儲能 智能化光伏，儲能系統(tǒng)中的能量管理

回溯光伏發(fā)展的歷史，我們可以清晰的洞見未來的發(fā)展趨勢。在戶用領(lǐng)域中，儲能系統(tǒng)的發(fā)展正逐步趕上純并網(wǎng)系統(tǒng)裝機量?？偟膩碚f，光伏行業(yè)的發(fā)展可以被大致概括為三個階段。

下圖闡明了并網(wǎng)系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)的應(yīng)用，顯示了引發(fā)能量管理系統(tǒng)（EMS）發(fā)展的節(jié)點。本文我們就來聊一下光伏系統(tǒng)中”智能化”應(yīng)用的實現(xiàn)和發(fā)展，以及它們對行業(yè)未來的影響。

戶用并網(wǎng)光伏系統(tǒng)與儲能光伏系統(tǒng)裝機量與發(fā)展時間關(guān)系圖

目前，戶用并網(wǎng)光伏系統(tǒng)與儲能光伏系統(tǒng)的發(fā)展可以分為以下三個階段

第一階段起步階段—穩(wěn)定而緩慢的光伏行業(yè)發(fā)展

在發(fā)展初期階段，也就是在幾十年前，那時光伏發(fā)電還是一個相對較新的概念，系統(tǒng)成本極高，經(jīng)濟型很低。

第二階段光伏行業(yè)的興起—儲能的起步

隨著光伏系統(tǒng)成本的下降和大規(guī)模應(yīng)用，光伏系統(tǒng)安裝量迅速增加。電力需求快速增長，政府不斷提供財政補貼支持。由于該階段電池成本仍然很高，所以儲能系統(tǒng)增長緩慢。

第三階段爆發(fā)點—能源管理系統(tǒng)

光伏系統(tǒng)裝機量發(fā)展迅速，對公共電網(wǎng)系統(tǒng)的產(chǎn)生壓力，并且很快達到極限。因此，政府補貼很快下降。在這種背景下，戶用儲能和防逆流的方案被廣泛應(yīng)用在新能源并網(wǎng)管理和增加自用率的需求中。因此，更加智能和電網(wǎng)友好型的能源管理系統(tǒng)逐漸變得越來越受歡迎；能量管理系統(tǒng)包含虛擬電廠、微網(wǎng)系統(tǒng)、頻率控制，以及在特定市場如澳大利亞的FCAS、德國的RCR控制、日本的HEMS系統(tǒng)和美國的IEEE2030．5等要求。

能量管理系統(tǒng)

如上圖所示，在能源管理系統(tǒng)中，EMS中心通過實時數(shù)據(jù)庫來進行動態(tài)調(diào)控，旨在通過無線通信或本地控制設(shè)備來滿足能源存儲系統(tǒng)的需求。系統(tǒng)還收集能源生產(chǎn)系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)，以便進一步和更精確的管理。

單個儲能系統(tǒng)的管理

在單個儲能系統(tǒng)中進行能量管理是非常簡單的，因為儲能系統(tǒng)通?？梢詫嵤┲悄苣芰靠刂七壿?，通過該邏輯（見下圖），光伏產(chǎn)生的能量可以優(yōu)先考慮用作負載消耗，并將多余的能量存儲在電池中。如果電池充滿電，則匱入電網(wǎng)。

光伏能量供給邏輯

所以在單個系統(tǒng)中，智能能量管理系統(tǒng)通常用于響應(yīng)負載控制或戶用負荷轉(zhuǎn)移。一種典型的方法是通過DO端口來控制外部繼電器來啟動或關(guān)閉特定負載（大功率但不是必要負載），或與特定負載管理設(shè)備（如熱控制器、太陽能泵或熱輻射器等）一起工作以節(jié)省費用。

如下圖所示，負載管理系統(tǒng)是一種更簡單的負載管理的方式。該系統(tǒng)需要一個逆變器和一個受控的外部繼電器，通過數(shù)字信號的控制，在特定時間段內(nèi)或特定工況下，實現(xiàn)特定負載切斷或重連。

負載管理系統(tǒng)案例

如下圖所示，熱控系統(tǒng)能根據(jù)實時的光伏和電池供點能力或時間控制來調(diào)整加熱功率，逆變器與控制器之間的通信可通過MODBUS， SUNSPEC或者其他協(xié)議實現(xiàn)。在逆變器和熱控系統(tǒng)中使用外部的EMS控制器也可以實現(xiàn)此功能。

光伏＋熱管理系統(tǒng)案例

多臺安裝設(shè)備之間的社區(qū)管理

政府、電網(wǎng)公司、投資商或承辦商經(jīng)常設(shè)立社區(qū)虛擬電廠或其他區(qū)域型能量管理的方法來節(jié)省電費，緩解電網(wǎng)壓力。儲能裝置主要作用是調(diào)節(jié)區(qū)域電網(wǎng)頻率或削減峰值功率需求。如下圖所示，社區(qū)級管理系統(tǒng)可采用集中式或分布式安裝方式。

基于分布式安裝的社區(qū)能量管理系統(tǒng)

具備能量管理功能的光伏儲能系統(tǒng)正逐漸獲得推廣，該類型系統(tǒng)具有優(yōu)化光伏能量使用和維持電網(wǎng)系統(tǒng)健康等功能。在澳洲，頻率控制輔助功能（FCAS）是目前推動這一發(fā)展的主要因素。在歐洲，德國政府要求紋波控制功能（RCR），西班牙跟意大利市場也出臺了政策明確支持社區(qū)虛擬電廠系統(tǒng)。

具有智能控制的儲能系統(tǒng)案例

案例解析

第一階段電池以較低電費的電力充電，為峰值需求時間做準備。充電功率根據(jù)分時電價進行智能調(diào)整。

第二階段在峰值需求時間段，由電池而不是電網(wǎng)來供給負載。

第三階段多余的光伏能量給電池充電，為峰值需求使用做準備。

第四階段 暴風雨即將來臨—電池保持滿電狀態(tài)，為緊急使用做準備。

AI的崛起

大多數(shù)智能能量管理系統(tǒng)能從電網(wǎng)公司的數(shù)據(jù)庫和氣象預報中獲得實時電價，預測電網(wǎng)中斷和電網(wǎng)頻率波動，從而向系統(tǒng)發(fā)出正確的指令，既能保證供電安全，又能節(jié)省電費。

人工智能技術(shù)（AI）也正逐漸得到關(guān)注。AI技術(shù)能學習控制行為并創(chuàng)建數(shù)字模型最大程度地優(yōu)化電力的配置，降低供電間斷的風險。

DROP和STEP方法

在社區(qū)儲能系統(tǒng)中，通常需要控制頻率來維持公共電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。如果使用儲能系統(tǒng)，就能很容易實現(xiàn)頻率控制。此外，它還要求光伏儲能系統(tǒng)直接對頻率信號作出響應(yīng)，或通過EMS控制器接收信號，然后通過DROP或STEP方式執(zhí)行動作。

DROP 方法示意圖

儲能系統(tǒng)中的DROP方法允許電池以更高的頻率充電或者以更低的頻率放電。該頻率根據(jù)實時頻率進行平穩(wěn)的下降或上升。

STEP方法示意圖

儲能系統(tǒng)中的STEP方法只允許電池以最大功率進行充放電。

儲能式能量管理系統(tǒng)不僅能優(yōu)化光伏自發(fā)自用率、節(jié)省電費、削減峰值用電需求，而且是穩(wěn)定公共電網(wǎng)、保障重要負荷供電的重要途徑。

目前已經(jīng)測試了幾種方法，可以洞見光伏行業(yè)的未來。很多光伏行業(yè)的供應(yīng)商和獨立研究機構(gòu)都在戶用和商用光伏系統(tǒng)中采用控制器或能量管理系統(tǒng)例如歐洲的SolarLog和Energybas，澳大利亞的SwitchDin和Deposit，中國的正泰、華為和固德威等。