基于微電網(wǎng)的戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)研究

戴 璐，譚德權(quán)，歐明文

應(yīng)用研究

基于微電網(wǎng)的戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)研究

戴 璐，譚德權(quán)，歐明文

（湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411100）

為了更好地協(xié)調(diào)和控制以家庭為單位的微電網(wǎng)能量利用，對(duì)基于微網(wǎng)的戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行研究。針對(duì)戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)中的工作模式、儲(chǔ)能電池組容量配置、電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)、能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，并通過掛網(wǎng)試運(yùn)行進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)入戶功率具有有效可靠的調(diào)節(jié)能力，能高效的進(jìn)行能量控制。

微電網(wǎng) 戶用儲(chǔ)能 能量管理電池管理系統(tǒng)（BMS） 試驗(yàn)驗(yàn)證

0 引言

近年來(lái)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的戶用儲(chǔ)能市場(chǎng)開始井噴，尤其是國(guó)外市場(chǎng)已經(jīng)非?；馃?。戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)小型的儲(chǔ)能電站，在用電低峰時(shí)段，可對(duì)其中電池組進(jìn)行充電，用以在用電高峰時(shí)段或斷電情況下使用，從而達(dá)到削峰填谷的效果，同時(shí)可以用來(lái)均衡家用用電負(fù)荷，節(jié)省家庭電費(fèi)開支。結(jié)合各城區(qū)及城市電網(wǎng)可形成微電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)離/并網(wǎng)的雙模式運(yùn)行，根據(jù)負(fù)荷、儲(chǔ)能能量、電網(wǎng)、和電價(jià)進(jìn)行運(yùn)行策略的調(diào)整，來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化和用戶收益最大化。因此，對(duì)戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究具有重大意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，也符合國(guó)家的“雙碳”政策和目標(biāo)。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)均對(duì)戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)開展了相關(guān)研究，已有部分項(xiàng)目完成了成功試點(diǎn)。

文獻(xiàn)[1-3]介紹了儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用與分類，也展望了儲(chǔ)能系統(tǒng)的前景和優(yōu)勢(shì)。針對(duì)基于光伏并網(wǎng)發(fā)電的戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)，文獻(xiàn)[4]從經(jīng)濟(jì)性角度進(jìn)行了分析，指出了隨著光伏上網(wǎng)電價(jià)下降，儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)上升，具有長(zhǎng)遠(yuǎn)經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)[5-6]對(duì)儲(chǔ)能控制系統(tǒng)和能源管理系統(tǒng)進(jìn)行研究，優(yōu)化了控制算法，提高了系統(tǒng)控制效率，能源管理裝置實(shí)現(xiàn)體積小、功耗低、操作易等特點(diǎn)，展現(xiàn)出良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。文獻(xiàn)[7-9]針對(duì)高比例戶用光伏并網(wǎng)環(huán)境進(jìn)行研究，通過控制策略改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能及通信網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同規(guī)劃，抑制光伏直流母線電壓波動(dòng)程度，有效緩解光伏并網(wǎng)造成的電壓越限問題，促進(jìn)高比例戶用光伏的消納。文獻(xiàn)[10]分析了當(dāng)前戶用光伏配置儲(chǔ)能系統(tǒng)的市場(chǎng)現(xiàn)狀，從用戶收益最大化的角度出發(fā)，對(duì)其容量配置和簡(jiǎn)單的經(jīng)濟(jì)性計(jì)算方法的計(jì)算方式進(jìn)行了設(shè)計(jì)。針對(duì)電力偏遠(yuǎn)以及冬季光能偏少地區(qū)，戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)可結(jié)合區(qū)域電網(wǎng)工作，實(shí)現(xiàn)削峰填谷的作用，光儲(chǔ)系統(tǒng)成本偏高，基于此文獻(xiàn)[11-14]針對(duì)電網(wǎng)削峰填谷的需求，對(duì)其控制策略以及電池配置的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了研究，為戶用儲(chǔ)能更好的應(yīng)用與推廣打了更進(jìn)一步的基礎(chǔ)。

為了更好地協(xié)調(diào)和控制以家庭為單位的微電網(wǎng)能量利用，本文對(duì)基于微電網(wǎng)的戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

1 戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)

戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)可劃分為離網(wǎng)、并網(wǎng)、并離網(wǎng)切換型三類。并離網(wǎng)切換型應(yīng)對(duì)不同工況和抗外部干擾能力強(qiáng)，供電可靠性高，并且具有靈活的管理系統(tǒng)?？筛鶕?jù)電網(wǎng)、負(fù)荷、儲(chǔ)能及電價(jià)進(jìn)行運(yùn)行策略調(diào)整，用電低谷期自行充電，以備用電高峰或斷電時(shí)使用，提高了用戶的收益。

圖1 交流并網(wǎng)拓?fù)?/p>

圖2 直流并網(wǎng)拓?fù)?/p>

并離網(wǎng)切換型戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)主要構(gòu)成部件有雙向儲(chǔ)能變流器、儲(chǔ)能電池組、并網(wǎng)及計(jì)量設(shè)備、公共電網(wǎng)、負(fù)載設(shè)備、光伏組件。目前儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方式可分為交流并網(wǎng)型和直流并網(wǎng)型兩類。

圖1和圖2分別為兩種并網(wǎng)類型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)根據(jù)容量配置級(jí)別，通常采用直流耦合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且方便接入光伏擴(kuò)展組件。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

針對(duì)戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究，本文從系統(tǒng)工作模式、儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置、電池管理系統(tǒng)（BMS）、能量管理系統(tǒng)（EMS）等方面開展研究。

2.1 系統(tǒng)工作模式

戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)存在充電、放電以及待機(jī)三種工作模式，通過對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)以及各用電負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)，進(jìn)行不同模式切換。在未接入光伏的運(yùn)行情況下，戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作模式主要依據(jù)家庭負(fù)載總功率以及電池SOC情況作為控制切換條件。

圖3 供電模式一

如圖3所示，設(shè)定家庭總負(fù)載功率P，當(dāng)家庭所有負(fù)載的功率處于P范圍內(nèi)時(shí)，戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)投入供電模式一（充電模式），家庭所有負(fù)荷全部由市電供電，同時(shí)通過高電對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)組進(jìn)行充電，直至充滿或高于SOC上限值時(shí)，系統(tǒng)切換為待機(jī)工作模式。

圖4 供電模式二

如圖4所示，當(dāng)家庭所有的負(fù)載功率超過P時(shí)，戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)投入供電模式二（放電模式），家庭所有負(fù)荷由儲(chǔ)能系統(tǒng)和市電同時(shí)供電，直至電池量較低或低于SOC下限值時(shí)，提示降低輸出功率至P以下，系統(tǒng)切換為待機(jī)工作模式。

2.2 儲(chǔ)能電池組容量配置

在儲(chǔ)能電池組的容量配置上，主要考慮兩個(gè)因素：（1）根據(jù)用戶用電的整體需求，對(duì)儲(chǔ)能電池組的容量配置進(jìn)行分析與確定。戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)容量主要根據(jù)戶用總負(fù)荷大小決定，需保證特殊情況下必要用電設(shè)備的正常運(yùn)行，所以在配置容量時(shí)，需考慮系統(tǒng)的自給時(shí)間，即離網(wǎng)戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)在沒有任何外界能量來(lái)源時(shí)，僅由儲(chǔ)能電池組進(jìn)行電能輸送，仍可保證所有設(shè)備正常運(yùn)行的時(shí)長(zhǎng)。（2）儲(chǔ)能電池通過串并聯(lián)組合實(shí)現(xiàn)所需的電壓等級(jí)和儲(chǔ)能容量，串并聯(lián)方式需要依據(jù)實(shí)際需求合理設(shè)置。

具體計(jì)算公式如下：

式中，為儲(chǔ)能系統(tǒng)配置的總能量（kWh），為系統(tǒng)中儲(chǔ)能電池組的額定容量（Ah），Q為電池單體的額定容量，為電池組的額定工作電壓，V為電池的單體額定工作電壓，串和并分別為儲(chǔ)能電池組的串、并聯(lián)數(shù)量。

2.3 電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)（BMS系統(tǒng)）

BMS系統(tǒng)由電池組的管理終端BMU和電池單體管理終端BCU組成兩級(jí)構(gòu)架，如圖5所示。

圖5 BMS構(gòu)架框圖

BCU作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的基礎(chǔ)管理功能單元，主要負(fù)責(zé)電池單體中電量、溫度、電流、電壓等信息進(jìn)行采集，并通過通訊將采集的數(shù)據(jù)上傳給BMU。BMU通過對(duì)BCU上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，下發(fā)控制指令，實(shí)現(xiàn)電池單體之間SOC均衡，并適配合理的溫控策略，對(duì)出現(xiàn)異常的電池組發(fā)出報(bào)警進(jìn)行保護(hù)。

BMS系統(tǒng)對(duì)電池組的控制功能主要有：對(duì)電池單體的溫度、電流和電壓進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)與儲(chǔ)能變流器以及上位機(jī)進(jìn)行通信，可對(duì)電池組提供過充、過放、過流、過溫、適中保護(hù)及告警等功能。

2.4 能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)中EMS的設(shè)計(jì)一般采用戶用能量管理系統(tǒng)（HEMS）模式，這種模式在結(jié)構(gòu)上對(duì)分散型用戶具有較好的適配性，每戶儲(chǔ)能系統(tǒng)獨(dú)立構(gòu)成，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示。采集模塊輸送實(shí)時(shí)能量信息至EMS控制核心，并儲(chǔ)存于數(shù)據(jù)庫(kù)，控制器通過對(duì)數(shù)據(jù)分析處理，選取最優(yōu)控制策略，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行管理。用戶可通過人機(jī)交互界面、移動(dòng)終端查詢系統(tǒng)相關(guān)信息，并可以對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行操作。EMS可以與電網(wǎng)進(jìn)行雙向的信息交互，上傳本地的用電信息，下載實(shí)時(shí)電價(jià)。圖中標(biāo)黃部分可根據(jù)系統(tǒng)大小及需要進(jìn)行擴(kuò)展，本項(xiàng)目中未涉及。

圖6 EMS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 測(cè)試驗(yàn)證

為驗(yàn)證在有限的電網(wǎng)可用容量下，戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)用戶日常用電安全可靠性能的保障，以戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助電網(wǎng)對(duì)空氣源熱泵供電為試驗(yàn)運(yùn)行工況，進(jìn)行掛網(wǎng)測(cè)試驗(yàn)證。本文以某村儲(chǔ)能接入項(xiàng)目為試驗(yàn)平臺(tái)，每戶電網(wǎng)入戶功率限額定為3 kW，儲(chǔ)能組電池容量為3 kWh，試驗(yàn)時(shí)間為4個(gè)月，主要對(duì)冬季用電情況進(jìn)行跟蹤。

3.1 功能性驗(yàn)證

儲(chǔ)能設(shè)備本地采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7所示，其中圖7（a）為每日入戶功率和負(fù)載功率峰值曲線，圖7（b）為每日蓄電池充放電峰值曲線，圖7（c）為每日蓄電池SOC最低值曲線，圖7（d）為每日用電量曲線?？芍彝?shí)際負(fù)載功率峰值在12月8日、12月15日、1月4日、1月21日等日期多次達(dá)到4.4 kW以上，在儲(chǔ)能設(shè)備作用下，入戶功率基本限制在4.0 kW以下，在12月8日達(dá)到用電量最大值66 kWh。

由圖7（a）可知，負(fù)載功率峰值的最大值為5.424 kW，數(shù)據(jù)曲線如圖8所示。在儲(chǔ)能設(shè)備的作用下，入戶功率被有效限制在3.3 kW以內(nèi)。圖8（d）為不同儲(chǔ)能容量對(duì)應(yīng)的理想入戶功率限制值，以二者平方和最小為優(yōu)選值，對(duì)于現(xiàn)有3 kWh電池容量（考慮20%放電深度），可實(shí)現(xiàn)的最小入戶功率值2.953 kW。

可以分析得出用戶家庭實(shí)際負(fù)載功率峰值在試驗(yàn)期間內(nèi)多次達(dá)到4.3 kW以上，在儲(chǔ)能系統(tǒng)及設(shè)備的作用下，入戶功率基本不超過3.3 kW，驗(yàn)證了戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)入戶功率限制的有效性，初步實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)基于微電網(wǎng)的戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行研究，分別從系統(tǒng)工作模式、儲(chǔ)能電池組容量配置、電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)、能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，并以某村光伏儲(chǔ)能接入項(xiàng)目為試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)。驗(yàn)證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)入戶功率限制的有效性。

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Research on household energy storage systembased on microgrid

Dai Lu, Tan Dequan, Ou Mingwen

（Hunan Electrical Vocational and Technical College, Xiangtan 411100, Hunan China）

TM72

A

1003-4862（2023）10-0001-04

2023-04-26

2021年湖南省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目《基于微信電網(wǎng)的戶用儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)研究》（21C1013）；2022年度湖南省社會(huì)科學(xué)成果評(píng)審委員會(huì)課題一般自籌項(xiàng)目《湖南省電力產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的對(duì)策研究》（XSP22YBC632）

戴璐（1984-），女，副教授，研究方向：電力電子在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用。E-mail：21349352@qq.com