淺淡新型電力系統(tǒng)下的儲能技術(shù)
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：針新型電力系統(tǒng)是新型能源體系的重要載體，具備清潔低碳、安全可控、靈活高效、智能友好、開放互動五大特征。儲能技術(shù)在新型電力系統(tǒng)構(gòu)建中扮演著的角色，是實現(xiàn)五大特征的重要引擎，也是保障電力持續(xù)可靠供應(yīng)、保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行、促進(jìn)新能源高效消納（簡稱“兩保一促"）的基礎(chǔ)支柱。
關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；儲能技術(shù)；新能源
0.引言
隨著新型電力系統(tǒng)已經(jīng)正式邁入“路徑設(shè)計"及“方實施"的關(guān)鍵階段。2023年7月11日，主持召開全面深化改革委員會二次會議，審議通過了《關(guān)于深化電力體制改革加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的指導(dǎo)意見》，強(qiáng)調(diào)要科學(xué)合理設(shè)計新型電力系統(tǒng)建設(shè)路徑。同日《中國電力報》刊發(fā)電網(wǎng)有限公司辛保安董事長署名文章“新型電力系統(tǒng)構(gòu)建方研究"，闡釋新型電力系統(tǒng)構(gòu)建中的關(guān)鍵難點?？梢钥隙ǖ氖?，在新型電力系統(tǒng)建設(shè)的不同階段，儲能技術(shù)都將持續(xù)發(fā)揮重要作用，非常有必要在頂層設(shè)計的基礎(chǔ)上，完善儲能系統(tǒng)的理論方法，促進(jìn)儲能數(shù)字化智能化（簡稱數(shù)智化）技術(shù)創(chuàng)新，服務(wù)好支撐電源側(cè)高比例可再生能源廣泛接入、電網(wǎng)側(cè)資源安全高效靈活配置、負(fù)荷側(cè)多元負(fù)荷需求的戰(zhàn)略目標(biāo)。
1.開發(fā)背景
當(dāng)基于上述背景，《供用電》邀請我們共同策劃了“新型電力系統(tǒng)下的儲能技術(shù)"專題，組織了5篇技術(shù)論文。面向數(shù)智化發(fā)展的電化學(xué)儲能電站創(chuàng)新應(yīng)用新需求與新挑戰(zhàn)，中國電力科學(xué)研究院有限公司李相俊等在分析我國電化學(xué)儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了儲能電池、儲能變流器、儲能電站的數(shù)智化應(yīng)用新思路與新方法，并展望了電化學(xué)儲能電站數(shù)字化智能化應(yīng)用前景；針對愈加復(fù)雜的微電網(wǎng)黑啟動問題，北京信息科技大學(xué)劉佳豪等綜合考慮儲能荷電狀態(tài)及分布式電源出力不確定性的影響，提出了一種基于分布式電源黑啟動能力在線評估的微電網(wǎng)動態(tài)黑啟動策略，該策略可避免電源實際出力小于負(fù)荷需求而導(dǎo)致黑啟動失敗，也可減少電源實際出力過剩而導(dǎo)致的能源浪費；針對電池儲能電站中鋰離子電池的安全風(fēng)險與優(yōu)化運行問題，中國電力科學(xué)研究院有限公司李焓寧等兼顧電池儲能單元的荷電狀態(tài)、健康狀態(tài)和安全狀態(tài)，提出了一種電池儲能電站能量管理策略，該策略保證了儲能系統(tǒng)的安全運行，具有良好的荷電狀態(tài)平衡效果，且電池儲能電站能夠更好地參與電力系統(tǒng)調(diào)度；針對改善風(fēng)力發(fā)電出力特
性的問題，國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院陳金玉等提出了一種面向功率平抑的風(fēng)-儲系統(tǒng)魯棒模型預(yù)測控制技術(shù)，相比于其他技術(shù)，所提魯棒模型預(yù)測控制策略對風(fēng)電波動的平抑效果更佳，且對不同水平的風(fēng)電預(yù)測誤差具有更強(qiáng)的適應(yīng)性；針對電壓暫降防治問題，國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院劉曼佳等提出了一種基于構(gòu)網(wǎng)型儲能變流器的電壓暫降分級治理策略，該策略能夠有效支撐并網(wǎng)點電壓，保證了工業(yè)園區(qū)重要敏感負(fù)荷的穩(wěn)定運行。
2.1概述
安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統(tǒng)具有完善的儲能監(jiān)控與管理功能，涵蓋了儲能系統(tǒng)設(shè)備(PCS、BMS、電表、消防、空調(diào)等)的詳細(xì)信息，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視監(jiān)控、報警管理、統(tǒng)計報表等功能。在高級應(yīng)用上支持能量調(diào)度，具備計劃曲線、削峰填谷、需量控制、備用電源等控制功能。系統(tǒng)對電池組性能進(jìn)行實時監(jiān)測及歷史數(shù)據(jù)分析、根據(jù)分析結(jié)果采用智
能化的分配策略對電池組進(jìn)行充放電控制，優(yōu)化了電池性能，提高電池壽命。系統(tǒng)支持Windows操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫采用SQLServer。本系統(tǒng)既可以用于儲能一體柜，也可以用于儲能集裝箱，是專門用于儲能設(shè)備管理的一套軟件系統(tǒng)平臺。
2.2適用場合
系統(tǒng)可應(yīng)用于城市、高速公路、工業(yè)園區(qū)、工商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、智能建筑、海島、無電地區(qū)可再生能源系統(tǒng)監(jiān)控和能量管理需求。
2.2.1工商業(yè)儲能四大應(yīng)用場景
1）工廠與商場：工廠與商場用電習(xí)慣明顯，安裝儲能以進(jìn)行削峰填谷、需量管理，能夠降低用電成本，并充當(dāng)后備電源應(yīng)急；
2）光儲充電站：光伏自發(fā)自用、供給電動車充電站能源，儲能平抑大功率充電站對于電網(wǎng)的沖擊；
3）微電網(wǎng)：微電網(wǎng)具備可并網(wǎng)或離網(wǎng)運行的靈活性，以工業(yè)園區(qū)微網(wǎng)、海島微網(wǎng)、偏遠(yuǎn)地區(qū)微網(wǎng)為主，儲能起到平衡發(fā)電供應(yīng)與用電負(fù)荷的作用；
4）新型應(yīng)用場景：工商業(yè)儲能積極探索融合發(fā)展新場景，已出現(xiàn)在數(shù)據(jù)、5G基站、換電重卡、港口岸電等眾多應(yīng)用場景。
2.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2.4.1實時監(jiān)測
微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)人機(jī)界面友好，應(yīng)能夠以系統(tǒng)一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各回路斷路器、隔離開關(guān)等合、分閘狀態(tài)及有關(guān)故障、告警等信號。其中，各子系統(tǒng)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(shù)、頻率和正向有功電能累計值；狀態(tài)參數(shù)主要有：開關(guān)狀態(tài)、斷路器故障脫扣告警等。
系統(tǒng)應(yīng)可以對分布式電源、儲能系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電管理，使管理人員實時掌握發(fā)電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態(tài)及發(fā)電單元與儲能單元運行功率設(shè)置等。
系統(tǒng)應(yīng)可以對儲能系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)管理，能夠根據(jù)儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)進(jìn)行及時告警，并支持定期的電池維護(hù)。
微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)界面包括系統(tǒng)主界面，包含微電網(wǎng)光伏、風(fēng)電、儲能、充電樁及總體負(fù)荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節(jié)能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據(jù)不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統(tǒng)信息進(jìn)行顯示。
圖2系統(tǒng)主界面
子界面主要包括系統(tǒng)主接線圖、光伏信息、風(fēng)電信息、儲能信息、充電樁信息、通訊狀況及一些統(tǒng)計列表等。
圖3光伏系統(tǒng)界面
本界面用來展示對光伏系統(tǒng)信息，主要包括逆變器直流側(cè)、交流側(cè)運行狀態(tài)監(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統(tǒng)計及分析、并網(wǎng)柜電力監(jiān)測及發(fā)電量統(tǒng)計、電站發(fā)電量年有效利用小時數(shù)統(tǒng)計、發(fā)電收益統(tǒng)計、碳減排統(tǒng)計、輻照度/風(fēng)力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時對系統(tǒng)的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行展示。
圖4儲能系統(tǒng)界面
本界面主要用來展示本系統(tǒng)的儲能裝機(jī)容量、儲能當(dāng)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(tǒng)PCS參數(shù)設(shè)置界面
本界面主要用來展示對PCS的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括開關(guān)機(jī)、運行模式、功率設(shè)定以及電壓、電流的限值。
圖6儲能系統(tǒng)BMS參數(shù)設(shè)置界面
本界面用來展示對BMS的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，主要包括電芯電壓、溫度保護(hù)限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。
圖7儲能系統(tǒng)PCS電網(wǎng)側(cè)數(shù)據(jù)界面
本界面用來展示對PCS電網(wǎng)側(cè)數(shù)據(jù)，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數(shù)等。
圖8儲能系統(tǒng)PCS交流側(cè)數(shù)據(jù)界面
本界面用來展示對PCS交流側(cè)數(shù)據(jù)，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數(shù)、溫度值等。同時針對交流側(cè)的異常信息進(jìn)行告警。
圖9儲能系統(tǒng)PCS直流側(cè)數(shù)據(jù)界面
本界面用來展示對PCS直流側(cè)數(shù)據(jù)，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側(cè)的異常信息進(jìn)行告警。
圖10儲能系統(tǒng)PCS狀態(tài)界面
本界面用來展示對PCS狀態(tài)信息，主要包括通訊狀態(tài)、運行狀態(tài)、STS運行狀態(tài)及STS故障告警等。
圖11儲能電池狀態(tài)界面
本界面用來展示對BMS狀態(tài)信息，主要包括儲能電池的運行狀態(tài)、系統(tǒng)信息、數(shù)據(jù)信息以及告警信息等，同時展示當(dāng)前儲能電池的SOC信息。
圖12儲能電池簇運行數(shù)據(jù)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(dāng)前電芯大、小電壓、溫度值及所對應(yīng)的位置。
圖13風(fēng)電系統(tǒng)界面
本界面用來展示對風(fēng)電系統(tǒng)信息，主要包括逆變控制一體機(jī)直流側(cè)、交流側(cè)運行狀態(tài)監(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統(tǒng)計及分析、電站發(fā)電量年有效利用小時數(shù)統(tǒng)計、發(fā)電收益統(tǒng)計、碳減排統(tǒng)計、風(fēng)速/風(fēng)力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時對系統(tǒng)的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行展示。
圖14充電樁界面
本界面用來展示對充電樁系統(tǒng)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(shù)據(jù)等。
圖15微電網(wǎng)視頻監(jiān)控界面
本界面主要展示系統(tǒng)所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現(xiàn)預(yù)覽、回放、管理與控制等。
2.4.7發(fā)電預(yù)測
系統(tǒng)應(yīng)可以通過歷史發(fā)電數(shù)據(jù)、實測數(shù)據(jù)、未來天氣預(yù)測數(shù)據(jù)，對分布式發(fā)電進(jìn)行短期、超短期發(fā)電功率預(yù)測，并展示合格率及誤差分析。根據(jù)功率預(yù)測可進(jìn)行人工輸入或者自動生成發(fā)電計劃，便于用戶對該系統(tǒng)新能源發(fā)電的集中管控。
圖16光伏預(yù)測界面
系統(tǒng)應(yīng)可以根據(jù)發(fā)電數(shù)據(jù)、儲能系統(tǒng)容量、負(fù)荷需求及分時電價信息，進(jìn)行系統(tǒng)運行模式的設(shè)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(tài)擴(kuò)容等。
圖17策略配置界面
應(yīng)能查詢各子系統(tǒng)、回路或設(shè)備時間的運行參數(shù)，報表中顯示電參量信息應(yīng)包括：各相電流、三相電壓、總功率因數(shù)、總有功功率、總無功功率、正向有功電能等。
2.4.10實時報警
應(yīng)具有實時報警功能，系統(tǒng)能夠?qū)Ω髯酉到y(tǒng)中的逆變器、雙向變流器的啟動和關(guān)閉等遙信變位，及設(shè)備內(nèi)部的保護(hù)動作或事故跳閘時應(yīng)能發(fā)出告警，應(yīng)能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護(hù)事件名稱、保護(hù)動作時刻；并應(yīng)能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關(guān)人員。
圖19實時告警
應(yīng)能夠?qū)b信變位，保護(hù)動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風(fēng)速、氣壓越限等事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。
2.4.12電能質(zhì)量監(jiān)測
應(yīng)可以對整個微電網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量包括穩(wěn)態(tài)狀態(tài)和暫態(tài)狀態(tài)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，使管理人員實時掌握供電系統(tǒng)電能質(zhì)量情況，以便及時發(fā)現(xiàn)和消除供電不穩(wěn)定因素。
1）在供電系統(tǒng)主界面上應(yīng)能實時顯示各電能質(zhì)量監(jiān)測點的監(jiān)測裝置通信狀態(tài)、各監(jiān)測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度百和正序/負(fù)序/零序電壓值、三相電流不平衡度百和正序/負(fù)序/零序電流值；
2）諧波分析功能：系統(tǒng)應(yīng)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(yīng)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(tǒng)應(yīng)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(yīng)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(yīng)能顯示電壓偏差與頻率偏差；
4）功率與電能計量：系統(tǒng)應(yīng)能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應(yīng)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(yīng)能提供有功負(fù)荷曲線，包括日有功負(fù)荷曲線（折線型）和年有功負(fù)荷曲線（折線型）；
5）電壓暫態(tài)監(jiān)測：在電能質(zhì)量暫態(tài)事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發(fā)生時，系統(tǒng)應(yīng)能產(chǎn)生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關(guān)人員；系統(tǒng)應(yīng)能查看相應(yīng)暫態(tài)事件發(fā)生前后的波形。
6）電能質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計：系統(tǒng)應(yīng)能顯示1min統(tǒng)計整2h存儲的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，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(yīng)包含事件名稱、狀態(tài)（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續(xù)時間、事件發(fā)生的時間。
圖21微電網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量界面
應(yīng)可以對整個微電網(wǎng)系統(tǒng)范圍內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控操作。系統(tǒng)維護(hù)人員可以通過管理系統(tǒng)的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預(yù)置、遙控返校、遙控執(zhí)行的操作順序，可以及時執(zhí)行調(diào)度系統(tǒng)或站內(nèi)相應(yīng)的操作命令。
圖22遙控功能
應(yīng)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(shù)、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。
圖23曲線查詢
具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內(nèi)各配電節(jié)點的用電情況，即該節(jié)點進(jìn)線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計分析報表。對微電網(wǎng)與外部系統(tǒng)間電能量交換進(jìn)行統(tǒng)計分析；對系統(tǒng)運行的節(jié)能、收益等分析；具備對微電網(wǎng)供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數(shù)等分析；具備對并網(wǎng)型微電網(wǎng)的并網(wǎng)點進(jìn)行電能質(zhì)量分析。
2.4.16網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D
系統(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設(shè)備的通信狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；可在線診斷設(shè)備通信狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)異常時能自動在界面上顯示故障設(shè)備或元件及其故障部位。
圖25微電網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣缑?/p>
本界面主要展示微電網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)?，包括系統(tǒng)的組成內(nèi)容、電網(wǎng)連接方式、斷路器、表計等信息。
可以對整個微電網(wǎng)系統(tǒng)范圍內(nèi)的設(shè)備通信情況進(jìn)行管理、控制、數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。系統(tǒng)維護(hù)人員可以通過管理系統(tǒng)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(shè)備的通信和數(shù)據(jù)情況。通信應(yīng)支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規(guī)約。
圖26通信管理
應(yīng)具備設(shè)置用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如遙控操作，運行參數(shù)修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。
圖27用戶權(quán)限
應(yīng)可以在系統(tǒng)發(fā)生故障時，自動準(zhǔn)確地記錄故障前、后過程的各相關(guān)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(hù)是否正確動作、提高電力系統(tǒng)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(fā)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(guān)量波形。
圖28故障錄波
可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數(shù)據(jù)，包括開關(guān)位置、保護(hù)動作狀態(tài)、遙測量等，形成事故分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當(dāng)每個事件發(fā)生時，存儲事故個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關(guān)點數(shù)據(jù)。啟動事件和監(jiān)視的數(shù)據(jù)點可由用戶和隨意修改。
圖29事故追憶
3.系統(tǒng)硬件配置清單
4.結(jié)語
綜上所述，本專題重點圍繞儲能數(shù)字化智能化應(yīng)用、建模仿真、運行控制、黑啟動等議題，擬通過理論研究、方法推廣、產(chǎn)業(yè)協(xié)同等方式，把握儲能系統(tǒng)功能定位和發(fā)展趨勢，為儲能參與支撐新型電力系統(tǒng)“兩保一促"等提供一定應(yīng)用思路。展望未來，為促進(jìn)儲能技術(shù)的健康、有序發(fā)展，不僅可以通過深刻把握新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建邏輯，開展儲能發(fā)展的方研究；還應(yīng)通過推動儲能的技術(shù)創(chuàng)新，深化新型電力系統(tǒng)落地與實踐。建議持續(xù)關(guān)注新型電力系統(tǒng)中的儲能規(guī)劃評估、集成運行及新型裝備技術(shù)發(fā)展，并在多能互補(bǔ)系統(tǒng)、超大規(guī)模儲能電站、多類型儲能聯(lián)合應(yīng)用、源網(wǎng)荷儲協(xié)同優(yōu)化等領(lǐng)域取得新的突破。
參考文獻(xiàn)
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