0引言

隨著電動汽車的快速發(fā)展，人們對充電基礎設施規(guī)劃與建設提出了更高要求。與此同時，在“碳達峰、碳中和"戰(zhàn)略背景下，為應對化石能源枯竭和環(huán)境污染問題，提升可再生能源發(fā)展和利用水平、實現能源可持續(xù)發(fā)展成為世界各國的目標。光儲充電站作為兼具新能源消納、負荷波動平抑和延緩輸電線路擴容功能的新型充電服務設施，近年來得到了廣泛關注與研究。儲能系統(tǒng)具備雙向變功率的電能傳輸特性，是光儲充電站中*靈活的能量控制單元，因此儲能系統(tǒng)優(yōu)化運行策略研究對提升光儲充電站綜合效益具有重要意義。

根據給定控制目標，結合功率平衡關系得到被控對象的功率控制信號，使其在運行時對該信號進行跟蹤，可有效解決上述問題。采用低通濾波、移動平均濾波和高斯濾波等方法得到目標并網功率值，對光儲系統(tǒng)進行并網功率平滑控制，提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能輸出質量；提出一種電池儲能參與電網削峰填谷的變功率控制策略，通過設定峰谷閾值進行并網負荷整形；結合分時電價確定儲能系統(tǒng)充放電時刻，通過對儲能進行“低儲高放"賺取峰谷電價差，提升了儲能電站運行的經濟效益。綜上，根據不同控制目標，儲能系統(tǒng)主要運行模式可分為并網功率平滑、并網負荷整形和分時電價套利等。實際應用中，光儲充電站儲能系統(tǒng)的優(yōu)化運行往往不能簡單從電網側功率調節(jié)或負荷側經濟運行等單一方面考慮。

針對上述問題，本文提出一種考慮多模式融合的光儲充電站儲能系統(tǒng)優(yōu)化運行策略。通過對光儲充電站儲能系統(tǒng)功率平滑、負荷整形和分時電價3種運行模式進行融合設計，建立光儲充電站儲能系統(tǒng)優(yōu)化控制模型，得到兼具多種技術優(yōu)勢的儲能系統(tǒng)優(yōu)化運行策略，并結合上海某光儲充電站運行數據進行仿真與實驗分析，驗證所提運行策略的有效性。

1光儲充電站結構及運行模式

設計的光儲充電站結構如圖1所示，相比于傳統(tǒng)電動汽車充電站結構，光儲充電站中配置有光伏電池組和儲能電池組。其中，光伏電池組經DC/AC變換器連接至交流母線，作為光儲充電站的重要電力來源；儲能電池組通過DC/AC變換器與交流母線相連，用于平抑交流母線不平衡功率；能量管理系統(tǒng)通過監(jiān)測各能量單元的功率信息對各時刻光伏電池組、儲能電池組和電網的功率進行調控，以滿足充電負荷需求。

考慮*大化新能源消納，光伏逆變器采用*大功率點跟蹤控制模式[19]，任意時刻t的光伏出力可視為不可控量，與電動汽車充電負荷疊加為光儲充電站的等效負荷，即

式中：為等效負荷；為電動汽車充電負荷；為光伏出力；為交流充電負荷；為直流充電負荷。

由式（3）可知，通過改變各時刻儲能系統(tǒng)充放電功率，可優(yōu)化電網與光儲充電站間的功率傳輸。從電網運行和光儲充電站運營的角度出發(fā)，光儲充電站主要存在以下幾種運行模式。

1）功率平滑模式。

功率平滑模式主要從電網運行角度優(yōu)化光儲充電站并網負荷變化率，其具體方式是利用儲能系統(tǒng)雙向變功率輸出特性，通過調節(jié)各時刻儲能系統(tǒng)充放電狀態(tài)及其功率大小，緩沖光伏發(fā)電與電動汽車充電負荷的功率驟變，使光儲充電站并網負荷曲線趨于平滑，減小充電負荷對配電網的沖擊。

2）負荷整形模式。

負荷整形模式主要從電網運行角度優(yōu)化光儲充電站并網負荷變化范圍，其具體方式是使儲能系統(tǒng)在等效負荷低于設定功率下充電，高于設定功率上放電，保證光儲充電站并網負荷穩(wěn)定在合理的上下限之間，延緩輸電線路擴容。

3）分時電價模式。

分時電價模式主要從光儲充電站運營角度對儲能系統(tǒng)充放電時段進行優(yōu)化調整，其具體方式是利用儲能系統(tǒng)在谷電價時段充電、峰電價時段放電，以獲取峰谷差價利潤，提高光儲充電站運行經濟性。

以上3種運行模式均能從不同角度實現光儲充電站運行優(yōu)化。如功率平滑模式和負荷整形模式分別從并網負荷變化率和變化范圍2個方面進行了優(yōu)化，改善了光儲充電站并網負荷功率質量；分時電價模式則利用峰谷電價差降低了光儲充電站購電成本，提高運行經濟性。然而，光儲充電站實際運行過程中需要兼顧電網側運行的技術性指標和充電站經濟性指標[6]，因此須對以上3種運行模式進行融合設計。

2多模式融合的光儲充電站儲能系統(tǒng)優(yōu)化運行策略

2.1多模式融合設計

功率平滑模式和負荷整形模式的主要控制目標均為光儲充電站并網負荷功率，是不同技術指標下2種并網負荷功率調節(jié)手段，具有較好的兼容性，可在完成功率平滑控制目標的基礎上，同時實現負荷整形控制要求。分時電價模式的儲能系統(tǒng)充放電功率則主要取決于峰谷電價時段，與實際并網負荷功率的變化情況可能存在一定偏差，即峰電價時段不一定為實際負荷峰值時段，谷電價時段不一定為實際負荷谷值時段。因此，若簡單將3種運行模式疊加，可能導致并網負荷功率“峰上加峰"的情況，不利于光儲充電站安全穩(wěn)定運行。此外，考慮工作周期內儲能系統(tǒng)參與并網負荷功率調節(jié)的充電量和放電量通常不相等，若不采取措施對儲能系統(tǒng)進行能量平衡，將難以保證儲能系統(tǒng)長時間持續(xù)運行。

為解決上述問題，提出一種多模式融合的儲能系統(tǒng)優(yōu)化運行策略，主要思路如下。

1）根據各時刻光伏出力和充電負荷數據，得到各時刻光儲充電站原始并網負荷功率，即各時刻等效負荷功率，構成等效負荷功率序列。

2）對等效負荷功率序列進行功率平滑處理，得到功率平滑處理后的并網負荷功率序列，在此基礎上對所得序列進行負荷整形處理，進一步得到負荷整形處理后的并網負荷功率序列。

3）計算負荷整形處理后的并網負荷功率序列與等效負荷功率序列之間的能量差，基于“低儲高放"的分時電價模式，對上述能量差進行平衡。因此，光儲充電站多模式融合運行目標主要由2個部分構成。從并網功率優(yōu)化角度，對功率平滑模式和負荷整形模式進行融合，實現光儲充電站并網負荷曲線的優(yōu)化調節(jié)；結合光儲充電站經濟運行要求，利用分時電價模式進一步解決融合運行帶來的儲能系統(tǒng)能量不平衡問題。

3仿真分析

3.1數據來源

選取圖3所示上海某光儲充電站24h運行曲線進行仿真分析。該光儲充電站具體配置參數如

表2所示，其功率采樣時間間隔Δt=1min。

3.2仿真結果與分析

3.2.1仿真結果

設定滑動系數N=15，并網負荷上、下限分別為變壓器額定功率的75%和1%，可得到光儲充電站儲能系統(tǒng)待平衡能量為?7.65kW·h，即能量平衡前儲能系統(tǒng)24h放電量比充電量多7.65kW·h，因此須增大儲能系統(tǒng)充電量。根據上海市*新分時電價政策，08:00—11:00、18:00—21:00為峰時段；06:00—08:00、11:00—18:00、21:00—22:00為平時段；22:00至次日06:00為谷時段。結合圖3可知，光儲充電站在00:00—06:00負荷較低，且處于谷電價時段，宜在此階段增大儲能系統(tǒng)充電功率，進行儲能系統(tǒng)能量平衡。因此，設定00:00—06:00為能量平衡時段，即T1=00:00，T2=06:00?；谝陨显O定，可得到所提策略下儲能系統(tǒng)充放電功率曲線及SOC變化曲線，如圖4所示。

基于上述儲能系統(tǒng)優(yōu)化運行方案，可得到儲能工作前后光儲充電站并網負荷曲線對比，如圖5所示。其中，儲能工作前曲線為光儲充電站原始并網負荷曲線（即光儲充電站等效負荷曲線），儲能工作后曲線為所提策略下光儲充電站并網負荷曲線。由圖5可知，所提策略可有效實現并網點功率平滑和負荷整形，降低光儲充電站并網點功率變化率和變化范圍，減小光充電站負荷波動對電網造成的沖擊。

4 Acrel-2000MG充電站微電網能量管理系統(tǒng)

4.1平臺概述

Acrel-2000MG微電網能量管理系統(tǒng)，是我司根據新型電力系統(tǒng)下微電網監(jiān)控系統(tǒng)與微電網能量管理系統(tǒng)的要求，總結國內外的研究和生產的先進經驗，專門研制出的企業(yè)微電網能量管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)滿足光伏系統(tǒng)、風力發(fā)電、儲能系統(tǒng)以及充電站的接入，*進行數據采集分析，直接監(jiān)視光伏、風能、儲能系統(tǒng)、充電站運行狀態(tài)及健康狀況，是一個集監(jiān)控系統(tǒng)、能量管理為一體的管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)在安全穩(wěn)定的基礎上以經濟優(yōu)化運行為目標，促進可再生能源應用，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)微電網能量管理提供安全、可靠、經濟運行提供了全新的解決方案。

微電網能量管理系統(tǒng)應采用分層分布式結構，整個能量管理系統(tǒng)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(tǒng)支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規(guī)約。

4.2平臺適用場合

系統(tǒng)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(tǒng)監(jiān)控和能量管理需求。

5充電站微電網能量管理系統(tǒng)解決方案

5.1實時監(jiān)測

微電網能量管理系統(tǒng)人機界面友好，應能夠以系統(tǒng)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)測光伏、風電、儲能、充電站等各回路電壓、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(tǒng)回路電參量主要有：相電壓、線電壓、三相電流、有功/無功功率、視在功率、功率因數、頻率、有功/無功電度、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(tǒng)應可以對分布式電源、儲能系統(tǒng)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(tǒng)應可以對儲能系統(tǒng)進行狀態(tài)管理，能夠根據儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)進行及時告警，并支持定期的電池維護。

微電網能量管理系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)界面包括系統(tǒng)主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電站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(tǒng)信息進行顯示。

圖1系統(tǒng)主界面

子界面主要包括系統(tǒng)主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電站信息、通訊狀況及一些統(tǒng)計列表等。

5.1.1光伏界面

圖2光伏系統(tǒng)界面

本界面用來展示對光伏系統(tǒng)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(tǒng)計及分析、并網柜電力監(jiān)測及發(fā)電量統(tǒng)計、電站發(fā)電量年有效利用小時數統(tǒng)計、發(fā)電收益統(tǒng)計、碳減排統(tǒng)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(tǒng)的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

5.1.2儲能界面

圖3儲能系統(tǒng)界面

本界面主要用來展示本系統(tǒng)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4儲能系統(tǒng)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5儲能系統(tǒng)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6儲能系統(tǒng)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7儲能系統(tǒng)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8儲能系統(tǒng)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9儲能系統(tǒng)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10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(tǒng)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11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，并展示當前電芯的電壓、溫度值及所對應的位置。

5.1.3風電界面

圖12風電系統(tǒng)界面

本界面用來展示對風電系統(tǒng)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(tǒng)計及分析、電站發(fā)電量年有效利用小時數統(tǒng)計、發(fā)電收益統(tǒng)計、碳減排統(tǒng)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(tǒng)的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

5.1.4充電站界面

圖13充電站界面

本界面用來展示對充電站系統(tǒng)信息，主要包括充電站用電總功率、交直流充電站的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電站的運行數據等。

5.1.5視頻監(jiān)控界面

圖14微電網視頻監(jiān)控界面

本界面主要展示系統(tǒng)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。

5.1.6發(fā)電預測

系統(tǒng)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(tǒng)新能源發(fā)電的集中管控。

圖15光伏預測界面

5.1.7策略配置

系統(tǒng)應可以根據發(fā)電數據、儲能系統(tǒng)容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統(tǒng)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、防逆流、有序充電、動態(tài)擴容等。

具體策略根據項目實際情況（如儲能柜數量、負載功率、光伏系統(tǒng)能力等）進行接口適配和策略調整，同時支持定制化需求。

圖16策略配置界面

5.1.8運行報表

應能查詢各子系統(tǒng)、回路或設備*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、尖峰平谷時段電量等。

圖17運行報表

5.1.9實時報警

應具有實時報警功能，系統(tǒng)能夠對各子系統(tǒng)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18實時告警

5.1.10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(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

圖19歷史事件查詢

5.1.11電能質量監(jiān)測

應可以對整個微電網系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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*和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度*和正序/負序/零序電流值；

2）諧波分析功能：系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)計：系統(tǒng)應能顯示1min統(tǒng)計整2h存儲的統(tǒng)計數據，包括均值、*值、*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。

6結束語

本文針對光儲充電站儲能系統(tǒng)優(yōu)化運行問題進行了研究，對功率平滑、負荷整形和分時電價3種運行模式進行了融合設計，得出以下結論。

1）所提策略可使光儲充電站負荷波動率降低為原來的22.4%，同時將光儲充電站負荷變化范圍限制于變壓器額定功率的1%~75%，能夠從負荷波動率和波動范圍2個方面改善光儲充電站并網負荷曲線，降低光儲充電站負荷波動對電網電能質量造成的不利影響，延長變壓器運行壽命。

2）所提策略下光儲充電站儲能系統(tǒng)24h充放電量相等，能夠克服因并網功率調節(jié)導致的儲能系統(tǒng)充放電量失衡問題，提升儲能系統(tǒng)運行可靠性。

3）所提策略利用谷電價時段對儲能系統(tǒng)進能量平衡，總購電成本相比原始狀態(tài)降低了0.69%，同時還可兼顧實現并網功率平滑、并網負荷整形、儲能系統(tǒng)能量平衡等技術效果，能夠提升光儲充電站的綜合運行性能。

4）實驗表明，所提策略下儲能系統(tǒng)實際交流側功率能夠較好地跟蹤其功率給定值，具備可行性。本研究將儲能系統(tǒng)視為整體，與光儲充電站中其他能量單元進行功率的優(yōu)化分配。事實上，隨著電池儲能系統(tǒng)壽命周期的不斷增長，其內部各儲能單元將呈現出一定的個體差異性，因此基于論文所提策略框架下的儲能系統(tǒng)內部功率分配問題將是下一步研究重點。

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