智慧光储充一体化能源管理策略

0引言

我国电动汽车的数量正在持续增长，然而，充电设施的发展却相对滞后，车与充电桩的比例远未达到规划目标。充电桩的建设面临着电网增容困难和盈利模式单一的问题。"光-储-充"一体化设备能够有效解决这些问题，通过夜间储能、日间放电以及光伏发电来降低成本，提高经济效益。目前，现有的能源管理策略主要依赖于优化算法，但这些算法需要进行预测并拥有强大的计算能力，这使得它们并不适用于资源有限的嵌入式系统。本文提出了一种适用于嵌入式系统的光储充能源管理策略。

1智慧光伏储能充电桩架构

智慧光伏储能充电桩由光伏板、储能电池、充电系统和能源管理系统组成。

1.1光伏板

光伏板应安装在光照充足的地方，例如屋顶，并通过DC/DC转换模块连接至直流母线以供电。这种方案直接利用直流系统供电，省去了传统光伏发电中的逆变上网步骤，从而提高了能源转换效率，并实现了“源-荷-储”一体化微电网。

1.2储能电池

充电桩设备对功率和能量密度的要求较高，锂离子电池，尤其是磷酸铁锂电池，凭借其长循环寿命、高效率、出色的热稳定性和安全性，已成为理想的储能解决方案。在“光-储-充”系统中，储能电池连接直流母线以维持电压，并通过功率变换器与电网、光伏系统以及电动汽车进行能量交换。

1.3充电系统

传统的直流充电桩通常通过并联多个交流/直流（AC/DC）转换模块，从市电中获取电力进行供电，并通过控制板来实现充电控制等功能。本系统除了利用AC/DC模块实现快速充电外，还能够通过直流/直流（DC/DC）转换模块，从光伏发电或储能系统中获取电力，为运营商提供一种更为经济的尖峰用电解决方案。

1.4能源管理系统

能源管理系统致力于控制、平衡和优化电网、储能设施以及充电桩的电能供需关系，具备峰谷用电管理和配网增容的应用价值。该系统由本地控制器组成，包括单片机、数字信号处理器（DSP）、可编程逻辑控制器（PLC）等，用于管理功率变换器及其辅助功能，并通过远程通信与云平台相连，以接收指令。本地通信采用RS485、CAN总线以及高压电气隔离技术，以增强抗干扰能力和通信稳定性。远程通信则可选用以太网或LTE接口，便于增加通信主机的种类和数量。

2能源管理策略

能源管理策略的制定基于经济性原则。鉴于系统采用单片机进行控制，其实时计算资源有限，难以执行计算要求较高的算法，例如遗传算法和粒子群优化算法。因此，必须采用资源占用较少且便于编写单片机代码的策略。

2.1模型分析与简化

该模型涉及多个因变量，因此需要简化以降低计算的复杂性。能源的流向和效率主要由各级功率转换模块的平均效率决定，转换环节越多，整体效率越低。在储能侧，由于转换环节较多，转换效率相对较低。在市电向车辆供电时，应优先选择路径a-1-c，以避免净流量同时流经P2和P3线路。根据光储系统的净流量大小，可以分为三种情况：光储净流入、光储净流出以及光储净流出上网或充电。以2号双向功率变换器的实时输出功率为例，这三种情况有助于解决母线功率在2号和3号变换器之间的功率分配问题，从而优化能源管理策略。

2.2储能管理策略

从经济学角度分析，我们需要考虑以下几个因素：

1) 光伏作为一种清洁的可再生能源，其发电过程中没有电价成本，因此应当尽可能地加以利用；

2) 由于峰谷电价差异较大，用电成本随之变化。利用储能电池在谷电时段充电、在尖峰时段放电，不仅可以获得较高的经济效益，还能显著降低充电桩的使用成本。

为了利用光伏发电，光伏功率变换器采用了功率点跟踪（MPPT）控制技术，其输出功率受到实时日照条件的影响，并能够实时测量。电动汽车的用电需求Pc虽然是随机的，但可以被视为已知条件。系统的实时功率状态可以通过控制储能充放电功率Pd或市电联络线功率Pa来求解。储能功率Pd的控制包括待机、快速充放电或慢速充放电模式。为了实现经济效益，储能系统遵循峰谷时段的调整策略，即在谷电时段进行充电，在峰电时段进行放电，并规划充放电的时长。在夜间谷电时段，慢速充电有助于延长电池的使用寿命。储能充放电功率Pd等于规划的充放电量除以规划的充放电时长。

3算例

以下将以安装在华东地区某商业办公园区内的一台智慧充电桩为例，结合前述分析进行规划与计算：

3.1光伏输出功率假设

光伏输出功率参考了华东某地区某晴朗日子里光伏系统的运行数据。

3.2电动汽车负荷

充电桩的负荷难以预测，因为它受到地理位置、用户习惯等多种因素的影响。以多辆非通勤车辆在高峰时段满功率60kW充电为例，设定的充电时间分别为早高峰（9:00-9:30）、午高峰（12:30-13:30）和晚高峰（19:30-20:00）。

3.3储能使用

根据浙江省的分时电价政策，我们制定了相应的储能策略，采用“一天两充、两放”的模式来规划充放电量。为了保护电池的使用寿命，我们将充电量控制在10%至90%的区间，并预留一定的过充和过放空间。鉴于午间低谷时段较短，我们计划在该时段进行40%的补电，而在高峰时段使用40%的电量。根据各个时段的用电和充电量以及持续时间，我们计算出储能系统的功率需求，确保满充电量达到51.2千瓦时(kW·h)。

3.4计算结果

系统依据信息计算得出，光伏系统的峰值发电能力为20千瓦（kW），储能系统在一天内完成两次充电和两次放电，放电倍率约为0.4C，主要集中在夜间19点至21点的高峰用电时段。大功率充电桩的负荷引发了市电网供电的波动，然而，光伏和储能系统的协同作用使得市电需求降低至50千瓦（kW），以满足60千瓦（kW）的车辆充电需求。在经济层面，光伏系统当日的发电量为135千瓦时（kW·h），节省了99.8元的费用；充电桩的充电量为120千瓦时（kW·h），收入161.6元，用户支付的用电成本为101.6元，服务费净收入为60元。光伏和充电桩的总净收入为159.8元。在储能系统参与后，收益增加至204.5元，增长了28%。

4 Acrel-2000MG充电站微电网能量管理系统

4.1平台概述

Acrel-2000MG微电网能量管理系统，由我司自主研发，旨在满足光伏、风力发电、储能系统以及充电站的接入需求。该系统集监控与能量管理功能于一身，基于安全稳定的前提下，致力于实现经济优化运行。它不仅促进可再生能源的广泛应用，提升电网的稳定性，还能够实现需求管理，有效消除峰谷差，提高设备效率，并降低运营成本。系统采用分层分布式结构，涵盖设备层、网络通信层和站控层，并支持多种通信协议。

4.2平台适用场合

系统适用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、智能建筑、海岛及无电地区的可再生能源监控和能量管理。

4.3系统架构

本平台的设计采用了分层分布式架构，包括站控层、网络层和设备层。具体的详细拓扑结构如下所示：

典型微电网能量管理系统组网方式

5充电站微电网能量管理系统解决方案

5.1实时监测

微电网能量管理系统的界面设计直观易懂，能够实时展示电气回路的当前状态。系统监测包括光伏、风电、储能和充电站在内的多种电参数，如电压、电流和功率等，并实时监控断路器、隔离开关的状态以及故障信号。此外，该系统还负责管理分布式电源和储能系统，提供发电单元的详细信息、收益情况、荷电状态以及运行功率的设置。对于储能系统，它还执行状态管理，包括荷电状态告警和电池维护。监控界面呈现了微电网的组成、收益、天气情况、节能减排效果、功率、电量以及电压和电流信息，并支持自定义显示充电、储能和光伏系统的相关信息。

系统主界面

子界面包含系统主接线图、光伏、风电、储能、充电站信息，以及通讯状况和统计列表等。

5.1.1光伏界面

光伏系统界面

本界面呈现了光伏系统的详细信息，涵盖了逆变器的运行状态监控、报警机制、发电量的统计与分析、并网柜的实时监测、年有效利用小时数的统计、收益情况、碳减排的统计、环境监测数据、功率模拟以及效率分析。此外，还展示了系统的总功率、电压和电流数据以及逆变器的运行参数。

5.1.2储能界面

储能系统界面

该界面主要用于显示系统的储能容量、当前充放电状态、收益情况，以及SOC和电量变化曲线。

储能系统PCS参数设置界面

本界面用于设置PCS参数，包括开关机、运行模式、功率设定及电压电流限值。

储能系统BMS参数设置界面

本界面用于设置BMS参数，包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流和温度限值。

储能系统PCS电网侧数据界面

本界面展示PCS电网侧的相关数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等指标。

储能系统PCS交流侧数据界面

本界面展示PCS交流侧的数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等关键指标。此外，它还能够针对交流侧的异常信息进行实时告警。

储能系统PCS直流侧数据界面

本界面展示PCS直流侧的相关数据，包括电压、电流、功率和电量等关键指标。此外，它还能够对直流侧的异常情况进行实时告警。

储能系统PCS状态界面

本界面展示PCS的状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态以及STS故障告警等。

储能电池状态界面

本界面展示BMS（电池管理系统）的状态信息，涵盖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，它还显示当前储能电池的SOC（电池荷电状态）信息。

储能电池簇运行数据界面

本界面呈现电池簇的详细信息，涵盖各个模组电芯的电压与温度数据，同时展示当前电芯的电压、温度读数及其所在位置。

5.1.3风电界面

风电系统界面

本界面呈现风电系统的详细信息，涵盖逆变控制一体机的直流侧与交流侧运行状态监控及报警功能，逆变器与电站发电量的统计分析，电站年有效利用小时数，发电收益，碳减排量统计，风速、风力及环境温湿度的监测，发电功率模拟与效率分析，以及系统总功率、电压电流和各逆变器运行数据的展示。

5.1.4充电站界面

充电站界面

该界面呈现充电站系统的详细信息，涵盖总功率、交流与直流充电站的功率及电量、费用等关键数据，并展示相关的变化趋势图和实时运行数据。

5.1.5视频监控界面

微电网视频监控界面

本界面主要展示系统接入的视频画面，并通过多样化的配置选项，实现视频的预览、回放、管理及控制功能。

5.1.6发电预测

系统应能够利用历史发电数据、实时数据和天气预报进行短期及超短期的发电功率预测，并展示预测的准确率及误差分析。基于此，用户可以手动或自动地生成发电计划，以实现对新能源发电的集中管理。

光伏预测界面

5.1.7策略配置

系统应能够根据发电数据、储能容量、负荷需求以及电价信息，设定运行模式和控制策略，例如削峰填谷、周期性计划等。这些策略将根据项目的具体情况（如储能柜数量、负载功率、光伏能力等）进行适配和调整，并支持满足定制化需求。

策略配置界面

5.1.8运行报表

应能查询子系统、回路或设备的时间运行参数，报表应展示电参量信息，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、正向有功电能以及尖峰、平谷时段的电量。

运行报表

5.1.9实时报警

系统必须具备实时报警功能，能够监测子系统中逆变器和双向变流器的启动、关闭等遥信变位，以及设备内部的保护动作或事故跳闸，并及时发出告警。系统应实时显示告警和跳闸事件，包括事件名称和动作时刻，并通过弹窗、声音、短信和电话等多种方式通知相关人员。

实时告警

5.1.10历史事件查询

应能存储和管理遥信变位、保护动作、事故跳闸等事件记录，涵盖电压、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、气压越限等信息，以便用户追溯系统事件和报警，进行查询统计和事故分析。

历史事件查询

5.1.11电能质量监测

可对微电网电能质量进行持续监测，包括稳态和暂态状态，以便管理人员实时了解供电情况，及时发现并消除不稳定因素。

1）供电系统主界面应实时展示监测装置的通信状态、电压总畸变率、三相电压不平衡度以及各序电压值，同时显示三相电流不平衡度和各序电流值。

2）电能质量监测：系统应实时呈现三相电压和电流的总谐波畸变率，包括奇次和偶次谐波畸变率，并以柱状图形式展示2-63次及0.5～63.5次间谐波的含有率。

3）电压波动与闪变：系统应展示A/B/C三相电压波动、短闪变、长闪变值，并提供相应的曲线；同时显示电压偏差与频率偏差。

4）功率与电能计量：系统应显示A/B/C三相的有功、无功和视在功率；并展示三相总功率、总功率因素；提供日和年有功负荷曲线。

5）电压暂态监测：在电能质量暂态事件发生时，如电压暂升、暂降或短时中断，系统应发出告警，并通过弹窗、闪烁、声音、短信或电话等方式通知相关人员。同时，系统应允许查看事件发生前后的波形。

6）电能质量数据统计：系统应能显示每分钟统计过去两小时的平均值、MAx、Min、95%概率值和方均根值。

7）事件记录查看功能：事件记录应包括事件名称、状态、波形号、越限值、故障持续时间和发生时间。

微电网系统电能质量界面

5.1.12遥控功能

可以远程操控微电网系统中的设备。维护人员利用主界面执行操作，按照预设、校验、执行的流程，确保及时响应调度或站内指令。

遥控功能

5.1.13曲线查询

在曲线查询界面，您可以直接查看包括三相电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC（状态电荷）、SOH（健康状态）以及充放电电量变化等电参量的曲线。

曲线查询

5.1.14统计报表

该系统支持定时抄表和汇总统计功能，允许用户查询任意时间段内配电节点的发电、用电和充放电数据，包括进线用电量和分支回路消耗的统计分析。同时，它还能分析微电网与外部系统的电能量交换、系统节能和收益情况，以及供电可靠性，包括年停电时间和次数。此外，系统还提供并网型微电网并网点的电能质量分析功能。

统计报表

5.1.15网络拓扑图

系统实时监控设备的通信状态，并展示网络结构；在线诊断故障，自动显示故障设备或元件及其具体部位。

微电网系统拓扑界面

本界面展示微电网系统的拓扑结构，涵盖系统构成要素、电网连接模式、断路器、计量设备等详细信息。

5.1.16通信管理

微电网系统能够有效地管理设备通信、控制以及实时监测数据。维护人员可以通过主程序的右键功能启动通信管理，选择相应的启动端口，从而快速查看设备的通信状态和数据。该系统支持多种通信协议，包括ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等。