論基于虛擬電廠的儲能電站設(shè)計研究

摘要：隨著能源危機和環(huán)境問題凸顯，我國積極推進能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型與新型電力系統(tǒng)構(gòu)建。虛擬電廠能整合調(diào)控分布式能源和可控負荷，是實現(xiàn) “源 - 網(wǎng) - 荷 - 儲” 一體化及多能互補的關(guān)鍵手段，儲能因其特性成為虛擬電廠重要組成部分，對新能源消納等有積極意義。已有學者研究虛擬電廠運行機制和調(diào)度優(yōu)化及儲能容量配置優(yōu)化。本文先介紹以集中型儲能為主的虛擬電廠模型，包括結(jié)構(gòu)和調(diào)度模型，再以實際工程為例研究其儲能電站集成設(shè)計，為其他儲能工程提供參考。

關(guān)鍵詞：虛擬電廠；儲能電站；集成設(shè)計

0引言

全球能源資源緊張與環(huán)境問題突出，各國尋求可持續(xù)能源發(fā)展道路。我國政策支持下，風電、光伏等清潔能源發(fā)展迅速，但其間歇性和波動性影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，出現(xiàn)棄風棄光現(xiàn)象。虛擬電廠是推進可再生能源發(fā)展的重要舉措，我國 “十四五” 規(guī)劃指出要建立相關(guān)協(xié)調(diào)運營和利益共享機制，其可聚合多種分布式能源，通過控制策略實現(xiàn)協(xié)調(diào)優(yōu)化運行，利于資源配置利用。能源局文件明確其并網(wǎng)主體地位，鼓勵其參與電力輔助服務(wù)。儲能因功率雙向流動等特點，通過虛擬電廠優(yōu)化配置和協(xié)同控制，可在系統(tǒng)多方面發(fā)揮作用，對支撐新型電力系統(tǒng)等有積極意義。已有學者對虛擬電廠運行機制等進行研究，本文針對以集中式儲能為主體的虛擬電廠，分析其組成結(jié)構(gòu)和調(diào)度模型，以實際工程為例研究集中式儲能設(shè)計，以滿足虛擬電廠運行要求，發(fā)揮其在保障供電、提升電網(wǎng)性能、促進新能源消納等方面的作用。

1以集中式儲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、可控負荷和儲能設(shè)備結(jié)合，通過技術(shù)手段對區(qū)域內(nèi)資源進行調(diào)控，可多點接入電網(wǎng)參與電力市場。以集中式儲能電站為主體構(gòu)建虛擬電廠，能發(fā)揮其宏觀作用，輻射周邊資源，提升運行模式的確定性等，實現(xiàn)對分散資源有效控制，兼顧電網(wǎng)運行與電力市場。

1.2虛擬電廠調(diào)度模型

虛擬電廠控制可接入多種資源參與電力交易市場。儲能有兩種運行模式：單獨參與電網(wǎng)調(diào)度，調(diào)整充放電，參與調(diào)峰、調(diào)頻、現(xiàn)貨等市場；與分布式電源、負荷聯(lián)合參與調(diào)度運行，通過控制策略協(xié)調(diào)功率流動，儲能目標是彌補風光發(fā)電出力偏差，實現(xiàn)計劃跟蹤和削峰填谷等功能。

1.3以集中式儲能為主體的虛擬電廠的作用

提升調(diào)峰能力，保障用電：社會用電需求增長，峰谷差增大，傳統(tǒng)機組調(diào)峰能力有限，儲能為主體的虛擬電廠可調(diào)節(jié)負荷和儲能充放電，保障重要負荷供電，如平湖市和平廣州市的案例。

提升調(diào)頻能力，保障電網(wǎng)安全運行：新能源滲透率提高導致系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量和調(diào)頻能力降低，傳統(tǒng)調(diào)頻電源有局限，儲能系統(tǒng)響應(yīng)快、調(diào)節(jié)速率高，可降低電網(wǎng)頻率失穩(wěn)風險，提供緊急調(diào)頻支撐。

促進新能源消納：新能源出力具有隨機性，儲能可結(jié)合預測進行充放，解決其波動性問題。某示范工程表明，風儲系統(tǒng)在 VPP 模式下運行可提高經(jīng)濟收益，緩解并網(wǎng)問題。

提升電網(wǎng)運行靈活性：電力體制改革推進，電網(wǎng)向智能化和柔性化發(fā)展，儲能電站運行靈活，可提供無功電壓調(diào)節(jié)等，對優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等有重要作用。

2儲能系統(tǒng)設(shè)計

2.1 儲能技術(shù)路線選擇

儲能技術(shù)路線多樣，適用于不同場景。以集中式儲能為主體的虛擬電廠要求儲能滿足不同調(diào)節(jié)需求，從技術(shù)特性、經(jīng)濟性、安全性三個維度綜合考慮，鋰離子電池系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快、成本合理、安全風險可控制，符合虛擬電廠需求，可采用鋰離子電池儲能系統(tǒng)。

2.2 儲能系統(tǒng)集成設(shè)計要點

交直流電壓等級：儲能電站集成方式有低壓集成、高壓集成和級聯(lián)直掛。低壓集成方案成熟度高、可靠性強，但能量密度與轉(zhuǎn)換效率偏低；高壓集成方案功率密度提升，占地少，成本降低，但一致性問題突出；級聯(lián)高壓直掛方案具備優(yōu)勢，但尚不具備規(guī)?；茝V條件。綜合考慮，高壓集成在虛擬電廠集中式儲能中有技術(shù)優(yōu)勢。

電池系統(tǒng)熱管理方式：電池系統(tǒng)熱管理技術(shù)通過設(shè)計調(diào)節(jié)電池溫度等，冷卻方式有風冷、液冷和相變材料冷卻。風冷應(yīng)用廣泛但效率低、噪聲大；液冷冷卻效率高，能改善電池溫度一致性，但成本高、功耗大；相變材料冷卻處于實驗室驗證階段。綜合考慮，液冷方案在電池一致性等方面有優(yōu)勢，是儲能未來發(fā)展趨勢之一，具有一定技術(shù)優(yōu)勢。

廠站結(jié)構(gòu)：電化學儲能電站建設(shè)主要采用廠房式或預制艙式。廠房式建設(shè)周期長等問題應(yīng)用減少，預制艙式分為步入式和非步入式。步入式預留人員通道，防水防腐性能好但能量密度低；非步入式人員在箱體外部維護，艙體密閉性不好，空間利用率降低。本項目集中式儲能采用非步入式預制艙方案有優(yōu)勢。

小結(jié)：儲能系統(tǒng)集成設(shè)計關(guān)乎安全穩(wěn)定運行，虛擬電廠中的集中式儲能具有特點，應(yīng)根據(jù)項目情況對相關(guān)方面進行技術(shù)分析，綜合考慮本項目條件，建議選擇高壓液冷系統(tǒng)非步入式預制艙集成。

3安科瑞Acrel-2000MG微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)

3.1概述

Acrel-2000MG儲能能量管理系統(tǒng)是安科瑞專門針對工商業(yè)儲能電站研制的本地化能量管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)了儲能電站的數(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、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，包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等。該系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)下級各儲能單元的統(tǒng)一監(jiān)控和管理，還可以實現(xiàn)與上級調(diào)度系統(tǒng)和云平臺的數(shù)據(jù)通訊與交互，既能接受上級調(diào)度指令，又可以滿足遠程監(jiān)控與運維，確保儲能系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟運行。

3.2應(yīng)用場景

適用于工商業(yè)儲能電站、新能源配儲電站。

3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.4系統(tǒng)功能

3.4.1實時監(jiān)管

對微電網(wǎng)的運行進行實時監(jiān)管，包含市電、光伏、風電、儲能、充電樁及用電負荷，同時也包括收益數(shù)據(jù)、天氣狀況、節(jié)能減排等信息。

3.4.2優(yōu)化控制

通過分析歷史用電數(shù)據(jù)、天氣條件對負荷進行功率預測，并結(jié)合分布式電源出力與儲能狀態(tài)，實現(xiàn)經(jīng)濟優(yōu)化調(diào)度，以降低尖峰或者高峰時刻的用電量，降低企業(yè)綜合用電成本。

3.4.3收益分析

用戶可以查看光伏、儲能、充電樁三部分的每天電量和收益數(shù)據(jù)，同時可以切換年報查看每個月的電量和收益。

3.4.4能源分析

通過分析光伏、風電、儲能設(shè)備的發(fā)電效率、轉(zhuǎn)化效率，用于評估設(shè)備性能與狀態(tài)。

3.4.5策略配置

微電網(wǎng)配置主要對微電網(wǎng)系統(tǒng)組成、基礎(chǔ)參數(shù)、運行策略及統(tǒng)計值進行設(shè)置。其中策略包含計劃曲線、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	設(shè)備	型號	圖片	說明
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、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)控主機提供后備電源
4	打印機	HP108AA4		用以打印操作記錄，參數(shù)修改記錄、參數(shù)越限、復限，系統(tǒng)事故，設(shè)備故障，保護運行等記錄，以召喚打印為主要方式
5	音箱	R19U		播放報警事件信息
6	工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機	D-LINKDES-1016A16		提供16口百兆工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機解決了通信實時性、網(wǎng)絡(luò)安全性、本質(zhì)安全與安全防爆技術(shù)等技術(shù)問題
7	GPS時鐘	ATS1200GB		利用gps同步衛(wèi)星信號，接收1pps和串口時間信息，將本地的時鐘和gps衛(wèi)星上面的時間進行同步
8	交流計量電表	AMC96L-E4/KC		電力參數(shù)測量(如單相或者三相的電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率,頻率、功率因數(shù)等)、復費率電能計量、 四象限電能計量、諧波分析以及電能監(jiān)測和考核管理。多種外圍接口功能:帶有RS485/MODBUS-RTU協(xié)議:帶開關(guān)量輸入和繼電器輸出可實現(xiàn)斷路器開關(guān)的"遜信“和“遙控”的功能
9	直流計量電表	PZ96L-DE		可測量直流系統(tǒng)中的電壓、電流、功率、正向與反向電能?？蓭?a href="http://srfitnesspt.com/tags/rs/" target="_blank">RS485通訊接口、模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、開關(guān)量輸入/輸出等功能
10	電能質(zhì)量監(jiān)測	APView500		實時監(jiān)測電壓偏差、頻率俯差、三相電壓不平衡、電壓波動和閃變、諾波等電能質(zhì)量，記錄各類電能質(zhì)量事件,定位擾動源。
11	防孤島裝置	AM5SE-IS		防孤島保護裝置，當外部電網(wǎng)停電后斷開和電網(wǎng)連接
12	箱變測控裝置	AM6-PWC		置針對光伏、風能、儲能升壓變不同要求研發(fā)的集保護，測控，通訊一體化裝置，具備保護、通信管理機功能、環(huán)網(wǎng)交換機功能的測控裝置
13	通信管理機	ANet-2E851		能夠根據(jù)不同的采集規(guī)的進行水表、氣表、電表、微機保護等設(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、邊緣計算等多項功能:實時多任務(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)的開關(guān)，調(diào)溫，及完全斷電(二次開關(guān)實現(xiàn)) 2)上傳配電柜各個空開信號 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，并轉(zhuǎn)發(fā)給到上層(關(guān)機、事件上報等) 2）采集水浸傳感器信息，并轉(zhuǎn)發(fā) 3)給到上層(水浸信號事件上報) 4)讀取門禁程傳感器信息，并轉(zhuǎn)發(fā)

5結(jié)語

以集中式儲能為主體,聚合周邊分布式資源形成的虛擬電廠,通過資源的整合和調(diào)控,促進電網(wǎng)從“源隨荷動”轉(zhuǎn)化為“源荷互動”。以集中式儲能為主體的虛擬電廠可以直接接收電網(wǎng)調(diào)度或者作為三方獨立主體參與輔助服務(wù)。大規(guī)模儲能可以提供大量實時可調(diào)的平穩(wěn)出力,有效緩解電力供應(yīng)短缺問題,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,為實現(xiàn)“碳達峰·碳中和”戰(zhàn)略目標提供支撐。針對虛擬電廠集中式儲能電站的集成設(shè)計,可以通過綜合分析,選擇交直流電壓等級、電池系統(tǒng)熱管理方式和廠站結(jié)構(gòu),使得儲能系統(tǒng)集成設(shè)計滿足項目定位和應(yīng)用場景要求。

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審核編輯 黃宇