基于微電網的戶用儲能系統研究

戴 璐，譚德權，歐明文

應用研究

基于微電網的戶用儲能系統研究

戴 璐，譚德權，歐明文

（湖南電氣職業技術學院，湖南 湘潭 411100）

為了更好地協調和控制以家庭為單位的微電網能量利用，對基于微網的戶用儲能系統進行研究。針對戶用儲能系統中的工作模式、儲能電池組容量配置、電池管理系統設計、能量管理系統設計進行研究，并通過掛網試運行進行測試驗證。測試驗證結果表明，所設計的戶用儲能系統對入戶功率具有有效可靠的調節能力，能高效的進行能量控制。

微電網 戶用儲能 能量管理電池管理系統（BMS） 試驗驗證

0 引言

近年來，近年來國內外的戶用儲能市場開始井噴，尤其是國外市場已經非常火熱。戶用儲能系統相當于一個小型的儲能電站，在用電低峰時段，可對其中電池組進行充電，用以在用電高峰時段或斷電情況下使用，從而達到削峰填谷的效果，同時可以用來均衡家用用電負荷，節省家庭電費開支。結合各城區及城市電網可形成微電網，實現離/并網的雙模式運行，根據負荷、儲能能量、電網、和電價進行運行策略的調整，來實現系統運行優化和用戶收益最大化。因此，對戶用儲能系統相關關鍵技術研究具有重大意義和經濟價值，也符合國家的“雙碳”政策和目標。

當前國內外相關研究機構均對戶用儲能系統開展了相關研究，已有部分項目完成了成功試點。

文獻[1-3]介紹了儲能系統的作用與分類，也展望了儲能系統的前景和優勢。針對基于光伏并網發電的戶用儲能系統，文獻[4]從經濟性角度進行了分析，指出了隨著光伏上網電價下降，儲能系統經濟性優勢上升，具有長遠經濟效益。文獻[5-6]對儲能控制系統和能源管理系統進行研究，優化了控制算法，提高了系統控制效率，能源管理裝置實現體積小、功耗低、操作易等特點，展現出良好的市場應用前景。文獻[7-9]針對高比例戶用光伏并網環境進行研究，通過控制策略改進，實現儲能及通信網絡的協同規劃，抑制光伏直流母線電壓波動程度，有效緩解光伏并網造成的電壓越限問題，促進高比例戶用光伏的消納。文獻[10]分析了當前戶用光伏配置儲能系統的市場現狀，從用戶收益最大化的角度出發，對其容量配置和簡單的經濟性計算方法的計算方式進行了設計。針對電力偏遠以及冬季光能偏少地區，戶用儲能系統可結合區域電網工作，實現削峰填谷的作用，光儲系統成本偏高，基于此文獻[11-14]針對電網削峰填谷的需求，對其控制策略以及電池配置的經濟性進行了研究，為戶用儲能更好的應用與推廣打了更進一步的基礎。

為了更好地協調和控制以家庭為單位的微電網能量利用，本文對基于微電網的戶用儲能系統關鍵技術進行研究。

1 戶用儲能系統

戶用儲能系統可劃分為離網、并網、并離網切換型三類。并離網切換型應對不同工況和抗外部干擾能力強，供電可靠性高，并且具有靈活的管理系統。可根據電網、負荷、儲能及電價進行運行策略調整，用電低谷期自行充電，以備用電高峰或斷電時使用，提高了用戶的收益。

圖1 交流并網拓撲

圖2 直流并網拓撲

并離網切換型戶用儲能系統主要構成部件有雙向儲能變流器、儲能電池組、并網及計量設備、公共電網、負載設備、光伏組件。目前儲能系統拓撲結構方式可分為交流并網型和直流并網型兩類。

圖1和圖2分別為兩種并網類型的拓撲結構，戶用儲能系統根據容量配置級別，通常采用直流耦合拓撲結構，并且方便接入光伏擴展組件。

2 關鍵技術研究

針對戶用儲能系統關鍵技術的研究，本文從系統工作模式、儲能系統容量配置、電池管理系統（BMS）、能量管理系統（EMS）等方面開展研究。

2.1 系統工作模式

戶用儲能系統存在充電、放電以及待機三種工作模式，通過對儲能系統以及各用電負荷運行狀態的檢測，進行不同模式切換。在未接入光伏的運行情況下，戶用儲能系統的工作模式主要依據家庭負載總功率以及電池SOC情況作為控制切換條件。

圖3 供電模式一

如圖3所示，設定家庭總負載功率P，當家庭所有負載的功率處于P范圍內時，戶用儲能系統投入供電模式一（充電模式），家庭所有負荷全部由市電供電，同時通過高電對儲能系統組進行充電，直至充滿或高于SOC上限值時，系統切換為待機工作模式。

圖4 供電模式二

如圖4所示，當家庭所有的負載功率超過P時，戶用儲能系統投入供電模式二（放電模式），家庭所有負荷由儲能系統和市電同時供電，直至電池量較低或低于SOC下限值時，提示降低輸出功率至P以下，系統切換為待機工作模式。

2.2 儲能電池組容量配置

在儲能電池組的容量配置上，主要考慮兩個因素：（1）根據用戶用電的整體需求，對儲能電池組的容量配置進行分析與確定。戶用儲能系統容量主要根據戶用總負荷大小決定，需保證特殊情況下必要用電設備的正常運行，所以在配置容量時，需考慮系統的自給時間，即離網戶用儲能系統在沒有任何外界能量來源時，僅由儲能電池組進行電能輸送，仍可保證所有設備正常運行的時長。（2）儲能電池通過串并聯組合實現所需的電壓等級和儲能容量，串并聯方式需要依據實際需求合理設置。

具體計算公式如下：

式中，為儲能系統配置的總能量（kWh），為系統中儲能電池組的額定容量（Ah），Q為電池單體的額定容量，為電池組的額定工作電壓，V為電池的單體額定工作電壓，串和并分別為儲能電池組的串、并聯數量。

2.3 電池管理系統設計（BMS系統）

BMS系統由電池組的管理終端BMU和電池單體管理終端BCU組成兩級構架，如圖5所示。

圖5 BMS構架框圖

BCU作為儲能系統的基礎管理功能單元，主要負責電池單體中電量、溫度、電流、電壓等信息進行采集，并通過通訊將采集的數據上傳給BMU。BMU通過對BCU上傳的數據進行整理和分析，下發控制指令，實現電池單體之間SOC均衡，并適配合理的溫控策略，對出現異常的電池組發出報警進行保護。

BMS系統對電池組的控制功能主要有：對電池單體的溫度、電流和電壓進行檢測，同時與儲能變流器以及上位機進行通信，可對電池組提供過充、過放、過流、過溫、適中保護及告警等功能。

2.4 能量管理系統設計

戶用儲能系統中EMS的設計一般采用戶用能量管理系統（HEMS）模式，這種模式在結構上對分散型用戶具有較好的適配性，每戶儲能系統獨立構成，其網絡結構如圖6所示。采集模塊輸送實時能量信息至EMS控制核心，并儲存于數據庫，控制器通過對數據分析處理，選取最優控制策略，對儲能系統進行管理。用戶可通過人機交互界面、移動終端查詢系統相關信息，并可以對儲能系統進行操作。EMS可以與電網進行雙向的信息交互，上傳本地的用電信息，下載實時電價。圖中標黃部分可根據系統大小及需要進行擴展，本項目中未涉及。

圖6 EMS網絡結構

3 測試驗證

為驗證在有限的電網可用容量下，戶用儲能系統對用戶日常用電安全可靠性能的保障，以戶用儲能系統輔助電網對空氣源熱泵供電為試驗運行工況，進行掛網測試驗證。本文以某村儲能接入項目為試驗平臺，每戶電網入戶功率限額定為3 kW，儲能組電池容量為3 kWh，試驗時間為4個月，主要對冬季用電情況進行跟蹤。

3.1 功能性驗證

儲能設備本地采集到的試驗數據如圖7所示，其中圖7（a）為每日入戶功率和負載功率峰值曲線，圖7（b）為每日蓄電池充放電峰值曲線，圖7（c）為每日蓄電池SOC最低值曲線，圖7（d）為每日用電量曲線。可知家庭實際負載功率峰值在12月8日、12月15日、1月4日、1月21日等日期多次達到4.4 kW以上，在儲能設備作用下，入戶功率基本限制在4.0 kW以下，在12月8日達到用電量最大值66 kWh。

由圖7（a）可知，負載功率峰值的最大值為5.424 kW，數據曲線如圖8所示。在儲能設備的作用下，入戶功率被有效限制在3.3 kW以內。圖8（d）為不同儲能容量對應的理想入戶功率限制值，以二者平方和最小為優選值，對于現有3 kWh電池容量（考慮20%放電深度），可實現的最小入戶功率值2.953 kW。

可以分析得出用戶家庭實際負載功率峰值在試驗期間內多次達到4.3 kW以上，在儲能系統及設備的作用下，入戶功率基本不超過3.3 kW，驗證了戶用儲能系統入戶功率限制的有效性，初步實現預期效果。

4 結語

本文對基于微電網的戶用儲能系統進行研究，分別從系統工作模式、儲能電池組容量配置、電池管理系統設計、能量管理系統設計等關鍵技術進行了研究，并以某村光伏儲能接入項目為試驗平臺，對戶用儲能系統進行了試驗。驗證了試驗數據準確性和戶用儲能系統對入戶功率限制的有效性。

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Research on household energy storage systembased on microgrid

Dai Lu, Tan Dequan, Ou Mingwen

（Hunan Electrical Vocational and Technical College, Xiangtan 411100, Hunan China）

TM72

A

1003-4862（2023）10-0001-04

2023-04-26

2021年湖南省教育廳科學研究一般項目《基于微信電網的戶用儲能系統的關鍵應用技術研究》（21C1013）；2022年度湖南省社會科學成果評審委員會課題一般自籌項目《湖南省電力產業實現“碳達峰、碳中和”的對策研究》（XSP22YBC632）

戴璐（1984-），女，副教授，研究方向：電力電子在新能源領域的應用。E-mail：21349352@qq.com