淺談微電網(wǎng)中儲能與電能量管理系統(tǒng)應(yīng)用

任運業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘 要：傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)在發(fā)電方面高度集中，通常通過輸電網(wǎng)絡(luò)將電力和能量從大型同步發(fā)電機和感應(yīng)發(fā)電機單向輸送到用戶。然而，可再生分布式能源如風(fēng)能、光伏、電池、生物質(zhì)能、燃料電池和微型渦輪機的出現(xiàn)，有可能遏制對化石能源發(fā)電的依賴，并改變電網(wǎng)中能量流動的單向性。這些技術(shù)使實現(xiàn)本地電力可靠性和可持續(xù)能源利用成為可能。當(dāng)本地DER單元產(chǎn)生足夠的電力時，某些地方可以從主電網(wǎng)中斷開，形成一個具有明確電氣邊界的相互連接的能源系統(tǒng)的自我可持續(xù)的“微電網(wǎng)"。微電網(wǎng)具有廣泛的應(yīng)用前景。它可以作為獨立或并網(wǎng)的供用電系統(tǒng)，為偏遠地區(qū)、工業(yè)園區(qū)、居民區(qū)等各類場景提供電力供應(yīng)。同時，微電網(wǎng)還可以與大電網(wǎng)進行互動，參與電力市場的交易和調(diào)度，實現(xiàn)能源的多元化利用和節(jié)能減排?？傊㈦娋W(wǎng)是一種具有重要意義的分布式能源形式，它能夠?qū)崿F(xiàn)電力電量的自我平衡和優(yōu)化利用，為未來的能源發(fā)展提供新的思路和方向。按照運行模式的不同，微電網(wǎng)可以分為離網(wǎng)型和并網(wǎng)型，并網(wǎng)型微電網(wǎng)在正常條件下與主網(wǎng)并網(wǎng)進行能量的雙向交流，一旦電網(wǎng)的品質(zhì)或者質(zhì)量不符合規(guī)定，就能及時切斷主網(wǎng)，實現(xiàn)自給自足。而離網(wǎng)型微電網(wǎng)是完quan獨立的，不需要與主網(wǎng)進行任何的連接，一般建設(shè)在偏遠的邊境或者海上的孤島，滿足當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)的供電的需求。

0引言

微電網(wǎng)與常規(guī)配電網(wǎng)通常情況下并網(wǎng)運行，一旦在電網(wǎng)中檢測到故障或電能質(zhì)量出現(xiàn)問題時便會迅速與電網(wǎng)斷開，轉(zhuǎn)為獨立運行模式。微電網(wǎng)通常會在系統(tǒng)中配置一定容量的儲能裝置，以應(yīng)對模式切換過程中可能會出現(xiàn)的功率缺額，保證平穩(wěn)過渡并維持系統(tǒng)穩(wěn)定。由于外界環(huán)境的變化和影響，新能源發(fā)電常常出現(xiàn)出力不穩(wěn)定的情況，比如光伏發(fā)電在夜間、風(fēng)力發(fā)電無風(fēng)等情況。為了應(yīng)對這種情況，儲能系統(tǒng)發(fā)揮重要作用，持續(xù)向系統(tǒng)中的用戶供電，確保電力供應(yīng)的連續(xù)性。除了直接向系統(tǒng)中的用戶供電，儲能還能起到參與電力調(diào)峰、改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量、提升微電源性能等作用。

1微電網(wǎng)中常見儲能類型

鑒于微電網(wǎng)的特點及不同儲能的作用及原理，配置在微電網(wǎng)中的儲能裝置有著獨te的要求：能量密度大、功率密度大、高低溫性能良好、能適應(yīng)一些特殊環(huán)境等。雖然不是所有種類的儲能設(shè)備都能配置在微電網(wǎng)中，但儲能在提高微電網(wǎng)運營能力方面仍然起到重要作用。本章將介紹在微電網(wǎng)中實現(xiàn)高滲透和集成的集中種類儲能的概述，研究不同儲能技術(shù)的特點，分析各種儲能在微電網(wǎng)中的作用。

1.1機械儲能

機械儲能按工作原理可以分為勢能和動能兩大類。其中勢能類包括壓縮氣體儲能、抽水蓄能，動能類典型的有飛輪儲能。機械儲能方法可以轉(zhuǎn)換并儲存來自水流、波浪、潮汐的能量，在需要時隨時提供能量。

1.2飛輪儲能

飛輪儲能技術(shù)是一種機械儲能方式。旨在有效地存儲和釋放能量以滿足電力需求。其基本原理是通過高速旋轉(zhuǎn)的飛輪將電能轉(zhuǎn)化為機械能，實現(xiàn)能量的臨時儲存，以備系統(tǒng)在需要時快速釋放。這項技術(shù)的起源可以追溯到20世紀(jì)50年代，當(dāng)時人們提出利用飛輪進行能量存儲，并在電動汽車領(lǐng)域進行了初步探索。然而，直到80年代，隨著磁懸浮技術(shù)、高強度碳素纖維以及現(xiàn)代電力電子技術(shù)的進步，飛輪儲能技術(shù)才

得以真正實現(xiàn)應(yīng)用。

現(xiàn)代飛輪儲能系統(tǒng)的核心組件通常包括一個巨大的可旋轉(zhuǎn)圓柱體，它通過磁懸浮軸承系統(tǒng)支撐在定子上。當(dāng)系統(tǒng)需要存儲能量時，電動機啟動并使飛輪快速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為機械能，從而實現(xiàn)能量的儲存。而在電力需求增加或電網(wǎng)故障時，飛輪則通過驅(qū)動發(fā)電機將儲存的機械能轉(zhuǎn)換回電能，通過電力電子裝置對輸出電能進行調(diào)節(jié)，滿足負(fù)載的要求。

通過減少摩擦造成的能量損失，可以提高飛輪儲能的整體效率，而這可以通過在真空中旋轉(zhuǎn)飛輪或使用磁性軸承來實現(xiàn)。飛輪儲能設(shè)備可以在微電網(wǎng)中提供即時有功功率支持。它具有不直接排放溫室氣體、轉(zhuǎn)換效率高、功率密度高、壽命長（一般為20年）等諸多優(yōu)點。近年來飛輪儲能設(shè)備也被廣泛配置于各種電源。但飛輪儲能仍存在一些缺點，例如由于摩擦和空氣阻力而損失能量導(dǎo)致飛輪儲能設(shè)備自放電率較高，每小時可達3%~20%，同時初始成本也較高。

1.3鉛酸蓄電池儲能

鉛酸（PbA）電池是一種常見的電化學(xué)儲能設(shè)備，廣泛應(yīng)用于汽車、不間斷電源、各種儲能系統(tǒng)中，可以說是目前應(yīng)用廣泛的儲能系統(tǒng)。鉛酸蓄電池由一組正極（陽極）和負(fù)極（陰極）以及中間的電解液組成。正極一般采用過氧化鉛（PbO2），負(fù)極采用純鉛（Pb），電解液是稀硫酸溶液。鉛酸蓄電池具有較好的穩(wěn)定性，能夠適用于瞬時大電流的需求，能夠應(yīng)用于汽車啟動。同時還具有較低的制造成本，能夠大規(guī)模生產(chǎn)。但傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池電池循環(huán)壽命較短，需定期維護，并且電池成分中含有有害物質(zhì)，須謹(jǐn)慎處理以防止造成環(huán)境污染。

1.4鋰離子電池儲能

鋰離子電池是近年來興起的新型高能量二次電池。廣泛應(yīng)用于各種移動設(shè)備、電動汽車和各種儲能系統(tǒng)中。鋰離子電池的工作原理是基于鋰離子在正負(fù)極之間的移動。正極材料通常使用鋰鈷氧化物或鋰鐵磷酸鹽等、負(fù)極材料通常使用石墨。其具有較高能量密度、輕量化、低自放電率、無污染的特點相較于鉛酸蓄電池有更大優(yōu)勢。鋰的快速反應(yīng)性能和輕質(zhì)的特性使其非常適合制造電池。但目前鋰離子電池由于特殊包裝和內(nèi)部過充保護電路造成較高成本而無法大規(guī)模生產(chǎn)。物理損傷、電濫用（如短路和過充）以及暴露于高溫下會導(dǎo)致熱失控。這些安全問題和總體成本是阻礙鋰離子電池在配電系統(tǒng)中廣泛使用的兩個主要因素。

2微電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)

與傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)相比，微電網(wǎng)關(guān)鍵的特點是其連接到配電系統(tǒng)后能夠作為一個協(xié)調(diào)模塊進行控制和運行。對微電網(wǎng)各組成部分進行監(jiān)測和控制是保證微電網(wǎng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。對于直流微電網(wǎng)，輸電電壓需要進行控制，而對于交流微電網(wǎng)，輸電頻率和電壓都需要控制。微電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)應(yīng)具有一定的運行目標(biāo)，例如，應(yīng)遵循經(jīng)濟考慮，應(yīng)保證計算機服務(wù)器和醫(yī)療設(shè)備等負(fù)載的不間斷運行，斷開和重新連接過程應(yīng)無縫進行，微電網(wǎng)應(yīng)能夠在一般故障情況下通過黑啟動。合適的微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)可以支持儲能設(shè)備，以提高系統(tǒng)的可靠性和效率。將儲能與適當(dāng)?shù)哪芰抗芾硐到y(tǒng)結(jié)合使用可以提供以下功能。

1）電能質(zhì)量/可靠性的調(diào)節(jié)：儲能設(shè)備可用于控制網(wǎng)絡(luò)中供電的質(zhì)量，并管理諸如電壓不平衡、低功率因數(shù)、電壓/頻率發(fā)生偏移或供電不足等問題。

2）旋轉(zhuǎn)備用：儲能設(shè)備可以在電網(wǎng)全部斷電的情況下提供備用電源。

3）能量轉(zhuǎn)移：在供應(yīng)過剩時期存儲的能量可以轉(zhuǎn)移到高需求和價格高的時期使用。

4）調(diào)峰：儲能可用于在短期負(fù)載峰值期間向微電網(wǎng)供電，從而減少更高功率水平的峰值需求，降低傳輸基礎(chǔ)設(shè)施的總體所需容量和峰值電費。

5）套利：在電價較低時儲能，在電價較高時放電，是提高系統(tǒng)效率，優(yōu)化經(jīng)濟效益的主要途徑之一。

6）黑啟動：意外事件可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)或單個部分的供電中斷。在這種情況下，儲能可用于產(chǎn)生有功功率，用于激勵配電線路或作為大型發(fā)電廠的啟動電源。微電網(wǎng)所采用的控制策略直接影響到系統(tǒng)的經(jīng)濟可行性及其優(yōu)布局和規(guī)模。微電網(wǎng)可以以兩種模式運行：連接到主電網(wǎng)和孤立于主電網(wǎng)。當(dāng)并網(wǎng)時，微電網(wǎng)可與主電網(wǎng)交換電力，保持電力穩(wěn)定。而當(dāng)處于孤島模式時，沒有與主電網(wǎng)的物理連接，需要儲能來維持電力穩(wěn)定。如上所述，微電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)的控制方法可以分為不同的類別，具有儲能的微電網(wǎng)可以采用集中式、分散式控制模式運行。

3集中式控制

在集中式控制的結(jié)構(gòu)中，微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)發(fā)揮著大限度地提高微電網(wǎng)的經(jīng)濟價值和優(yōu)化其運營的重要作用。能量管理系統(tǒng)的控制器接收局部控制器的反饋，并發(fā)送微電網(wǎng)的所有控制信號。信號由局部控制器接收，它們控制直流微電網(wǎng)中的電壓（或交流微電網(wǎng)中的電壓和頻率）并優(yōu)化通過配電饋線的功率流。在并網(wǎng)模式下，局部控制器將服從控制器的命令，而在孤島模式下，它們有完quan的自主權(quán)來執(zhí)行自己的行動。在這種控制方法中，分布式發(fā)電機組通常有一個所有者，他想要優(yōu)化所有分布式發(fā)電機組的運行和經(jīng)濟標(biāo)準(zhǔn)。在這里，控制器的主要作用是根據(jù)業(yè)主或微電網(wǎng)管理人員預(yù)定義的規(guī)則，決定需要從主電網(wǎng)導(dǎo)入的電量，并優(yōu)化非關(guān)鍵負(fù)載在關(guān)鍵條件下的功能。集中式控制的優(yōu)點是分工明確，設(shè)備成本低，容易執(zhí)行控制整個系統(tǒng)。但隨著分布式電源增加，會對控制器的信息處理能力有較高要求，不容易拓展應(yīng)用。

4分散式控制

與集中控制結(jié)構(gòu)相比，分散控制模式的主要目標(biāo)是大限度地生產(chǎn)電力，以滿足負(fù)荷需求，儲存、向公用電網(wǎng)輸出多余的電力。在這種控制模式下，控制器在控制通信中并不起重要作用，而是像局部控制器、微源控制器這樣的低層控制器在微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行中提供支持。所有微源控制器相互競爭，以當(dāng)前市場價格為決定因素，通過管理運行和維護來滿足需求并大限度地向電網(wǎng)出口，從而大化其產(chǎn)量。微源和負(fù)載的自主性可以使用智能方法來處理。當(dāng)微源和微負(fù)載具有不同的所有者和不同的目標(biāo)，且各單元控制器的動作具有一定程度的智能時，這種控制結(jié)構(gòu)是好的。通過在系統(tǒng)中使用分散式控制，減少控制器計算負(fù)擔(dān)，每個局部控制器負(fù)責(zé)管理相對較小的子系統(tǒng)，降低整個系統(tǒng)的復(fù)雜性。分散式控制模式使得分布式電源具有更高的靈活性。各個局部控制器可以更迅速地響應(yīng)局部變化，適應(yīng)不同的環(huán)境和工況。即使控制器發(fā)生故障，分散式控制使得各個局部控制器能夠獨立運行，從而保證整個系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。這種冗余性有助于防止單點故障引起的系統(tǒng)崩潰。

5安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統(tǒng)概述

5.1概述

安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統(tǒng)，專門針對工商業(yè)儲能柜、儲能集裝箱研發(fā)的一款儲能EMS，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、可視化監(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、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)器將儲能柜或者儲能集裝箱內(nèi)部的設(shè)備接入系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：

5.3接入設(shè)備

Acrel-2000ES，具備多種接口，多種協(xié)議對接的能力，支持多種設(shè)備接入。

5.4系統(tǒng)功能

5.4.1實時監(jiān)測

系統(tǒng)人機界面友好，能夠顯示儲能柜的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測 PCS、BMS 以及環(huán)境參數(shù)信息，如電參量、溫度、濕度等。實時顯示有關(guān)故障、告警、收益等信息。

5.4.2設(shè)備監(jiān)控

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

PCS 監(jiān)控：滿足儲能變流器的參數(shù)與限值設(shè)置；運行模式設(shè)置；實現(xiàn)儲能變流器交直流側(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。

BMS 監(jiān)控：滿足電池管理系統(tǒng)的參數(shù)與限值設(shè)置；實現(xiàn)儲能電池的電芯、電池簇的溫度、

電壓、電流的監(jiān)測；實現(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，可根據(jù)設(shè)置的閾值進行空調(diào)溫度的聯(lián)動調(diào)節(jié)，并實時監(jiān)測空調(diào)的運行狀態(tài)及溫濕度數(shù)據(jù)，以曲線形式進行展示。

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

5.4.3 曲線報表

系統(tǒng)能夠?qū)?PCS 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。

5.4.4策略配置

滿足儲能系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)的配置、電價參數(shù)與時段的設(shè)置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制等。

5.4.5實時報警

儲能能量管理系統(tǒng)具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)δ艹浞烹娫较?、溫度越限、設(shè)備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

5.4.6事件查詢統(tǒng)計

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

5.4.7遙控操作

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

5.4.8用戶權(quán)限管理

儲能能量管理系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，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不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

5.4.9安科瑞配套產(chǎn)品

6 結(jié)語

本文研究了一種適用于電動公交車充電站的預(yù)制艙式儲能系統(tǒng)。不同于傳統(tǒng)的儲能系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思路，將主要設(shè)備集成在標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)，具有占地小、接線簡單、便于運輸及安裝的特點，適用于布置緊湊、缺少大型生產(chǎn)綜合用房的城市電動公交車充電站，具有較好的應(yīng)用推廣前景。除儲能單元、變流單元等一次設(shè)備外，預(yù)制艙式儲能系統(tǒng)同時集成了智能控制屏柜，對整體系統(tǒng)的運行環(huán)境、控制策略、安防等方面進行集中監(jiān)控，保障了預(yù)制艙式儲能系統(tǒng)安全高效運行。

參考文獻

[1]王又佳，蔣雨哲.微電網(wǎng)中儲能與能量管理系統(tǒng)應(yīng)用

[2] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊2022.5版.

作者介紹：
任運業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。