智慧光储充一体化能源管理策略

  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样一些问题，通过夜间储能、日间放电以及光伏发电来减少相关成本，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，但这些算法有必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。

  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，来提升了能源转换效率，并实现了“源-荷-储”一体化微电网。

  充电桩设备对功率和单位体积内的包含的能量的要求比较高，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、出色的耐热性和安全性，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、光伏系统和电动汽车进行能量交换。

  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模块实现快充外，还可以通过直流/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。

  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。

  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来控制，其实时计算资源有限，难以执行计算要求比较高的算法，例如遗传算法和粒子群优化算法。因此，一定要采用资源占用较少且便于编写单片机代码的策略。

  该模型涉及多个因变量，因此就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，转换效率相比来说较低。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，可大致分为三种情况：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号变换器之间的功率分配问题，从而优化能源管理策略。

  1) 光伏作为一种清洁的可再次生产的能源，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，不但可以获得较高的经济效益，还能明显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能够最终靠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常规使用的寿命。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。

  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：

  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）。

  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。为保护电池的常规使用的寿命，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维持的时间，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)。

  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，大多分布在在夜间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%。

  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、储能系统和充电站的接入需求。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。它不仅促进可再次生产的能源的广泛应用，提升电网的稳定性，还可以在一定程度上完成需求管理，有效消除峰谷差，提高设备效率，并降低经营成本。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。

  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次生产的能源监控和能量管理。

  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：

  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、隔离开关的状态和故障信号。此外，该系统还负责管理分布式电源和储能系统，提供发电单元的详情信息、收益情况、荷电状态和运行功率的设置。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。

  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。

  本界面呈现了光伏系统的详情信息，涵盖了逆变器的运作时的状态监控、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、环境监视测定数据、功率模拟以及效率分析。此外，还展示了系统的总功率、电压和电流数据及逆变器的运行参数。

  该界面大多数都用在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。

  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。

  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。

  本界面展示PCS电网侧的有关数据，最重要的包含相电压、电流、功率、频率、功率因数等指标。

  本界面展示PCS交流侧的数据，最重要的包含相电压、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。

  本界面展示PCS直流侧的有关数据，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不正常的情况进行实时告警。

  本界面展示PCS的状态信息，最重要的包含通讯状态、运作时的状态、STS运作时的状态以及STS故障告警等。

  本界面展示BMS（电池管理系统）的状态信息，涵盖储能电池的运作时的状态、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。

  本界面呈现电池簇的详情信息，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。

  本界面呈现风电系统的详情信息，涵盖逆变控制一体机的直流侧与交流侧运作时的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。

  该界面呈现充电站系统的详情信息，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。

  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。

  系统应能利用历史发电数据、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，用户都能够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。

  系统应可以依据发电数据、储能容量、负荷需求和电价信息，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详细情况（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。

  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。

  系统一定要具有实时报警功能，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。

  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。

  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，及时有效地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，并提供对应的曲线；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）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有关人员。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、故障维持的时间和发生时间。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  微电网系统可以有明显效果地地管理设备通信、控制以及实时监测数据。维护人能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。

  应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能预防没有经过授权的操作（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、管理提供较为可靠的安全保障。

  在系统出现故障时，它应能自动记录故障发生前后电气量的变化。这一些数据对于事故处理、保护动作的判断以及提高系统安全性至关重要。故障录波器能够记录多达16条信息，每条信息包含6个段落，记录故障前8个周波和后4个周波的波形，总录波时间为46秒。每个采样点至少包含12个模拟量和10个开关量的波形。

  自动记录事故前后的实时数据，包括开关位置、保护状态和遥测量，为事故分析提供坚实的数据基础。用户都能够设定触发事故追忆的特定事件，并存储事故前后各10个扫描周期的相关数据点。此外，用户还可以自定义触发事件和监控的数据点。

  本文提出了一种针对智慧光伏储能充电桩的简易且高效的实时能源管理策略。通过一系列分析电能的流动路径，采用高效率的传输途径，并充分的利用峰谷电价差异，合理规划了在光储多能互补平台下的储能充电管理策略。经过详细的分析和计算，该策略能够有效发挥光伏和储能系统的效能，降低充电桩的经营成本，从而提升其经济效益。

  【1】路欣怡,刘念,陈征,等.电动汽车光伏充电站的多目标优化调度方法[J].电工技术学报,2014,29(8)：46-56.【2】罗恒,严晓,王钦,等.充电场站光储充控制策略[J].储能科学与技术,2022,11(1)：275-282.

  【3】何国栋，方昌勇，洪凌，邬荣敏，侯鹏，吴鼎.智慧光伏储能充电桩能源管理策略

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