淺談基于虛擬電廠的儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)研究

程瑜 187 0211 2087
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：隨著能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題的日益突出,我國(guó)正在大力推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型,構(gòu)建新型電力系統(tǒng)。虛擬電廠可對(duì)分布式能源和可控負(fù)荷進(jìn)行整合調(diào)控,是實(shí)現(xiàn)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”一體化和多能互補(bǔ)的重要手段之一。儲(chǔ)能因其功率雙向流動(dòng)、響應(yīng)調(diào)節(jié)速度快等特點(diǎn),成為虛擬電廠不可或缺的組成部分,對(duì)于虛擬電廠內(nèi)新能源消納、參加電網(wǎng)輔助服務(wù)、提高電網(wǎng)運(yùn)行安全水平等具有積極意義。目前已有學(xué)者針對(duì)虛擬電廠的運(yùn)行機(jī)制和調(diào)度優(yōu)化進(jìn)行研究,對(duì)虛擬電廠中的儲(chǔ)能容量配置進(jìn)行優(yōu)化。為此,首先介紹了以集中型儲(chǔ)能為主的虛擬電廠模型,包括其組成結(jié)構(gòu)和調(diào)度模型。然后,以實(shí)際工程為例,研究以虛擬電廠為背景的儲(chǔ)能電站的集成設(shè)計(jì),對(duì)其他儲(chǔ)能工程的設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：虛擬電廠；儲(chǔ)能電站；集成設(shè)計(jì)

0引言

隨著化石能源資源的日益緊張和全球環(huán)境問(wèn)題的突出,全球各國(guó)都在尋求可持續(xù)的能源發(fā)展道路。在政策支持下,風(fēng)電、光伏等清潔能源快速發(fā)展,但其間歇性和波動(dòng)性對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了重大影響,各地都出現(xiàn)了不同程度的棄風(fēng)棄光。虛擬電廠(VirtualPowerPlant,VPP)是推進(jìn)高比例可再生能源發(fā)展的重要措施之一。我國(guó)“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃中指出,建立“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”一體化以及多能互補(bǔ)項(xiàng)目協(xié)調(diào)運(yùn)營(yíng)和利益共享機(jī)制。虛擬電廠可在不改變每個(gè)分布式電源并網(wǎng)方式的前提下,聚合分布式電源、儲(chǔ)能、可控負(fù)荷等不同類(lèi)型的分布式能源,并通過(guò)控制策略實(shí)現(xiàn)多個(gè)分布式能源的協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行,有利于資源的合理優(yōu)化配置及利用。2021年12月21日,能源局發(fā)布的新版《電力輔助務(wù)管理辦法》和《電力并網(wǎng)運(yùn)行管理規(guī)定》更是明確了虛服擬電廠的并網(wǎng)主體地位,鼓勵(lì)虛擬電廠、新型儲(chǔ)能、可調(diào)節(jié)負(fù)荷等并網(wǎng)主體參與電力輔助服務(wù)。

儲(chǔ)能因其功率雙向流動(dòng)、響應(yīng)調(diào)節(jié)速度快等特點(diǎn),通過(guò)虛擬電廠的優(yōu)化配置和協(xié)同控制,

可實(shí)現(xiàn)能量專(zhuān)業(yè)和快速功率控制,在系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓、緊急控制等方面發(fā)揮作用,與源、荷側(cè)靈活調(diào)節(jié)資源形成調(diào)節(jié)能力,對(duì)支撐新型電力系統(tǒng),提高電網(wǎng)運(yùn)行安全水平等具有積極意義。

目前,已有學(xué)者對(duì)虛擬電廠的運(yùn)行機(jī)制和調(diào)度優(yōu)化進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[1]將風(fēng)電機(jī)組和常規(guī)水、火電機(jī)組以及儲(chǔ)能納入虛擬電廠調(diào)度區(qū)域,在電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)度的模式下,通過(guò)有效的功率控制,實(shí)現(xiàn)大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)調(diào)度,減少風(fēng)電的不確定性對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成的重大影響。文獻(xiàn)[2]考慮風(fēng)電和光伏出力的不確定性,建立了以虛擬發(fā)電廠凈收益為目標(biāo)函數(shù)的虛擬電廠優(yōu)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的魯棒優(yōu)化模型,并驗(yàn)證了模型對(duì)于制定電廠運(yùn)行計(jì)劃具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。針對(duì)含電動(dòng)汽車(chē)充電站的虛擬電廠,文獻(xiàn)[3]提出了虛擬電廠日前調(diào)度優(yōu)化模型,驗(yàn)證了虛擬電廠可促進(jìn)新能源消納,減少電動(dòng)汽車(chē)充電無(wú)序性對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響。

針對(duì)虛擬電廠中的儲(chǔ)能配置優(yōu)化,文獻(xiàn)[4]考慮到虛擬電廠對(duì)分布式光伏的管理,以經(jīng)濟(jì)收益、網(wǎng)供功率和電壓質(zhì)量為目標(biāo),建立了儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[5]中的虛擬電廠引入超級(jí)電容器、蓄電池以及可入網(wǎng)電動(dòng)汽車(chē)等儲(chǔ)能設(shè)備,建立以AGC調(diào)頻效果和凈收益為目標(biāo)的虛擬電廠參與AGC調(diào)頻決策模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置的優(yōu)化,以及虛擬電廠各單元的出力優(yōu)化。

本文針對(duì)以集中式儲(chǔ)能為主體的虛擬電廠,首先分析了其組成結(jié)構(gòu)和調(diào)度模型;然后以實(shí)際工程為例,研究了集中式儲(chǔ)能的設(shè)計(jì),從儲(chǔ)能技術(shù)路線選擇到儲(chǔ)能系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)方面,保證集中式儲(chǔ)能可以滿足虛擬電廠運(yùn)行要求。虛擬電廠以集中式儲(chǔ)能作為主體,一方面可以為區(qū)域提供平穩(wěn)可控的出力,另一方面可以通過(guò)儲(chǔ)能的雙向功率調(diào)節(jié)作用,增加區(qū)域內(nèi)新能源的消納,減少棄風(fēng)棄光現(xiàn)象,使得電網(wǎng)運(yùn)行更加安全。

1以集中式儲(chǔ)能為主體的虛擬電廠模型

1.1虛擬電廠結(jié)構(gòu)

虛擬電廠將分布式能源(DistributedEnergyResource,DER)、可控負(fù)荷(InterruptibleLoad,IL)和儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行有機(jī)結(jié)合,通過(guò)控制技術(shù)和通信技術(shù)對(duì)其區(qū)域內(nèi)各類(lèi)分布式能源和負(fù)荷進(jìn)行整體優(yōu)化調(diào)控,不影響各能源并網(wǎng)方式,可多點(diǎn)接入電網(wǎng),也可將其區(qū)域內(nèi)所有能源整合作為整體參與電力市場(chǎng)。如圖1所示,虛擬電廠可以根據(jù)其控制策略,通過(guò)調(diào)整分布式電源出力、儲(chǔ)能設(shè)備充放電以及切除可控負(fù)荷等手段,協(xié)調(diào)優(yōu)化其內(nèi)部各分布式能源和負(fù)荷間的能量流動(dòng),從而作為整體參與電力市場(chǎng)交易行為,進(jìn)行電能售賣(mài)與購(gòu)買(mǎi)。以集中式儲(chǔ)能電站為主體構(gòu)建虛擬電廠,可充分發(fā)揮集中式儲(chǔ)能電站大容量出力、大范圍調(diào)節(jié)、寬時(shí)域支撐的宏觀作用,同時(shí)輻射周邊其他靈活調(diào)節(jié)資源,形成“以點(diǎn)帶面、以大聚小”的整體運(yùn)行模式,可有效提升虛擬電廠確定性、置信度、可靠性和支撐力,實(shí)現(xiàn)對(duì)大量分布式、小容量、多類(lèi)型、高分散資源真正有效控制,強(qiáng)化虛擬電廠的可觀、可測(cè)、可控,同時(shí)兼顧電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行與電力市場(chǎng),以高可靠性、高靈活性、多商業(yè)模式的方式運(yùn)行。

1.2虛擬電廠調(diào)度模型

虛擬電廠控制作為以?xún)?chǔ)能電站為主體的新型虛擬電廠的總控,可以把區(qū)域范圍內(nèi)的儲(chǔ)能電站、分布式電源、可調(diào)節(jié)負(fù)荷等資源接入該系統(tǒng)。基于該控制,虛擬電廠可參與主能量和輔助服務(wù)的電力交易市場(chǎng),充分發(fā)揮集中式儲(chǔ)能電站的出力特性,提高分布式電源、可調(diào)節(jié)負(fù)荷的使用效率,提升虛擬電廠可靠性。虛擬電廠中的儲(chǔ)能可以運(yùn)行在兩種模式:一是單獨(dú)參與電網(wǎng)調(diào)度;二是與分布式電源、負(fù)荷聯(lián)合參與調(diào)度運(yùn)行。

儲(chǔ)能電站單獨(dú)參與電網(wǎng)調(diào)度時(shí),只調(diào)整儲(chǔ)能的充放電,不影響其他分布式能源或負(fù)荷。儲(chǔ)能參與調(diào)峰輔助服務(wù),代替電網(wǎng)傳統(tǒng)調(diào)峰手段(燃煤火電機(jī)組),提高整個(gè)電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性;參與調(diào)頻輔助服務(wù),支持自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)功能,即實(shí)時(shí)響應(yīng)上層調(diào)度系統(tǒng)下發(fā)的儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)頻功率需求命令,實(shí)時(shí)滿足上層調(diào)度下發(fā)的支持AGC計(jì)劃相對(duì)應(yīng)的功率命令值;參與現(xiàn)貨市場(chǎng),支持自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)功能,即實(shí)時(shí)響應(yīng)上層調(diào)度系統(tǒng)下發(fā)的儲(chǔ)能系統(tǒng)日前/實(shí)時(shí)調(diào)峰功率需求命令。

儲(chǔ)能電站與分布式電源、負(fù)荷聯(lián)合參與調(diào)度運(yùn)行,需要通過(guò)控制執(zhí)行相應(yīng)控制策略,協(xié)調(diào)不同能源和負(fù)荷的功率流動(dòng)。考慮儲(chǔ)能、風(fēng)電、分布式光伏作為一個(gè)虛擬電廠主體,項(xiàng)目?jī)?nèi)部?jī)?yōu)化,整體預(yù)測(cè)出力計(jì)劃上報(bào)調(diào)度,調(diào)度命令僅下達(dá)至虛擬電廠總控?？偪貙?duì)風(fēng)、光、儲(chǔ)電站進(jìn)行實(shí)時(shí)信息采集并統(tǒng)一調(diào)度。此運(yùn)行模式下,儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的主要目標(biāo)為彌補(bǔ)風(fēng)光發(fā)電實(shí)際出力與預(yù)測(cè)出力的偏差,提升虛擬電廠整體的出力精度。儲(chǔ)

能電站能量管理系統(tǒng)依據(jù)上層調(diào)度下發(fā)的當(dāng)日虛擬電廠調(diào)度計(jì)劃,通過(guò)控制儲(chǔ)能電站的充放電功率,實(shí)現(xiàn)跟蹤發(fā)電計(jì)劃的功能,控制虛擬電廠聯(lián)合功率輸出滿足計(jì)劃跟蹤要求。

在電網(wǎng)負(fù)荷低谷和高峰時(shí)段啟動(dòng)儲(chǔ)能裝置進(jìn)行充放電,儲(chǔ)能系統(tǒng)削峰填谷功能實(shí)時(shí)響應(yīng)虛擬電廠總控下發(fā)的儲(chǔ)能系統(tǒng)功率需求命令,即實(shí)時(shí)滿足上層下發(fā)的削峰填谷計(jì)劃對(duì)應(yīng)的功率命令值,以保證削峰填谷的應(yīng)用效果。

1.3以集中式儲(chǔ)能為主體的虛擬電廠的作用

1.3.1提升調(diào)峰能力,保障用電

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,社會(huì)用電需求日益增長(zhǎng),區(qū)域內(nèi)用電峰谷差也在不斷增大。2016年以來(lái),浙江電網(wǎng)日峰谷差從2355萬(wàn) kW 增大至3436萬(wàn) kW,是峰谷差省份之一。傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的調(diào)峰能力有限,已無(wú)法彌補(bǔ)日益擴(kuò)大的調(diào)峰缺口;而且,受風(fēng)電、光伏等新能源滲透率不斷提高的影響,區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)調(diào)峰難度增加,電力靈活性調(diào)節(jié)需求不斷增加。

儲(chǔ)能作為新型電力系統(tǒng)的重要構(gòu)成要素,發(fā)揮著越來(lái)越重要的保供作用。以集中式儲(chǔ)能為主體的虛擬電廠,通過(guò)對(duì)區(qū)域內(nèi)可控負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié),對(duì)儲(chǔ)能充放電進(jìn)行控制,可以保障重要負(fù)荷的供電,減少電力匱乏對(duì)生產(chǎn)生活的影響。有大量案例證明,通過(guò)虛擬電廠,可以提高用電保障能力。2021年6月21日,平湖市縣域虛擬電廠,通過(guò)負(fù)荷預(yù)測(cè),實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷緊張異常預(yù)警;通過(guò)對(duì)域內(nèi)負(fù)荷的調(diào)控,在成本和影響的前提下,避免了平湖110kV永興變2號(hào)主變的負(fù)荷緊張異常事件。2021年8月29日,廣州市虛擬電廠在廣東電網(wǎng)廣州調(diào)控指令下,對(duì)公交充電公司下達(dá)調(diào)控指令,調(diào)整充電計(jì)劃,完成負(fù)荷資源的調(diào)節(jié),保障了高溫條件下2000戶(hù)家庭的空調(diào)用電。

1.3.2提升調(diào)頻能力,保障電網(wǎng)安全運(yùn)行

相比傳統(tǒng)同步機(jī)電源,新能源缺乏轉(zhuǎn)動(dòng)慣量上的支撐。而隨著新能源滲透率的不斷提高,電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量水平降低,系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性降低。根據(jù)發(fā)電機(jī)動(dòng)能等值換算分析,通過(guò)對(duì)浙江省內(nèi)發(fā)電機(jī)慣性常數(shù)進(jìn)行評(píng)估后可知當(dāng)新能源裝機(jī)占比超過(guò)25%時(shí),系統(tǒng)將出現(xiàn)慣量缺額,系統(tǒng)調(diào)頻能力也隨之逐步降低。傳統(tǒng)的調(diào)頻電源主要為火力發(fā)電機(jī)組,傳統(tǒng)機(jī)組響應(yīng)速度較慢,爬坡速度一般為每分鐘約1%~3%;同時(shí),機(jī)組參與調(diào)頻會(huì)造成煤耗增加、設(shè)備損耗等問(wèn)題。因此,傳統(tǒng)機(jī)組已無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的調(diào)頻要求。

儲(chǔ)能系統(tǒng)響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)速率高,可在1s內(nèi)以99%以上的精度完成指定功率的輸出,其綜合AGC調(diào)節(jié)性能遠(yuǎn)超常規(guī)燃煤機(jī)組,因此規(guī)模化儲(chǔ)能為系統(tǒng)提供的慣量支撐和一次調(diào)頻能力可有效降低大功率缺額下電網(wǎng)頻率失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)和系統(tǒng)安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。而且儲(chǔ)能設(shè)備從零功率到滿功率僅需數(shù)秒,可以在電網(wǎng)故障情況下,提供緊急調(diào)頻支撐作用,提高交直流混聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.3.3促進(jìn)新能源消納

新能源出力具有隨機(jī)性、間歇性的特征,儲(chǔ)能具有能量吞吐和時(shí)空轉(zhuǎn)移能力,結(jié)合新能源出力預(yù)測(cè)及調(diào)度日前計(jì)劃進(jìn)行有序充放,可以有效解決新能源波動(dòng)性大、置信出力不足的問(wèn)題,提高電力與電量平衡的協(xié)同度。

隨著新能源占比的不斷提高,新能源的消納壓力日益增大。要保持較好的新能源利用水平,需綜合采取火電靈活性改造、擴(kuò)大需求側(cè)響應(yīng)規(guī)模以及增加儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模等措施。

以國(guó)內(nèi)某示范工程為例,對(duì)該工程風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行在VPP模式和一般模式以風(fēng)電、儲(chǔ)能分別單獨(dú)運(yùn)行的模式進(jìn)行對(duì)比。采用VPP運(yùn)行模式的風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)可以緩解風(fēng)力發(fā)電廠并網(wǎng)帶來(lái)的備用容量增加問(wèn)題,同時(shí)充分利用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電廠的容量,顯著提高經(jīng)濟(jì)收益[6]。

1.3.4提升電網(wǎng)運(yùn)行靈活性

隨著電力體制改革和能源結(jié)構(gòu)革命推進(jìn),貨市我國(guó)電力現(xiàn)場(chǎng)和售電市場(chǎng)開(kāi)始啟動(dòng)和開(kāi)放,電網(wǎng)不斷向智能化和柔性化發(fā)展。儲(chǔ)能電站作為智能電網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分,運(yùn)行靈活、啟動(dòng)快、動(dòng)態(tài)效益顯著,而且儲(chǔ)能可按四象限運(yùn)行,可為區(qū)域內(nèi)提供無(wú)功電壓調(diào)節(jié),減少電網(wǎng)無(wú)功設(shè)備的投資。例如一個(gè)100MW/200MWh的儲(chǔ)能電站接入500kV電網(wǎng)后,可提供調(diào)相容量±20萬(wàn)kvar。儲(chǔ)能對(duì)優(yōu)化電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)、改善電網(wǎng)電壓水平、提高供電質(zhì)量、提升電網(wǎng)運(yùn)行靈活性、保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有很大作用。

2儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1儲(chǔ)能技術(shù)路線選擇

儲(chǔ)能能系技統(tǒng)術(shù)可路以線應(yīng)選用擇于電力系統(tǒng)調(diào)頻、調(diào)峰、緊急功率支撐等不同場(chǎng)景。不同應(yīng)用場(chǎng)景下,對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量、功率、響應(yīng)時(shí)間、調(diào)節(jié)速度等的要求所有區(qū)別。不同類(lèi)型的儲(chǔ)能都有其優(yōu)勢(shì),使其適用于某個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景,因此儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)多元化,存在著電化學(xué)、機(jī)械、儲(chǔ)熱等技術(shù)種類(lèi)繁多、特性各異的技術(shù)路線,新型儲(chǔ)能技術(shù),如超級(jí)電容、壓縮空氣、液流、鋰離子電池等也得到了不同程度的發(fā)展應(yīng)用。

以集中式儲(chǔ)能為主體的虛擬電廠要求儲(chǔ)能既要具備較大容量以提供區(qū)域內(nèi)用電支撐,又可以滿足調(diào)頻、調(diào)峰等輔助服務(wù)的需求,具備較快的響應(yīng)速度和較高的調(diào)節(jié)速率,因此虛擬電廠中的集中式儲(chǔ)能需要滿足不同時(shí)間尺度、不同大小的調(diào)節(jié)需求。本文從技術(shù)特性、經(jīng)濟(jì)性、安全性三個(gè)維度綜合考慮不同類(lèi)型儲(chǔ)能在虛擬電廠的應(yīng)用情況。

技術(shù)特性方面,主要關(guān)注集成規(guī)模與可靠性、響應(yīng)速度、能量轉(zhuǎn)換效率等因素。目前,電化學(xué)儲(chǔ)能集成規(guī)?？蛇_(dá)百兆瓦級(jí),響應(yīng)速度可達(dá)百毫秒級(jí),其中鋰離子電池儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換效率可達(dá)85%~90%,鉛碳電池為70%~80%,液流電池一般低于65%,而機(jī)械儲(chǔ)能和儲(chǔ)熱技術(shù)可集成規(guī)模為兆瓦級(jí)至百兆瓦級(jí),響應(yīng)速度為毫秒至分鐘級(jí)。

經(jīng)濟(jì)性方面,主要關(guān)注建設(shè)成本、使用壽命、運(yùn)維投入等因素。近來(lái),鋰離子電池儲(chǔ)能建設(shè)成本快速下降至1800~2500元/(kWh)、循環(huán)壽命為6000~8000次(10~15年);鉛炭電池儲(chǔ)能的建設(shè)成本與鋰離子電池相當(dāng),但壽命僅為鋰離子電池的1/3;液流電池儲(chǔ)能循環(huán)壽命大于10000次,但建設(shè)成本為鋰離子電池的2倍以上,且維護(hù)成本較高。

安全性方面,各類(lèi)新型儲(chǔ)能均有不同安全風(fēng)險(xiǎn)。鋰離子電池存在熱失控以及由此引發(fā)的燃爆風(fēng)險(xiǎn),液流電池存在酸性有毒電解液的泄漏風(fēng)險(xiǎn),壓縮空氣儲(chǔ)能存在氣體的高壓力存儲(chǔ)安全風(fēng)險(xiǎn)。從應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看,鋰離子電池儲(chǔ)能占我國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模的91%,安全風(fēng)險(xiǎn)隨著多類(lèi)型安全防護(hù)手段的應(yīng)用將得到進(jìn)一步控制。

根據(jù)項(xiàng)目需求,虛擬電廠中的集中式儲(chǔ)能以調(diào)峰輔助服務(wù)為主,調(diào)峰需求時(shí)常集中于2~3h。綜上,鋰離子電池系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快、成本合理、安全風(fēng)險(xiǎn)可進(jìn)一步控制,具備大規(guī)模建設(shè)的條件,符合虛擬電廠需求,因此可采用鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。

2.2儲(chǔ)能系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)要點(diǎn)

電化學(xué)儲(chǔ)能集成應(yīng)用方式直接影響電池運(yùn)行一致性、使用壽命、安全特性,是電化學(xué)儲(chǔ)能規(guī)?；踩煽繎?yīng)用的基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)儲(chǔ)能電站時(shí),一般可以從交直流電壓等級(jí)、電池系統(tǒng)熱管理方式和廠站結(jié)構(gòu)等方面考慮。

2.2.1交直流電壓等級(jí)

根據(jù)交直流電壓等級(jí)不同,儲(chǔ)能電站的集成方式可分為低壓集成、高壓集成和級(jí)聯(lián)直掛,參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。低壓集成一般是直流600~900V、交流380V經(jīng)變壓器升壓10kV(35kV)并網(wǎng)方案,目前該方案成熟度高、應(yīng)用規(guī)模廣。該電壓等級(jí)下,單個(gè)電池簇中電芯數(shù)量相對(duì)較少,電芯一致性問(wèn)題對(duì)系統(tǒng)的影響相對(duì)較小,具有更高的可靠性,但相對(duì)于高壓集成方案,該方案能量密度與轉(zhuǎn)換效率偏低。

隨著技術(shù)的發(fā)展,高壓集成方案日益成熟。高壓集成一般是直流1000~1500V、交流550V或690V經(jīng)變壓器升壓10kV(35kV)并網(wǎng)。該電壓等級(jí)下,電池簇中電池?cái)?shù)量增加,功率密度有效提升,相同容量占地更少,同時(shí)輔助系統(tǒng)設(shè)備成本降低,但隨著電芯數(shù)量的增加,一致性問(wèn)題突出,對(duì)單芯電池、電池模組、電池簇的均壓、均流以及熱量管理提出了更高的要求,對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)也有更高要求。

另外,為了提升儲(chǔ)能能量轉(zhuǎn)換效率,部分商家研發(fā)并推出級(jí)聯(lián)高壓直掛儲(chǔ)能集成方案,儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)變流器輸出后,可不需變壓器直接接入10kV或35kV電網(wǎng)。該方案具備能量密度大、轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn),可用于大容量、高電壓接入儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),但存在相間直流側(cè)儲(chǔ)能單元容量不均衡、直流鏈紋波分量、電池及附屬器件的高壓絕緣等問(wèn)題,尚不具備規(guī)模化推廣條件。

根據(jù)集中式儲(chǔ)能的定位和應(yīng)用場(chǎng)景,考慮電站全壽命周期可靠運(yùn)行以及經(jīng)濟(jì)收益,通過(guò)對(duì)比不同電壓等級(jí)集成方案的技術(shù)成熟度、安全性、轉(zhuǎn)換效率、占地面積和成本,高壓集成應(yīng)用在虛擬電廠的集中式儲(chǔ)能中具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2.2.2電池系統(tǒng)熱管理方式

電池系統(tǒng)的熱管理技術(shù),主要是根據(jù)電池佳工作溫度范圍,通過(guò)對(duì)電池的排列方式、冷卻方式以及控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)來(lái)有效地對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)、保證電池的適宜工作溫度、降低電池組中電池間的溫度差異以及對(duì)有害的氣體及時(shí)通風(fēng)等,以提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率、安全性能。其中,冷卻方式的選擇對(duì)電池溫升和溫差具有較大影響,目前儲(chǔ)能系統(tǒng)常用冷卻技術(shù)主要有風(fēng)冷、液冷以及特殊應(yīng)用場(chǎng)景下的相變材料冷卻等。

風(fēng)冷結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低及易于維護(hù),是目前應(yīng)用廣泛的冷卻方法,但存在效率較低、噪聲較大等問(wèn)題。隨著電池系統(tǒng)向高能量密度方向發(fā)展,電池組內(nèi)電池間距越來(lái)越小,風(fēng)冷的弊端越來(lái)越明顯。相較于風(fēng)冷,液冷具有更高的冷卻效率,可以有效降低電池的高溫度,改善電池組溫度的一致性。而液冷成本較高、功耗較大,目前在動(dòng)力電池領(lǐng)域應(yīng)用較多。

相變材料冷卻可以很好地控制電池系統(tǒng)溫度場(chǎng)的均一性,但目前還處于實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段,大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用體系尚不成熟。

從技術(shù)成熟度、安全性、Pack防護(hù)等級(jí)、電池溫差、電池一致性、輔助運(yùn)行功耗、運(yùn)行效率、能量密度、維護(hù)難度、經(jīng)濟(jì)性等角度對(duì)電池系統(tǒng)熱管理方式進(jìn)行對(duì)比分析。風(fēng)冷系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)間長(zhǎng)、案列多,并且在安全性、單體電池溫度分布以及電池電場(chǎng)分布方面具有優(yōu)勢(shì),但是液冷方案在電池一致性、輔助運(yùn)行功耗、運(yùn)行效率、能量密度等方面具有優(yōu)勢(shì),同時(shí)液冷方案也是儲(chǔ)能的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)之一。綜合考慮項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性、安全性以及科技示范性,液冷方案具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2.2.3廠站結(jié)構(gòu)

為保障儲(chǔ)能系統(tǒng)良好的運(yùn)行環(huán)境和維護(hù)條件,國(guó)內(nèi)外電化學(xué)儲(chǔ)能電站建設(shè)主要采用廠房式或預(yù)制艙式兩種形式。廠房式集成存在建設(shè)周期長(zhǎng)、地理位置不靈活、建設(shè)所需基礎(chǔ)設(shè)施較多等問(wèn)題,在新建儲(chǔ)能電站中的應(yīng)用越來(lái)較少,因此一般采用預(yù)制艙式集成。

預(yù)制艙式集成分為步入式和非步入式兩種。步入式方案采用雙列面對(duì)面方式布置電池簇,預(yù)留人員通道,人員可進(jìn)入預(yù)制艙內(nèi)部進(jìn)行日常運(yùn)維巡檢。預(yù)制艙系統(tǒng)整體的防水防腐性能較好,日常運(yùn)維時(shí)環(huán)境對(duì)設(shè)備的安全性影響較小;但人員通道占用艙內(nèi)空間,系統(tǒng)能量密度較低。非步入式方案采用雙列背靠背的方式布置電池簇,預(yù)制艙體側(cè)墻板采取對(duì)外開(kāi)門(mén)的方式,人員在箱體外部進(jìn)行維護(hù)工作。運(yùn)維人員安全風(fēng)險(xiǎn)低但由于采用多門(mén)設(shè)計(jì),艙體密閉性不好,且外部維修通道較艙內(nèi)通道占地增加,整站空間利用率降低。

在分析站址地形、地址、廠區(qū)面積、施工周期的情況下,綜合考慮儲(chǔ)能能量密度和整站空間利用率,對(duì)廠站結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目的集中式儲(chǔ)能采用非步入式預(yù)制艙方案具有一定的優(yōu)勢(shì)。

2.2.4小結(jié)

儲(chǔ)能系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)關(guān)系到儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。虛擬電廠中的集中式儲(chǔ)能具有規(guī)模大、輔助服務(wù)要求高、調(diào)節(jié)頻繁的特點(diǎn),在儲(chǔ)能系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目情況對(duì)電壓等級(jí)、熱管理方式以及場(chǎng)站結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行技術(shù)分析,選擇具有優(yōu)勢(shì)的方案。綜合考慮本項(xiàng)目場(chǎng)地條件及經(jīng)濟(jì)性需求,建議項(xiàng)目選擇效率更高、能量密度更大的高壓液冷系統(tǒng)非步入式預(yù)制艙集成。

3安科瑞Acrel-2000MG微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)

3.1概述

Acrel-2000MG儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)是安科瑞專(zhuān)門(mén)針對(duì)工商業(yè)儲(chǔ)能電站研制的本地化能量管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能電站的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢(xún)與分析、可視化監(jiān)控、報(bào)警管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、策略管理、歷史曲線等功能。其中策略管理，支持多種控制策略選擇，包含計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等。該系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)下級(jí)各儲(chǔ)能單元的統(tǒng)一監(jiān)控和管理，還可以實(shí)現(xiàn)與上級(jí)調(diào)度系統(tǒng)和云平臺(tái)的數(shù)據(jù)通訊與交互，既能接受上級(jí)調(diào)度指令，又可以滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控與運(yùn)維，確保儲(chǔ)能系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3.2應(yīng)用場(chǎng)景

適用于工商業(yè)儲(chǔ)能電站、新能源配儲(chǔ)電站。

3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.4系統(tǒng)功能

3.4.1實(shí)時(shí)監(jiān)管

對(duì)微電網(wǎng)的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管，包含市電、光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能、充電樁及用電負(fù)荷，同時(shí)也包括收益數(shù)據(jù)、天氣狀況、節(jié)能減排等信息。

3.4.2優(yōu)化控制

通過(guò)分析歷史用電數(shù)據(jù)、天氣條件對(duì)負(fù)荷進(jìn)行功率預(yù)測(cè)，并結(jié)合分布式電源出力與儲(chǔ)能狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度，以降低尖峰或者高峰時(shí)刻的用電量，降低企業(yè)綜合用電成本。

3.4.3收益分析

用戶(hù)可以查看光伏、儲(chǔ)能、充電樁三部分的每天電量和收益數(shù)據(jù)，同時(shí)可以切換年報(bào)查看每個(gè)月的電量和收益。

3.4.4能源分析

通過(guò)分析光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能設(shè)備的發(fā)電效率、轉(zhuǎn)化效率，用于評(píng)估設(shè)備性能與狀態(tài)。

3.4.5策略配置

微電網(wǎng)配置主要對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)組成、基礎(chǔ)參數(shù)、運(yùn)行策略及統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行設(shè)置。其中策略包含計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制、新能源消納、逆功率控制等。

4硬件及其配套產(chǎn)品

序號(hào)	設(shè)備	型號(hào)	圖片	說(shuō)明
1	能量管理系統(tǒng)	Acrel-2000MG		內(nèi)部設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，由通信管理機(jī)、工業(yè)平板電腦、串口服務(wù)器、遙信模塊及相關(guān)通信輔件組成。 數(shù)據(jù)采集、上傳及轉(zhuǎn)發(fā)至服務(wù)器及協(xié)同控制裝置 策略控制:計(jì)劃曲線、需量控制、削峰填谷、備用電源等
2	顯示器	25.1英寸液晶顯示器		系統(tǒng)軟件顯示載體
3	UPS電源	UPS2000-A-2-KTTS		為監(jiān)控主機(jī)提供后備電源
4	打印機(jī)	HP108AA4		用以打印操作記錄，參數(shù)修改記錄、參數(shù)越限、復(fù)限，系統(tǒng)事故，設(shè)備故障，保護(hù)運(yùn)行等記錄，以召喚打印為主要方式
5	音箱	R19U		播放報(bào)警事件信息
6	工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)	D-LINKDES-1016A16		提供16口百兆工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)解決了通信實(shí)時(shí)性、網(wǎng)絡(luò)安全性、本質(zhì)安全與安全防爆技術(shù)等技術(shù)問(wèn)題
7	GPS時(shí)鐘	ATS1200GB		利用gps同步衛(wèi)星信號(hào)，接收1pps和串口時(shí)間信息，將本地的時(shí)鐘和gps衛(wèi)星上面的時(shí)間進(jìn)行同步
8	交流計(jì)量電表	AMC96L-E4/KC		電力參數(shù)測(cè)量(如單相或者三相的電流、電壓、有功功率、無(wú)功功率、視在功率,頻率、功率因數(shù)等)、復(fù)費(fèi)率電能計(jì)量、 四象限電能計(jì)量、諧波分析以及電能監(jiān)測(cè)和考核管理。多種外圍接口功能:帶有RS485/MODBUS-RTU協(xié)議:帶開(kāi)關(guān)量輸入和繼電器輸出可實(shí)現(xiàn)斷路器開(kāi)關(guān)的"遜信“和“遙控”的功能
9	直流計(jì)量電表	PZ96L-DE		可測(cè)量直流系統(tǒng)中的電壓、電流、功率、正向與反向電能?？蓭?a href="http://ttokpm.com/tags/rs/" target="_blank">RS485通訊接口、模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、開(kāi)關(guān)量輸入/輸出等功能
10	電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)	APView500		實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓偏差、頻率俯差、三相電壓不平衡、電壓波動(dòng)和閃變、諾波等電能質(zhì)量，記錄各類(lèi)電能質(zhì)量事件,定位擾動(dòng)源。
11	防孤島裝置	AM5SE-IS		防孤島保護(hù)裝置，當(dāng)外部電網(wǎng)停電后斷開(kāi)和電網(wǎng)連接
12	箱變測(cè)控裝置	AM6-PWC		置針對(duì)光伏、風(fēng)能、儲(chǔ)能升壓變不同要求研發(fā)的集保護(hù)，測(cè)控，通訊一體化裝置，具備保護(hù)、通信管理機(jī)功能、環(huán)網(wǎng)交換機(jī)功能的測(cè)控裝置
13	通信管理機(jī)	ANet-2E851		能夠根據(jù)不同的采集規(guī)的進(jìn)行水表、氣表、電表、微機(jī)保護(hù)等設(shè)備終端的數(shù)據(jù)果集匯總: 提供規(guī)約轉(zhuǎn)換、透明轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)加密壓縮、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、邊緣計(jì)算等多項(xiàng)功能:實(shí)時(shí)多任務(wù)并行處理數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，可多鏈路上送平臺(tái)據(jù):
14	串口服務(wù)器	Aport		功能:轉(zhuǎn)換“輔助系統(tǒng)"的狀態(tài)數(shù)據(jù)，反饋到能量管理系統(tǒng)中。 1)空調(diào)的開(kāi)關(guān)，調(diào)溫，及完全斷電(二次開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)) 2)上傳配電柜各個(gè)空開(kāi)信號(hào) 3)上傳UPS內(nèi)部電量信息等 4)接入電表、BSMU等設(shè)備
15	遙信模塊	ARTU-K16		1)反饋各個(gè)設(shè)備狀態(tài)，將相關(guān)數(shù)據(jù)到串口服務(wù)器: 讀消防VO信號(hào)，并轉(zhuǎn)發(fā)給到上層(關(guān)機(jī)、事件上報(bào)等) 2）采集水浸傳感器信息，并轉(zhuǎn)發(fā) 3)給到上層(水浸信號(hào)事件上報(bào)) 4)讀取門(mén)禁程傳感器信息，并轉(zhuǎn)發(fā)

5結(jié)語(yǔ)

以集中式儲(chǔ)能為主體,聚合周邊分布式資源形成的虛擬電廠,通過(guò)資源的整合和調(diào)控,促進(jìn)電網(wǎng)從“源隨荷動(dòng)”轉(zhuǎn)化為“源荷互動(dòng)”。以集中式儲(chǔ)能為主體的虛擬電廠可以直接接收電網(wǎng)調(diào)度或者作為三方獨(dú)立主體參與輔助服務(wù)。大規(guī)模儲(chǔ)能可以提供大量實(shí)時(shí)可調(diào)的平穩(wěn)出力,有效緩解電力供應(yīng)短缺問(wèn)題,提供電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻、緊急功率支撐等服務(wù),并增強(qiáng)新能源消納能力,為高比例新能源的接入提供安全保障,為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰·碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)提供支撐。針對(duì)虛擬電廠集中式儲(chǔ)能電站的集成設(shè)計(jì),可以通過(guò)綜合分析,選擇交直流電壓等級(jí)、電池系統(tǒng)熱管理方式和廠站結(jié)構(gòu),使得儲(chǔ)能系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)滿足項(xiàng)目定位和應(yīng)用場(chǎng)景要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]王天旺,高赟,姜孟,等.虛擬電廠下計(jì)及分布式風(fēng)電與儲(chǔ)能系統(tǒng)的電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度[J].電力建設(shè),2016,37(11):108-114.

[2]孫晶琪4,王愿,郭曉慧,等.考慮環(huán)境外部性和風(fēng)光出力不確定性的虛擬電廠運(yùn)行優(yōu)化[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2022,46(8):50-59.

[3]應(yīng)飛祥,徐天奇,李琰,等.含電動(dòng)汽車(chē)充電站商業(yè)型虛擬電廠的日前調(diào)度優(yōu)化策略研究

[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2020,48(21):92-100.

[4]韋立坤,趙波,吳紅斌,等.虛擬電廠下計(jì)及大規(guī)模分布式光伏的儲(chǔ)能系統(tǒng)配置優(yōu)化模型

[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2015,39(23):66-74.

[5]袁桂麗,蘇偉芳.計(jì)及電動(dòng)汽車(chē)不確定性的虛擬電廠參與AGC調(diào)頻服務(wù)研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2020,44(7):2538-2548.

[6]閆濤,渠展展,惠東,等.含規(guī)?；姵貎?chǔ)能系統(tǒng)的商業(yè)型虛擬電廠經(jīng)濟(jì)性分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2014(17):98-104.

[7]呂一農(nóng)，基于虛擬電廠的儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)研究。

[8]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2022年05版

[9]安科瑞Acrel2000ES儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)選型手冊(cè).2024年04版

[10]安科瑞光儲(chǔ)充微電網(wǎng)系統(tǒng)解決方案.2024年04版

審核編輯 黃宇