基于嵌入式架構的用戶側儲能控制器設計與實現

黃 莉，林益江

（浙江同濟科技職業學院機電系，杭州 311231）

0 引言

隨著國家政策的大力支持以及新能源技術的進步，風能和光伏等可再生能源技術得到了大力發展，而新能源的高滲透接入帶來了新能源的高效消納與電網安全穩定運行的矛盾，以及供電可靠性與經濟運行之間的矛盾。儲能技術作為提高能源綜合利用效率的一種有效途徑和關鍵技術[1-2]，可提高可再生能源的供電可靠性和系統穩定性，改善電能質量，提高調節靈活性[3-4]，從而增強可再生能源功率輸出的可控性和穩定性，使其滿足并網要求。

國內基于電池儲能技術在電源側、電網側和用戶側開展了大量研究工作，也取得了許多研究成果[5-10]。這些成果對儲能技術發展具有很大參考價值，但是較少涉及儲能系統的核心設備，即儲能控制器的設計及實現。目前用戶側儲能已初步具備經濟性，全球的裝機容量增長迅速，因此亟需設計并研發可同時滿足用戶側儲能系統數據采集與多功能運行的即插即用式儲能控制器設備。

目前對用戶側儲能系統的研究大多集中在容量配置、系統規劃及調度優化、運行策略、多場景應用的理論研究領域[11-14]。其中，文獻[12-13]針對用戶側儲能從規劃和運行兩方面綜合考慮，提出了一種需量管理捆綁峰谷套利的工業用戶儲能系統規劃和調度綜合優化模型，但是沒有給出在實際運行中儲能系統需要考慮的多功能協調運行方式，無法指導實際用戶側儲能電站的日常運行。文獻[15]介紹了用戶側分布式儲能系統的典型應用模式及接入方式，闡述各應用場景下分布式儲能的應用模式和方案，但是沒有提出一種通用的儲能控制器設計方法來滿足各應用場景的運行控制需求。

針對目前用戶側儲能系統多功能應用的運行需求以及快速安裝投運的建設需求，本文提出一種模塊化的儲能控制器設計方法，硬件結構上采用典型的嵌入式系統結構，軟件架構上利用分布式SOA（面向服務架構）設計控制器模塊化功能。同時，提出一種用戶側儲能系統能量管理組合控制策略，將需量控制、逆功率保護與削峰填谷靈活結合，實現對儲能系統的協調控制。最后，結合一個實際投運的用戶側儲能電站案例，對所設計研制的儲能控制器的有效性和可行性進行驗證。

1 用戶側儲能系統二次系統典型架構

用戶側儲能系統二次系統架構如圖1 所示。儲能控制器在此系統架構中處于承上啟下的核心地位，是連接下層就地設備和上層監控平臺的橋梁： 對下實現與儲能PCS（變流器）、儲能BMS（電池管理系統）、智能電表、負荷控制器及保護裝置的通信及規約轉換，并下發各種控制指令，包括啟停、充放電功率及運行模式切換；對上將儲能系統的信息上傳到站控層系統或遠程云監控平臺，能夠通過Web、站控系統或云平臺對運行定值進行在線修改，保證掉電后保持不變。

2 儲能控制器結構

2.1 總體結構

圖1 儲能電站系統典型架構

儲能控制器在總體設計及各模塊設計上均充分考慮了可靠性的要求，在程序執行、各模塊之間的通信等方面均給予了詳盡的考慮。儲能控制器采用典型的嵌入式系統結構，使用ARM 芯片作為整個系統的控制核心。通過異步串行口、RJ45 以太網接口等通信方式實現遠程對系統運行實時信息及歷史記錄的查看、系統運行參數設置、系統充放電控制、啟停以及PCS 等設備監控。

儲能控制器由設備管理、策略控制、規約處理、內存管理、數據統計和狀態控制、配置下載器等6 個主要模塊組成，具體結構如圖2 所示。

圖2 儲能控制器結構

2.2 設備管理模塊

設備管理模塊位于該系統的最底層，承擔著與遠方系統進行數據通信的任務。主要負責管理與遠方系統通信的各種物理通信設備，維護數據通道的暢通，接收來自遠方系統的各種數據報文，向遠方系統發送各種數據報文。

該模塊的結構如圖3 所示，主要包括以下部分：

（1）設備狀態監控模塊。負責管理通信設備，監控通道運行情況。可實現通信設備的打開、關閉及復位，實時統計通道的運行狀況，當通道運行狀況發生變化時發出報警信息。

（2）報文讀寫模塊。負責對通道的讀寫操作，可管理通道數據接收、發送緩沖區，從通道的數據發送緩沖區讀取數據并寫入通道，從通道讀取數據并寫入通道的數據接收緩沖區，以及檢測通信設備的連接狀態。

（3）報文緩沖區。這是建立在內存中的一段共享內存，由報文收發模塊和規約解釋模塊共享，數據報文按通道存儲，每個通道都有自己的數據接收、發送緩沖區。

圖3 設備管理模塊結構

設備管理模塊可以實現的主要功能包括： 數據通道的狀態監控；對數據通道的讀寫操作；通道讀寫緩沖區的管理；通信設備操作請求事件的處理。

2.3 策略控制模塊

策略控制模塊是整個控制器的算法核心，負責對儲能系統進行策略控制管理，監控整個儲能系統的運行狀態，控制各個模塊協同運行。同時該模塊也是控制器的一個對外接口，負責各種策略的運行控制指令生成和下發。

策略控制模塊利用采集到的運行信息，包括BMS 和PCS 等設備的狀態量、電氣量信息，在滿足系統安全性要求以及響應電網調度要求的基礎上，利用各種控制策略實現對儲能系統的合理充放電控制。該模塊位于整個系統架構的核心位置，是儲能系統運行的直接控制管理者，承擔著對PCS 直接下發控制指令的任務。

具體的模塊結構如圖4 所示。模塊從內存實時庫中獲取實時的設備運行數據，包括BMS 電氣量信息、PCS 狀態字、并網點功率等；同時從參數數據庫中讀取策略相關的設置參數，包括策略邊界參數、策略投退信息、計劃曲線信息等。然后根據具體投入的策略運行流程計算獲得PCS的遙控和遙調結果，利用通信接口對PCS 進行控制，并且返回相應的返校和控制結果信息。

圖4 策略控制模塊結構

2.4 規約處理模塊

規約處理模塊負責進行104 和Modbus 規約的解釋，實現數據報文與數據值之間的相互轉換，統計報文質量。它將需要轉發的數據編碼成特定的報文格式送給設備管理模塊，將設備管理模塊送來的數據報文按照特定的格式解釋成為系統可以識別的數據值，同時將系統對遠方終端的各種控制命令轉換成為特定的數據報文格式。該模塊主要提供以下功能：

（1）讀取通道數據接收緩沖區的數據報文，將報文解釋成系統可以識別的數據值，然后將這些數據值存入特定路徑的數據存儲區。

（2）從某個路徑的數據存儲區讀取數據值，將其按照事先定義的規約格式轉換為數據報文格式，然后將數據報文放入和該路徑相連的通道的數據發送緩沖區。

（3）接收各種對遠方終端的控制命令，將其轉換成為一定規約格式的數據報文并放入通道數據發送緩沖區。

（4）管理通信規約庫。

（5）采用改進的Modbus 協議并發控制方法，支持多臺PCS 的快速同步控制。

2.5 其他模塊

內存管理模塊負責管理多進程間的共享內存，為運行在其上的進程提供數據支持環境，協調控制各模塊的正常運行。

數據統計及控制模塊負責對數據進行統計處理，包括最值統計、定時存盤等，同時協調控制程序各個模塊的運行。

配置下載器在進程開始時負責讀取配置參數，并且組織相應的內存結構。

2.6 技術優勢

整個儲能控制器技術架構基于跨平臺的分布式SOA 體系，各個模塊協調配合，支持單機配置和雙機冗余，實現了監控、能量管理、協調控制一體化的功能設計。系統的優勢主要體現在以下幾點：

（1）配置靈活，功能全面。支持基于Web 的系統通信與策略配置以及系統的運行監控，支持多種控制策略的協調配合，拓展方便。

（2）應用面廣，成本較低。既可在大型儲能電站系統中擔當協調控制器的角色，又可在小型儲能系統項目中擔當監控與能量管理系統的角色，降低系統前期成本。

（3）技術先進，適應性強。采用改進的Modbus協議并發控制，支持多臺PCS 的快速同步控制，減少了傳統順控下的動作延時。

3 控制策略

目前的儲能電站能量管理系統主要是削峰填谷控制模式。由于儲能電站在不同的應用場景下與配電網之間的交互控制方式、運行限制條件不同，目前的能量管理控制方式無法滿足用戶側儲能電站多場景運行的要求，無法實現多場景運行控制策略之間的協調配合。

本文提出的用戶側儲能控制器克服上述現有技術不足，綜合運用削峰填谷策略、需量管理策略和逆功率保護策略，提供一種儲能系統能量管理組合控制策略，支持配置策略投入運行時間段以及靈活配置策略參數，實現了不同用戶用電特性情況下的策略靈活組合，保障了儲能系統的經濟穩定運行。

3.1 集成需量控制功能的削峰填谷策略

當某地區的峰谷電價差比較大時，通過儲能低谷充電、高峰放電策略，實現價差套利。程序處理流程如圖5 所示。

（1）根據分時電價確定全天的充放電計劃曲線，典型步長為1 h，實際中可精確到分鐘。

（2）在用電高峰時段，電價較高，進入削峰模式，且電池SOC（荷電狀態，定義其量符號為SOC）大于其最小限值SOC，min時，儲能按照設定值進行放電，并啟動需量控制策略和逆功率保護策略，否則PCS 保持待機。

（3）在用電低谷期時段，電價較低，進入填谷模式，且SOC 小于其最大限值SOC，max時，儲能按照設定值進行充電，否則PCS 待機，充電功率同時滿足需量控制策略給出的充電功率約束。

（4）在待機時段，PCS 保持待機模式，此時出力Pi=0，其中“i”表示第i 個步長。

（5）結束這一步長內的控制流程步驟，繼續按照流程循環運行。

圖5 削峰填谷策略的運行流程

3.2 需量控制策略

根據不同地區的政策，需量電費管理和需求側管理是輔助盈利點，通過幫助用戶降低需量電費和電量電費，獲取額外的盈利。

程序處理流程如圖6 所示，首先獲取并網點功率值Pnet，功率值為正說明電網向用戶送電，功率值為負說明用戶向電網送電；獲取參數設定值Pdemand，即需量功率限制值。

（1）當Pnet＞Pdemand，即并網點功率大于需量功率限制值，說明此時凈用電負荷大于需量限制，如果此時電池滿足放電限制條件，即SOC＞SOC，min，則電池總放電功率增加（Pnet-Pdemand）；如果電池計算得到的放電功率結果超過最大放電功率，則以最大放電功率放電。如果此時電池滿足充電條件限制，即SOC＜SOC，max，則減小電池的充電功率。

（2）當Pnet＜Pdemand，即并網點功率小于需量功率限制值，說明此時凈用電負荷小于需量限制，如果電池SOC在[SOC，min，SOC，max]區間，則電池保持當前運行狀態，否則PCS 待機。

圖6 需量控制策略的流程

3.3 逆功率保護策略

逆功率保護可防止儲能系統向系統倒送電，并且具備低頻、低壓解列儲能系統的功能，可提高系統運行的安全性。

程序處理流程如圖7 所示。首先獲取并網點功率值Pnet，功率值為正說明電網向用戶送電，功率值為負說明用戶向電網送電；獲取參數設定值，即逆功率保護限制值Preverse及逆功率保護動作值Preverse，down。

（1）當Pnet＞Preverse，同時電池SOC在[SOC，min，SOC，max]區間，不滿足逆功率保護動作條件，則儲能保持當前運行狀態，否則PCS 待機。

（2）當Pnet＜Preverse，說明并網點有發生逆功率的趨勢，則減小儲能放電功率（Preverse-Pnet），如果電池充放電功率大于充放電功率限制值，則電池以最大限制功率充放電，否則電池以計算得到的充放電功率運行；進一步判斷Pnet是否小于Preverse，down，如果滿足條件則儲能停機。

圖7 逆功率保護策略的運行流程

4 典型實例與結果分析

以江蘇某一工業園區實際儲能電站為例說明用戶側儲能控制器的應用情況。工業園區中儲能電站裝機容量4 MW/32 MWh，在10 kV 高壓母線接入，整個園區接在40 MVA 的110 V/10 kV變壓器下，系統接線如圖8 所示。儲能電站的功能設計為削峰填谷、需量控制以及逆功率保護，減少工業園區的變壓器需量，降低容量電費和電量電費。

圖8 儲能電站系統接線

該工業園區負荷的工作日以及春節期間負荷曲線如圖9 所示。工作日情況下平均負荷在33 MW 左右，而且在上班期間（08:00—17:00）用電功率明顯高于其他時段，整個變壓器的負載率維持在較高水平，最高在92%左右。未裝儲能時需量上報38 MVA，春節期間平均負荷在10 MW 左右，維持在較低水平。

圖9 工業園區負荷曲線

江蘇省接入10 kV 的大工業用戶電價曲線與具體電價數據如圖10 所示。00:00—08:00 為谷電時段，電價為0.3139元/kWh；08:00—12:00 和17:00—21:00 為峰電時段，電價為1.069 7 元/kWh；12:00—17:00 和21:00—24:00 為平電時段，電價為0.641 8 元/kWh。

圖10 電價曲線

儲能電站的運行參照電價曲線制訂，采用兩充兩放的運行方式，而且在平電時段的充電可以根據實際情況調節配置具體的充電功率以及充電時長。儲能的運行計劃是谷電時段以4 MW 功率充電，平電時期以1.6 MW 功率充電，峰電時段以4 MW 功率放電。儲能運行策略的參數設置如表1 所示。

表1 儲能運行參數設置

4.1 工作日運行結果分析

儲能的運行功率曲線如圖11 所示，電池堆SOC 曲線如圖12 所示，投入儲能電站后并網點功率曲線如圖13 所示。

圖11 儲能電站有功功率實際運行曲線（工作日）

圖12 儲能電站電池堆SOC 曲線（工作日）

圖13 投入儲能電站后并網點功率曲線（工作日）

谷電時段，儲能電站開始以4 MW 的恒功率進行充電，電池堆SOC 上升，到06:00 左右由于電池堆的電壓高于恒電壓充電的設定值，以恒電壓方式進行充電，功率曲線呈現緩慢下降的趨勢。

峰電時段，儲能電站以4 MW 的恒功率進行放電，在17:00—21:00 時段，后半段由于電池電壓低于降功率電壓設定值，儲能放電功率下降。

平電時段，由于需量功率的限制作用，充電功率在最開始并沒有達到設定的1.6 MW，當負荷功率波動下降時，有最后的余量給儲能充電，充電功率上升。

對比圖9（a）和圖13 的運行曲線可以看出，通過削峰填谷策略，在負荷高峰時期利用谷價電，并結合需量控制策略，將變壓器需量功率限制在設定值（35 MW）以下。

某工作日的統計數據如表2 所示（包含站用電量）。從數據統計結果中可以看出，儲能電站中儲能控制器的應用增強了工業園區用電功率的調節能力，降低了變壓器的負載率，提高了園區的用電經濟性，該實際儲能電站案例的應用驗證了用戶側儲能控制器的有效性。

表2 運行統計數據

4.2 節假日運行結果分析

儲能的運行功率曲線如圖14 所示，電池堆SOC 曲線如圖15 所示，投入儲能電站后并網點功率曲線如圖16 所示。

圖14 儲能電站有功功率實際運行曲線（節假日）

圖15 儲能電站電池堆SOC 曲線（節假日）

圖16 投入儲能電站后并網點功率曲線（節假日）

谷電時段，儲能電站開始以4 MW 的恒功率進行充電，電池堆SOC 上升，到02:00 左右由于電池堆的電壓高于恒電壓充電的設定值，以恒電壓方式進行充電，功率曲線呈現緩慢下降的趨勢，最終SOC 上升至90%左右。

峰電時段，儲能電站以4 MW 的恒功率進行放電，在10:00—12:00 期間，由于以4 MW 功率進行放電時，并網點功率將低于逆功率保護限制值（4 MW），因此儲能電站放電功率下調，使總的并網點功率維持在4 MW 附近。在17:00—21:00時段，后半段由于電池電壓低于降功率電壓設定值，儲能放電功率下降。

平電時段，儲能電站以1.6 MW 的恒功率充電。

對比圖9（b）和圖16 的運行曲線可以看出，通過削峰填谷策略，在負荷高峰時期利用谷價電，并結合逆功率控制策略，可將變壓器并網點功率限制在設定值（4 MW）以上。

5 結語

本文提出了一種用戶側儲能控制器的設計與實現方案，通過對儲能控制器的總體結構及組合控制策略的邏輯設計，實現了用戶側儲能電站的狀態監控與運行控制。該控制器具有以下特點：

（1）控制器是儲能電站上層能量管理系統和現場設備間核心協調控制裝置，其硬件基于嵌入式架構，軟件基于SOA 架構，具有非常好的通用性和可擴展性。

（2）結合需量控制與逆功率保護的用戶側儲能峰谷套利策略，其充放電曲線可根據電價政策進行靈活調整，可適用于目前的峰谷電價和未來的市場化電價。

實際案例表明，應用本文提出的運行策略，有效減少了負荷的電量電費和容量電費，提高了用電經濟性。在今后的研究中，可以進一步豐富需求側響應以及獨立運行等應用場景。