胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定

摘要：文章針對儲能系統在電源能量管理中的應用，探討優化儲能系統設計和運行策略的關鍵技術，分析儲能系統在電源能量管理中的作用和面臨的挑戰，著重研究儲能系統的建模方法、能量調度算法、壽命評估與預測技術。在此基礎上，提出一種考慮儲能系統全生命周期的多目標優化策略，可有效提升系統經濟性和可靠性。通過仿真算例驗證所提策略的有效性和**性。文章的研究成果可為促進儲能技術在電源能量管理中的應用提供參考。

關鍵詞：儲能系統；電源能量管理；優化策略

0、引言

隨著新能源的大規模開發利用，電力系統面臨著更大的波動性和不確定性挑戰。儲能系統以其靈活的充放電能力成為維護電網穩定和經濟運行的重要手段。如何優化儲能系統的設計配置和運行策略，充分發揮其在電源能量管理中的作用，是一個亟待解決的問題。文章從儲能系統的建模、調度、壽命預測等方面入手，探索基于儲能優化的電源能量管理新策略。

1、儲能系統在電源能量管理中的作用分析

儲能系統憑借其靈活的充放電能力和快速響應特性，在電源能量管理中發揮著關鍵作用。儲能系統可在電價低谷時充電，高峰時放電，削減峰谷差，提高電網運行經濟性，同時減輕電力系統的備用容量壓力。面對新能源出力和負荷需求波動對電網頻率的沖擊，儲能系統可作為快速靈活的調頻資源，有效控制頻率波動，維護電網安全、穩定運行。

儲能系統還可以在電力缺額時快速放電，保障負荷供應，其響應速度快、調節精度高，能夠顯著提高系統備用水平，有效解決新能源“棄風棄光"問題。新能源出力過剩時，儲能系統吸收盈余電量，出力不足時放電補償缺額，實現新能源出力平滑，提高并網友好性。合理開發利用儲能資源，對提升電力系統靈活性、經濟性、安全性以及推動能源清潔低碳轉型意義重大。

2、儲能系統優化面臨的關鍵技術問題

儲能系統要在電源能量管理中發揮明顯效用，針對其全生命周期過程開展系統優化。這需要攻克一系列關鍵技術難題，主要集中在儲能系統建模、能量優化調度、壽命評估與預測3個方面。

2.1儲能系統建模

儲能系統建模是實現其優化設計和運行控制的重要基礎。準確、高效的建模方法可為儲能系統的規劃配置、運行管理以及壽命預估提供可靠的理論工具和決策支持。然而，由于儲能系統涉及復雜的電化學、熱力學以及電磁學等多物理場耦合過程，且在實際運行中表現出明顯的多時間尺度動態特性，給建模工作帶來諸多挑戰。目前，儲能系統建模主要有3類方法，分別為基于機理的物理建模、基于等效電路的半經驗建模以及基于數據驅動的智能建模。

基于機理的物理建模方法是從儲能系統的物理機理出發，利用偏微分方程描述其內部電化學和熱力學過程。例如，通過電荷守恒定律刻畫離子在電解質中的遷移擴散行為，利用法拉定律描述電極界面的電荷轉移動力學，結合能量守恒方程分析系統的熱量傳遞與溫度分布。物理建模通常還需要結合材料的本構關系，如固體電解質的電導率、電極材料的嵌鋰電位等，完整地描述儲能系統的充放電特性。這類“*一性原理"模型具有清晰的物理意義和機理解釋性，可深入分析材料結構、界面效應等對電池性能的影響機制，但也面臨偏微分方程組復雜、多場耦合強、數值求解困難等問題，計算成本較高，難以直接應用于工程實踐。

基于等效電路的半經驗建模方法是從儲能系統的輸入輸出特性出發，用電壓源、電阻、電容等電路元件等效其充放電行為。例如，Rint模型將電池等效為一個理想電壓源串聯內阻；Thevenin模型在此基礎上增加一個RC并聯支路描述極化效應；PNGV模型進一步引入一個電容模擬電池的容量衰減。這類模型形式簡單、物理意義明確，模型參數可由實測數據擬合得到，計算求解十分高效，因而在工程應用中得到廣泛使用。但半經驗模型受限于等效電路結構，難以刻畫電池內部的復雜機理，對溫度、老化等因素的影響描述不足，機理解釋性較差。

基于數據驅動的智能建模方法是利用機器學習算法，從儲能系統的海量運行監測數據中自動提取輸入輸出關系。通過訓練神經網絡、支持向量機等智能模型，可構建儲能狀態變量與外部環境、工況條件間的映射。這類數據驅動模型具有很強的非線性擬合與學習泛化能力，可自適應地逼近任意復雜系統，無須預先對物理機理作過多假設，因而建模靈活性高、適用范圍廣。但智能模型一般表現為“黑箱"形式，很難解釋其內在機理，且過度依賴樣本數據的質量，容易出現過擬合等問題。

隨著儲能系統監測數據的快速積累，急需開發物理建模與數據驅動相結合的混合建模新方法。可在物理模型框架下引入數據對偏微分方程組進行參數辨識和結構簡化，也可用物理機理對數據驅動模型進行先驗約束和后驗校正。這不僅有助于提高建模精度和泛化性，還可賦予智能算法以物理解釋，為復雜儲能系統行為的分析與優化提供新的思路。

2.2能量優化調度

在儲能系統的優化調度中，除考慮負荷需求、電價信息以及新能源出力的隨機性，還需要兼顧其他多個目標和約束條件。例如，降低運行成本、提高能量利用效率、延長電池使用壽命等。儲能系統本身的容量和功率約束也限制了其調度靈活性。因此，急需發展多時間尺度、多目標協同的能量優化調度新方法，以實現儲能系統在電源能量管理中的價值*大化。

針對儲能調度中的各種不確定性因素，可以引入隨機優化理論進行建模求解。例如，隨機動態規劃可以將不確定性參數視為隨機變量，通過構建多階段決策模型來優化調度策略。隨機優化方法能夠有效應對不確定性帶來的挑戰，提高儲能調度的適應性和健壯性。

在實際應用中，模型參數的不確定性和目標需求的多變性也給能量優化調度帶來了挑戰。針對這些問題，可以采用健壯優化方法來構建調度策略。通過考慮參數的不確定集合，尋求在糟糕情況下仍然滿足約束并優化目標的解，從而提高決策的穩健性和可靠性。此外，在工程實踐中，還可以進一步構建能量調度的預警機制和風險對沖策略。例如，根據電價波動和調度成本設置情景觸發條件，當觸發條件滿足時，及時調整調度策略；通過金融套期*值交易，對沖電價波動風險，鎖定儲能收益。這些措施有助于提高儲能系統應對不確定性風險的能力，保障其經濟效益和穩定運行。

2.3壽命評估與預測

儲能系統的使用壽命是制約其長期經濟性和可靠性的關鍵因素。鋰電池等電化學儲能在反復充放電過程中，健康狀態會發生退化，難以準確評估和預測壽命。因此，急需開展儲能系統在線健康監測、退化機理分析、剩余壽命預測等關鍵技術研究。

在線健康監測方面，可綜合荷電狀態（StateofCharge，SoC）、電池電壓、溫度等測量信息，提取表征電池健康狀態的關鍵特征量，構建實時健康評估指標體系。退化機理分析方面，可通過理化檢測手段，研究電池材料和結構隨充放電循環的演化規律，多尺度融合解析儲能系統的衰退機理。壽命預測方面，可建立映射電池運行工況和健康狀態的數據驅動模型，再結合蓄電池退化物理模型，形成具備外推能力的復合壽命預測方法。典型鋰離子電池的循環壽命和衰減機理如表1所示。

1. 考慮儲能全生命周期的多目標優化策略

儲能系統在電源能量管理中扮演著至關重要的角色，其規劃和運行須統籌投資成本、運維成本、調度收益以及壽命周期等多重目標。文章提出一種全生命周期多目標協同的優化新策略，以實現儲能系統在投資、運行、養護等各環節的系統優化。

3.1優化目標與約束

考慮儲能全生命周期優化的目標函數包括投資成本、運行成本、維護成本以及調度收益4個部分，同時綜合考慮儲能容量約束、功率約束、荷電狀態時序約束以及電池健康狀態約束。

3.2優化模型與算法

建立大時間尺度下的多階段決策優化模型，在投資階段確定儲能容量配置，并制定全生命周期有效的調度策略。采用時間段劃分與滾動優化、隨機動態規劃、啟發式算法等方法，應對電價和負荷的不確定性、電池健康狀態的非線性退化特性等求解挑戰。

3.3算例分析

以河北省張家口市的儲能電站為例，針對新能源配套場景開展算例分析。該電站由國網冀北電力有限公司投資建設，于2016年12月正式投運，是當時全球較大的儲能電站項目之一。

張家口儲能電站采用磷酸鐵鋰電池作為儲能媒介，裝機容量為36MW·h，配套14MW光伏發電系統，主要承擔新能源并網消納、電網調峰調頻等任務。通過分析實測光伏出力數據，采用文章提出的全生命周期多目標優化策略，制定光儲協同優化調度方案。

結果表明，配套儲能系統可有效應對新能源短期波動，削減新能源功率波動率50%以上。優化調度后的儲能響應速度可達毫秒級，有效參與電網一次調頻，提高電網運行靈活性。在北京電力交易組織的輔助服務市場中，張家口儲能電站通過調峰調頻獲得了可觀的運營收益。

實際運行數據表明，張家口儲能電站在提高可再生能源利用率方面也發揮了重要作用。配套儲能使光伏年利用小時數提高10%以上，棄光率降低2%以上。電池經過3年多運行監測，容量衰減率控制在5%以內，各項性能指標良好。按照設計壽命20年估算，在考慮全生命周期成本的前提下，該電站綜合投資收益率預計可達8%，展現出良好的技術經濟價值。

4、Acrel-2000MG微電網能量管理系統概述

4.1概述

Acrel-2000MG微電網能量管理系統，是我司根據新型電力系統下微電網監控系統與微電網能量管理系統的要求，總結國內外的研究和生產的經驗，專門研制出的企業微電網能量管理系統。本系統滿足光伏系統、風力發電、儲能系統以及充電樁的接入，全天候進行數據采集分析，直接監視光伏、風能、儲能系統、充電樁運行狀態及健康狀況，是一個集監控系統、能量管理為一體的管理系統。該系統在安全穩定的基礎上以經濟優化運行為目標，促進可再生能源應用，提高電網運行穩定性、補償負荷波動；有效實現用戶側的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為企業微電網能量管理提供安全、可靠、經濟運行提供了全新的解決方案。

微電網能量管理系統應采用分層分布式結構，整個能量管理系統在物理上分為三個層：設備層、網絡通信層和站控層。站級通信網絡采用標準以太網及TCP/IP通信協議，物理媒介可以為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

4.2技術標準

本方案遵循的標準有：

本技術規范書提供的設備應滿足以下規定、法規和行業標準：

GB/T26802.1-2011工業控制計算機系統通用規范1部分：通用要求

GB/T26806.2-2011工業控制計算機系統工業控制計算機基本平臺2部分：性能評定方法

GB/T26802.5-2011工業控制計算機系統通用規范5部分：場地安全要求

GB/T26802.6-2011工業控制計算機系統通用規范6部分：驗收大綱

GB/T2887-2011計算機場地通用規范

GB/T20270-2006信息安全技術網絡基礎安全技術要求

GB50174-2018電子信息系統機房設計規范

DL/T634.5101遠動設備及系統5-101部分:傳輸規約基本遠動任務配套標準

DL/T634.5104遠動設備及系統5-104部分:傳輸規約采用標準傳輸協議子集的IEC60870-5-網絡訪問101

GB/T33589-2017微電網接入電力系統技術規定

GB/T36274-2018微電網能量管理系統技術規范

GB/T51341-2018微電網工程設計標準

GB/T36270-2018微電網監控系統技術規范

DL/T1864-2018獨立型微電網監控系統技術規范

T/CEC182-2018微電網并網調度運行規范

T/CEC150-2018低壓微電網并網一體化裝置技術規范

T/CEC151-2018并網型交直流混合微電網運行與控制技術規范

T/CEC152-2018并網型微電網需求響應技術要求

T/CEC153-2018并網型微電網負荷管理技術導則

T/CEC182-2018微電網并網調度運行規范

T/CEC5005-2018微電網工程設計規范

NB/T10148-2019微電網1部分：微電網規劃設計導則

NB/T10149-2019微電網2部分：微電網運行導則

4.3適用場合

系統可應用于城市、高速公路、工業園區、工商業區、居民區、智能建筑、海島、無電地區可再生能源系統監控和能量管理需求。

4.4型號說明

4.5系統配置

4.5.1系統架構

本平臺采用分層分布式結構進行設計，即站控層、網絡層和設備層，詳細拓撲結構如下：

圖1典型微電網能量管理系統組網方式

4.6系統功能

4.6.1實時監測

微電網能量管理系統人機界面友好，應能夠以系統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態，實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。其中，各子系統回路電參量主要有：三相電流、三相電壓、總有功功率、總無功功率、總功率因數、頻率和正向有功電能累計值；狀態參數主要有：開關狀態、斷路器故障脫扣告警等。

系統應可以對分布式電源、儲能系統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態及發電單元與儲能單元運行功率設置等。

系統應可以對儲能系統進行狀態管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態進行及時告警，并支持定期的電池維護。

微電網能量管理系統的監控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電樁及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統信息進行顯示。

圖2系統主界面

子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電樁信息、通訊狀況及一些統計列表等。

4.6.1.1光伏界面

圖3光伏系統界面

本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、并網柜電力監測及發電量統計、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

4.6.1.2儲能界面

圖4儲能系統界面

本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖5儲能系統PCS參數設置界面

本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖6儲能系統BMS參數設置界面

本界面用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖7儲能系統PCS電網側數據界面

本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖8儲能系統PCS交流側數據界面

本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。

圖9儲能系統PCS直流側數據界面

本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。

圖10儲能系統PCS狀態界面

本界面用來展示對PCS狀態信息，主要包括通訊狀態、運行狀態、STS運行狀態及STS故障告警等。

圖11儲能電池狀態界面

本界面用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲能電池的運行狀態、系統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。

圖12儲能電池簇運行數據界面

本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的*大、*小電壓、溫度值及所對應的位置。

4.6.1.3風電界面

圖13風電系統界面

本界面用來展示對風電系統信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

4.6.1.4充電樁界面

圖14充電樁界面

本界面用來展示對充電樁系統信息，主要包括充電樁用電總功率、交直流充電樁的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電樁的運行數據等。

4.6.1.5視頻監控界面

圖15微電網視頻監控界面

本界面主要展示系統所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。

4.6.2發電預測

系統應可以通過歷史發電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發電進行短期、超短期發電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發電計劃，便于用戶對該系統新能源發電的集中管控。

圖16光伏預測界面

4.6.3策略配置

系統應可以根據發電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、有序充電、動態擴容等。

圖17策略配置界面

4.6.4運行報表

應能查詢各子系統、回路或設備**時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能等。

圖18運行報表

4.6.5實時報警

應具有實時報警功能，系統能夠對各子系統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。

圖19實時告警

4.6.6歷史事件查詢

應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

圖20歷史事件查詢

4.6.7電能質量監測

應可以對整個微電網系統的電能質量包括穩態狀態和暫態狀態進行持續監測，使管理人員實時掌握供電系統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。

1）在供電系統主界面上應能實時顯示各電能質量監測點的監測裝置通信狀態、各監測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度百分*和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度百分*和正序/負序/零序電流值；

2）諧波分析功能：系統應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；

3）電壓波動與閃變：系統應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與頻率偏差；

4）功率與電能計量：系統應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；

5）電壓暫態監測：在電能質量暫態事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發生時，系統應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統應能查看相應暫態事件發生前后的波形。

6）電能質量數據統計：系統應能顯示1min統計整2h存儲的統計數據，包括均值、*大值、*小值、95%概率值、方均根值。

7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續時間、事件發生的時間。

圖21微電網系統電能質量界面

4.6.8遙控功能

應可以對整個微電網系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統維護人員可以通過管理系統的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度系統或站內相應的操作命令。

圖22遙控功能

4.6.9曲線查詢

應可在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

4.6.10統計報表

具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的用電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與外部系統間電能量交換進行統計分析；對系統運行的節能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。

圖24統計報表

4.6.11網絡拓撲圖

系統支持實時監視接入系統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖25微電網系統拓撲界面

本界面主要展示微電網系統拓撲，包括系統的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

4.6.12通信管理

可以對整個微電網系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監測。系統維護人員可以通過管理系統的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

4.6.13用戶權限管理

應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

4.6.14故障錄波

應可以在系統發生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形

4.6.15事故追憶

可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。

用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發生時，存儲事故*10個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數據。啟動事件和監視的數據點可由用戶指*和隨意修改。

圖29事故追憶

5、硬件及其配套產品