安科瑞 陈聪

摘 要：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，能有效的进行能量控制。

关键词：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较大化。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。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。

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。

如图3所示，设定家庭总负载功率PN，当家庭所有负载的功率处于PN 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。

如图4所示，当家庭所有的负载功率超过PN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PN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：

Q  P /V (1)

N串 V /V0 (2)

N并  Q / Q0 (3)

式中，P为储能系统配置的总能量（kWh），Q为系统中储能电池组的额定容量（Ah），Q0为电池单体的额定容量，V为电池组的额定工作电压，V0为电池的单体额定工作电压，N串和N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。

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，选取优化控制策略，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。

3 Acrel-2000MG微电网能量管理系统概述

3.1概述

Acrel-2000MG微电网能量管理系统，是我司根据新型电力系统下微电网监控系统与微电网能量管理系统的要求，总结国内外的研究和生产的经验，专门研制出的企业微电网能量管理系统。本系统满足光伏系统、风力发电、储能系统以及充电桩的接入，进行数据采集分析，直接监视光伏、风能、储能系统、充电桩运行状态及健康状况，是一个集监控系统、能量管理为一体的管理系统。该系统在安全稳定的基础上以经济优化运行为目标，提升可再生能源应用，提高电网运行稳定性、补偿负荷波动；有效实现用户侧的需求管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷，提高电力设备运行效率、降低供电成本。为企业微电网能量管理提供安全、可靠、经济运行提供了全新的解决方案。

微电网能量管理系统应采用分层分布式结构，整个能量管理系统在物理上分为三个层：设备层、网络通信层和站控层。站级通信网络采用标准以太网及TCP/IP通信协议，物理媒介可以为光纤、网线、屏蔽双绞线等。系统支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

3.2技术标准

本方案遵循的标准有：

本技术规范书提供的设备应满足以下规定、法规和行业标准：

GB/T26802.1-2011工业控制计算机系统通用规范的1部分：通用要求

GB/T26806.2-2011工业控制计算机系统工业控制计算机基本平台2部分：性能评定方法

GB/T26802.5-2011工业控制计算机系统通用规范5部分：场地安全要求

GB/T26802.6-2011工业控制计算机系统通用规范6部分：验收大纲

GB/T2887-2011计算机场地通用规范

GB/T20270-2006信息安全技术网络基础安全技术要求

GB50174-2018电子信息系统机房设计规范

DL/T634.5101远动设备及系统5-101部分:传输规约基本远动任务配套标准

DL/T634.5104远动设备及系统5-104部分:传输规约采用标准传输协议子集的IEC60870-5-网络访问101

GB/T33589-2017微电网接入电力系统技术规定

GB/T36274-2018微电网能量管理系统技术规范

GB/T51341-2018微电网工程设计标准

GB/T36270-2018微电网监控系统技术规范

DL/T1864-2018型微电网监控系统技术规范

T/CEC182-2018微电网并网调度运行规范

T/CEC150-2018低压微电网并网一体化装置技术规范

T/CEC151-2018并网型交直流混合微电网运行与控制技术规范

T/CEC152-2018并网型微电网需求响应技术要求

T/CEC153-2018并网型微电网负荷管理技术导则

T/CEC182-2018微电网并网调度运行规范

T/CEC5005-2018微电网工程设计规范

NB/T10148-2019微电网的1部分：微电网规划设计导则

NB/T10149-2019微电网2部分：微电网运行导则

3.3适用场合

系统可应用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。

3.4型号说明

4系统配置

本平台采用分层分布式结构进行设计，即站控层、网络层和设备层

5系统功能

5.1实时监测

微电网能量管理系统人机界面友好，应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中，各子系统回路电参量主要有：三相电流、三相电压、总有功功率、总无功功率、总功率因数、频率和正向有功电能累计值；状态参数主要有：开关状态、断路器故障脱扣告警等。

系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理，使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。

系统应可以对储能系统进行状态管理，能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警，并支持定期的电池维护。

微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电桩及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求，也可将充电，储能及光伏系统信息进行显示。

图2系统主界面

子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电桩信息、通讯状况及一些统计列表等。

5.1.1光伏界面

图3光伏系统界面

本界面用来展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

5.1.2储能界面

图4储能系统界面

本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。

图5储能系统PCS参数设置界面

本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置，包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。

图6储能系统BMS参数设置界面

本界面用来展示对BMS的参数进行设置，主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。

图7储能系统PCS电网侧数据界面

本界面用来展示对PCS电网侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。

图8储能系统PCS交流侧数据界面

本界面用来展示对PCS交流侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。

图9储能系统PCS直流侧数据界面

本界面用来展示对PCS直流侧数据，主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。

图10储能系统PCS状态界面

本界面用来展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。

图11储能电池状态界面

本界面用来展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。

图12储能电池簇运行数据界面

本界面用来展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的大、小电压、温度值及所对应的位置。

5.1.3风电界面

图13风电系统界面

本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

5.1.4充电桩界面

图14充电桩界面

本界面用来展示对充电桩系统信息，主要包括充电桩用电总功率、交直流充电桩的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电桩的运行数据等。

5.1.5视频监控界面

图15微电网视频监控界面

本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。

5.2发电预测

系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划，便于用户对该系统新能源发电的集中管控。

图16光伏预测界面

5.3策略配置

系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、有序充电、动态扩容等。

图17策略配置界面

5.4运行报表

应能查询各子系统、回路或设备规定时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能等。

图18运行报表

5.5实时报警

应具有实时报警功能，系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位，及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警，应能实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。

图19实时告警

5.6历史事件查询

应能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、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、气压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

图20历史事件查询

5.7电能质量监测

应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。

1）在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度和正序/负序/零序电流值；

2）谐波分析功能：系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电流含有率；

3）电压波动与闪变：系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值；应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线；应能显示电压偏差与频率偏差；

4）功率与电能计量：系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率；应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素；应能提供有功负荷曲线，包括日有功负荷曲线（折线型）和年有功负荷曲线（折线型）；

5）电压暂态监测：在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时，系统应能产生告警，事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员；系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。

6）电能质量数据统计：系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据，包括均值、95%概率值、方均根值。

7）事件记录查看功能：事件记录应包含事件名称、状态（动作或返回）、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。

图21微电网系统电能质量界面

5.8遥控功能

应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作，并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。

图22遥控功能

5.9曲线查询

应可在曲线查询界面，可以直接查看各电参量曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。

图23曲线查询

5.10统计报表

具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析；对系统运行的节能、收益等分析；具备对微电网供电可靠性分析，包括年停电时间、年停电次数等分析；具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。

图24统计报表

5.11网络拓扑图

系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。

图25微电网系统拓扑界面

本界面主要展示微电网系统拓扑，包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。

5.12通信管理

可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序，然后选择通信控制启动所有端口或某个端口，快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

图26通信管理

5.13用户权限管理

应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（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、管理提供可靠的安全保障。

图27用户权限

5.14故障录波

应可以在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条，每条录波可触发6段录波，每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形，总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形。

图28故障录波

5.15事故追忆

可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据，包括开关位置、保护动作状态、遥测量等，形成事故分析的数据基础。

用户可自定义事故追忆的启动事件，当每个事件发生时，存储事故*个扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户规定和随意修改。

图29事故追忆

6硬件及其配套产品

7结束语

本文对基于微电网的户用储能系统进行研究，分别从系统工作模式、储能电池组容量配置、电池管理系统设计、能量管理系统设计等关键技术进行了研究，从而实现了对微电网的实时监控、发用电预测、储能调度优化和信息综合管理。本系统已在电力研究院和多个能源电力公司推广运行,达到其微电网的经济优化运行,具有推广应用价值,有助于绿色、节能微电网的推广。

参考文献：

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[4] 刘建涛,曹雷,马杰,等.基于储能系统的用户光伏并网发电系统经济性分析[J].太阳能学报,201,33(11):1887-1892.

[5] 戴 璐,谭德权,欧明文.基于微电网的户用储能系统研究.

[6] 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022年05版.