淺析智慧光儲充一體化能源管理策略

任運業

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：本文描述了一種智慧光伏儲能充電樁系統的架構，并提出了一種易于通過單片機實現的實時能源管理策略。不同于常見光儲充方案采取交流母線的形式，該充電樁采用了直流母線電氣架構。儲能系統直接掛載在直流母線上，支撐母線電壓，同時可通過功率變換器實現與電網、光伏與電動汽車之間的能量交換。通過分析該電氣架構中的電能流經途徑、尋找比較不錯的傳輸效率路徑，并通過儲能充分利用峰谷差價，制定規劃了光儲充多能互補平臺下的能源管理策略。經分析計算，該策略能充分發揮光伏、儲能的作用，實現儲能日內低倍率充放，降低充電樁使用成本。以晴天非通勤車輛三次快速充電為例，通過該策略增加收入達28%。

關鍵詞：光伏；儲能；充電樁；光儲充一體化；能源管理

0引言

當前，我國電動汽車保有量連年增長，市場滲透率持續提升，但充電設施建設卻相對緩慢，2021年我國車樁比為2.7:1，仍遠低于《電動汽車充電基礎設施發展指南（2015―2020）》規劃的1:1的指標[1]。究其原因，目前充電樁建設面臨種種困境：一方面，電力增容困難，尤以老舊居民區為例，當接入大量充電樁負載后，電網負荷過重，配電容量不足以支撐；另一方面，傳統充電樁盈利模式單一，僅靠收取充電服務費，在充電利用率不高的情況下盈利較難。

在此背景下，“光-儲-充"一體化設備/站點的出現則可有效解決電力增容困難、盈利差的問題。充電樁夜間利用電池儲能，日間利用儲能放電、光伏發電，能夠有效降低充電樁使用成本，同時能夠減少高峰時期對電力資源的占用，提高整體經濟性。

由于“光-儲-充"一體化設備/站點形成了一個自洽的分布式微網，負責網內能源調度以及向網外聯絡的能源管理系統起到了非常重要的作用。針對“光-儲-充"一體化的能源管理策略，已有許多學者做出研究，其中以規劃配置過程中使用的遺傳、粒子群等優化算法比較流行。文獻[2]通過非支配排序遺傳算法算法對多目標優化模型進行求解；文獻[3]通過粒子群算法和混合整數線性規劃算法用于確定儲能控制策略并優化光儲能系統的出力。

然而，此類算法需要對光伏以及充電負荷做出預測以便于優化計算，而實際情況是充電樁的使用行為具有隨機性往往難以預期；另一方面，此類算法需要較強的計算能力，對于使用如單片機類的嵌入式微處理器并不適用。本文針對該情況，提出了一種便于工程應用的光儲充能源管理策略，以便運行于計算資源較少的嵌入式系統中。

1智慧光伏儲能充電樁架構

智慧光伏儲能充電樁包含光伏板、儲能電池、充電系統以及能源管理系統。

1.1光伏板

光伏板放置于屋頂等光照充足區域，通過DC/DC功率轉換模塊，連接直流母線以對負載供電。相較于傳統光伏發電需先逆變上網再用電的方式，該方案通過直流系統就地消納，減少了能源轉換環節，提升了能源轉換效率，實現了一種“源-荷-儲"一體化的微電網形態。

1.2儲能電池

由于充電樁設備需要較大瞬時功率，且安裝場地往往用地緊張，這就對配套的儲能系統提出了高功率與高能量密度的要求。

鋰離子電池是一種循環壽命長、效率高的高能量/高功率密度電池。磷酸鐵鋰電池又是其中一種熱穩定性較好、安全可靠的電池。相比于其他電化學儲能方式，如鉛酸電池、釩液流電池，磷酸鐵鋰電池由于其優yue的充放電特性與安全性更適合作為“光-儲-充"一體化的儲能解決方案。

在本“光-儲-充"系統中，儲能電池直接掛載在直流母線上，支撐母線電壓，并通過掛載在母線上的功率變換器，實現與電網、光伏以及電動汽車之間的能量交換。

1.3充電系統

傳統直流充電樁通常使用多個AC/DC充電功率模塊并聯從市電取電向車端供電，并由控制電路板實現充電控制、人機界面、計量、絕緣監測及線路保護等功能。本充電系統除了采用傳統AC/DC充電模塊用于實現直流快充外，還可額外通過掛載在直流母線上的DC/DC充電模塊形成從光伏、儲能取電用于充電的備選路徑，可為充電樁運營者在尖峰時段提供更經濟的用電方式。

1.4能源管理系統

能源管理系統用于控制、平衡和優化電網、儲能、充電樁之間的電能供應和需求，可在峰谷用電和配網增容等方面帶來應用價值。

能源管理系統硬件需具備一個本地控制器，可采用單片機、DSP、PLC等，控制本地功率變換器及實現輔助功能；另一方面，可通過遠程通訊與云平臺相連，接受上級控制器指示。能源管理系統的本地通信采用RS485、CAN配合高壓電氣隔離方案，增強系統抗干擾能力和通信的穩定性。遠程通信采用以太網/LTE通信接口可選方案，方便擴展通信主機種類和數量。

2能源管理策略

能源管理策略采取比較經濟性原則制定。鑒于本能源管理系統使用單片機進行控制，實時計算資源有限，對于遺傳算法、粒子群等對計算能力要求較高的算法難以實現，因此需要采用占用資源較少且易于編寫單片機代碼的能源管理策略。

2.1模型分析與簡化

由于該模型存在多個變量，需要采用多變量優化求解方法，計算較為復雜，因此需要簡化模型。

經分析總結，能源流向途經及轉化效率由路徑上各級功率轉換模塊平均工作效率乘積而得。顯而易見，轉換環節越多，轉換效率越低。儲能側的轉換效率由于其經過的轉換環節較多，相應損耗較高。

針對市電向車端供電，由于a―2―3―c路徑相比于a―1―c多一轉換環節，效率偏低，因此應優先選擇a―1―c路徑。此要求等效于不應有凈流量同時流過P2、P3線路。

在此情況下，按照光儲系統凈流量(Pb+Pd)大小情況，可分為：

1)光儲凈流入(Pb+Pd)≤0；

2)光儲凈流出0<(Pb+Pd)≤Pc；

3)光儲凈流出上網或充電（Pb+Pd)>Pc三種情形。

以計算2號雙向功率變換器實時輸出功率為例，這三類情形可歸納總結為：可解決母線功率在2、3號變換器功率分配的問題，以便進行下一步能源管理策略的優化計算。

2.2儲能管理策略

從比較經濟角度而言，需考慮以下因素：

1)光伏作為清潔可再生能源并無電價成本，應很大程度利用；

2)由于峰谷差價較大，用電成本不同，通過儲能電池在谷電時間充電、尖峰時段放電，具有較高經濟效益，可大幅降低充電樁使用成本。

根據上述兩條原則，為使光伏發電較大化利用，光伏功率變換器采用較大功率跟蹤MPPT控制形式，輸出功率由實時光伏日照條件決定，隨機不可控但可實時測量作為已知條件；而系統中電動汽車側用電則根據車輛實時需求輸出功率Pc，同樣隨機不可控但可作為已知條件。控制變量為儲能充放電功率Pd或市電聯絡線功率Pa之一，即可求解系統實時功率狀態。

對于儲能功率Pd控制可做出以下規劃：待機、較大功率快速充放電或按規劃慢速充放電。

為實現經濟較大化，儲能遵循一天兩峰兩充兩放利用的基本策略，并與系統內其他設備狀態解耦，僅根據峰谷時段作出相應調整變化，即谷電充滿，峰電放電，并對充放電時長做出規劃調整。以夜間谷電時段為例，因其時長較長，采用慢速充電的方式相較于大功率快充的方式更能延長儲能電池壽命。據此，可設定儲能充放電功率為規劃充放電電量除以規劃充放電時長。

3算例

下面以安裝于華東地區某商業辦公園區內的一臺智慧充電樁為例，結合上述分析做出規劃與計算：

3.1光伏輸出功率假設

光伏輸出功率參照華東某地區某日晴朗天氣下光伏系統的運行數據。

3.2電動汽車負荷

由于充電樁負荷隨機性較大，不易預測，尤其是單臺充電樁行為受地理位置、用戶習慣等種種因素影響，假設以多車次非通勤車輛滿功率60kW充電運行為例。充電時間設定為9:00―9:30，12:30―13:30，19:30―20:00，分別代表早、中、晚充電高峰期需求。

3.3儲能使用

根據浙江省一般工商業分時電價，制定儲能使用策略。為充分利用峰谷差價，采取“一天兩充、兩放"策略，規劃充放電量。為防止深度充放電影響電池壽命，將電池充電量限定于10%與90%區間，同時可為電池過充/過放預留余地。由于午間11:00―13:00間谷時段較短，為避免短時間快速充放電，規劃該時段僅補電40%充電量，相應地8:00―11:00間一峰時段則用電40%充電量。

根據各時段用、充電量以及時段小時數，可推得儲能各時段功率，計算所用儲能滿充電量為51.2kW·h。

3.4計算結果

根據以上信息，系統輸出功率計算結果。光伏峰值發電Pb達到20kW，儲能日內實現低倍率兩充兩放Pd，較大放電倍率約為0.4C，發生于夜間19―21點尖峰時段。受大功率充電樁用電負荷Pc影響，市網供電Pa存在較大波動，但由于光伏與儲能系統存在，整體市電用電需求值僅50kW就能滿足車端60kW峰值充電需求。

從經濟角度而言，光伏當日發電量共計135kW·h，若按峰谷電價計算相應節約的費用，可得收益為99.8元；充電樁側若按峰谷電價基礎上向用戶額外收取0.5元/(kW·h)度服務費，則當日累計充電量120kW·h，收入161.6元，其中用電成本101.6元由用戶支付，服務費即凈收入60元。光、充共可獲得凈收入159.8元。而通過儲能按照上述策略參與其中，則收益進一步提高，增至204.5元，增收幅度28%。

4 Acrel-2000MG充電站微電網能量管理系統

4.1平臺概述

Acrel-2000MG微電網能量管理系統，是我司根據新型電力系統下微電網監控系統與微電網能量管理系統的要求，總結國內外的研究和生產的經驗，專門研制出的企業微電網能量管理系統。本系統滿足光伏系統、風力發電、儲能系統以及充電站的接入，*進行數據采集分析，直接監視光伏、風能、儲能系統、充電站運行狀態及健康狀況，是一個集監控系統、能量管理為一體的管理系統。該系統在安全穩定的基礎上以經濟優化運行為目標，促進可再生能源應用，提高電網運行穩定性、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應采用分層分布式結構，整個能量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等通信規約。

4.2平臺適用場合

系統可應用于城市、高速公路、工業園區、工商業區、居民區、智能建筑、海島、無電地區可再生能源系統監控和能量管理需求。

4.3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典型微電網能量管理系統組網方式

5充電站微電網能量管理系統解決方案

5.1實時監測

微電網能量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，實時監測光伏、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，動態監視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。其中，各子系統回路電參量主要有：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；狀態參數主要有：開關狀態、斷路器故障脫扣告警等。

系統應可以對分布式電源、儲能系統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態及發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管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態進行及時告警，并支持定期的電池維護。

微電網能量管理系統的監控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電站及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節能減排信息、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1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、充電站信息、通訊狀況及一些統計列表等。

5.1.1光伏界面

圖2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、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、并網柜電力監測及發電量統計、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環境溫濕度監測、發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。

5.1.2儲能界面

圖3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4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5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6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7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8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9儲能系統PCS狀態界面

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

圖10儲能電池狀態界面

本界面用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲能電池的運行狀態、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、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環境溫濕度監測、發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。

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視頻監控界面

圖14微電網視頻監控界面

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。

5.1.6發電預測

系統應可以通過歷史發電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發電進行短期、超短期發電功率預測，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電計劃，便于用戶對該系統新能源發電的集中管控。

圖15光伏預測界面

5.1.7策略配置

系統應可以根據發電數據、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、防逆流、有序充電、動態擴容等。

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、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，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

圖19歷史事件查詢

5.1.11電能質量監測

應可以對整個微電網系統的電能質量包括穩態狀態和暫態狀態進行持續監測，使管理人員實時掌握供電系統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。

1）在供電系統主界面上應能實時顯示各電能質量監測點的監測裝置通信狀態、各監測點的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）電壓暫態監測：在電能質量暫態事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發生時，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事件發生前后的波形。

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、*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（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續時間、事件發生的時間。

圖20微電網系統電能質量界面

5.1.12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、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度系統或站內相應的操作命令。

圖21遙控功能

5.1.13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22曲線查詢

5.1.14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點的發電、用電、充放電情況，即該節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量交換進行統計分析；對系統運行的節能、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23統計報表

5.1.15網絡拓撲圖

系統支持實時監視接入系統的各設備的通信狀態，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，發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24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。

5.1.16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等通信規約。

圖25通信管理

5.1.17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）。可以定義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26用戶權限

5.1.18故障錄波

應可以在系統發生故障時，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27故障錄波

5.1.19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、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。啟動事件和監視的數據點可由用戶隨意修改。

5.2硬件及其配套產品

6結束語

本文針對一種智慧光伏儲能充電樁提出了一種簡單易用的實時能源管理策略。通過分析電能流經途徑，使用較高效率傳輸路徑，并充分利用峰谷差價合理規劃了光儲多能互補平臺下的儲能充電管理策略。經過分析計算，該策略能充分發揮光伏、儲能的作用，降低充電樁使用成本，提高經濟性。

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作者介紹：
任運業，男，現任職于安科瑞電氣股份有限公司。