安科瑞 陳聰

0引言

隨著中國“雙碳”目標的提出，以風電、光伏發電為主的新能源發電裝機容量呈逐年上漲趨勢。同時，受局部氣候的影響，新能源發電的輸出功率易出現急劇爬升或陡降的情況，這給電力系統的調頻裕度帶來了挑戰。由于新能源發電的輸出功率特性和較為復雜的并網阻抗特性，在大規模集中式并網或分布式并網的情況下，電力系統易出現頻率振蕩的情況，引發電力系統穩定性問題，影響負荷的用電安全性。而結合儲能系統應用，可實現對電力系統用電負荷的削峰填谷，緩解火電機組的調峰壓力；此外，以儲能系統作為一次調頻，能夠平衡電力系統的用電負荷波動，使電力系統頻率在允許范圍內波動。

國內外開展了許多關于儲能系統的研究，比如：[1-3]介紹了儲能系統的前景和優勢；[4-5]對發電側、用電側儲能系統進行了成本和收益分析；[6-7]對儲能控制管理系統進行了研究，提高了該系統的穩定性；[8-9]分別對光儲一體化項目和海上風電項目的配套儲能系統方案進行了設計研究，緩解了電力系統調峰壓力，并提高了能源利用率；[10]對混合儲能方案的優選及其優化配置模型進行了研究，探討了多種靈活性調節資源優勢互補下的獨立于新型電力系統各環節的混合儲能優化配置策略與多環節聯動的混合儲能均衡配置策略。

為了更好地改善新能源發電并網對電力系統穩定性的影響，本文針對電池儲能系統在并網型新能源發電系統中的應用及作用進行分析；并以某光儲一體化微電網項目為例，對電池儲能系統的經濟性進行研究。

1儲能系統概述

儲能系統是指通過一種或多種技術手段，將電能、熱能、化學能、機械能等能量形式儲存起來，并在需要時將儲存的能量釋放出來，以滿足不同應用場景下能源需求的系統。它在能源領域中起著調節能源供需、提高能源利用效率、增強能源系統穩定性和可靠性等重要作用。

2儲能系統的組成

2.1儲能單元

是儲能系統的核心部分，負責實現能量的儲存和釋放，如電池、飛輪、壓縮空氣容器等。

2.2能量轉換單元

主要包括變流器等設備，其作用是實現電能與其他形式能量之間的轉換，以及對電能的變換和控制，以滿足不同設備和負載的需求。

2.3管理系統

用于監測儲能系統的運行狀態，包括電池的電壓、電流、溫度等參數，以及對儲能單元進行充放電控制、故障診斷、能量調度等，以確保儲能系統的安全、穩定運行。

2.4輔助設備

如冷卻系統、消防系統、監控設備等，為儲能系統的正常運行提供保障和支持。

3儲能系統的應用場景

3.1電力系統

在發電側，可用于調節可再生能源發電的間歇性和波動性，提高發電的穩定性和可靠性；在電網側，可用于電網的調峰調頻、電壓支撐、緩解輸電擁堵等，提高電網的運行效率和靈活性；在用戶側，可作為分布式能源存儲裝置，實現用戶的能源自給自足，降低用電成本，同時也可用于應急備用電源。

3.2交通運輸

主要應用于電動汽車、電動公交車等電動交通工具，為車輛提供動力能源，實現車輛的*排放或低排放運行。

3.3工業領域

可用于一些對能源供應穩定性要求較高的工業生產過程，如鋼鐵、化工等行業，作為備用電源或用于調節生產過程中的能源需求，提高生產的連續性和效率。

3.4通信領域

作為通信基站的備用電源，確保在電網停電等情況下，通信設備能夠持續運行，保障通信的暢通。

4電池儲能系統在并網型新能源發電系統中的作用

本文以包括風電和光伏發電的新能源發電系統為例，對電池儲能系統在此種并網型新能源發電系統中的作用進行分析。本文以包括風電和光伏發電的新能源發電系統為例，對電池儲能系統在此種并網型新能源發電系統中的作用進行分析。

4.1削峰填谷

新能源發電在一天內的長時間波動性及其與用電負荷的不匹配性，即反調峰特性，導致其并網后將增加電力系統在上調和下調時的備用容量需求。在夜晚用電高峰期(一般為19:00～22:00時段)，光伏發電無電力輸出；而風力發電往往可能在全天負荷*低點(即24:00時)出現滿功率發電的情況，導致1年中將會出現一定比例的因輸送通道能力不足而“棄光”和“棄風”的現象。針對上述情況，儲能系統可將風電在全天負荷*低點時所發電能進行存儲，在夜晚用電高峰期再釋放出來，將電量在時間上進行平移，以*大限度地利用傳輸線路匹配負荷用電趨勢，同時減少電力系統對火電機組上調和下調的容量需求，達到削峰填谷的目的。

新能源發電通過配置電池儲能系統可有效限制等效用電負荷(即給定的日用電負荷和新能源發電輸出功率的總和)，使其處于新能源發電上網*大有效功率和*小有效功率范圍以內，避免了新能源發電限發和甩用電負荷的行為，提高了電力系統對新能源發電的消納能力，同時也可降低電力系統對備用容量的需求，提高電力系統整體運行效率。

4.2穩定電力系統

新能源發電系統輸出功率的短時變化率應滿足電力系統的穩定性要求。目前，電力系統對并網型新能源發電系統的有功功率變化限值的要求如表1所示。

表1電力系統對并網型新能源發電系統的有功功率變化限值

平滑新能源發電并網時的波動性是指通過電池儲能系統控制新能源電力的存儲和釋放，使電池儲能系統輸出的有功功率PBES與新能源發電輸出的有功功率PNE的總和P的波動變化量滿足表1中的限值要求。0電池儲能系統的有功功率控制算法主要包括兩種，分別為逐點限值法和低通濾波法。0采用逐點限值法時，電池儲能系統j時刻輸出的有功功率PBES(j)的取值范圍可表示為：

式中：ΔP10(j)為電池儲能系統j時刻輸出的有功功率與其過去10min內輸出的有功功率之間的變化量；Py,10為電池儲能系統10min內*大允許波動功率；ΔP1(j)為電池儲能系統j時刻輸出的有功功率與其過去1min內輸出的有功功率之間的變化量；Py,1為電池儲能系統1min內*大允許波動功率。0低通濾波法通過低通濾波器對輸入信號的幅值進行加減處理，使輸出的信號更為平滑。采用低通濾波法時，電池儲能系統j時刻輸出的有功功率可表示為：

式中：τ為時間常數；t為控制周期；P(j)、P(j–1)分別為j、j–1時刻的電池儲能系統與新能源發電系統輸出的有功功率的總和。0時間常數可表示為：

式中：fc為低通濾波器的截止頻率。

4.3一次調頻

一次調頻主要為應對電力系統短期的用電負荷快速波動，在電力系統頻率超限情況下，自主向電力系統進行有功功率支持或有功功率吸納的行為。電力系統對不同類型能源的一次調頻要求不盡相同，比如：對火電的一次調頻控制死區要求為50±0.033Hz；對水電的要求為50±0.05Hz；對光伏發電的要求為50±0.06Hz；對風電的要求為50±0.10Hz。

儲能系統的一次調頻是指其根據電力系統頻率的實時變化情況來調整自身輸出或吸收的有功功率，以便于迅速響應電力系統用電負荷波動，從而維持電力系統頻率的穩定性。該調頻方式具有響應速度快、調節精度高的特點，是保障電力系統穩定運行的重要方式。相較于火電機組，電池儲能系統可以更快地響應電力系統的頻率變化，且可以獨立或與新能源一起承擔一次調頻。根據相關的電力系統雙細則考核，新能源發電配套儲能系統后，能夠完成或改善其在調峰、一次調頻等方面的功能。對于300MW火電機組而言，其一次調頻的限幅為額定容量的8%，即24MW；火電機組一次調頻負荷調整量為每赫茲160MW，頻率偏差為0.033～0.183Hz，對應調節功率為0～24MW，每次超限后火電機組的輸出功率都為±0.2%的額定功率，即±600kW。按照上述技術要求，假設一次調頻交由電池儲能系統獨立承擔，則電池儲能系統單次充放電工作時間僅為10s左右，且可認為上下頻率超限的概率大致相當，則配置600kW/0.5h的電池儲能系統較為適宜。若再輔助合理的電荷狀態(SOC)管理策略，雖然每日電池儲能系統的充放電循環次數較多，但其儲能電池基本在50%SOC附近淺充淺放，充放電深度范圍較小，確保了儲能電池的使用壽命。

此外，為了進一步減少電池儲能系統的容量，同時使儲能電池運行在合理的SOC范圍內，可采用雙邊界改進型平滑控制算法，通過頻繁動作，優化運行中儲能電池的SOC，進一步減少電力系統對電池儲能系統容量的需求。

5應用案例

5.1項目介紹及主要設備

以某光儲一體化微電網項目為例進行分析。該項目由裝機容量為800kW的光伏發電系統、容量為250kW/500kWh的磷酸鐵鋰電池儲能系統及用戶用電負荷組成。磷酸鐵鋰電池儲能系統的*高電壓等級為10kV；光伏電力在滿足自用有富余時，將電力存儲在磷酸鐵鋰電池儲能系統中，然后在用電高峰期將電力供給電網。該項目的主要設備清單如表2所示。

表2本項目的主要設備清單

5.2微電網的主要運行功能

5.2.1儲能系統“黑啟動”

該微電網會將光伏發電余電存儲在磷酸鐵鋰電池儲能系統中，以備不時之需。當市電網失電時，微電網與電網的公共連接點斷開，磷酸鐵鋰電池儲能系統可實現“黑啟動”，即由儲能系統和光伏發電系統向負載供電，而無需使用市電網電力。

5.2.2電壓-電流雙閉環運行模式

磷酸鐵鋰電池儲能系統輸出采用兩段母線，當一段母線下多組儲能電池運行于電壓-電流雙閉環模式時，另一段母線則運行于微電網并網控制策略下。在電壓-電流雙閉環運行模式下，可實現對儲能電池的充放電控制，確保儲能系統的運行穩定性和充放電效率，從而維持直流母線電壓的平衡。

5.2.3能量管理系統(EMS)

EMS用于保障微電網的穩定、安全、可靠運行和光伏發電系統的優化利用，其具有數據及狀態監控、設備管理與系統故障保護、信息存儲與記錄、配網自動化、智能計量、智能用電、視頻及環境監控、綜合能量管理等功能。

5.3儲能系統的收益測算

本微電網中的磷酸鐵鋰電池儲能系統主要運行在可實現削峰填谷的經濟性運行模式下，即在用電低谷期，由電網向其充電；在白天用電高峰期，則釋放能量，為電網供電。0當項目所在地的峰谷電價差為0.7元/kWh時，在磷酸鐵鋰電池儲能系統的放電深度為90%的情況下，該儲能系統的年收益為0.7×500×90%×365≈11.5萬元。另外，本項目配套儲能系統后，在節省電費的同時，還可以降低所需箱變的功率，節省箱變的購買費用。

6安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統解決方案

6.1概述

安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統具有完善的儲能監控與管理功能，涵蓋了儲能系統設備(PCS、BMS、電表、消防、空調等)的詳細信息，實現了數據采集、數據處理、數據存儲、數據查詢與分析、可視化監控、報警管理、統計報表等功能。在應用上支持能量調度，具備計劃曲線、削峰填谷、需量控制、備用電源等控制功能。系統對電池組性能進行實時監測及歷史數據分析、根據分析結果采用智能化的分配策略對電池組進行充放電控制，優化了電池性能，提高電池壽命。系統支持Windows操作系統，數據庫采用SQLServer。本系統既可以用于儲能一體柜，也可以用于儲能集裝箱，是專門用于儲能設備管理的一套軟件系統平臺。

6.2適用場合

(1)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。

(2)工商業儲能四大應用場景

1）工廠與商場：工廠與商場用電習慣明顯，安裝儲能以進行削峰填谷、需量管理，能夠降低用電成本，并充當后備電源應急；

2）光儲充電站：光伏自發自用、供給電動車充電站能源，儲能平抑大功率充電站對于電網的沖擊；

3）微電網：微電網具備可并網或離網運行的靈活性，以工業園區微網、海島微網、偏遠地區微網為主，儲能起到平衡發電供應與用電負荷的作用；

4）新型應用場景：工商業儲能積極探索融合發展新場景，已出現在5G基站、換電重卡、港口岸電等眾多應用場景。

6.3系統結構

6.4系統功能

6.4.1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。

6.4.1.1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。

6.4.1.2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，并展示當前電芯的電壓、溫度值及所對應的位置。

6.4.1.3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。

6.4.1.4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。

6.4.1.5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。

6.4.2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

6.4.3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

6.4.4運行報表

應能查詢各子系統、回路的運行參數，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

6.4.5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

6.4.6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

6.4.7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、正序/負序/零序電壓值、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、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

6.4.8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

6.4.9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。

圖23曲線查詢

6.4.10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

6.4.11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。

6.4.12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。

圖26通信管理

6.4.13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。

圖27用戶權限

6.4.14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。

圖28故障錄波

6.4.15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隨意修改。

圖29事故追憶

6.5系統硬件配置清單

7結論

本文針對電池儲能系統在并網型新能源發電系統中的應用及作用進行了分析，并以某光儲一體化微電網項目為例，對電池儲能系統的經濟性進行了研究。分析結果顯示：在并網型新能源發電系統中，電池儲能系統主要具有削峰填谷、穩定電力系統和一次調頻的作用。基于所述光儲一體化微電網項目所在地的峰谷電價差，電池儲能系統運行在削峰填谷經濟性模式下時可實現約11.5萬元的年收益；并且在節省電費的同時，還可以節省箱變的購買費用。由此可知，儲能系統的應用不僅可提高電力系統的運行可靠性和穩定性，還能達到一定的經濟效益。

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