光伏儲能系統(tǒng)在多元化配電網(wǎng)架構中的專業(yè)應用與優(yōu)化策略

【摘要】儲能技術已被認為是未來電力系統(tǒng)中的重要組成部分。它可以有效地消除電力峰谷差，實現(xiàn)需求側(cè)管理，不僅可以更有效地利用電力設備，降低供電成本，還可以促進可再生能源的應用，也可作為提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性、調(diào)整頻率、補償負荷波動的一種手段。分析了儲能系統(tǒng)在不同電壓等級配電系統(tǒng)中的應用。在高壓配電系統(tǒng)中，抽水蓄能電站能有效地進行峰谷調(diào)節(jié)，從而提高電力系統(tǒng)的運行效率。在中壓配電網(wǎng)中，儲能系統(tǒng)往往與DG一起應用，用于提高配電系統(tǒng)對DG的接納能力。在低壓配電系統(tǒng)中，儲能系統(tǒng)主要用于用戶側(cè)，成為電力系統(tǒng)進行需求側(cè)管理（DemandSideManagement，DSM）和緊急備用的有效技術手段。另外在有效管理的情況下，電動汽車的電池也可以參與電力系統(tǒng)的削峰填谷。

【關鍵詞】儲能；配電網(wǎng)；電壓等級；削峰

0.引言

電力的生產(chǎn)是一個連續(xù)的過程，其中發(fā)電、輸電、變電、配電和利用各個環(huán)節(jié)同時完成。因此，電力生產(chǎn)和消費在在任何時刻都始終保持平衡。但是大多數(shù)電力系統(tǒng)中負荷水平具有峰谷差，這就要求電力系統(tǒng)有足夠的備用容量，以滿足高峰負荷的需求。在一些負荷迅速增長的和地區(qū)，電力系統(tǒng)新設施的建設速度難以滿足經(jīng)濟社會發(fā)展所帶來的新增負荷需求。近年來，儲能技術作為一種解決電能供需不平衡問題的有效手段，受到電力行業(yè)的廣泛重視。電力系統(tǒng)系統(tǒng)中引入儲能環(huán)節(jié)后，可以有效地實現(xiàn)需求側(cè)管理，消除晝夜間峰谷差，平滑負荷，不僅可以更有效地利用電力設備，降低供電成本，還可以提高電力系統(tǒng)對分布式新能源的接納能力，也可作為提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性、調(diào)整頻率、補償負荷波動的一種手段。儲能技術的應用必將在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)設計、規(guī)劃、調(diào)度、控制等方面帶來重大變革。本文主要討論了儲能系統(tǒng)在不同電壓等級配電網(wǎng)中的應用問題。在高壓配電系統(tǒng)中，儲能系統(tǒng)的應用可以減少系統(tǒng)對高峰負荷的備用容量，這樣可以節(jié)省相關的設備（如變壓器、線路等）投資。在中壓配電系統(tǒng)中，儲能系統(tǒng)的應用往往是與分布式發(fā)電

（DistributedGeneration，DG）配合使用，可通過其可控的充放電平抑DG出力的波動性，同時也能提高電網(wǎng)調(diào)度的靈活性。在低壓配電系統(tǒng)中，儲能技術主要用于用戶側(cè)，成為電力系統(tǒng)進行需求側(cè)管理（DemandSideManagement，DSM）、應急供電、提高電能質(zhì)量和供電可靠性的有效技術手段。另外，電動車往往連接在低壓配電系統(tǒng)的用戶側(cè)，在有效管理的情況下，其電池也可以參與電力系統(tǒng)的削峰填谷。本文著重介紹應用于配電系統(tǒng)的電力儲能技術的發(fā)展現(xiàn)狀，并基于我國電力系統(tǒng)的實際狀況和需求，從技術和經(jīng)濟的層面加以分析，探討儲能系統(tǒng)在不同電壓等級配電系統(tǒng)中的應用方向。

1.儲能技術的應用現(xiàn)狀

電能存儲技術對于電力安全、新能源的規(guī)?；瘧枚加兄匾囊饬x。是改變傳統(tǒng)電網(wǎng)中功率剛性平衡性質(zhì)，提高電網(wǎng)柔性的革新性技術。電能存儲形式多樣，如電池類的化學儲能、抽水、壓縮空氣、飛輪、電容、電感等物理儲能。抽水儲能適合用大容量、長時間的儲能，一般用于大電網(wǎng)的負荷調(diào)節(jié)等。與微網(wǎng)相關的新型儲能技術應是小型、高效、控制靈活的儲能方式，現(xiàn)在正在迅速發(fā)展中的有各類電池、飛輪、超級電容器、超導磁儲能等。

1. 抽水蓄能（PumpedHydroStorage）

抽水蓄能是在電力系統(tǒng)中得到為廣泛應用的一種儲能技術，其主要應用領域包括能量管理、頻率控制、調(diào)峰等。抽水蓄能電站在應用時配備上、下兩個水庫。在符合低谷時段，抽水蓄能設備工作在電動機狀態(tài)，將下游水庫的水抽到上游水庫保存。在負荷高峰時期，抽水蓄能設備處于發(fā)電機狀態(tài)，利用儲存在上游水庫中的水發(fā)電。目前，共有超過90GW的抽水蓄能機組投入運行，約占全球總裝機容量的3%。限制抽水蓄能電站更廣泛應用的一個重要因素是其對地理條件有特殊要求，同時建設工期長，工程投資大。

（2）鉛酸電池

鉛酸電池的正負電極為二氧化鉛和鉛，以硫酸為電解質(zhì)。鉛酸電池組具有吸附電解質(zhì)結(jié)構，工作時形成的氧能夠復合，并能在浮充（備用）和深循環(huán)應用下工作。鉛酸電池技術成熟，能實現(xiàn)規(guī)模化儲能，是蓄電池儲能中應用廣泛的。不足之處儲能密度低，充放電速度慢，效率受周圍溫度的影響比較大，且鉛等有毒物質(zhì)具有一定的危險性。

（3）MH-Ni（MetalHydride－Nickel）電池

MH-Ni電池是一種堿性電池，其正極為鎳氫氧化物，負極為貯氫合金材料。充電時氫由正極到負極，放電時氫由負極到正極，電解液沒有增減現(xiàn)象，電池可實現(xiàn)密封設計。它儲能密度較高，它將在電動機車領域擁有較大的應用空間。在電網(wǎng)應用上，與鉛酸電池相比除了體積小之外，沒有較為明顯的優(yōu)勢。

（4）全釩液流電池

與上述各種電池相比較，液流電池雖然儲能密度較低，但由于其儲能容量只取決于電解液容量和密度，因此配置上相當靈活，只需增加電解液容積和濃度即可增大儲能容量，并且可以進行深度充放電。液流電池在成本上的優(yōu)勢也較為明顯，和鉛酸電池相比較，其能量效率可達75%～80%，性價比較高。全釩液流電池在規(guī)模儲能方面具有能量轉(zhuǎn)換效率高、蓄電容量大、運行安全和環(huán)境友好等優(yōu)點，被稱為“電銀行"。它可用于電網(wǎng)“銷峰填谷"的調(diào)節(jié)，降低發(fā)電成本、提高電能使用效率；用于太陽能、風能等可再生能源發(fā)電的儲存，解決它們發(fā)電不穩(wěn)定、不連續(xù)而難以并網(wǎng)的問題；還可以用于重要部門和設備充當備用電站。

（5）鈉硫電池

鈉硫電池于1966年由美國福特公司提出，早期應用于電動汽車的配套研究。與鉛酸、鎳氫電池相比較，鈉硫電池的能量密度高，且沒有自放電現(xiàn)象，使其適合于布置在受場地限制的城市地區(qū)。鈉硫電池的運行壽命也比較長，其充放電次數(shù)在理論上可達到2000次；充放電效率也較高，可達到90%以上。目前鈉硫電池的制備技術及其在電力儲能方面的應用已經(jīng)取得大量成果。截至2004年12月，大約已經(jīng)建造超過500kW的鈉硫電池儲能系統(tǒng)59個，總?cè)萘?8MW，其中包括兩個額定容量達9.6MW，60MW·h的世界大的鈉硫電池系統(tǒng)。鈉硫電池的制造成本較高，這是限制其推廣應用的重要因素。

（6）飛輪儲能

大多數(shù)現(xiàn)代飛輪儲能系統(tǒng)都是由一個圓柱形旋轉(zhuǎn)質(zhì)量塊和通過磁懸浮軸承支撐的機構組成。采用磁懸浮軸承的目的是消除摩擦損耗，提高系統(tǒng)的壽命。為了保證足夠高的儲能效率，飛輪系統(tǒng)應該運行于真空度較高的環(huán)境中，以減少風阻損耗。飛輪與電動機或者發(fā)電機相連，通過某種形式的電力電子裝置，可進行飛輪轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)儲能裝置與電網(wǎng)之間的功率交換。飛輪儲能的突出優(yōu)點是幾乎不需要運行維護，設備壽命長（可完成20a或者數(shù)萬次深度充放能量過程），對環(huán)境沒有不良的影響。飛輪具有優(yōu)秀的循環(huán)使用以及負荷跟蹤性能，它可以用于那些在時間和容量方面介于短時儲能應用和長時間儲能應用之間的應用場合。

（7）導磁儲能

超導磁儲能（SuperconductiveMagneticEnergyStorage，SMES）由于具有快速電磁響應特性和很高的儲能效率（充/放電效率超過95%），很快吸引了電力工業(yè)的注意。SMES在電力系統(tǒng)中的應用包括：負荷均衡、動態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、頻率調(diào)整、輸電能力提高以及電能質(zhì)量改善等方面。和其他的儲能技術相比，目前SMES仍很昂貴，除了超導體本身的費用外，維持低溫所需要的費用也相當可觀。如果將SMES線圈與有的柔性交流輸電裝置（FACTS）相結(jié)合，可以降低變流單元的費用，這部分費用一般在整個SMES成本中占大份額。已有的研究結(jié)果表明，對輸配電應用而言，微型（<0.1MW·h）和中型（0.1～100.0MW·h）SMES系統(tǒng)可能更為經(jīng)濟。使用高溫超導體可以降低儲能系統(tǒng)對于低溫和制冷條件的要求，從而使SMES的成本進一步降低。目前，在世界范圍內(nèi)有許多SMES工程正在進行或者處于研制階段。

（8）超級電容器儲能

超級電容器使用碳或其他高表面積密度材質(zhì)為導體，電極間的距離非常小，可儲存較高的電能。它是介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的一種儲能元件，一般應用于高功率短時間放電的儲能系統(tǒng)。充放電速度遠快于傳統(tǒng)的化學電池。另外，它幾乎沒有充放電次數(shù)以及大放電量的限制，平均壽命可高達25年以上。目前，超級電容大多用于高峰值功率、低容量的場合?？梢栽陔妷旱浜退矐B(tài)干擾期間提高供電水平。

（9）壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能常用于調(diào)峰用燃氣輪機發(fā)電廠，對于同樣的電力輸出，采用CAES的機組所消耗的燃氣要比常規(guī)燃氣輪機少40%。這是因為，常規(guī)燃氣輪機在發(fā)電時大約需要消耗輸入燃料的2/3進行空氣壓縮，而CAES則可利用電網(wǎng)負荷低谷時的廉價電能預先壓縮空氣，然后根據(jù)需要釋放儲存的能量加上一些燃氣進行發(fā)電。壓縮空氣常常儲存在合適的地下礦井或者溶巖下的洞穴中。一個投入商業(yè)運行的CAES是1978年建于德國Hundorf的一臺290MW機組。目前美國GE公司正在開發(fā)容量為829MW的更為的壓縮空氣儲能電站，此外，俄、法、意、盧森堡、以色列等國也在積極開發(fā)和建設這種電站。

（10）制氫儲能

由于氫氣具有很高的熱值，1m3氫的使用效果相當于1L汽油，而我國具有很豐富的資源。制氫儲能是指利用多余的電能來制取氫氣作為能源。目前主要的制氫方式有如下幾種：1）從含烴的化石燃料中制氫；2）電解水制氫；3）生物制氫。氫氣的存儲技術主要是加壓壓縮儲氫技術、液化儲氫技術、金屬氧化物儲氫技術和有機化合物儲氫激技術。作為生活用氫，經(jīng)濟效益十分可觀。關于制氫國內(nèi)開展的比較多的主要是太陽能光伏制氫儲能與燃料電池相結(jié)合，當日照情況良好時，通過電解水制氫將多余的電能儲存起來；在陽光條件下不能使光伏發(fā)電系統(tǒng)正常工作時，將儲存的氫通過燃料電池轉(zhuǎn)換為電能，繼續(xù)向負載送電，從而保證了系統(tǒng)供電的連續(xù)性。

2.不同電壓等級配電網(wǎng)中儲能系統(tǒng)的應用

在配電網(wǎng)規(guī)劃規(guī)劃階段，儲能系統(tǒng)的配置策略應與電壓等級一起考慮。

2.1高壓配電系統(tǒng)中的儲能

在高壓配電系統(tǒng)中，儲能系統(tǒng)主要用于削峰填谷。儲能系統(tǒng)的容量和安裝位置，應根據(jù)負荷特征和優(yōu)化目標進行優(yōu)化計算。圖1給出了一條典型的負荷持續(xù)時間曲線。在這條曲線中，5%的時間里負荷水平比平均負荷水平（負荷峰值的56%）高。為了保障電力系統(tǒng)的安運行和用戶的供電可靠性，電力系統(tǒng)應提供足夠的備用容量，以滿足持續(xù)時間不超過5%的高峰負荷的供電需求。在這種情況下，為了滿足高峰負荷需求的備用容量將大大降低電力系統(tǒng)的運行效率，導致高投資和資源浪費。如果在高壓配電系統(tǒng)采用儲能裝置，可以有效地減少所需的系統(tǒng)備用容量，節(jié)省電力設備投資。但另一方面，儲能裝置用于電力調(diào)峰，需要裝置較大容量的儲能容量，顯然，容量越大，其制造和控制就越困難。目前儲能系統(tǒng)的造價仍較高，其投資有可能會超過了系統(tǒng)備用的投資。高壓配電網(wǎng)中儲能系統(tǒng)的容量配置應和采用系統(tǒng)備用的方法進行技術經(jīng)濟比較，其過程如圖2所示。

2.2中壓配電系統(tǒng)中的儲能

在中壓配電系統(tǒng)中，儲能系統(tǒng)的應用往往是為了平抑間歇性DG的出力波動和提高中壓配電網(wǎng)的能量調(diào)度能力，從而提高中壓配電網(wǎng)對DG的接納能力。對于風力發(fā)電、光伏發(fā)電等新能源DG，其出力受到自然條件的限制，呈現(xiàn)顯著的間歇性特征。DG出力的波動會導致配電網(wǎng)電能質(zhì)量的下降，特別當DG滲透率達到一定程度時，其對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響將不能忽略。應用儲能裝置是改善分布式發(fā)電輸出電壓和頻率質(zhì)量的有效途徑，同時增加了DG與電網(wǎng)并網(wǎng)運行時的可靠性。DG單元與儲能裝置的聯(lián)合運行與協(xié)調(diào)控制是解決諸如電壓跌落、涌流和瞬時供電中斷等動態(tài)電能質(zhì)量問題的有效手段之一。儲能系統(tǒng)使得不可調(diào)度的DG發(fā)電單元能夠作為可調(diào)度機組單元運行，實現(xiàn)與大電網(wǎng)的并網(wǎng)運行，在必要時向電力公司賣電，提供削峰、緊急功率支持等服務。例如太陽能、風力等間歇性DG，DG單元擁有者不能制定發(fā)電計劃，但有了儲能系統(tǒng)，他們就可以在特定的時間提供所需的電能，而不必考慮此事DG單元能夠發(fā)出多少電能，通過儲能的調(diào)節(jié)作用就可按照預先制定的各種不同發(fā)電規(guī)劃進行發(fā)電。此時儲能的量配置涉及到經(jīng)濟平衡問題：儲能的容量越大，系統(tǒng)調(diào)度的靈活性就越高，DG單元擁有者就可以獲取更多的經(jīng)濟利益；但儲能容量越大，其投資也越大。通過技術經(jīng)濟分析，在兩者之間找到佳經(jīng)濟平衡點。

2.3低壓配電系統(tǒng)中的儲能

在低電壓配電系統(tǒng)中，儲能系統(tǒng)主要用于用戶側(cè)，成為電力系統(tǒng)進行需求側(cè)管理的有效技術手段，例如微網(wǎng)中的電池系統(tǒng)。低壓配電系統(tǒng)中的儲能系統(tǒng)還能用作緊急電源、提高電能質(zhì)量和供電可靠性。另外，電動車往往接于用戶側(cè)，在有效管理的情況下，其電池也可以參與電力系統(tǒng)的削峰填谷。

（1）需求側(cè)管理

電力系統(tǒng)的需求側(cè)管理會采用合適的手段引導終用戶改變能源使用模式。儲能作為一種能量存儲設備，改變了用電需求和發(fā)電的同時性要求，成為輔助需求側(cè)管理的有效技術手段。另一方面，需求側(cè)管理也可降低用于改善電能質(zhì)量所需的儲能系統(tǒng)容量。

（2）緊急備用

緊急備用的典型應用是不間斷電源。當電網(wǎng)發(fā)生故障且分布式發(fā)電裝置不能正常供電時（例如，利用太陽能發(fā)電的夜間，風力發(fā)電在無風時，或者其他類型DG處于檢修期間等），儲能系統(tǒng)可作為向用戶提供電力。儲能系統(tǒng)的容量配置主要取決于負荷的需求?？紤]到儲能系統(tǒng)的造價目前尚較高，作為應急電源的儲能系統(tǒng)主要配置于一些重要用戶（如醫(yī)院、數(shù)據(jù)等）

（3）提高電能質(zhì)量

將儲能系統(tǒng)用于用戶側(cè)，可以提高電能質(zhì)量，增強系統(tǒng)的供電可靠性。從技術上來說，現(xiàn)在已經(jīng)可以利用儲能裝置為用戶（家庭用戶、商業(yè)或工業(yè)用戶）提供不簡短的高質(zhì)量供電電源，而且可以讓用戶自主選擇合適通過配電回路從電網(wǎng)獲取電能或向電網(wǎng)回饋電能。

（4）電動汽車

電池電動汽車（BatteryElectricalVehicle）中的電池采用電網(wǎng)進行充電，對電網(wǎng)而言就是一種電能存儲系統(tǒng)。智能電動汽車充放電管理系統(tǒng)有實現(xiàn)對電動汽車的有序充放電，從而充分利用儲能系統(tǒng)的削峰填谷能力。例如，在風力或太陽能DG發(fā)電高峰時期，可對電動汽車的電池進行充電，從而吸納多余的風電電能。在風力或太陽能DG發(fā)電低谷且負荷用電高峰時期，應避免電動汽車充電，通過電價等措施引導電動汽車的充電延遲到稍后非負荷高峰時期。電動汽車回饋電網(wǎng)（VehicletoGrid，V2G）模式允許電動車的電池向電網(wǎng)回饋電能。這種模式大大增加了電力系統(tǒng)運行的靈活性和可調(diào)度性。

3.Acrel-2000ES儲能柜能量管理系統(tǒng)

3.1系統(tǒng)概述

安科瑞儲能能量管理系統(tǒng)Acrel-2000ES，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。

3.2系統(tǒng)結(jié)構

Acrel-2000ES，可通過直采或者通過通訊管理或串口服務器將儲能柜或者儲能集裝箱內(nèi)部的設備接入系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構如下：

3.3系統(tǒng)功能

3.3.1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。實時顯示有關故障、告警、收益等信息。

3.3.2設備監(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)與限值設置；運行模式設置；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)及相關電參量監(jiān)測。

3.3.3曲線報表

系統(tǒng)能夠?qū)CS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。

3.3.4策略配置

滿足儲能系統(tǒng)設備參數(shù)的配置、電價參數(shù)與時段的設置、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。

3.3.5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、設備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

3.3.6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。

3.3.7遙控操作

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

3.3.8用戶權限管理

儲能能量管理系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作（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、密碼及操作權限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

4.相關平臺部署硬件選型清單

5.結(jié)束語

本文分析了儲能系統(tǒng)在不同電壓等級配電系統(tǒng)中的應用。在未來配電系統(tǒng)的規(guī)劃中，應考慮儲能系統(tǒng)對負荷特性、DG 滲透率、需求側(cè)管理等各方面的影響。在高壓配電系統(tǒng)中，抽水蓄能電站能有效地進行峰谷調(diào)節(jié)，從而提高電力系統(tǒng)的運行效率。在中壓配電網(wǎng)中，儲能系統(tǒng)往往與 DG 一起應用，用于提高配電系統(tǒng)對 DG 的接納能力。在低壓配電系統(tǒng)中，儲能系統(tǒng)主要用于用戶側(cè)，成為電力系統(tǒng)進行需求側(cè)管理和緊急備用的有效技術手段。另外在有效管理的情況下，電動汽車的電池也可以參與電力系統(tǒng)的削峰填谷。

參考文獻

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