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光伏储能系统在不同配电网中的应用 |
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| 浏览次数：1115次 更新时间：2024-07-16 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
光伏储能系统在不同配电网中的应用
武陈燕
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
【摘要】储能技术已被认为是未来电力系统中的重要组成部分。它可以有效地消除电力峰谷差，实现需求侧管理，不仅可以更有效地利用电力设备，降低供电成本，还可以促进可再生能源的应用，也可作为提高系统运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动的一种手段。分析了储能系统在不同电压等级配电系统中的应用。在高压配电系统中，抽水蓄能电站能有效地进行峰谷调节，从而提高电力系统的运行效率。在中压配电网中，储能系统往往与DG一起应用，用于提高配电系统对DG的接纳能力。在低压配电系统中，储能系统主要用于用户侧，成为电力系统进行需求侧管理（DemandSideManagement，DSM）和紧急备用的有效技术手段。另外在有效管理的情况下，电动汽车的电池也可以参与电力系统的削峰填谷。
【关键词】储能；配电网；电压等级；削峰
0.引言
电力的生产是一个连续的过程，其中发电、输电、变电、配电和利用各个环节必须同时完成。因此，电力生产和消费在在任何时刻都必须始终保持平衡。但是大多数电力系统中负荷水平具有峰谷差，这就要求电力系统有足够的备用容量，以满足高峰负荷的需求。在一些负荷迅速增长的国家和地区，电力系统新设施的建设速度难以满足经济社会发展所带来的新增负荷需求。近年来，储能技术作为一种解决电能供需不平衡问题的有效手段，受到电力行业的广泛重视。电力系统系统中引入储能环节后，可以有效地实现需求侧管理，消除昼夜间峰谷差，平滑负荷，不仅可以更有效地利用电力设备，降低供电成本，还可以提高电力系统对分布式新能源的接纳能力，也可作为提高系统运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动的一种手段。储能技术的应用必将在传统的电力系统设计、规划、调度、控制等方面带来重大变革。本文主要讨论了储能系统在不同电压等级配电网中的应用问题。在高压配电系统中，储能系统的应用可以减少系统对高峰负荷的备用容量，这样可以节省相关的设备（如变压器、线路等）投资。在中压配电系统中，储能系统的应用往往是与分布式发电
（DistributedGeneration，DG）配合使用，可通过其可控的充放电平抑DG出力的波动性，同时也能提高电网调度的灵活性。在低压配电系统中，储能技术主要用于用户侧，成为电力系统进行需求侧管理（DemandSideManagement，DSM）、应急供电、提高电能质量和供电可靠性的有效技术手段。另外，电动车往往连接在低压配电系统的用户侧，在有效管理的情况下，其电池也可以参与电力系统的削峰填谷。本文着重介绍应用于配电系统的电力储能技术的发展现状，并基于我国电力系统的实际状况和需求，从技术和经济的层面加以分析，探讨储能系统在不同电压等级配电系统中的应用方向。
1.储能技术的应用现状
电能存储技术对于电力安全、新能源的规模化应用都有着重要的意义。是改变传统电网中功率刚性平衡性质，提高电网柔性的革新性技术。电能存储形式多样，如电池类的化学储能、抽水、压缩空气、飞轮、电容、电感等物理储能。抽水储能适合用大容量、长时间的储能，一般用于大电网的负荷调节等。与微网相关的新型储能技术应是小型、高效、控制灵活的储能方式，现在正在迅速发展中的有各类电池、飞轮、超级电容器、超导磁储能等。
（1）抽水蓄能（PumpedHydroStorage）
抽水蓄能是在电力系统中得到***为广泛应用的一种储能技术，其主要应用领域包括能量管理、频率控制、调峰等。抽水蓄能电站在应用时必须配备上、下两个水库。在符合低谷时段，抽水蓄能设备工作在电动机状态，将下游水库的水抽到上游水库保存。在负荷高峰时期，抽水蓄能设备处于发电机状态，利用储存在上游水库中的水发电。目前，全世界共有超过90GW的抽水蓄能机组投入运行，约占全球总装机容量的3%。限制抽水蓄能电站更广泛应用的一个重要因素是其对地理条件有特殊要求，同时建设工期长，工程投资大。
（2）铅酸电池
铅酸电池的正负电极为二氧化铅和铅，以硫酸为电解质。铅酸电池组具有吸附电解质结构，工作时形成的氧能够复合，并能在浮充（备用）和深循环应用下工作。铅酸电池技术成熟，能实现规模化储能，是蓄电池储能中应用***广泛的。不足之处储能密度低，充放电速度慢，效率受周围温度的影响比较大，且铅等有毒物质具有一定的危险性。
（3）MH-Ni（MetalHydride－Nickel）电池
MH-Ni电池是一种碱性电池，其正极为镍氢氧化物，负极为贮氢合金材料。充电时氢由正极到负极，放电时氢由负极到正极，电解液没有增减现象，电池可实现密封设计。它储能密度较高，专家预测它将在电动机车领域拥有较大的应用空间。在电网应用上，与铅酸电池相比除了体积小之外，没有较为明显的优势。
（4）全钒液流电池
与上述各种电池相比较，液流电池虽然储能密度较低，但由于其储能容量只取决于电解液容量和密度，因此配置上相当灵活，只需增加电解液容积和浓度即可增大储能容量，并且可以进行深度充放电。液流电池在成本上的优势也较为明显，和铅酸电池相比较，其能量效率可达75%～80%，性价比较高。全钒液流电池在规模储能方面具有能量转换效率高、蓄电容量大、运行安全和环境友好等优点，被称为“电银行”。它可用于电网“销峰填谷”的调节，降低发电成本、提高电能使用效率；用于太阳能、风能等可再生能源发电的储存，解决它们发电不稳定、不连续而难以并网的问题；还可以用于重要部门和设备充当备用电站。
（5）钠硫电池
钠硫电池于1966年由美国福特公司提出，早期应用于电动汽车的配套研究。与铅酸、镍氢电池相比较，钠硫电池的能量密度高，且没有自放电现象，使其适合于布置在受场地限制的城市地区。钠硫电池的运行寿命也比较长，其充放电次数在理论上可达到2000次；充放电效率也较高，可达到90%以上。目前钠硫电池的制备技术及其在电力储能方面的应用已经取得大量成果。截至2004年12月，全世界大约已经建造超过500kW的钠硫电池储能系统59个，总容量88MW，其中包括两个额定容量达9.6MW，60MW·h的世界***大的钠硫电池系统。钠硫电池的制造成本较高，这是限制其推广应用的重要因素。
（6）飞轮储能
大多数现代飞轮储能系统都是由一个圆柱形旋转质量块和通过磁悬浮轴承支撑的机构组成。采用磁悬浮轴承的目的是消除摩擦损耗，提高系统的寿命。为了保证足够高的储能效率，飞轮系统应该运行于真空度较高的环境中，以减少风阻损耗。飞轮与电动机或者发电机相连，通过某种形式的电力电子装置，可进行飞轮转速的调节，实现储能装置与电网之间的功率交换。飞轮储能的突出优点是几乎不需要运行维护，设备寿命长（可完成20a或者数万次深度充放能量过程），对环境没有不良的影响。飞轮具有优秀的循环使用以及负荷跟踪性能，它可以用于那些在时间和容量方面介于短时储能应用和长时间储能应用之间的应用场合。
（7）导磁储能
超导磁储能（SuperconductiveMagneticEnergyStorage，SMES）由于具有快速电磁响应特性和很高的储能效率（充/放电效率超过95%），很快吸引了电力工业和军方的注意。SMES在电力系统中的应用包括：负荷均衡、动态稳定、暂态稳定、电压稳定、频率调整、输电能力提高以及电能质量改善等方面。和其他的储能技术相比，目前SMES仍很昂贵，除了超导体本身的费用外，维持低温所需要的费用也相当可观。如果将SMES线圈与有的柔性交流输电装置（FACTS）相结合，可以降低变流单元的费用，这部分费用一般在整个SMES成本中占***大份额。已有的研究结果表明，对输配电应用而言，微型（<0.1MW·h）和中型（0.1～100.0MW·h）SMES系统可能更为经济。使用高温超导体可以降低储能系统对于低温和制冷条件的要求，从而使SMES的成本进一步降低。目前，在世界范围内有许多SMES工程正在进行或者处于研制阶段。
（8）超级电容器储能
超级电容器使用碳或其他高表面积密度材质为导体，电极间的距离非常小，可储存较高的电能。它是介于传统电容器和电池之间的一种储能元件，一般应用于高功率短时间放电的储能系统。充放电速度远快于传统的化学电池。另外，它几乎没有充放电次数以及***大放电量的限制，平均寿命可高达25年以上。目前，超级电容大多用于高峰值功率、低容量的场合。可以在电压跌落和瞬态干扰期间提高供电水平。
（9）压缩空气储能
压缩空气储能常用于调峰用燃气轮机发电厂，对于同样的电力输出，采用CAES的机组所消耗的燃气要比常规燃气轮机少40%。这是因为，常规燃气轮机在发电时大约需要消耗输入燃料的2/3进行空气压缩，而CAES则可利用电网负荷低谷时的廉价电能预先压缩空气，然后根据需要释放储存的能量加上一些燃气进行发电。压缩空气常常储存在合适的地下矿井或者溶岩下的洞穴中。***个投入商业运行的CAES是1978年建于德国Hundorf的一台290MW机组。目前美国GE公司正在开发容量为829MW的更为先进的压缩空气储能电站，此外，俄、法、意、卢森堡、以色列等国也在积极开发和建设这种电站。
（10）制氢储能
由于氢气具有很高的热值，1m3氢的使用效果相当于1L汽油，而我国具有很丰富的资源。制氢储能是指利用多余的电能来制取氢气作为能源。目前主要的制氢方式有如下几种：1）从含烃的化石燃料中制氢；2）电解水制氢；3）生物制氢。氢气的存储技术主要是加压压缩储氢技术、液化储氢技术、金属氧化物储氢技术和有机化合物储氢激技术。作为生活用氢，经济效益十分可观。关于制氢国内开展的比较多的主要是太阳能光伏制氢储能与燃料电池相结合，当日照情况良好时，通过电解水制氢将多余的电能储存起来；在阳光条件下不能使光伏发电系统正常工作时，将储存的氢通过燃料电池转换为电能，继续向负载送电，从而保证了系统供电的连续性。
2.不同电压等级配电网中储能系统的应用
在配电网规划规划阶段，储能系统的配置策略应与电压等级一起考虑。
2.1高压配电系统中的储能
在高压配电系统中，储能系统主要用于削峰填谷。储能系统的容量和安装位置，应根据负荷特征和优化目标进行优化计算。图1给出了一条典型的负荷持续时间曲线。在这条曲线中，5%的时间里负荷水平比平均负荷水平（负荷峰值的56%）高。为了保障电力系统的安运行和用户的供电可靠性，电力系统应提供足够的备用容量，以满足持续时间不超过5%的高峰负荷的供电需求。在这种情况下，为了满足高峰负荷需求的备用容量将大大降低电力系统的运行效率，导致高投资和资源浪费。如果在高压配电系统采用储能装置，可以有效地减少所需的系统备用容量，节省电力设备投资。但另一方面，储能装置用于电力调峰，需要装置较大容量的储能容量，显然，容量越大，其制造和控制就越困难。目前储能系统的造价仍较高，其投资有可能会超过了系统备用的投资。高压配电网中储能系统的容量配置应和采用系统备用的方法进行技术经济比较，其过程如图2所示。
2.2中压配电系统中的储能
在中压配电系统中，储能系统的应用往往是为了平抑间歇性DG的出力波动和提高中压配电网的能量调度能力，从而提高中压配电网对DG的接纳能力。对于风力发电、光伏发电等新能源DG，其出力受到自然条件的限制，呈现显著的间歇性特征。DG出力的波动会导致配电网电能质量的下降，特别当DG渗透率达到一定程度时，其对配电网电能质量的影响将不能忽略。应用储能装置是改善分布式发电输出电压和频率质量的有效途径，同时增加了DG与电网并网运行时的可靠性。DG单元与储能装置的联合运行与协调控制是解决诸如电压跌落、涌流和瞬时供电中断等动态电能质量问题的有效手段之一。储能系统使得不可调度的DG发电单元能够作为可调度机组单元运行，实现与大电网的并网运行，在必要时向电力公司卖电，提供削峰、紧急功率支持等服务。例如太阳能、风力等间歇性DG，DG单元拥有者不能制定发电计划，但有了储能系统，他们就可以在特定的时间提供所需的电能，而不必考虑此事DG单元能够发出多少电能，通过储能的调节作用就可按照预先制定的各种不同发电规划进行发电。此时储能的量配置涉及到经济平衡问题：储能的容量越大，系统调度的灵活性就越高，DG单元拥有者就可以获取更多的经济利益；但储能容量越大，其投资也越大。必须通过技术经济分析，在两者之间找到***佳经济平衡点。
2.3低压配电系统中的储能
在低电压配电系统中，储能系统主要用于用户侧，成为电力系统进行需求侧管理的有效技术手段，例如微网中的电池系统。低压配电系统中的储能系统还能用作紧急电源、提高电能质量和供电可靠性。另外，电动车往往接于用户侧，在有效管理的情况下，其电池也可以参与电力系统的削峰填谷。
（1）需求侧管理
电力系统的需求侧管理会采用合适的手段引导***终用户改变能源使用模式。储能作为一种能量存储设备，改变了用电需求和发电的同时性要求，成为辅助需求侧管理的有效技术手段。另一方面，需求侧管理也可降低用于改善电能质量所需的储能系统容量。
（2）紧急备用
紧急备用的典型应用是不间断电源。当电网发生故障且分布式发电装置不能正常供电时（例如，利用太阳能发电的夜间，风力发电在无风时，或者其他类型DG处于检修期间等），储能系统可作为向用户提供电力。储能系统的容量配置主要取决于负荷的需求。考虑到储能系统的造价目前尚较高，作为应急电源的储能系统主要配置于一些重要用户（如政府、医院、数据中心等）。
（3）提高电能质量
将储能系统用于用户侧，可以提高电能质量，增强系统的供电可靠性。从技术上来说，现在已经可以利用储能装置为用户（家庭用户、商业或工业用户）提供不简短的高质量供电电源，而且可以让用户自主选择合适通过配电回路从电网获取电能或向电网回馈电能。
（4）电动汽车
电池电动汽车（BatteryElectricalVehicle）中的电池采用电网进行充电，对电网而言就是一种电能存储系统。智能电动汽车充放电管理系统有实现对电动汽车的有序充放电，从而充分利用储能系统的削峰填谷能力。例如，在风力或太阳能DG发电高峰时期，可对电动汽车的电池进行充电，从而吸纳多余的风电电能。在风力或太阳能DG发电低谷且负荷用电高峰时期，应避免电动汽车充电，通过电价等措施引导电动汽车的充电延迟到稍后非负荷高峰时期。电动汽车回馈电网（VehicletoGrid，V2G）模式允许电动车的电池向电网回馈电能。这种模式大大增加了电力系统运行的灵活性和可调度性。
3.Acrel-2000ES储能柜能量管理系统
3.1系统概述
安科瑞储能能量管理系统Acrel-2000ES，专门针对工商业储能柜、储能集装箱研发的一款储能EMS，具有完善的储能监控与管理功能,涵盖了储能系统设备(PCS、BMS、电表、消防、空调等)的详细信息,实现了数据采集、数据处理、数据存储、数据查询与分析、可视化监控、报警管理、统计报表等功能。在高级应用上支持能量调度,具备计划曲线、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。
3.2系统结构
Acrel-2000ES，可通过直采或者通过通讯管理或串口服务器将储能柜或者储能集装箱内部的设备接入系统。系统结构如下：
3.3.1实时监测
系统人机界面友好，能够显示储能柜的运行状态，实时监测PCS、BMS以及环境参数信息，如电参量、温度、湿度等。实时显示有关故障、告警、收益等信息。
3.3.2设备监控
系统能够实时监测PCS、BMS、电表、空调、消防、除湿机等设备的运行状态及运行模式。
PCS监控：满足储能变流器的参数与限值设置；运行模式设置；实现储能变流器交直流侧电压、电流、功率及充放电量参数的采集与展示；实现PCS通讯状态、启停状态、开关状态、异常告警等状态监测。
BMS监控：满足电池管理系统的参数与限值设置；实现储能电池的电芯、电池簇的温度、电压、电流的监测；实现电池充放电状态、电压、电流及温度异常状态的告警。
空调监控：满足环境温度的监测，可根据设置的阈值进行空调温度的联动调节，并实时监测空调的运行状态及温湿度数据，以曲线形式进行展示。
3.3.3曲线报表
系统能够对PCS充放电功率曲线、SOC变换曲线、及电压、电流、温度等历史曲线的查询与展示。
满足储能系统设备参数的配置、电价参数与时段的设置、控制策略的选择。目前支持的控制策略包含计划曲线、削峰填谷、需量控制等。
储能能量管理系统具有实时告警功能，系统能够对储能充放电越限、温度越限、设备故障或通信故障等事件发出告警。
储能能量管理系统能够对遥信变位，温湿度、电压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。
可以通过每个设备下面的红色按钮对PCS、风机、除湿机、空调控制器、照明等设备进行相应的控制，但是当设备未通信上时，控制按钮会显示无效状态。
3.3.8用户权限管理
储能能量管理系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控的操作，数据库修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。
4.相关平台部署硬件选型清单
5.结束语
本文分析了储能系统在不同电压等级配电系统中的应用。在未来配电系统的规划中，应考虑储能系统对负荷特性、DG 渗透率、需求侧管理等各方面的影响。在高压配电系统中，抽水蓄能电站能有效地进行峰谷调节，从而提高电力系统的运行效率。在中压配电网中，储能系统往往与 DG 一起应用，用于提高配电系统对 DG 的接纳能力。在低压配电系统中，储能系统主要用于用户侧，成为电力系统进行需求侧管理和紧急备用的有效技术手段。另外在有效管理的情况下，电动汽车的电池也可以参与电力系统的削峰填谷。
参考文献
[1］张祖平，刘思革，梁惠施. 电力储能在不同电压等级配电网中的应用
[2］张文亮，丘明，来小康．储能技术在电力系统中的应用[J]．电网技术，2008，32（7）：1-9．
[3]企业微电网设计与应用手册2022.05版.
作者简介：
武陈燕，女，现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要从事储能柜能量管理系统的研究与应用，手机：17269603655（微信同号） |
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| 能源通会员 第2年 |
