浅谈光储充微电网能量管理系统的设计与应用

摘要：随着能源需求的不断增加和环境问题的不断加剧，清洁能源逐渐受到人们的重视。微电网作为一种新兴的电力系统，具有可靠性高、灵活性强、能源利用率高、环保节能等优点，被广泛应用于现代化的城市化进程中。微电网系统能够将传统的中央电网与分布式电源有机地结合在一起，形成一个自包含、自主控制的小型电网系统，提高了能源的利用效率和电网的稳定性。本研究的主要目的是探索一种有效的微电网系统设计和优化方法，以提高系统的能源利用效率和电网的稳定性。

关键词：微电网系统；系统设计；系统优化

0 引言

随着新能源技术的不断发展，微电网系统已经成为可再生能源和能源存储技术的重要应用。微电网系统的设计与优化是一个复杂的工程，需要考虑多个方面的因素。微电网系统的设计应该从能源产生和消耗的模式出发，根据实际情况选择合适的能源发电装置，也要考虑到能源消耗的模式，需要根据实际需求选择合适的设备。在这一过程中，需要特别关注设备的品质和可靠性，以保证系统的可靠性和稳定性。微电网系统的优化也是一个非常重要的方面，需要根据实际情况和预测的能源产生与消耗情况，对系统进行优化设计，以较大程度地提高系统的效率和可靠性。在优化过程中，需要考虑到系统的能量存储和能量平衡等因素，以保证系统在不同负载下的正常运行。

1 微电网系统基本概念和组成

1. 1　微电网系统的基本概念

微电网又称微型电网或分布式电源系统，是指在一个局部范围内，以可再生能源发电为主、能源存储和传输技术为辅的电力系统，能够独立于传统的大型电力系统运行，满足局部电力需求，并具有与外部电网互联的能力［1］。微电网通常由分布式发电系统、能量存储系统、智能电网控制系统等组成。与传统的集中式电网不同，微电网可以更好适应当地的用电需求，在能源的供给和需求上更加灵活，使得能源利用更加有效、经济和环保。微电网可以用于独立建筑物、封闭校园、工业园区、孤立地区等。与传统的中央化电力系统相比，微电网系统更具有灵活性和可靠性，并且更适合于应对气候变化、自然灾害和其他突发事件等情况。微电网基本结构图如图1所示。

图1　微电网结构图

1. 2　微电网系统的组成

微电网系统由多种设备和技术组成，主要包括分布式能源设备、储能设备、控制系统、变流器、电力设备和智能电表等。分布式能源设备包括太阳能光伏发电、风力发电、水力发电和生物质发电等，能够实现对可再生能源的利用和转换。储能设备包括电池储能系统、压缩空气储能系统和电容储能系统等，能够对能量进行储存和释放，提高电网的稳定性和可靠性。控制系统包括运行控制系统和保护控制系统，能够对电力设备进行准确控制和保护，确保电网的稳定运行。变流器主要用于将直流电能转换为交流电能，实现对电力设备的接入和输出。以风力发电系统中的变流器为例，其内部结构如图2所示，可借助IPM模块对变流器的网侧、机侧进行构建，通过 450V 对直流电容进行电解，使用两串联、四并联的方式可有效提高系统的容量。借助温度传感器可以对变流的 IPM 温度进行测，实时观察温度的变化。

图2　变流器内部结构

电力设备包括发电机组、变压器、电缆和开关设备等，能够实现对电力的输送、转换和控制。智能电表是一种高精度的电力计量设备，能够实现对电能的准确计量和数据监测，便于对电力服务进行管理和优化。

2 微电网系统的设计

2. 1　微电网系统的设计路线

微电网系统的设计涉及到多个领域的知识，包括电力系统、电子电气技术、控制理论、能源经济等。因此，微电网系统设计的技术路线需要涉及多个方面，包括系统规划、系统分析、系统设计、系统实施和系统优化等环节。首先，进行系统规划，明确微电网系统的建设目标和规模，确定系统的电源和负载需求，分析系统的可行性和经济性。其次，进行系统分析，考虑系统的电力负荷特征、电源供给情况、能源管理方式等因素，为系统设计提供基础数据。接着，进行系统设计，包括选择适合的电源技术、设计电网拓扑结构、确定控制策略和通信方案等。在系统实施阶段，需要进行设备选型和采购、设备安装和调试、系统联调等工作。最后，进行系统优化，对系统进行可靠性分析、性能评估、经济性分析和环保指标评估等，进一步提出优化方案，不断提高系统性能和经济效益。

2. 2　微电网系统的规划和布局

微电网是一种基于分布式能源系统的能量管理系统，可以通过整合太阳能、风能、储能和传统电力系统等多种能源形式来提供电力，具有很高的灵活性和可靠性。因此，在进行微电网系统规划和布局时，需要考虑能源源的选择、负载特性、储能系统、电力网络的拓扑及项目经济性等方面。首先，选择适合本地环境和资源的能源，例如太阳能、风能、生物质、地热能等。

其次，根据当地的电力需求和用电负荷特性，合理地配置负载类型和功率。选择合适的储能技术，例如电池、电容、压缩空气储能等，以确保微电网的可靠性和稳定性。另外，微电网系统可以采用各种不同的电力网络拓扑结构，如单电源微电网、多电源微电网、岛式微电网等等。因此，在进行微电网规划和布局时需要根据实际情况选择合适的电力网络拓扑。最后，还要从投资、运营和维护等方面对微电网系统进行经济性分析和评估，确保在规划和布局中兼顾经济、环保和可靠性等多方面的因素。

2. 3　微电网系统的拓扑结构设计

在微电网系统的设计中，拓扑结构是一个非常重要的因素。不同的拓扑结构将会导致不同的电力网络性能和可靠性。一种是单电源微电网，是一种简单的微电网系统，其由单一的能源源和负载组成。二种是多电源微电网系统，是由多个能源源和负载组成的系统，可以通过搭建多个能源源和多个负载之间的连接来构建。多电源微电网系统比单电源微电网系统更加灵活和稳定，允许系统在某些电源故障的情况下继续运行。三种是岛式微电网，是一种完全独立的微电网系统，可以在任何情况下独立地运行，也可以与传统电力系统相连接。岛式微电网系统一般由多个能源源、负载和储能系统组成，这些组件可以在岛式微电网系统内部和外部进行无缝连接。岛式微电网系统的较大优势在于其完全的独立性和可靠性，但是其建设、运行和维护成本也较高。

3 微电网系统的优化

微电网系统作为一种新兴的能源系统，已经在许多领域得到广泛的应用。为了提高微电网系统的效率和经济性，需要对其进行优化。

3. 1　微电网系统的性能评估

对微电网系统的性能评估是优化微电网系统的头一步。性能评估可以通过对微电网系统进行仿真和实验来实现。仿真是一种经济、快速、可重复的方法，可以提供微电网系统的建模和性能分析。实验则是验证仿真结果的有效性和可靠性的方法。微电网系统的性能评估主要包括微电网系统的能源利用效率、微电网系统的电能质量和微电网系统的可靠性、经济性等指标。微电网系统的能源利用效率是评估微电网系统性能的重要指标。因为微电网系统是通过发电机组、电池组、太阳能光伏电池、风力发电机等多种能源设备来提供电力需求的。微电网系统的电能质量是指供电系统的电压、频率和波形符合既定规范的程度。通过合理的控制和设计，可以减小电能质量波动的程度提高电能质量。微电网系统在运行中，需要保证系统的稳定性和可靠性。因此，系统故障率、可靠性指标和维护保养周期等指标是评估微电网系统可靠性的重要指标。微电网系统的经济性是指系统的建设和运行成本。评估微电网系统的经济性需要考虑成本和收益之间的平衡。这些指标的评估都可以通过仿真和实验来实现。仿真结果可以通过建立微电网系统数学模型，利用仿真软件进行模拟计算得到。

3. 2　微电网系统的容量优化

容量优化是指合理设计和配置微电网系统的发电机组、电池组、光伏电池、风力发电机等设备的容量，以较大限度地提高微电网系统的性能。微电网系统的容量优化需要考虑负荷需求、系统运行模式、资源适应性和经济性等因素。微电网系统的设计应根据负荷需求，合理确定和配置设备的容量。负荷需求的变化，需要根据实际情况进行相应的调整和优化。微电网系统的运行模式根据与外部电网连接关系，主要分为联网模式、孤岛模式。根据系统运行模式的不同，需要对设备的容量进行相应的配置和优化。微电网系统的容量优化应根据当地的资源情况进行适应调整。比如在光照条件较好的地方应优先考虑太阳能光伏电池等设备；在风力较大的地区应优先考虑风力发电机等设备。另外，微电网系统的容量优化也需要考虑经济性。需要在保证系统性能的前提下，尽可能地降低系统成本，提高经济效益。

3. 3　微电网系统的运行优化

微电网系统的运行优化是指通过优化微电网系统的运行方式和策略，从而提高微电网系统的效率和经

济性。微电网系统的运行优化需要考虑负荷调节、能源优化、电能质量控制及交互控制等因素。微电网系统的负荷需求是时刻变化的，因此需要通过负荷调节等措施来适应负荷变化。通过负荷调节控制，可使系统在不同负荷条件下保持稳定运行状态。微电网系统是由多种能源设备组成的，因此需要通过能源优化来达到很不错的能源利用效率。通过控制能源设备的启停和输出功率，可实现很不错的能源利用效率。微电网系统的电能质量是评估系统性能的重要指标之一。因此，需要通过适当的电能质量控制策略，使得系统的电能质量得到提高。微电网系统中的各种能源设备之间存在相互关系，因此需要通过交互控制，使得系统的运行更加稳定和可靠。

4 安科瑞Acrel-2000MG微电网能量管理系统

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，整天进行数据采集分析，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Modbus RTU、Modbus TCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT 等通信规约。

5 应用场所

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。

6 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

7 系统功能

7.1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、充电桩等各回路电压、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。

7.1.1.1 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。

7.1.1.2 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。

图 7 储能系统PCS电网侧数据界面

本界面用来展示对PCS电网侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。

图 8 储能系统PCS交流侧数据界面

本界面用来展示对PCS交流侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。

图 9 储能系统PCS直流侧数据界面

本界面用来展示对PCS直流侧数据，主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。

图 10 储能系统PCS状态界面

本界面用来展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。

图 11 储能电池状态界面

本界面用来展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。

图 12 储能电池簇运行数据界面

本界面用来展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的大、小电压、温度值及所对应的位置。

7.1.1.3 风电界面

图 13风电系统界面

本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、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、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、风速/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。

7.1.1.4 充电桩界面

图 14 充电桩界面

本界面用来展示对充电桩系统信息，主要包括充电桩用电总功率、交直流充电桩的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电桩的运行数据等。

7.1.1.5 视频监控界面

图 15 微电网视频监控界面

本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。

7.2发电预测

系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划，便于用户对该系统新能源发电的集中管控。

图 16 光伏预测界面

7.3策略配置

系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、防逆流、有序充电、动态扩容等。

具体策略根据项目实际情况（如储能柜数量、负载功率、光伏系统能力等）进行接口适配和策略调整，同时支持定制化需求。

图 17 策略配置界面

7.4运行报表

应能查询各子系统、回路或设备规定时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能、尖峰平谷时段电量等。

图 18 运行报表

7.5实时报警

应具有实时报警功能，系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位，及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警，应能实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。

图 19 实时告警

7.6历史事件查询

应能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度（锂离子电池）、压力（液流电池）、光照、风速、气压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

图 20 历史事件查询

7.7 电能质量监测

应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。

1）在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度和正序/负序/零序电流值；

2）谐波分析功能：系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电流含有率；

3）电压波动与闪变：系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值；应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线；应能显示电压偏差与频率偏差；

4）功率与电能计量：系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率；应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素；应能提供有功负荷曲线，包括日有功负荷曲线（折线型）和年有功负荷曲线（折线型）；

5）电压暂态监测：在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时，系统应能产生告警，事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员；系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。

6）电能质量数据统计：系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据，包括均值、大值、小值、95%概率值、方均根值。

7）事件记录查看功能：事件记录应包含事件名称、状态（动作或返回）、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。

图 21 微电网系统电能质量界面

7.8 遥控功能

应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作，并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。

图 22 遥控功能

7.9 曲线查询

应可在曲线查询界面，可以直接查看各电参量曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。

图 23 曲线查询

7.10 统计报表

具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的发电、用电、充放电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析；对系统运行的节能、收益等分析；具备对微电网供电可靠性分析，包括年停电时间、年停电次数等分析；具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。

图 24 统计报表

7.11 网络拓扑图

系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。

图 25 微电网系统拓扑界面

本界面主要展示微电网系统拓扑，包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。

7.12 通信管理

可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序，然后选择通信控制启动所有端口或某个端口，快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持Modbus RTU、Modbus TCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104 、MQTT等通信规约。

图 26 通信管理

7.13 用户权限管理

应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控操作，运行参数修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

图 27 用户权限

7.14 故障录波

应可以在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条，每条录波可触发6段录波，每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形，总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形。

图 28 故障录波

7.15 事故追忆

可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据，包括开关位置、保护动作状态、遥测量等，形成事故分析的数据基础。

用户可自定义事故追忆的启动事件，当每个事件发生时，存储事故前10个扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户规定和随意修改。

图 29 事故追忆

8 系统硬件配置

9 结束语

目前，全球能源结构正朝着清洁能源化、智能化、分布式化的方向不断发展，微电网系统作为一个能够实现清洁能源利用、智能化控制和分布式供电的系统，其市场前景非常广阔。而且，考虑到人口增长和城市化的趋势，以及能源效率和环境保护的需求，微电网系统将成为解决城市能源供需矛盾的重要手段。同时，随着新能源技术的逐步成熟和智能化技术的不断应用，微电网系统也将逐渐走向普及化。微电网系统的设计与优化重要性日益凸显，因此，要不断加大这方面的研究与技术创新，以提高微电网系统的能效和可靠性。

参考文献

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[3]安科瑞企业微电网设计与选型手册.2022.05版.