面向智能台区的风光储充能量管理策略

高建东，黄柳柳，沈 捷，王林青，陈宝塔

（1.浙江华云清洁能源有限公司，杭州 310002；2.杭州平旦科技有限公司，杭州 310011）

0 引言

近年来，随着汽车充电桩安装数量的增多，给台区带来负荷峰期，导致台区容量不足，造成台区配电变压器过载、线路及变压器的损耗增加等问题[1-6]。合理的辅助电源是实现智能台区汽车充电与电网之间协调发展的关键[7-11]。风、光新能源发电系统能够将台区的自然资源转化为稳定的电源，储能系统的充放电特性能够实现台区供需平衡、提升新能源的并网空间、降低对电网的不利影响[12-17]。因而，设计适用于风光储充系统的能量管理策略对于协调台区经济、能源与环境的平衡发展有着重要的理论价值和实践意义。

目前已开展了针对系统能量管理策略的相关研究。文献[18]针对于并网运行的风光储微电网系统，提出了一种含多类储能的并网型风光储微电网的能量管理方法；文献[19]进行了计及电动汽车充电负荷的微电网能量优化调度研究，根据微电网的并网和孤岛两种运行模式及电动汽车的不同入网方式，定制了含电动汽车的微电网运行控制策略；文献[20]在太阳能与风能具有天然互补优势的地区，引入储能系统并结合优化的蓄电池储能控制策略，提出了考虑蓄电池记忆效应的风光储混合系统控制策略；文献[21]提出了含混合储能的微电网孤网运行能量管理策略。但上述研究中的这些能量管理策略均不完全适用于智能台区的风光储充系统，因此构建一套适用于风、光、储、充多系统接入，并网、孤岛两种运行模式的能量管理策略具有重要意义。

本文设计了一套面向智能台区的风光储充能量管理策略，针对智能台区的情况，在EMS（能量管理系统）中运行相关能量管理策略，实现风光储充系统的能量平衡以及能量的有效利用。

1 能量管理策略设计

风光储充系统的EMS 在不同模式下运行系统自平衡、削峰填谷、逆功率保护以及孤网运行等相应能量管理策略，实现能量的平衡及有效利用。并网模式下，在日间光伏及风力发电系统的发电功率较大且负荷较大时采用系统自平衡策略；在夜间新能源发电功率较小且负荷较小时采用削峰填谷策略；为使微电网系统不对电网产生干扰，运行逆功率保护策略。当出现外部电网失电情况时，系统会启动孤网运行模式，确保微电网系统的正常运行。

策略变量定义如下： 负荷实时功率为P1，光伏实时发电功率为P2，储能实时充放电功率为P3，并网点实时功率为P4，储能充放电功率下设值为P3′，储能充放电功率计划曲线值为Pschedule，光伏发电功率下设值为P2′，电池荷电状态为SOC，最小SOC 限制值为SOCmin，最大SOC 限制值为SOCmax，系统自平衡限制值为PowerSet_SB，逆功率保护限制值为Reverse Power，离网储能最小SOC 限制值为offSOCmin，离网储能最大SOC限制值为offSOCmax。

1.1 系统自平衡

系统自平衡策略在保证安全运行的前提下，以全系统能量利用效率最大和运行费用最低为目标，在负荷高峰期时，优先使用可再生能源和储能系统电能，不够时再由电网补充，实现多能源互补，保证整个微电网的经济最优运行。

系统自平衡策略基于当前储能的SOC 状态以及光伏运行状态，通过调节储能充放电功率P3′以光伏的发电功率P2′，将并网点功率P4维持在PowerSet_SB，其调度流程如图1 所示。

1.2 削峰填谷控制策略

削峰填谷策略读取负荷峰谷时间段定制的功率计划曲线，并基于当前储能的SOC 状态，控制储能的充放电功率P3′，其调度流程如图2 所示。

图1 系统自平衡流程

图2 削峰填谷控制流程

1.3 逆功率保护

逆功率保护策略能够防止风光储充系统向外倒送电，并同时具备低频、低压解列的功能，提高系统运行的安全性。结合实时监测系统信息，基于当前储能的SOC 状态，通过控制储能系统充放电功率P3′，将并网点功率P4控制在Reverse Power 之内，从而保护系统。其调度流程如图3所示。

图3 逆功率保护流程

1.4 孤网运行

孤网运行策略实时监测系统并网状态信息，当出现电网掉电时，将系统切换为离网运行模式，并实时监测储能系统与光伏系统的状态信息，通过调节光伏系统的发电功率P2′以及储能系统的开关机状态，实现对微电网系统交流充电桩以及路灯等负荷的供电。其调度流程如图4 所示。

2 系统运行结果及分析

2.1 系统运行结果

以舟山定海某台区风光储充系统为例，该系统由10 kW 风力发电系统、10 kW 光伏发电系统、50 kW/100 kWh 储能系统、1 个60 kW 直流充电桩、2 个7 kW 交流充电桩以及路灯等负载组成。系统一次接线如图5 所示。

风光储充微电网系统总负荷功率曲线如图6所示。新能源发电功率曲线如图7 所示。

图4 孤网运行流程

图5 系统一次图

图6 负载功率曲线

图7 新能源发电功率曲线

图8 并网点功率（无储能）曲线

若无储能及能量管理策略进行协调，系统只存在新能源和负载，此时并网点功率曲线如图8所示。由图8 可知： 在7:30—11:30 和19:00—22:00峰时，系统的用电功率较大；而在11:30—15:00区间，由于负荷较小、新能源发电功率较大，产生了逆功率。根据上述情况制定并网运行策略计划如表1 所示。

表1 并网运行策略计划

其中，系统自平衡限制值PowerSet_SB 设为6 kW，逆功率保护限制值Reverse Power 设为0。削峰填谷设定功率计划曲线如图9 所示，23:00—23:59 和00:00—06:59 设置8 kW 的充电功率，19:00—21:59 设置10 kW 的放电功率，其他时间设为0。离网最小SOC 限制值offSOCmin设置为5%。

图9 储能计划曲线

并网策略运行效果（系统自平衡、削峰填谷、逆功率保护）如图10、图11 所示。

图10 储能运行实时功率曲线

图11 实时负载与并网点功率曲线

2.2 运行结果分析

2.2.1 系统自平衡

图11 中时段7:00—16:59 为并网点功率曲线采用系统自平衡策略的效果，期间EMS 不断调节储能的充放电功率（如图10 所示），实现了系统的稳定运行和新能源的高效利用。

表2 中11:00，12:20，16:20 三个时间点，通过调节储能的充放电功率使并网点功率维持在设定的PowerSet_SB 值附近（如表3 所示）。

表2 无系统自平衡策略的运行结果kW

表3 系统自平衡策略下的运行结果kW

2.2.2 削峰填谷

由图10、图11 可知，通过调节储能系统的充放电，在时段23:00—23:59 和00:00—06:59 实现了填谷，在时段19:00—21:59 实现了削峰。

表4 中00:00，20:20，23:30 三个时间点，通过运行功率计划曲线实现了削峰填谷（见表5）。

表4 无削峰填谷策略时的运行结果kW

表5 削峰填谷策略下的运行结果kW

2.2.3 逆功率保护

在19:00—21:59 这个放电阶段，系统进行了实时的逆功率保护。如表6 中21:40 和21:50 两个时间点，在储能放电时，通过调整储能的放电功率使并网点功率均大于Reverse Power（见表7）。

表6 无逆功率保护策略时的运行结果kW

表7 逆功率保护策略下的运行结果kW

2.2.4 孤网运行

如图12 所示，9:00 进入孤网状态，储能PCS（变流器）根据当前系统的功率自动控制储能系统进行充放电，同时EMS 会根据SOC 值对PCS 以及光伏系统进行启停机控制。如表8 中09:00 和11:30 两个时间点随着储能系统的放电，SOC 不断减小，17:00 时储能系统由于SOC＜offSOCmin，储能停机，系统停运。

图12 孤网运行功率曲线

表8 孤网运行下的实时值

3 结语

为实现台区风光储充系统的能量平衡以及能量的有效利用，本文构建了一套适用于风、光、储、充多系统接入的能量管理策略。在并网模式下，采用系统自平衡、削峰填谷相结合的策略，同时运行逆功率保护策略，实现了新能源发电的有效利用，减少了微电网系统对电网产生干扰；在离网模式下，采用孤网运行策略，利用新能源与储能的剩余电量为负载供电。

通过在试验区的运行验证了所提风光储充能量管理策略的有效性。平滑了并网点功率曲线，降低了功率波动对电网的影响；实现了台区扩容，在负荷高峰期能够多容纳50 kW 的峰值负荷；平稳有效地增加了电网对风光新能源发电的吸纳能力。通过本文策略构建的风光储充微电网系统，增强了台区的稳定性，促进了智能台区负载、电网两者之间的协调发展。