基于微电网的户用储能系统研究

2023-10-17谭德权欧明文

船电技术 2023年10期

关键词：户用电池组储能

戴璐，谭德权，欧明文

应用研究

基于微电网的户用储能系统研究

戴璐，谭德权，欧明文

（湖南电气职业技术学院，湖南湘潭 411100）

为了更好地协调和控制以家庭为单位的微电网能量利用，对基于微网的户用储能系统进行研究。针对户用储能系统中的工作模式、储能电池组容量配置、电池管理系统设计、能量管理系统设计进行研究，并通过挂网试运行进行测试验证。测试验证结果表明，所设计的户用储能系统对入户功率具有有效可靠的调节能力，能高效的进行能量控制。

微电网户用储能能量管理电池管理系统（BMS）试验验证

0 引言

近年来，近年来国内外的户用储能市场开始井喷，尤其是国外市场已经非常火热。户用储能系统相当于一个小型的储能电站，在用电低峰时段，可对其中电池组进行充电，用以在用电高峰时段或断电情况下使用，从而达到削峰填谷的效果，同时可以用来均衡家用用电负荷，节省家庭电费开支。结合各城区及城市电网可形成微电网，实现离/并网的双模式运行，根据负荷、储能能量、电网、和电价进行运行策略的调整，来实现系统运行优化和用户收益最大化。因此，对户用储能系统相关关键技术研究具有重大意义和经济价值，也符合国家的“双碳”政策和目标。

当前国内外相关研究机构均对户用储能系统开展了相关研究，已有部分项目完成了成功试点。

文献[1-3]介绍了储能系统的作用与分类，也展望了储能系统的前景和优势。针对基于光伏并网发电的户用储能系统，文献[4]从经济性角度进行了分析，指出了随着光伏上网电价下降，储能系统经济性优势上升，具有长远经济效益。文献[5-6]对储能控制系统和能源管理系统进行研究，优化了控制算法，提高了系统控制效率，能源管理装置实现体积小、功耗低、操作易等特点，展现出良好的市场应用前景。文献[7-9]针对高比例户用光伏并网环境进行研究，通过控制策略改进，实现储能及通信网络的协同规划，抑制光伏直流母线电压波动程度，有效缓解光伏并网造成的电压越限问题，促进高比例户用光伏的消纳。文献[10]分析了当前户用光伏配置储能系统的市场现状，从用户收益最大化的角度出发，对其容量配置和简单的经济性计算方法的计算方式进行了设计。针对电力偏远以及冬季光能偏少地区，户用储能系统可结合区域电网工作，实现削峰填谷的作用，光储系统成本偏高，基于此文献[11-14]针对电网削峰填谷的需求，对其控制策略以及电池配置的经济性进行了研究，为户用储能更好的应用与推广打了更进一步的基础。

为了更好地协调和控制以家庭为单位的微电网能量利用，本文对基于微电网的户用储能系统关键技术进行研究。

1 户用储能系统

户用储能系统可划分为离网、并网、并离网切换型三类。并离网切换型应对不同工况和抗外部干扰能力强，供电可靠性高，并且具有灵活的管理系统。可根据电网、负荷、储能及电价进行运行策略调整，用电低谷期自行充电，以备用电高峰或断电时使用，提高了用户的收益。

图1 交流并网拓扑

图2 直流并网拓扑

并离网切换型户用储能系统主要构成部件有双向储能变流器、储能电池组、并网及计量设备、公共电网、负载设备、光伏组件。目前储能系统拓扑结构方式可分为交流并网型和直流并网型两类。

图1和图2分别为两种并网类型的拓扑结构，户用储能系统根据容量配置级别，通常采用直流耦合拓扑结构，并且方便接入光伏扩展组件。

2 关键技术研究

针对户用储能系统关键技术的研究，本文从系统工作模式、储能系统容量配置、电池管理系统（BMS）、能量管理系统（EMS）等方面开展研究。

2.1 系统工作模式

户用储能系统存在充电、放电以及待机三种工作模式，通过对储能系统以及各用电负荷运行状态的检测，进行不同模式切换。在未接入光伏的运行情况下，户用储能系统的工作模式主要依据家庭负载总功率以及电池SOC情况作为控制切换条件。

图3 供电模式一

如图3所示，设定家庭总负载功率P，当家庭所有负载的功率处于P范围内时，户用储能系统投入供电模式一（充电模式），家庭所有负荷全部由市电供电，同时通过高电对储能系统组进行充电，直至充满或高于SOC上限值时，系统切换为待机工作模式。

图4 供电模式二

如图4所示，当家庭所有的负载功率超过P时，户用储能系统投入供电模式二（放电模式），家庭所有负荷由储能系统和市电同时供电，直至电池量较低或低于SOC下限值时，提示降低输出功率至P以下，系统切换为待机工作模式。

2.2 储能电池组容量配置

在储能电池组的容量配置上，主要考虑两个因素：（1）根据用户用电的整体需求，对储能电池组的容量配置进行分析与确定。户用储能系统容量主要根据户用总负荷大小决定，需保证特殊情况下必要用电设备的正常运行，所以在配置容量时，需考虑系统的自给时间，即离网户用储能系统在没有任何外界能量来源时，仅由储能电池组进行电能输送，仍可保证所有设备正常运行的时长。（2）储能电池通过串并联组合实现所需的电压等级和储能容量，串并联方式需要依据实际需求合理设置。

具体计算公式如下：

式中，为储能系统配置的总能量（kWh），为系统中储能电池组的额定容量（Ah），Q为电池单体的额定容量，为电池组的额定工作电压，V为电池的单体额定工作电压，串和并分别为储能电池组的串、并联数量。

2.3 电池管理系统设计（BMS系统）

BMS系统由电池组的管理终端BMU和电池单体管理终端BCU组成两级构架，如图5所示。

图5 BMS构架框图

BCU作为储能系统的基础管理功能单元，主要负责电池单体中电量、温度、电流、电压等信息进行采集，并通过通讯将采集的数据上传给BMU。BMU通过对BCU上传的数据进行整理和分析，下发控制指令，实现电池单体之间SOC均衡，并适配合理的温控策略，对出现异常的电池组发出报警进行保护。

BMS系统对电池组的控制功能主要有：对电池单体的温度、电流和电压进行检测，同时与储能变流器以及上位机进行通信，可对电池组提供过充、过放、过流、过温、适中保护及告警等功能。

2.4 能量管理系统设计

户用储能系统中EMS的设计一般采用户用能量管理系统（HEMS）模式，这种模式在结构上对分散型用户具有较好的适配性，每户储能系统独立构成，其网络结构如图6所示。采集模块输送实时能量信息至EMS控制核心，并储存于数据库，控制器通过对数据分析处理，选取最优控制策略，对储能系统进行管理。用户可通过人机交互界面、移动终端查询系统相关信息，并可以对储能系统进行操作。EMS可以与电网进行双向的信息交互，上传本地的用电信息，下载实时电价。图中标黄部分可根据系统大小及需要进行扩展，本项目中未涉及。

图6 EMS网络结构

3 测试验证

为验证在有限的电网可用容量下，户用储能系统对用户日常用电安全可靠性能的保障，以户用储能系统辅助电网对空气源热泵供电为试验运行工况，进行挂网测试验证。本文以某村储能接入项目为试验平台，每户电网入户功率限额定为3 kW，储能组电池容量为3 kWh，试验时间为4个月，主要对冬季用电情况进行跟踪。

3.1 功能性验证

储能设备本地采集到的试验数据如图7所示，其中图7（a）为每日入户功率和负载功率峰值曲线，图7（b）为每日蓄电池充放电峰值曲线，图7（c）为每日蓄电池SOC最低值曲线，图7（d）为每日用电量曲线。可知家庭实际负载功率峰值在12月8日、12月15日、1月4日、1月21日等日期多次达到4.4 kW以上，在储能设备作用下，入户功率基本限制在4.0 kW以下，在12月8日达到用电量最大值66 kWh。

由图7（a）可知，负载功率峰值的最大值为5.424 kW，数据曲线如图8所示。在储能设备的作用下，入户功率被有效限制在3.3 kW以内。图8（d）为不同储能容量对应的理想入户功率限制值，以二者平方和最小为优选值，对于现有3 kWh电池容量（考虑20%放电深度），可实现的最小入户功率值2.953 kW。

可以分析得出用户家庭实际负载功率峰值在试验期间内多次达到4.3 kW以上，在储能系统及设备的作用下，入户功率基本不超过3.3 kW，验证了户用储能系统入户功率限制的有效性，初步实现预期效果。