淺談工業(yè)園區(qū)儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：獨(dú)立為解決不同儲(chǔ)能系統(tǒng)間的電能互濟(jì)、電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量點(diǎn)需量控制及充電樁等設(shè)備的柔性控制問題,以中節(jié)能臨平儲(chǔ)能電站項(xiàng)目為例,對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行過程中存在的問題及相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析,提出相關(guān)解決方法。選擇合適的采集點(diǎn),通過控制與管理系統(tǒng)（EMS）打通信信息孤島,可有效解儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行存在的問題,以期為其他園區(qū)實(shí)施相關(guān)項(xiàng)目提供借鑒。

關(guān)鍵字：工業(yè)園區(qū)；儲(chǔ)能系統(tǒng)；EMS；電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量點(diǎn)；需量控制

0.引言

隨著全球氣候問題日益嚴(yán)峻,新能源的應(yīng)用得到了普及。然而,光伏、風(fēng)能等新能源的應(yīng)用對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成了一定影響,為緩解影響,儲(chǔ)能技術(shù)得到了推廣應(yīng)用儲(chǔ)能系統(tǒng)是通過介質(zhì)或設(shè)備把能量存儲(chǔ)起來,在需要時(shí)再釋放的過程。儲(chǔ)能系統(tǒng)根據(jù)能量來源的不同分為物理儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能3大類。儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括儲(chǔ)能設(shè)備、能量轉(zhuǎn)換裝置、EMS3部分。工商業(yè)用戶的分布式儲(chǔ)能以化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用為主,在工業(yè)園區(qū)的實(shí)踐探索中,分布式儲(chǔ)能已經(jīng)取得了顯著成效。然而,分布式儲(chǔ)能在應(yīng)用中常因數(shù)據(jù)采集點(diǎn)設(shè)置和控制邏輯不合理導(dǎo)致需量控制失敗,儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出輸入功率被過早限止。筆者以中節(jié)能臨平儲(chǔ)能電站項(xiàng)目為例,分析儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用中存在的問題,并提出解決措施,以期為其他園區(qū)實(shí)施類似項(xiàng)目提供參考。

1.項(xiàng)目概況

新建的中節(jié)能臨平儲(chǔ)能電站位于臨平工業(yè)園區(qū)內(nèi),園區(qū)從電網(wǎng)接入1路10kV高壓電源,5路高壓出線。1號(hào)配電房高低壓共室布置,3路高壓出線為B1、B2、B33臺(tái)變壓器提供電源,1號(hào)配電房另一路高壓出線到2號(hào)配電房通過一進(jìn)四出環(huán)網(wǎng)柜為B4、B5、B6、B74臺(tái)變壓器提供高壓電源,*后一路高壓出線為3號(hào)配電房B8變壓器提供電源。1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、8號(hào)變壓器的容量為1250kVA,4號(hào)～7號(hào)變壓器的容量為1000kVA。園區(qū)已建有光伏1MWp,分2路并入2號(hào)配電房的B4、B6變壓器低壓母排。根據(jù)歷史用電數(shù)據(jù),*大需量在變壓器總?cè)萘康?0%以內(nèi)。園區(qū)管理部門為了減少基本電費(fèi)的支出按實(shí)際需量的電費(fèi)結(jié)算方式簽訂供用電合同。10kV一次主接線圖如圖1所示。

2.項(xiàng)目儲(chǔ)能系統(tǒng)

根據(jù)臨平工業(yè)園區(qū)近年的負(fù)荷曲線和變壓器的輸出功率情況,項(xiàng)目課題組在B1號(hào)變壓器和B2號(hào)變壓器低壓總進(jìn)線斷路器出線側(cè)接入300kW/996kW·h的1號(hào)儲(chǔ)能系統(tǒng)和200kW/446kW·h的2號(hào)儲(chǔ)能系統(tǒng)。項(xiàng)目課題組依據(jù)浙江省的電費(fèi)政策采取二充二放的充放電策略。考慮1號(hào)、2號(hào)變壓器的負(fù)載率相對(duì)較高,B3號(hào)變壓器的負(fù)載率相對(duì)較小且變壓器附近布置充電樁的條件合適,項(xiàng)目課題組決定在B3號(hào)變壓器低壓出線回路新增一樁二槍快充1臺(tái)（功率為120kW）,慢充樁5臺(tái)（功率為7kW）。儲(chǔ)能系統(tǒng)支持削峰填谷、需量控制、防逆流控制的策略。儲(chǔ)能系統(tǒng)的并網(wǎng)接入點(diǎn)選擇在變壓器的低壓總進(jìn)線處,在接入點(diǎn)電源側(cè)增設(shè)防逆流電表用以采集變壓器輸出的瞬時(shí)功率和正向有功功率需量。儲(chǔ)能系統(tǒng)的并網(wǎng)柜內(nèi)設(shè)置充放電的并網(wǎng)電能表,用以計(jì)量儲(chǔ)能設(shè)備的充放電有功電量。EMS采集防逆流電表及并網(wǎng)柜內(nèi)電能表的數(shù)據(jù)并進(jìn)行運(yùn)算,依照設(shè)定的邏輯來控制儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸入、輸出有功功率。如：儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率小于本地負(fù)荷功率時(shí),按*大功率放電;儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率大于本地負(fù)荷瞬時(shí)功率時(shí),降低輸出功率,使輸出功率不大于本地負(fù)荷功率,防止儲(chǔ)能系統(tǒng)向接入點(diǎn)變壓器高壓側(cè)輸出電能。儲(chǔ)能系統(tǒng)輸入功率與本地負(fù)荷功率之和應(yīng)不超過變壓器的需求量及*大帶載容量,否則需降低儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸入功率。臨平工業(yè)園區(qū)的2套儲(chǔ)能系統(tǒng)各自運(yùn)行相互不關(guān)聯(lián),每套儲(chǔ)能系統(tǒng)的拓樸圖如圖2所示。

3.儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行存在問題及原因分析

3.1儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行存在問題

儲(chǔ)能系統(tǒng)輸入功率時(shí),存在基本電費(fèi)增加的風(fēng)險(xiǎn)。儲(chǔ)能系統(tǒng)僅依據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)變壓器側(cè)的有功功率和需量數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)行控制,若并網(wǎng)接入點(diǎn)變壓器的瞬時(shí)輸出功率未超該變壓器的需量和允許*大輸出功率,此時(shí)疊加其余變壓器的功率后電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量點(diǎn)的需量有增加的風(fēng)險(xiǎn)。電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量點(diǎn)的*大需量是電網(wǎng)與用戶結(jié)算基本電費(fèi)的依據(jù),但并網(wǎng)接入點(diǎn)變壓器和電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量點(diǎn)的*大需求量在時(shí)間上是不一致的,僅依據(jù)單臺(tái)變壓器的控制方式會(huì)導(dǎo)致需量控制策略失敗。

充電樁工作時(shí)僅依據(jù)車輛的狀態(tài)為新能源車輛輸出有功功率,儲(chǔ)能系統(tǒng)輸入功率及用電負(fù)載功率疊加充電功率后,存在增加電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量點(diǎn)的*大需量及變壓器超功率運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn),對(duì)變壓器的安全運(yùn)行造成危害。

儲(chǔ)能系統(tǒng)輸入功率時(shí),僅依據(jù)接入點(diǎn)變壓器的功率與需量來判斷允許的輸入功率,存在降低儲(chǔ)能電站收益的風(fēng)險(xiǎn)。臨平工業(yè)園區(qū)1號(hào)儲(chǔ)能系統(tǒng)和2號(hào)儲(chǔ)能系統(tǒng)某日9：00—11：00（輸出功率時(shí)段）、11：00—13：00（輸入功率時(shí)段）、15：00—17：00（輸出功率時(shí)段）儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)負(fù)荷功率曲線如圖3和圖4所示。圖中關(guān)口表功率曲線為接入點(diǎn)變壓器的功率曲線,負(fù)載功率曲線為接入點(diǎn)變壓器所帶負(fù)載的功率曲線,需量為接入點(diǎn)變壓器的數(shù)據(jù),并網(wǎng)點(diǎn)功率為儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸入輸出功率。以下針對(duì)9：00—11：00時(shí)段、11：00—13：00時(shí)段進(jìn)行分析。

9：00—11：00時(shí)段。根據(jù)圖3、圖4可知,該時(shí)間段1號(hào)和2號(hào)儲(chǔ)能系統(tǒng)均輸出有功功率。1號(hào)儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)變壓器的用戶負(fù)載功率小于儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定輸出功率,1號(hào)儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率不大于用戶的負(fù)載,2號(hào)儲(chǔ)能系統(tǒng)以額定功率輸出有功功率。該時(shí)段儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率周期結(jié)束時(shí),1號(hào)儲(chǔ)能系統(tǒng)電池存儲(chǔ)電量未全部釋放,電池SOC值為38%,2號(hào)儲(chǔ)能系統(tǒng)電池存儲(chǔ)的電量按設(shè)定參數(shù)全部釋放完,電池SOC值為5%。11：00—13：00時(shí)段。該時(shí)段為低谷時(shí)段,儲(chǔ)能系統(tǒng)輸入有功功率,儲(chǔ)能電池存儲(chǔ)電量。1號(hào)儲(chǔ)能系統(tǒng)以額定功率輸入有功功率,儲(chǔ)能電池存儲(chǔ)電量達(dá)到設(shè)定的*大值,電池SOC值為95%。2號(hào)儲(chǔ)能系統(tǒng)受并網(wǎng)接入點(diǎn)變壓器需量控制影響,輸入功率小于額定輸入功率,儲(chǔ)能電池存儲(chǔ)電量不足,電池SOC值為68%。根據(jù)電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量點(diǎn)數(shù)據(jù)分析,該時(shí)段所有負(fù)載功率仍小于*大需量時(shí),2號(hào)儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸入功率被限制,降低了電站的收益。

3.2原因分析

由于數(shù)據(jù)采集點(diǎn)設(shè)置不合理,投運(yùn)時(shí)每個(gè)EMS各自采集儲(chǔ)能系統(tǒng)接入點(diǎn)變壓器的有功功率和*大需量值,不能反映電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量點(diǎn)的有功功率和*大需量,而電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量點(diǎn)恰恰又是電網(wǎng)防逆流和*大需量考核點(diǎn)。當(dāng)儲(chǔ)能并網(wǎng)接入點(diǎn)變壓器未發(fā)生逆流且輸出功率小于*大需量,但疊加同一電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量點(diǎn)范圍內(nèi)其余變壓器所帶負(fù)荷、儲(chǔ)能系統(tǒng)負(fù)荷、充電樁負(fù)荷,則在電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量點(diǎn)可能發(fā)生逆流或輸出功率超過*大需量的情況,*終導(dǎo)致防逆流和*大需量控制策略失敗。

充電樁的充放電功率只根據(jù)車輛交互信息提供輸出功率,儲(chǔ)能系統(tǒng)輸入功率產(chǎn)生功率疊加后,增加逆流及總功率超*大需量風(fēng)險(xiǎn)。充電樁不能主動(dòng)降低充電輸出功率以保證儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸入功率。

儲(chǔ)能系統(tǒng)EMS間數(shù)據(jù)鏈路未形成,相互間不能協(xié)同運(yùn)行。如前述9：00—11：00時(shí)段的情況：1號(hào)儲(chǔ)能系統(tǒng)未能釋放全部電量,2號(hào)儲(chǔ)能系統(tǒng)以額定功率釋放全部電量,2號(hào)儲(chǔ)能系統(tǒng)所屬變壓器負(fù)載功率仍需電網(wǎng)提供才能滿足要求,1號(hào)儲(chǔ)能系統(tǒng)無法輸出功率提供給2號(hào)儲(chǔ)能系統(tǒng)所屬變壓器負(fù)載。

4.解決方法

首先,選擇合理的采樣點(diǎn),采集儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)接入點(diǎn)變壓器、充電樁所接變壓器的功率及電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量點(diǎn)的功率和*大需量,得到準(zhǔn)確反映變壓器的輸出功率、計(jì)量點(diǎn)的*大需量及有功功率等信息。其次,打通信息孤島,同一電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量點(diǎn)范圍內(nèi)接入的不同變壓器、儲(chǔ)能系統(tǒng)、充電樁的電參量數(shù)據(jù)采集到同一個(gè)EMS,EMS依據(jù)每臺(tái)并網(wǎng)變壓器的有功功率及電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量點(diǎn)的*大需量計(jì)算出每套儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸入功率、儲(chǔ)能系統(tǒng)及充電樁的輸出功率。EMS拓樸圖如圖5所示。

EMS確保儲(chǔ)能設(shè)備在輸入功率、充電樁輸出功率時(shí)不增加園區(qū)*大需量,接入點(diǎn)變壓器的負(fù)載功率不超過變壓器的安全供電容量,且儲(chǔ)能設(shè)備輸出功率時(shí)不向電網(wǎng)送電。具體方法如下。

防逆流數(shù)據(jù)采集點(diǎn)由接入點(diǎn)變壓器低壓側(cè)上移到電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量點(diǎn),使儲(chǔ)能設(shè)備在釋放電能時(shí)不受接入點(diǎn)變壓器逆流的控制,有效打通不同變壓器間的能量流通。如,其中一臺(tái)儲(chǔ)能設(shè)備的輸出功率大于接入點(diǎn)變壓器的負(fù)載功率,電能會(huì)從接入點(diǎn)變壓器的低壓側(cè)流向高壓側(cè),經(jīng)高壓母排輸送到其余變壓器的負(fù)載,當(dāng)電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量點(diǎn)出現(xiàn)逆流趨勢(shì),則降低儲(chǔ)能設(shè)備輸出功率或停止儲(chǔ)能設(shè)備輸出功率。

電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量點(diǎn)的有功功率、*大需量、儲(chǔ)能和充電樁接入變壓器的瞬時(shí)輸出功率數(shù)據(jù)統(tǒng)一由EMS收集并進(jìn)行邊緣計(jì)算。電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量點(diǎn)一旦出現(xiàn)逆流趨勢(shì),EMS即發(fā)出指令讓儲(chǔ)能設(shè)備降低輸出功率直至停止功率輸出,防止逆流時(shí)儲(chǔ)能設(shè)備向電網(wǎng)送輸出有功功率,此時(shí)不影響光伏系統(tǒng)的功率輸出。儲(chǔ)能設(shè)備輸入功率階段EMS調(diào)度儲(chǔ)能和充電樁的輸入功率值，保證接入點(diǎn)變壓器不超載運(yùn)行。

在本項(xiàng)目實(shí)施過程中考慮儲(chǔ)能、充電樁等設(shè)備來自不同廠家的因素,為確保設(shè)備的安全運(yùn)行及責(zé)任劃分,EMS只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算、各設(shè)備允許輸出輸入功率的分配,不參與單臺(tái)設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)的控制。EMS把各受調(diào)設(shè)備的輸出、輸入功率的指令發(fā)送給儲(chǔ)能或充電樁的管理子系統(tǒng),由儲(chǔ)能或充電樁管理子系統(tǒng)自行控制相應(yīng)設(shè)備。

5.Acrel-2000ES儲(chǔ)能柜能量管理系統(tǒng)

5.1系統(tǒng)概述

安科瑞儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)Acrel-2000ES，專門針對(duì)工商業(yè)儲(chǔ)能柜、儲(chǔ)能集裝箱研發(fā)的一款儲(chǔ)能EMS，具有完善的儲(chǔ)能監(jiān)控與管理功能,涵蓋了儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備(PCS、BMS、電表、消防、空調(diào)等)的詳細(xì)信息,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報(bào)警管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等功能。在應(yīng)用上支持能量調(diào)度,具備計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。

5.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Acrel-2000ES，可通過直采或者通過通訊管理或串口服務(wù)器將儲(chǔ)能柜或者儲(chǔ)能集裝箱內(nèi)部的設(shè)備接入系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：

5.3系統(tǒng)功能

5.3.1實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)人機(jī)界面友好，能夠顯示儲(chǔ)能柜的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)PCS、BMS以及環(huán)境參數(shù)信息，如電參量、溫度、濕度等。實(shí)時(shí)顯示有關(guān)故障、告警、收益等信息。

5.3.2設(shè)備監(jiān)控

系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)PCS、BMS、電表、空調(diào)、消防、除濕機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行模式。

PCS監(jiān)控：滿足儲(chǔ)能變流器的參數(shù)與限值設(shè)置；運(yùn)行模式設(shè)置；實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能變流器交直流側(cè)電壓、電流、功率及充放電量參數(shù)的采集與展示；實(shí)現(xiàn)PCS通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開關(guān)狀態(tài)、異常告警等狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

BMS監(jiān)控：滿足電池管理系統(tǒng)的參數(shù)與限值設(shè)置；實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監(jiān)測(cè)；實(shí)現(xiàn)電池充放電狀態(tài)、電壓、電流及溫度異常狀態(tài)的告警。

空調(diào)監(jiān)控：滿足環(huán)境溫度的監(jiān)測(cè)，可根據(jù)設(shè)置的閾值進(jìn)行空調(diào)溫度的聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)及溫濕度數(shù)據(jù)，以曲線形式進(jìn)行展示。

UPS監(jiān)控：滿足UPS的運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)電參量監(jiān)測(cè)。

5.3.3曲線報(bào)表

系統(tǒng)能夠?qū)CS充放電功率曲線、SOC變換曲線、及電壓、電流、溫度等歷史曲線的查詢與展示。

5.3.4策略配置

滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)的配置、電價(jià)參數(shù)與時(shí)段的設(shè)置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制等。5.3.5實(shí)時(shí)報(bào)警

儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)?chǔ)能充放電越限、溫度越限、設(shè)備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

5.3.6事件查詢統(tǒng)計(jì)

儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)能夠?qū)b信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，方便用戶對(duì)系統(tǒng)事件和報(bào)警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。

5.3.7遙控操作

可以通過每個(gè)設(shè)備下面的紅色按鈕對(duì)PCS、風(fēng)機(jī)、除濕機(jī)、空調(diào)控制器、照明等設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制，但是當(dāng)設(shè)備未通信上時(shí)，控制按鈕會(huì)顯示無效狀態(tài)。

5.3.8用戶權(quán)限管理

儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)置了用戶權(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（如遙控的操作，數(shù)據(jù)庫修改等）?？梢远x不同級(jí)別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。

6.相關(guān)平臺(tái)部署硬件選型清單

7.結(jié)語

筆者以中節(jié)能臨平儲(chǔ)能電站項(xiàng)目為例,介紹項(xiàng)目新建儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行過程中存在的問題,針對(duì)問題提出：選擇合理的采樣點(diǎn),采集儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)接入點(diǎn)變壓器、充電樁所接變壓器的功率及電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量點(diǎn)的功率和*大需量;引入以電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量點(diǎn)為控制單元的EMS,加強(qiáng)控制邏輯。相關(guān)措施有效解決了基本電費(fèi)增加問題,也解決了變壓器間輸出功率及負(fù)載功率互濟(jì)增加問題,提升了儲(chǔ)能系統(tǒng)的存儲(chǔ)電量及釋放電量,增加儲(chǔ)能收益。

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