高的优势被广泛应用到世界范围内。本文主要研究大规模储能管理策略下蓄电池组充放电过程中能量存储及功率跟踪问题；分析风力发电机并网时对电网的影响来确定最充放电技术；利用风光发电系统自身特性，在大型电力系统中应用合适的储能方式
关键词:发电系统；能源；储能技术
0引言
随着世界经济的飞速发展，能源需求量与日俱增，同时对环境也造成了一定程度上地压力。在我国可再生能源资源非常丰富、分布广泛且十分分散。因此如何高效利用风能是能源开发和发电技术研究领域关注的重点之一；风电作为一种清洁环保型电力系统已经成为当今社会不可缺少电源形式；风能发电具有取之不竭以及无污染等特点使得其在电能供应中占据重要地位，同时风力发电易受气候影响的特点导致电能输出不稳定对电网系统具有一定的冲击性，而储能管理策略则可以有效地解决这些问题并使之得到更好地利用价值。能源是人类赖以生存的物质基础，在当前人们生活当中，化石燃料作为主要的能量来源。而随着社会经济和科学技术水平不断进步以及对环保意识增强等因素影响下使得可利用资源变得越来越少。因此我们国家大力发展清洁能源产业来满足日益增长的能源需求。
1风光储发电系统运行特性分析
1.1风光储发电系统结构特点
风光储发电系统的主要组成部分是风力发电机组、光伏组件和蓄电池，其能量转化效率高，并且可以根据用户要求调节。在风光储发电系统中风力发电机组是最重要的部分。风速与光照强度呈反比关系，光伏阵列在整个电力网络中起着至关重要作用，光伏组件接受太阳光的辐射产生大量电能来对风能进行互补；蓄电池组也就是大规模风光储发电调节装置，其能量转化效率高、体积化小。风光储发电系统的工作原理是通过对外部风电场和太阳能
能量进行吸收，从而产生电能，实现电力资源在有限时间内限度地满足用户需求。
1.2风光储发电系统负荷预测
在风光储发电系统中，其负荷预测的方法主要包括随机建模法。这种算法能够从不同方面来对风电场进行分类模拟。例如风速、风向等气象因素和风力发电机组以及其他相关影响因素；还有就是通过随机变化模型可以得到相应的风速与风向之间关系曲线图，并以此为基础建立大规模风电机组运行时负荷数学模型与发电机特性曲线图，进而实现了在实际中运用该系统预测方法的可行性及准确性。风光发电系统的负荷预测是在对风电场进行风速和辐度分析后，通过建立相应模型，利用该模型来计算出功率点下的有功功率。其中包括了风力发电机、太阳能光伏方阵等。风电机组包括恒压恒频风力发电机组以及变速变桨距发电机组两种；风电机组主要由风能发电机及其控制器组成；风光储发电系统中逆流器和升压变压
器构成逆流电路并网运行。
1.3风光储发电系统出力
风光储发电系统的容量一般为几千瓦到几百兆瓦，其发电量与季节性因素有关，不同季节、昼夜交替等多种原因导致这些能源都具有随机性和间歇式特性。风光发电系统的功率波动是影响风力发电机组输出电能质量、电力资源利用率和电网经济运行以及社会效益等重要因素，其对风电机组的工作效率有着直接而明显地影响。所以在大规模光伏并网发电系统中应用储能管理策略具有极其重大意义。建立风速、辐照度与负荷之间关系模型。通过计算得出风光电源出力下的有功功率曲线图，结合实际情况选择合适蓄电池容量来提高风力发电机组输出电能质量和电网经济运行效益。
2大规模风电系统中储能管理存在的问题
2.1储放容量有限
在实际情况下通常采用双馈风力发电机组来进行供电；如果风电机组需要长期不间断工作会导致系统出现故障的概率增大而影响电网运行安全。在电力系统中，风力发电的容量一般都比较小，而且，由于风能资源是非常有限的。因此当大规模风光电源出现时就会造成很大一部分电网断网。因为风电机组没有固定储放点和蓄电池容量不高导致了其存储能力不足；并且随着时间推移风速不断下降、频率越来越大以及温度也在逐渐升高等这些因素使得风力发电系统中的容量衰减速度加快，从而影响到整个电力系统运行安全问题。
2.2设备寿命短
在电力系统中，风力发电设备的寿命是指风机、发电机组以及其它辅助装置等所耗电和维护用。其中机组成本主要包括叶片材料消耗及机械损耗(叶轮、发电机转子)磨损。风能转换效率低，风力涡轮发电机技术不成熟存在较大缺陷，调度管理水平不高且运行方式单一等因素都会影响到系统的发电能力与可靠性问题，因此在对风光电源进行设计时一定要考虑设备寿命和机组经济性之间的关系。所以风力发电技术发展迅速。在大规模能源使用过程中对设备的寿命要求也越来越高。但是由于现在大部分风光互补发电站并没有安装兆瓦级功率转换装置和低电压穿越能力强、体积大、重量轻等优点来替代昂贵而又价格高昂设施建设费用以及环境污染问题严重制约了小型风电系统的快速推广应用，因此我国目前还不能完全满足大型电力系统对于风力发电技术更高标准更完善的需求。
2.3风能利用率低等缺点
我国大部分风光发电系统中都没有对风力发电机组进行设计，在开发过程中会出现很多问题，例如:风机叶片材料选用不当。目前大多数小型风力发电机都是采用了硅钢片材质制成。但是由于其制造工艺不够完善、加工工序复杂等原因导致它很难得到大规模应用。由于风能资源和太阳能资源分布不协调，使得风力发电系统中所使用到的太阳能利用效率也比较低下。我国目前在开发和应用大规模风光能源时大多数都采用了分散模式。这种方式不仅仅能够有效地提高光伏发电量、降低成本还可以减少对当地生态环境造成巨大破坏；而且它是一个较为复杂且技术相对缺乏的工程设计过程。
3.大规模风光发电系统的储能管理策略
大规模风电并网运行是一个非常复杂的过程，由于风力发电和其他电力能源相互影响，因此需要大量的电源来保证其连续稳定高效地工作。目前常用到的是分布式储能系统。
3.1采用恒压变流器
在大容量发电机出现故障或负载过大时可以提供足够时间维持发电机组持续供电；当大容量机组停止运行后可通过控制逆止器将备用机组从电网获得部分低峰电能向负荷提供给用户，同时也不会影响其他电源的正常供应。在风光发电系统中，风能和太阳能光伏是主要的两种能源。风力发电技术可以将其转化为电能，而太阳电池则是直接转换成化学电源。但是由于风光电网并网困难且容量有限、能量的不稳定及风速变化比较大等原因使得风电机组输出功率并不高而且波动大；所以目前世界上大部分国家都把开发大规模风光互补供电系统作为提高和改善电力市场运行质量的重要手段之一来解决发电负荷高峰期间存在峰值电压过低问题。
3.2降低风电装机容量
风电是清洁能源，可以实现无污染，可再生能源的充分利用。而大规模风光发电并网运行时容易出现电网中断问题。在风力发电机组发电量大于系统装机容量时就需要进行调流器操作；当风速超过一定值时会自动关闭发电机继续向负载供电或直接并入交变频器等设备来满足用电需求；同时也会导致电力输送线路断线、电压波动和功率因数降低等一系列严重后果，因此风电场必须根据负荷变化及时调整其出力状态以保证电网的安全运行。风力发电的随机性和间歇性能，决定了风电在大规模地区运行时，必须保证电网安全稳定。首先应合理规划与设计风电场的容量。对风速小于或等于5m/s、大于25kW及以上负荷和多余无备用机组进行调度安排；其次是要使系统具有良好经济效益并考虑到成本问题等因素来减少不必要的损失以及降低风力发电工程中风电比例所占比重，从而提高了电网安全运行水平，达到节能减排效果。
3.3提高风力发电技术水平
在开发和使用大型风机时，应该尽量选择经济性较高、运行稳定可靠的发电机组。风力发电技术的研发和应用是一项长期而艰巨且艰难地任务，需要政府、企业以及科研机构等多方主体共同努力。首先，政府应加大对风电开发补贴力度。通过税收政策来鼓励风电场进行规模化建设；其次是企业要积极引进新能源与可再生能源并驾齐驱力发展新产业；最后则应该加强对于风力发电机组的研究及研发工作和技术水平上的提高与进步从而使其性能得到进一步提升，为我国未来大规模风光发电项目的开展奠定基础。风力发电是利用风能，在风速较高的地区，将其转换为电能。由于风光电网技术不完善、设备落后等因素制约和限制了风力发电系统发展。目前我国使用最多的是兆瓦级风电(MW)作为备用电源进行供电；而随着国家对环境保护政策力度增大以及能源危机愈加严重、环境污染问题日益突出以及可再生能源开发利用率低，兆瓦级的风能已经难以满足需求了，因此需要增加新技术来提高其转换效率及输出功率大小。
3.4建立合理有效地储存装置
对大容量机组采用集中存储方式进行控制，大规模风光发电系统的储能方式有多种，而其存储装置也是多种多样。在实际中，可以选择适当的储存方法。例如:风电、光伏和潮汐能等可再生能源作为主要能源进行供电；太阳能、风机或生物电池等作为辅助能源加以使用以及风力发电和光电产业所具有巨大潜力发展前景；小型水库及蓄电站建设中需要大量资金投入用于发电设备设施维护与管理上等等这些都有广泛地应用空间。在大规模风光发电系统中，风力发电机组是一个关键的组成部分，它主要承担着风电机组自身所需功率输出、输送和分配任务。如果想提高其发电量及效率必须要将其储能装置进行合理有效地规划。建立合理高效并且具有针对性的储存设备对于大型规模小型风电站来说十分重要；而小规模光伏发电站由于技术限制难以大规模投入使用所以应该在设计时就考虑到如何能够最程度上满足电网负荷需求。
3.5加强调度管理与优化设计
在风力发电系统中，风速与功率之间存在着相互影响的关系，因此需要对风电场进行加减速调节。当电网电压波动时功率输出也会随之变化；反之则会发生变化。由于风光电源具有较强的随机性特点和间歇特性以及大容量负载需求特点等特征使得其必须能够保证一定频率下最负荷不超过值、同时要具备较高风速裕度并在短时间内保持系统稳定运行状态，从而确保大规模发电对能源供应的充足率。优化设计首先要考虑风光调度时风速大小、频率高低以及负载能力等方面来确定**配置方案；其次要通过建立模型得到最输出功率点下所需有功出力与最低发电成本之间函数关系式曲线图；最后根据计算得出最风电机组的控制策略和运行方式。
4.Acrel-2000MG微电网能量管理系统概述
4.1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、储能系统以及充电桩的接入，全天候进行数据采集分析，直接监视光伏、风能、储能系统、充电桩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技术标准
本方案遵循的国家标准有：
本技术规范书提供的设备应满足以下规定、法规和行业标准：
GB/T26802.1-2011工业控制计算机系统通用规范第1部分：通用要求
GB/T26806.2-2011工业控制计算机系统工业控制计算机基本平台第2部分：性能评定方法
GB/T26802.5-2011工业控制计算机系统通用规范第5部分：场地安全要求
GB/T26802.6-2011工业控制计算机系统通用规范第6部分：验收大纲
GB/T2887-2011计算机场地通用规范
GB/T20270-2006信息安全技术网络基础安全技术要求
GB50174-2018电子信息系统机房设计规范
DL/T634.5101远动设备及系统第5-101部分:传输规约基本远动任务配套标准
DL/T634.5104远动设备及系统第5-104部分:传输规约采用标准传输协议子集的IEC60870-5-网络访问101
GB/T33589-2017微电网接入电力系统技术规定
GB/T36274-2018微电网能量管理系统技术规范
GB/T51341-2018微电网工程设计标准
GB/T36270-2018微电网监控系统技术规范
DL/T1864-2018独立型微电网监控系统技术规范
T/CEC182-2018微电网并网调度运行规范
T/CEC150-2018低压微电网并网一体化装置技术规范
T/CEC151-2018并网型交直流混合微电网运行与控制技术规范
T/CEC152-2018并网型微电网需求响应技术要求
T/CEC153-2018并网型微电网负荷管理技术导则
T/CEC182-2018微电网并网调度运行规范
T/CEC5005-2018微电网工程设计规范
NB/T10148-2019微电网第1部分：微电网规划设计导则
NB/T10149-2019微电网第2部分：微电网运行导则
4.3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。
4.4型号说明
Acrel-2000
Acrel-2000系列监控系统
MG
MG—微电网能量管理系统。
4.5系统配置
4.5.1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
4.6系统功能
4.6.1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。
4.6.1.1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。
4.6.1.2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。
5.结束语
污水处随着现代科学技术的飞速发展和人民生活水平不断提高，对能源需求量越来越大，传统化石燃料发电已经不能满足社会生产及经济建设需要。而风能、太阳能以及潮汐能等可再生能源成为新时代下炙手不可代的话题。这些清洁型能源被认为是未来世界上最具有活力的资源之一；风力发电机组在电力系统中扮演着重要角色并为人们提供了巨大贡献力和动力来源，而且它也可以作为电网的补充设备来进行电能输出与转换工作。
参考文献：
[1] 窦晓波,徐忞慧,董建达,等.微电网改进多时间尺度能量管理模型[J].电力系统自动化,2016(9):45-46.
[2] 肖浩,裴玮,孔力.基于模型预测控制的微电网多时间尺度协调优化调度[J].电力系统自动化,2016 (18):10.75.
[3] 李德鑫,董添,常学飞,等.基于变权值自适应滤波的风光储协调优化控制[J].电力建设,2015(4):10,39.
安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.5版.
吴见喜.大规模风光发电系统中储能管理策略研究.广州市市政工程设计研究院,2021.
