光储柴微电网的能量控制

光储柴微电网的能量控制

李雪

上海电气分布式能源科技有限公司，上海市，201101

一、背景

二十世纪末以来，随着全球气候变化问题的日益突显，碳减排问题逐渐受到人们的重视，世界主要发达经济体先后制定“碳中和”目标，并积极调整能源结构，降低化石燃料占比，为实现碳中和目标而努力。

以光伏、储能为代表的新能源市场迅速崛起，新能源在能源结构中的占比大幅提高，这对发展低碳经济、优化能源结构体系有着重要的现实意义。然而，高比例新能源电力系统是一个多时空尺度、多层级、多系统耦合的复杂系统，电压与频率等参数控制难度高，新能源靠天吃饭带来的出力不稳定增加了电力平衡难度，复杂海量的数据带来了网络安全隐患，如果不加控制，将会对电站自身性能造成明显影响，产生安全隐患。基于此，智能的能量控制措施是确保电站稳定运行的关键。

二、项目概述

基于耐高温高湿高沙环境的光储柴分布式微网系统，利用迪拜项目办公室场地、现有的柴发供电及配电系统，设计并建造了迪拜光储柴示范电站。示范电站包含400kW光伏发电系统，以及1MWh的电池储能系统，鉴于迪拜离网系统的实际需求，项目配置了EMS能量管理系统、实现微电网一体化、智能化控制。迪拜离网系统，主母线电压400V，主电源为储能系统，为系统提供电压与频率支撑，系统中辅助电源为光伏与柴油发电机。

三、能量管理系统

能量管理系统作为光储充微电网的“大脑”，提取项目中光伏、储能及柴油机等多种设备的关键特征，以高经济性为能管策略的目标，统筹分布式电源预测发电量、储能单元预测剩余容量、电网电价信息和预测本地负荷等核心数据，通过实时运行控制策略，实现整个能源系统的能量优化调度。

能量管理系统（EMS）具有多种作用，主要包括以下几个方面：

1）数据采集与分析：EMS收集储能系统的运行数据，进行分析和处理，以识别系统性能趋势，为系统优化和维护提供数据支持

2）通信与接口：EMS与其他系统（如电网调度系统、分布式能源管理系统等）进行通信，执行远程控制指令，实现储能系统与外部系统的互动。

3）监测与控制：EMS能够实时监控系统的运行状态，包括光伏发电功率、储能电池的充放电状态、温度、电压、电流等关键参数，并控制储能变流器（PCS）进行充放电操作，以保持电池在最佳工作状态。

4）优化调度：EMS根据电网需求、电池状态和成本等因素，优化微电网系统的充放电策略，提高能源利用效率，降低运营成本。

5）能量预测与规划：EMS可以根据历史数据和天气预报，预测电网负荷和可再生能源发电量，从而规划储能系统的运行策略。

四、能量管理系统控制策略

储能PCS以VSG模式运行作主电源支撑整个离网系统，然后柴油发电机根据实际工况联合供电或退出运行。

发电机承担一部分办公用电负荷（固定功率输出），光伏正常低功率启动以进行攀升，储能消纳光伏额外输出，光伏输出功率逐步达到峰值，此时光伏、柴发、储能以及办公室负荷达到动态平衡。当储能充满时，逐步限制柴发光伏功率输出，光储共同承担办公用电负荷。

在储能作为主电源模式即（VSG模式）时，系统均以最优经济性和最强稳定性为两大运行目标原则，由储能承担系统电压和频率。白天“柴、储”联合为负荷供电，实现经济化调度；夜晚以“柴、储”联合为负荷供电。

图1：光储柴控制策略示意图

白天：“柴光储”联合为负荷供电为运行主轴，光伏以负荷和储能最大充电能力为运行目标，储能系统运行于“弃光增发”模式，光伏余电为储能系统进行充电，当“柴光”系统无法有效满足负荷需求时，储能系统根据自身荷电量为负荷进行供电。

晚上：系统夜晚以“柴储”模式运行，当储能容量在设定的阈值区间内时，由储能系统单独为负荷供电；而当储能系统容量低于设置阈值时，由柴发和储能系统联合为负载进行供电。

当储能出现故障需要柴油发电机为主电源模式时，此时PCS需要根据当前运行模式切换为PQ模式，切换过程中综合考虑联络线功率、光伏输出功率、系统电压及频率等因素，在满足相应的阈值后进行切换；同理当需要柴发为主电源需求时，此时PCS需运行在VSG模式，柴发系统根据负荷及储能系统余量等自适应联合供电或退出运行，模式切换过程中需同样满足相应设定阈值后方能进行切换。

五、迪拜项目运行情况分析

1）夏季经济性分析

迪拜项目现场夏季炎热，办公用电负荷较大，根据夏季的日光伏总出力与储能系统运行电量数据计算项目燃油替代率。系统的2023年8月燃油替代率为47%，其计算公式为累计（光伏发电总量—储能自用电量—储能充放电损耗）/办公室总用电量。

截取8月12日-8月18日7天的运行数据进行分析，计算项目单日运行数据的燃油替代率。现场光伏出力在1800-2100kWh之间，负荷相对较大，峰值负荷350kW左右，每日用电量为 4000-4800kWh，储能运行DOD为60%，每日充放电量在700kWh左右。系统每日节省来自柴油机发电约1800kWh，柴油机组大约1升柴油能发3.065度电；即节油587L。同时柴油发电机在运行阶段的出力区间为 50—220kW，为柴油机带载率10%—52%，柴油发电机工况良好。

2）非夏季经济性

按11月的日光伏总出力与储能系统运行电量数据计算项目的燃油替代率如图所示，系统的2023年11月燃油替代率为65%，其计算公式为单日（光伏发电总量—储能自用电量—储能充放电损耗）/办公室用电量。

截取11月 9 日-11月15日7 天的运行数据进行分析，计算项目单日运行数据的燃油替代率。现场光伏出力在1300-1500kWh之间，办公室峰值负荷180kw左右，每日用电量约 1800kWh。储能运行SOC在30%-70%之间，每日充放电量400kWh左右。系统每日节省来自柴油机发电约1350kWh，即节油440L。同时柴油发电机在运行阶段的出力区间为50—220kW，柴油机带载率10%—30%，柴油机停机时间约为11小时。

3）经济性分析总结

夏季高温工况下，负荷较高，燃油替代率约为47%，同时柴油发电机带载率小于60%。在高温环境下柴油发电机的水温，油温保持在其适宜的范围，达到延长机器运行寿命的目的。非夏季负荷较低，光伏出力较夏季减少。燃油替代率有较大的提升，在11月中旬已经达到 75%的燃油替代率，柴油发电机带载率小于30%，柴油发电机的停机时间大大延长，随着冬季气温的降低，预计可以达到90%的燃油替代率。按此工况运行，迪拜柴光储系统预计一年为项目部节省柴油154.6吨，减排CO2492.7吨，极大的节省了项目部的用电开支，同时也验证了迪拜柴光储综合能源项目的低碳、环保、环境友好的应用理念。

六、结语

1）基于耐高温高湿高沙环境的光储柴分布式微网系统，是离网型光储柴项目的典型应用案例，能量管理智能控制为整个微网系统提供“保驾护航”实现经济性与稳定性一体化为后续多能互补新能源领域智能控制奠定了坚实的基础；

2）通过深入挖掘微网系统内各设备的性能特征，继而实现柴光储联动模式下柴发系统与储能系统主电源灵活切换、可靠性强、经济性高的微网运行方案。最终建立起微网系统中源网荷各设备特征联动、能源输出互补的高效运行模式。