探究基於儲能技術的智慧能源微電網係統設計

hth下载地址 陳聰

摘要：針對我國中等規模儲(chu) 能技術的*缺性及能源結構轉型的切實需求,提出了液空聚能環-智慧能源微電網係統。該係統采用液化空氣儲(chu) 能的方式儲(chu) 存不持續、不穩定的風能和太陽能等可再生能源,並在用電*峰期將其轉化為(wei) 穩定輸出的電能,以解決(jue) 風能發電與(yu) 太陽能發電的不穩定性、間歇性、不能直接並網等問題,具有*排放、選址靈活的優(you) 勢,可實現冷、熱、電三聯供。

關(guan) 鍵詞：儲(chu) 能；微電網；液空聚能環

0引言

隨著“雙碳”戰略的推動，新能源的規模快速增長，給電力行業(ye) 帶來了嚴(yan) 重衝(chong) 擊。因此，亟需進一步發展儲(chu) 能技術。本文在綜合已有研究成果的基礎上，提出了液空聚能環智慧能源微電網係統，彌補了我國中等規模儲(chu) 能市場的空白，為(wei) 分布式能源的大規模接入提供了新的方案。

1微電網係統的研究背景及意義(yi)

為(wei) 了應對全球氣候變暖，控製二氧化碳排放量，以太陽能和風電為(wei) 主的新能源在各國迅速發展。作為(wei) 負責任的大國，我國提出了“碳達峰、碳中和”戰略，積*推進減碳工作。其中，減碳的關(guan) 鍵是能源領域，尤其是以太陽能和風電為(wei) 主的新能源。近年來，隨著新能源技術的發展，新能源發電的成本已經具有較強的競爭(zheng) 優(you) 勢。據英國石油公司統計，我國太陽能發電增長31.5%,風電增長29.4%。由於(yu) 太陽能和風電具有明顯的波動性，占比過*會(hui) 對電網造成較大衝(chong) 擊,因此，需要依靠儲(chu) 能技術來平衡能源，以保障電網的平穩運行。目前，可以被規模化應用的儲(chu) 能技術主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chu) 能、電化學儲(chu) 能和氫能等。

對於(yu) 包含光伏和風電的微網係統，儲(chu) 能已成為(wei) *備環節，其不僅(jin) 會(hui) 影響微網中光伏和風電的占比，還會(hui) 影響整體(ti) 的運行水平。目前，抽水儲(chu) 能和壓縮空氣儲(chu) 能具有規模化應用和成本優(you) 勢。但這2種儲(chu) 能方式對地理條件要求較*(抽水儲(chu) 能要求有*落差的地形，壓縮空氣對儲(chu) 氣環境要求較*，大多利用遺棄的礦坑),無法滿足微網係統的需求。液化空氣儲(chu) 能是一種大規模工業(ye) 化儲(chu) 能技術，受地理條件限製較小且儲(chu) 能密度較*,為(wei) 平抑微網中光伏和風力發電的波動提供了有效的解決(jue) 方案。

液空聚能環-智慧能源微電網係統將液化空氣儲(chu) 能技術引入分布式能源領域，可實現新能源的*效利用，緩解電網壓力。該係統具有初投資低、儲(chu) 能效率*、儲(chu) 能密度大、調節靈活、運行壽命長、易於(yu) 維護、選址靈活等優(you) 點，應用前景廣闊。

2係統設計方案

圖1為(wei) 該項目所建立的液空聚能環-智慧能源微電網係統階段模型圖。按功能可將係統分為(wei) 液化裝置、儲(chu) 存裝置、發電裝置3個(ge) 階段。

圖1液空聚能環——智慧能源微電網係統階段模型圖

   圖2為(wei) 液空聚能環-智慧能源微電網係統的工作流程圖。當光伏、風電的出力超出負荷需求時，儲(chu) 能係統能夠有效吸收額外的負荷進行儲(chu) 能，並在微網係統出力不夠時為(wei) 用戶提供多種能源負荷，可輔助微網係統實現並網儲(chu) 能、離網運行功能。儲(chu) 能係統采用*效率的三*壓縮、三*膨脹，以液態空氣形式儲(chu) 存可再生能源，並將其轉化為(wei) 多種形式的能量輸出。係統的核心設備包括空氣壓縮機、儲(chu) 冷器、換熱器、低溫泵等。儲(chu) 能過程為(wei) ：微網的額外負荷通過驅動壓縮機生產(chan) 冷量並輸送至冷箱中存儲(chu) ，再通過低溫膨脹機對冷空氣進行液化並儲(chu) 存至低溫儲(chu) 罐。能量釋放過程為(wei) ：將液態空氣轉化為(wei) *溫*壓的氣態空氣，在膨脹機中進行膨脹，帶動發電機發電，為(wei) 用戶提供電負荷。回收壓縮過程中產(chan) 生的壓縮熱及係統餘(yu) 熱可為(wei) 用戶提供熱負荷，當用戶需要冷負荷時，也可根據需求抽取低溫的液態空氣實現供冷。

圖2液空聚能環-智慧能源微電網係統流程圖

3係統創新點及優(you) 勢

3.1係統創新點

1. 係統可平抑微網中風能、太陽能的波動性，滿足微網*質量供能需求，減少化石能源的使用，不僅(jin) 能降低能源使用成本，還能實現減碳。

2. 與(yu) 其他儲(chu) 能技術相比，液化空氣儲(chu) 能具有儲(chu) 能密度*、占地麵積小、選址靈活等優(you) 點，1m³液態空氣即可儲(chu) 存約60kWh 的電能，且儲(chu) 能規模越大，係統效率越*，可為(wei) 微網係統提供靈活的配置方案。

3. 采用MATLAB、Fluent 軟件自主編程，結合實際條件對係統進行數學建模及數值模擬分析，優(you) 化係統流程，在保證係統運行餘(yu) 量的同時，實現選型*優(you) 化，避免出現係統性能過剩的情況，降低項目初投資。

3.2係統技術優(you) 勢

表1—表3分別為(wei) 液態空氣與(yu) *壓空氣儲(chu) 能密度對比、主要規模儲(chu) 能技術對比及典型風能/儲(chu) 能係統、主要規模儲(chu) 能電站單位建設成本對比的相關(guan) 數據。由表1—表3可知，與(yu) 壓縮空氣儲(chu) 能相比，液化空氣儲(chu) 能具有較*的儲(chu) 能密度、較低的儲(chu) 存壓力，對儲(chu) 罐的要求較低，而其他儲(chu) 能方式(如抽水蓄能、壓縮空氣儲(chu) 能、鈉硫電池、氧化還原液流電池等)在大規模應用中仍存在不可避免的缺陷。由此可知，與(yu) 其他的儲(chu) 能方式相比，液化空氣儲(chu) 能具有儲(chu) 能成本低、持續時間長儲(chu) 能密度*、儲(chu) 能容量大、選址靈活等特點，在電網*供能的應用中具有顯著優(you) 勢。

4hth下载地址Acrel-2000ES儲(chu) 能能量管理係統解決(jue) 方案

4.1概述

hth下载地址Acrel-2000ES儲(chu) 能能量管理係統具有完善的儲(chu) 能監控與(yu) 管理功能，涵蓋了儲(chu) 能係統設備(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(chu) 、數據查詢與(yu) 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、削峰填穀、需量控製、備用電源等控製功能。係統對電池組性能進行實時監測及曆史數據分析、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製，優(you) 化了電池性能，提*電池壽命。係統支持Windows操作係統，數據庫采用SQLServer。本係統既可以用於(yu) 儲(chu) 能一體(ti) 櫃，也可以用於(yu) 儲(chu) 能集裝箱，是專(zhuan) 門用於(yu) 儲(chu) 能設備管理的一套軟件係統平台。

4.2適用場合

係統可應用於(yu) 城市、*速公路、工業(ye) 園區、工商業(ye) 區、居民區、智能建築、海島、無電地區可再生能源係統監控和能量管理需求。

工商業(ye) 儲(chu) 能四大應用場景

1）工廠與(yu) 商場：工廠與(yu) 商場用電習(xi) 慣明顯，安裝儲(chu) 能以進行削峰填穀、需量管理，能夠降低用電成本，並充當後備電源應急；

2）光儲(chu) 充電站：光伏自發自用、供給電動車充電站能源，儲(chu) 能平抑大功率充電站對於(yu) 電網的衝(chong) 擊；

3）微電網：微電網具備可並網或離網運行的靈活性，以工業(ye) 園區微網、海島微網、偏遠地區微網為(wei) 主，儲(chu) 能起到平衡發電供應與(yu) 用電負荷的作用；

4）新型應用場景：工商業(ye) 儲(chu) 能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(zhong) 多應用場景。

4.3係統結構

4.4係統功能

4.4.1實時監測

微電網能量管理係統人機界麵友好，應能夠以係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(guan) 等合、分閘狀態及有關(guan) 故障、告警等信號。其中，各子係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(guan) 狀態、斷路器故障脫扣告警等。

係統應可以對分布式電源、儲(chu) 能係統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元的出力信息、收益信息、儲(chu) 能荷電狀態及發電單元與(yu) 儲(chu) 能單元運行功率設置等。

係統應可以對儲(chu) 能係統進行狀態管理，能夠根據儲(chu) 能係統的荷電狀態進行及時告警，並支持定期的電池維護。

微電網能量管理係統的監控係統界麵包括係統主界麵，包含微電網光伏、風電、儲(chu) 能、充電樁及總體(ti) 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(chu) 能及光伏係統信息進行顯示。

圖2係統主界麵

子界麵主要包括係統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲(chu) 能信息、充電樁信息、通訊狀況及一些統計列表等。

光伏界麵

圖3光伏係統界麵

本界麵用來展示對光伏係統信息，主要包括逆變器直流側(ce) 、交流側(ce) 運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、並網櫃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；同時對係統的總功率、電壓電流及各個(ge) 逆變器的運行數據進行展示。

儲能界麵

圖4儲(chu) 能係統界麵

本界麵主要用來展示本係統的儲(chu) 能裝機容量、儲(chu) 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(chu) 能係統PCS參數設置界麵

本界麵主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關(guan) 機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖6儲(chu) 能係統BMS參數設置界麵

本界麵用來展示對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(chu) 能係統PCS電網側(ce) 數據界麵

本界麵用來展示對PCS電網側(ce) 數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖8儲(chu) 能係統PCS交流側(ce) 數據界麵

本界麵用來展示對PCS交流側(ce) 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(ce) 的異常信息進行告警。

圖9儲(chu) 能係統PCS直流側(ce) 數據界麵

本界麵用來展示對PCS直流側(ce) 數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側(ce) 的異常信息進行告警。

圖10儲(chu) 能係統PCS狀態界麵

本界麵用來展示對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(chu) 能電池狀態界麵

本界麵用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲(chu) 能電池的運行狀態、係統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲(chu) 能電池的SOC信息。

圖12儲(chu) 能電池簇運行數據界麵

本界麵用來展示對電池簇信息，主要包括儲(chu) 能各模組的電芯電壓與(yu) 溫度，並展示當前電芯的電壓、溫度值及所對應的位置。

風電界麵

圖13風電係統界麵

本界麵用來展示對風電係統信息，主要包括逆變控製一體(ti) 機直流側(ce) 、交流側(ce) 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；同時對係統的總功率、電壓電流及各個(ge) 逆變器的運行數據進行展示。

充電樁界麵

圖14充電樁界麵

本界麵用來展示對充電樁係統信息，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(ge) 充電樁的運行數據等。

視頻監控界麵

圖15微電網視頻監控界麵

本界麵主要展示係統所接入的視頻畫麵，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與(yu) 控製等。

4.4.2發電預測

係統應可以通過曆史發電數據、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，並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，便於(yu) 用戶對該係統新能源發電的集中管控。

圖16光伏預測界麵

4.4.3策略配置

係統應可以根據發電數據、儲(chu) 能係統容量、負荷需求及分時電價(jia) 信息，進行係統運行模式的設置及不同控製策略配置。如削峰填穀、周期計劃、需量控製、有序充電、動態擴容等。

圖17策略配置界麵

4.4.4運行報表

應能查詢各子係統、回路或設備規定時間的運行參數，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

4.4.5實時報警

應具有實時報警功能，係統能夠對各子係統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關(guan) 閉等遙信變位，及設備內(nei) 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；並應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關(guan) 人員。

圖19實時告警

4.4.6曆史事件查詢

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(chu) 和管理，方便用戶對係統事件和報警進行曆史追溯，查詢統計、事故分析。

圖20曆史事件查詢

4.4.7電能質量監測

應可以對整個(ge) 微電網係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係統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。

1）在供電係統主界麵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、三相電壓不平衡度和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度和正序/負序/零序電流值；

2）諧波分析功能：係統應能實時顯示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(yu) 閃變：係統應能顯示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(yu) 頻率偏差；

4）功率與(yu) 電能計量：係統應能顯示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，係統應能產(chan) 生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關(guan) 人員；係統應能查看相應暫態事件發生前後的波形。

6）電能質量數據統計：係統應能顯示1min統計整2h存儲(chu) 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微電網係統電能質量界麵

4.4.8遙控功能

應可以對整個(ge) 微電網係統範圍內(nei) 的設備進行遠程遙控操作。係統維護人員可以通過管理係統的主界麵完成遙控操作，並遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度係統或站內(nei) 相應的操作命令。

圖22遙控功能

4.4.9曲線查詢

應可在曲線查詢界麵，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

4.4.10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係統正常運行以來任意時間段內(nei) 各配電節點的用電情況，即該節點進線用電量與(yu) 各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與(yu) 外部係統間電能量交換進行統計分析；對係統運行的節能、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；具備對並網型微電網的並網點進行電能質量分析。

圖24統計報表

4.4.11網絡拓撲圖

係統支持實時監視接入係統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個(ge) 係統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動在界麵上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖25微電網係統拓撲界麵

本界麵主要展示微電網係統拓撲，包括係統的組成內(nei) 容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

4.4.12通信管理

可以對整個(ge) 微電網係統範圍內(nei) 的設備通信情況進行管理、控製、數據的實時監測。係統維護人員可以通過管理係統的主程序右鍵打開通信管理程序，然後選擇通信控製啟動所有端口或某個(ge) 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

4.4.13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(yi) 不同*別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為(wei) 係統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

圖27用戶權限

4.4.14故障錄波

應可以在係統發生故障時，自動準確地記錄故障前、後過程的各相關(guan) 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*電力係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(ge) 周波、故障後4個(ge) 周波波形，總錄波時間共計46s。每個(ge) 采樣點錄波至少包含12個(ge) 模擬量、10個(ge) 開關(guan) 量波形。

圖28故障錄波

4.4.15事故追憶

可以自動記錄事故時刻前後一段時間的所有實時掃描數據，包括開關(guan) 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(yi) 事故追憶的啟動事件，當每個(ge) 事件發生時，存儲(chu) 事故前*個(ge) 掃描周期及事故後10個(ge) 掃描周期的有關(guan) 點數據。啟動事件和監視的數據點可由用戶規定和隨意修改。

圖29事故追憶

4.5係統硬件配置清單

5結論

與(yu) 依托抽水儲(chu) 能、壓縮空氣儲(chu) 能和氫氣儲(chu) 能的係統相比，本文提出的液空聚能環-智慧能源微電網係統具有適用性廣、效率*、周期成本低等優(you) 勢。產(chan) 品可保障微網係統充分利用風能、太陽能，並能根據用戶負荷需求，直接為(wei) 用戶提供熱負荷、冷負荷，減少能源二次轉化，提升能源係統的整體(ti) 效率。設備相關(guan) 的生產(chan) 技術成熟，具有產(chan) 業(ye) 化難度低且使用壽命長的優(you) 點。從(cong) 全生命周期來看，該技術成本低廉且適應不同規模場景需求，投資回收期在2~3年，回收期短，經濟效益明顯。與(yu) 傳(chuan) 統分布式能源相比，產(chan) 品引入液化空氣儲(chu) 能係統，提*了係統整體(ti) 的運行水平，實現了全係統*排放、穩定配電、能源儲(chu) 存，提升了係統的可靠網頻率。本文提出了電網頻率校正控製適應性的電網運行場景域描述方法，利用控製量整定範圍評價(jia) 電網頻率校正策略的適應性，並基於(yu) 電網實際參數構建了仿真模型，驗證本文所提策略的適應性。

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