新桥光储充一体化充电站能量管理策略的研究和应用.docx

新桥光储充一体化充电站能量管理策略的研究和应用鉴于长三角地区是我国重要的经济区域，发展电动汽车产业具有得天独厚的优势，国家电网公司在长三角率先开展电动汽车城际互联智能充电服务网络建设。光储充一体化充电站既可以就地消纳清洁能源，减少对化石燃料的需求，又可以降低光伏发电和汽车充电站与配电网直接连接带来的不利影响，因此对其建设方案、关键技术及应用开展了广泛的研究探索。为了响应国家政策和国家电网公司的号召，在上级电力公司的统一部署下，国网上海市电力公司松江供电公司（以下简称国网上海松江供电公司）积极开展电动汽车智能充电服务网络建设，探索电动汽车充换电运行效能优化实践，在2016年3月建成了一座新型的光储充一体化公共快充站一一新桥储能快充站（以下简称新桥站）。该站为上海地区首个光储充一体站，也是国家电网示范项目。国网上海松江供电公司还拓展创新，为新桥站设计了一套能量管理策略。该策略是站级监控系统中能量管理系统的核心部分，可对站内充电系统、储能系统、光伏系统进行综合优化控制，实现对能量的合理分配，保障充电站安全运行并使其经济和环境效益最大化。一、新桥光储充一体化充电站系统基本组成新桥光储充一体化充电站由供配电系统、充电系统、储能系统、光伏系统、展示系统、站级监控系统（内嵌能量管理系统）组成，总体框架见图Io通信线路电力传输线路储能控制管理系统ESS-8000电网公共连接点充电桩；汇流箱电池管光伏组件理系统储能电池堆电动汽车储能监控一交换机；系统客户端过程控制系统图1新桥光储充一体化充电站的系统总体框架二、新桥光储充一体化充电站各系统介绍21供配电系统新桥站供配电系统主要由市电为充电设备提供电源，站内配置1座容量为800kVA的配电站，电压等级为10/0.4kVo2.2 充电系统新桥站充电系统是整个充电站的核心部分，主要为电动汽车动力电池系统安全自动地充电，共配置12台功率为60kW的一体式直流充电机，1机1充，即每台充电机可为1辆新国标的纯电动汽车进行充电。2.3 储能系统新桥站配置了一套250kW/500kWh电池储能系统，包含1套250kW的储能变流器和1套500kWh的电池系统。其中，25OkW储能变流器包含5个50kWAC/DC模块，可对500kWh电池系统进行充放电。2.4 光伏系统新桥站屋顶共安装265Wp多晶硅光伏板组件44块，安装容量为11.66kWp,配置12kW组串式逆变器1台。2.5 展示系统新桥站展示系统主要通过展示大屏结合储能监控系统客户端对系统安全运行小时数、光伏发电量、电动汽车服务次数及售电电量、节能减排情况、系统拓扑图、实时画面等进行对外展示。2.6 站级监控系统(内嵌能量管理系统)新桥站站级监控系统可用于对站内历史运行信息、统计信息等进行查询，并可对站内总体运行状况、光伏逆变器、充电桩、电池管理系统(BMS)等进行实时监控，具备时间报警处理、自诊断和自恢复等功能。能量管理系统(EMS)根据国网上海松江供电公司为新桥站设计的能量管理策略开发而成，内嵌于站级监控系统之中，为光储充各系统优化稳定运行提供支持。三、新桥光储充一体化充电站的能量管理策略国网上海松江供电公司以夜间谷时段存储电能于电池系统，日间优先利用光伏发电、储能电池对电动汽车供电并以储能系统作为站内后备电源为基本思路，结合实际设计了基本运行控制策略和日前计划+实时调整的综合优化运行控制策略两套独立的能量管理策略，并分阶段投入使用。3.1 基本运行控制策略基本运行控制策略以最大化利用光储系统、使购电成本最低为目标设置6种基本运行模式。通过对站内光伏、储能和充电系统的发电量、电池容量、充电机功率等指标状态进行监测判别，迅速切换至最佳运行模式。运行模式一：用电低谷段（22:OO至次日6:00）o此时电动汽车充电和储能充电同时由市电提供，充电功率之和小于配电容量。运行模式二：平时段（6:00至8:00）。此时储能系统容量已满，优先采用光伏发电给电动汽车充电；当光伏发电无法满足充电需求时，需要市电给电动汽车充电。运行模式三：峰时段（8:00至11:00）o此时优先采用光伏发电给电动汽车充电；当光伏发电无法满足充电需求时，采用储能给电动汽车充电；当储能和光伏发电均不能满足充电需求时，采用市电给电动汽车充电；当充电需求较低、光伏功率大于电动汽车充电功率时,光伏给储能充电。运行模式四：平时段（11：00至18:00）o此时优先采用光伏发电给电动汽车充电；当光伏发电无法满足充电需求时，采用市电给电动汽车充电；当充电需求较低、光伏功率大于电动汽车充电功率时,光伏给储能充电；17:30时，考虑预约充电的电量，如果此时储能容量不能提供预约充电能量时，需给储能补电，补电完成后，储能处于待机状态。运行模式五：峰时段(18:00至21:00)o此时优先采用光伏发电给电动汽车充电；当光伏发电无法满足充电需求时，采用储能给电动汽车充电；当储能和光伏发电均不能满足充电需求时，采用市电给电动汽车充电；当充电需求较低、光伏功率大于电动汽车充电功率时，光伏给储能充电。运行模式六：平时段(21:00至22:00)o此时优先采用储能给电动汽车充电；当储能不能满足充电需求时，采用市电给电动汽车充电。3.2 日前计划+实时调整的综合优化运行控制策略1、日前计划运行控制策略日前计划运行控制策略的总体思路是以最大化充电站收益为目标，综合考虑峰谷电价、光伏发电补贴、光伏上网电价以及充电业务收入等，基于日前光伏出力、充电负荷的预测值，求解第二天储能电池的充放电计划和充电站向电网的购售电计划，为新桥站次日的运行提供基本方案。根据模型(详情见链接原文)选取非夏季典型日进行计算，结果如图2所示。(X)o)o)oo)oQ)ooO1.5(>5(>5U5O54433221111*三3姿售购电计划“i1.1.I1.Ih1.Ji1.Ir21:(M)7:qMW三j蛋三宏昧提彩0.4kV母线图2非夏季典型日算例中日前计划运行控制策略计算结果由图2可以看出，在非夏季典型日情况下，一体化电站日前调度的总收益为3111.6元；以24:00时刻为节点制定出了相应的向电网的售购电计划和储能系统的充放电计划。新桥站在本期光伏系统容量较小的情况下以向电网购电为主，而储能系统则根据保证功率动态平衡的原则进行双向充放电，大致规律是在电价较低时进行充电，而在电价较高时放电。对夏季典型日、总充电车次翻倍、20倍光伏系统容量等情况进行计算后发现，收益较非夏季典型日还有显著提升，而且光伏容量扩大后，在峰荷时刻充电站还可以将能量返送给电网。2、超短期实时运行策略充电站日前计划主要依赖于光伏出力、充电负荷的预测值而制定。由于光伏出力和充电负荷的不确定性，当实际值和预测值出现偏差时,需要调整储能设备充放电功率和向电网的购售电量，从而保证为电动汽车提供及时便捷的充电服务。超短期实时运行策略的目标函数为以最小调整成本保证当前时刻充电站内功率平衡，求解以日前计划为基础的实时调整方案。选取非夏季的峰、平、谷三种情况进行优化，背景皆为光伏出力偏低而充电负荷偏高，得到的优化结果见图3o某时刻，光伏出力偏低而充电负荷偏高0.4kV母线0.4kV母线图3非夏季典型日算例中某时刻实时运行策略求解结果由图3可以看到：在平时段和谷时段，主要通过调整从电网的购电量来平衡由于充电负荷偏大和光伏出力偏小而引起的功率缺额；而在峰时段，主要通过调整储能系统的出力来平衡功率缺额。有了储能系统的存在，一体化电站可在峰时段电价较高时选择通过调整储能系统出力来平衡功率缺额，从而减少调整成本，这体现了储能系统在一体化电站之中的作用。3.3 能量管理策略的软件实现国网上海松江供电公司联合许继集团对新桥站的能量管理策略进行软件开发，形成了一套完整的能量管理系统并内嵌于监控系统中,用以保障新桥站的安全运行并使其经济和环境效益最大化。四、新桥光储充一体化充电站的运行优势基于能量管理系统对新桥站经济性的测算结果显示：储能系统可有效平衡配电网负荷，减小对电网负荷冲击，提高供电可靠性；光伏系统则可为电网节约大量电能并减少相应有害气体（物质）的排放，减少环境污染。4.1 平衡配电网负荷，减小对电网负荷冲击过多电动汽车同时充电有可能会对电网造成过负荷问题，利用储能系统进行合理的削峰填谷可避免该现象的发生，具体表现如图4和表1所示。OoooO1.O)()图4充电站在平衡配电网负荷、减小对电网负荷冲击上的表现表1光储充一体化充电站对变电站最高负载率的影响项目无充电站有充电站无储能有充电站有储能新桥站上级变电站域高负载率/%51.4952.1251.794.2 提高供电可靠性储能系统在充电站的安装示意图如图5所示，其接在充电站低压侧，可在光储充一体化充电站进线电源发生故障时短时提供电力，作为充电站的后备电源而提高充电站的供电可靠性。图5储能系统在充电站的安装示意图本站光伏系统设计年发电量为1.17万kWh,每年可为电网节约大量电能并减少相应燃煤有害气体(物质)的排放，还可节约传统火电厂用水，减少相应的水力排灰废水和温排水等污染。新桥光储充一体化充电站的经济性及节能减排指标如表2所示。表2光储充一体化充电站的经济性及节能减排指标指标数据综合效率系数K0.799多年平均年太阳能辐射量/(kWhm2)1257.4平均年利用小时数/h1004.3安装容量kWp11.66平均年发电量/万kWh1.17创造价值/万元207.3年节约标煤/13.73年减少SO2排放/t0.06年减少No1排放/t0.04年减少烟尘排放/t0.02年减少CO2排放/t11.7五、结语新桥站能量管理策略即基本运行控制策略与日前计划+实时调整的综合优化控制策略具有可推广性和可复制性，可广泛应用于其他含有储能以及多种可再生能源的充电站，助力各类充电站实现合理、优化运行。根据实际情况还可以加入多重的优化目标或增减约束条件。策略模型经过修改后对于更大的微网互补系统也有一定的应用价值。