淺談儲能電站在水泥工廠中的應用探究

hth下载地址 陳聰

摘要：對於(yu) 水泥工廠而言，儲(chu) 能電站具有降低能源成本、穩定電能供應、平衡用電負荷、優(you) 化電能利用等突出特點，不僅(jin) 提升了工廠用電的穩定性和可靠性，而且還可以服務於(yu) 電網的調峰及調頻。因此，本文以儲(chu) 能電站為(wei) 切入點，以某水泥工廠儲(chu) 能電站為(wei) 例，將儲(chu) 能電站的項目背景、工程方案、運行模式、投資模式、效益以及建設成效進行深入探究，以期為(wei) 本行業(ye) 和類似行業(ye) 提供參考和啟示。

關(guan) 鍵字：儲(chu) 能電站;水泥工廠;磷酸鐵鋰電池;峰穀套利

0.引言

在製定的碳達峰、碳中和等節能減排計劃的影響下，電力供需矛盾日益突出，電能峰穀價(jia) 差不斷拉大，削峰填穀、優(you) 化用電方式已成為(wei) 工業(ye) 企業(ye) 降低用電成本的必然途徑，越來越多的工業(ye) 企業(ye) 開始將目光投向了儲(chu) 能係統。這些企業(ye) 普遍具有能源需求量較大的特點，其對電能質量的好壞、用電成本的高低以及電力供應的穩定有著特殊的需求。水泥企業(ye) 作為(wei) 傳(chuan) 統的製造企業(ye) ，其工廠用電環境較為(wei) 複雜，不但要求用電質量的穩定，還需要用電成本的低廉。特別是在工廠發生突然斷電時，可能對電機、風機、回轉窯、磨機等關(guan) 鍵設備造成不同程度的損壞，這不僅(jin) 影響了生產(chan) 過程的連續進行，同時也造成巨大的經濟損失。正是基於(yu) 以上情況，儲(chu) 能電站在水泥工廠中的應用不但為(wei) 企業(ye) 解決(jue) 了諸多實際問題，還帶來了顯著的經濟效益與(yu) 社會(hui) 效益。

1.項目背景

湖北省是我國擁有豐(feng) 富水泥產(chan) 能的省份之一。近年來，我國已進入以降碳為(wei) 重點戰略方向的關(guan) 鍵時期，從(cong) 到地方層麵已經由傳(chuan) 統的能源消耗總量和強度調控逐步轉向碳排放總量和強度雙控製，這推動了能源結構轉型升級，促進了以儲(chu) 能為(wei) 代表的新能源技術蓬勃發展，使其擁有了廣闊的市場前景和巨大的市場潛力。本項目所在水泥工廠現擁有一條2500t/d新型幹法熟料水泥生產(chan) 線，配套建設有一座110kV變電站，采用一台110kV/10kV主變壓器進行供電，其主變容量為(wei) 25MVA，主變額定負荷約為(wei) 14.5MW，工廠內(nei) 設備正常運行平均負荷約為(wei) 12MW。

整個(ge) 工廠24h、不間斷生產(chan) ，年生產(chan) 天數可達310天以上，年用電量近9000kWh，電能消耗巨大。

2.項目方案

2.1總體(ti) 方案

本項目從(cong) 水泥工廠實際情況出發，以工廠年度用電量數據和現有供配電設施裝機總容量作為(wei) 依據，利用工廠內(nei) 現有空地，在不影響工廠正常運營的環境下，建設總規模為(wei) 4MW/8MWh的儲(chu) 能電站。該電站利用工廠內(nei) 峰穀、峰平時段的實際電價(jia) 差進行套利產(chan) 生效益，通過靈活調整儲(chu) 能電站的充放電策略，實現儲(chu) 能電量用於(yu) 峰段生產(chan) ，降低需量電費及綜合用電成本，同時也作為(wei) 工廠重要負荷的備用電源，提高工廠整體(ti) 用電的可靠性。

2.2儲(chu) 能設計方案

2.2.1電池選型

電池是構建大規模儲(chu) 能係統的基礎，因此電池的選型在儲(chu) 能電站建設中具有重要意義(yi) 。本項目選用近年來在新能源領域被廣泛應用的磷酸鐵鋰電池，此類電池相較於(yu) 其它電化學電池，具有能量密度高，循環壽命長，放電深度大，放電電流大等突出優(you) 點。同時隨著新能源行業(ye) 的快速發展，不但為(wei) 此類電池的品質提供了良好的保障，而且電池的價(jia) 格也在逐步的降低，具有較高的性價(jia) 比，能很好的滿足儲(chu) 能係統的經濟性要求。本項目使用的磷酸鐵鋰電池參數見表1。

表1項目用磷酸鐵鋰電池參數

2.2.2電池係統

本項目電池係統通過用單個(ge) 磷酸鐵鋰電池串聯組成基本的電池箱，再對若幹個(ge) 電池箱進行串聯組成一個(ge) 電池簇，對若幹個(ge) 電池簇進行並聯，集合成所需要的電池係統。在這個(ge) 係統中，電池箱作為(wei) 基本的構成模塊，處於(yu) 核心地位。其外殼采用絕緣材料，上下左右均有開孔，以滿足*塊內(nei) 部通風散熱的需求。通過在電池箱上安裝截麵為(wei) 橢圓形的把手，並與(yu) 固定裝置間采用便於(yu) 拆卸及更換的結構設計，提高了電池箱模塊安裝、更換的便捷性。同時電池箱在設計上還采取了預留膨脹間隙、采用支撐柱結構、合理設置安全間隙等一係列措施，有效的避免了內(nei) 部電池模塊鼓包和爬電短路帶來的風險，保障了電池係統的安全穩定運行。本項目電池係統組成和技術參數見表2。

表2項目電池係統組成和技術參數

2.2.3儲(chu) 能集裝箱

儲(chu) 能集裝箱具有保溫隔熱、防水防塵、防腐防震等特點。本項目使用的儲(chu) 能集裝箱每台額定容量為(wei) 3.2MWh，額定功率為(wei) 1.5MW，主要由電池倉(cang) 和設備艙兩(liang) 個(ge) 相互獨立的部分組成。電池倉(cang) 主要用於(yu) 放置項目的電池係統，設備艙主要用於(yu) 放置與(yu) 電池係統配套的電氣設備，這樣的布局便於(yu) 對儲(chu) 能電站的電池和設備進行集中管理。本項目每套電池係統放置於(yu) 一台定製6096mm×2438mm×2591mm風冷集裝箱內(nei) 的電池倉(cang) 中，采用機架式安裝，結構緊湊，布局合理。電池倉(cang) 內(nei) 除電池係統外，還配備了電池管理係統、自動滅火係統、自動空調係統、環境監測係統、故障報警係統、照明係統、監控係統，為(wei) 電池倉(cang) 的安全穩定提供了有力支持。設備艙則主要包括了儲(chu) 能變流器（PCS）、能量管理係統（EMS）和配電係統。本項目使用的儲(chu) 能集裝箱平麵布置見圖1。

根據本項目設計儲(chu) 能電站規模可知，項目儲(chu) 能電站大功率為(wei) 4MW，在大功率下，2h可以充滿8000kWh的電量。本項目在進行容量配置時，在充分考慮了電池係統的放電效率和放電深度的情況下，總共需要3台儲(chu) 能集裝箱在直流側(ce) 分別接入各自的儲(chu) 能變流器後，再在交流側(ce) 並聯才能滿足設計方案的需求。儲(chu) 能電站拓撲結構見圖2。

2.2.4儲(chu) 能變流器（PCS）

儲(chu) 能變流器作為(wei) 逆變和整流的雙向換流係統，在整個(ge) 儲(chu) 能係統中具有重要作用，其具有高轉換效率、寬電壓輸入、快速並離網切換等特點，同時還提供完善的電氣保護功能。在並網模式下，儲(chu) 能變流器能自動追蹤適配電網參數，實現雙向變流控製，在電池管理係統的配合下對電池係統進行智能化的充放電管理。在離網模式下，儲(chu) 能變流器能進行獨立的逆變，為(wei) 水泥工廠重要負荷提供後備電源，提高了工廠能源使用的安全性。本項目中摒棄了傳(chuan) 統的集中式儲(chu) 能變流方式，使用組串式儲(chu) 能變流架構，為(wei) 每台儲(chu) 能集裝箱配備一台額定功率為(wei) 1500kW的儲(chu) 能變流器，其使用模塊化設計，結構上采用了具有更高開關(guan) 頻率、更高轉換效率及更低電磁幹擾的三電平工作拓撲，同時儲(chu) 能變流器出口與(yu) 隔離變壓器連接，使儲(chu) 能集裝箱電氣係統一次側(ce) 和二次側(ce) 完*隔離，大程度保證了儲(chu) 能集裝箱的電氣安全。儲(chu) 能變流器電路主拓撲見圖3。

2.2.5電池管理係統（BMS）

本項目中的每台儲(chu) 能集裝箱都配備了獨立的電池管理係統，該係統按管理對象劃分為(wei) 3個(ge) 層級。一層是位於(yu) 電池箱內(nei) 部的M-BMS，主要用於(yu) 收集電芯的數據，不僅(jin) 可以采集單體(ti) 電池電壓和溫度，還可以對電池箱中串聯電池組的電壓和電流進行采集。二層是位於(yu) 每個(ge) 電池架上的C-BMS，主要用於(yu) 對一個(ge) 電池簇中的所有M-BMS進行集中管理，同時采集電池簇的電壓、電流數據，並可以在檢測到電池箱異常時將其退出運行。三層是采集匯總整個(ge) 儲(chu) 能集裝箱電池係統數據的A-MBS，其負責管理一個(ge) 儲(chu) 能集裝箱內(nei) 的所有C-BMS，對整個(ge) 電池係統的電池剩餘(yu) 容量狀態（SOC）、電池組健康度狀態（SOH）、電池放電深度（DOD）進行監測，同時與(yu) 能量管理係統進行通信，上報采集的全部電池信息，並能在電池係統異常時給儲(chu) 能變流器發送警告，使儲(chu) 能變流器轉入待機模式，保護電池係統安全。

2.2.6能量管理係統（EMS）

能量管理係統是儲(chu) 能電站的控製核心，負責采集整個(ge) 儲(chu) 能係統內(nei) 所有設備的動靜態數據並協調控製各設備的運行，是電站安全、穩定、高效運行的保障。在本儲(chu) 能項目中，本地能量管理係統負責采集電網數據、集裝箱儲(chu) 能係統數據和環境監測數據，並對集裝箱儲(chu) 能係統的充放電、並離網進行有效調度，實現了集裝箱儲(chu) 能係統的穩定、經濟運行。本地能量管理係統還將采集到的信息通過網絡傳(chuan) 輸到遠程儲(chu) 能運營管理平台，使得電站管理人員能實時了解電站運行的各種參數，並根據儲(chu) 能控製策略對電站設備進行控製，提升了儲(chu) 能電站運營效率。通過對整個(ge) 電站的數據資源進行匯總，實時生成數據圖形、曲線、報表，不僅(jin) 實現了數據資源的資產(chan) 化和價(jia) 值化，而且為(wei) 工廠管理者的經營決(jue) 策提供了有力支持。

2.3儲(chu) 能電站運行模式

本項目儲(chu) 能電站主要運行模式為(wei) “峰穀套利”，其次是作為(wei) 電網負荷緊張或者突發情況下的應急電源。在用電尖峰時段和高峰時段，電價(jia) 較高，儲(chu) 能變流器接收到能量管理係統並網放電指令後，電池係統開始放電，通過儲(chu) 能變流器，再經過隔離變壓器，向工廠用電負荷輸送電量。當能量管理係統檢測到電池係統剩餘(yu) 容量狀態低於(yu) 設定閾值時，能量管理係統向儲(chu) 能變流器發送停止放電指令，電池係統停止放電。在用電低穀時段，電價(jia) 較低，儲(chu) 能變流器接受能量管理係統並網充電指令，外部電網通過儲(chu) 能變流器對電池係統進行充電。當電池容量狀態達到設定閾值後，能量管理係統對儲(chu) 能變流器發出停止充電指令，儲(chu) 能變流器轉入待機模式，停止對電池係統充電。在實際運行過程中，通過采取合理的電池充放電策略，可以做到電池係統每天多次充電多次放電，提高電站運行效率。

2.4儲(chu) 能電站投資模式

工商業(ye) 儲(chu) 能項目現階段有業(ye) 主自投、合同能源管理、融資租賃三種投資模式。

本儲(chu) 能電站項目結合水泥行業(ye) 的大環境因素和企業(ye) 實際情況，采取了合同能源管理這種工業(ye) 用戶主流的應用模式。該模式引入有技術實力的投資方進行合作，通過EMC合同將企業(ye) 能源進行外包，與(yu) 投資方共同分享儲(chu) 能電站帶來的收益，緩解了水泥工廠用電供需緊張、電費支出過多的局麵，從(cong) 而達到節約用電成本的目的。本項目電池係統效率首年衰減5%、此後每年2%遞減，預期使用壽命能達到15年，可以覆蓋整個(ge) 項目的運行周期。在合約期內(nei) ，儲(chu) 能電站的所有維護費用支出均由投資方負責，進一步減輕了水泥工廠的成本負擔。

3.儲(chu) 能電站效益

根據參閱《省發改委關(guan) 於(yu) 湖北電網2020~2022年輸配電價(jia) 和銷售電價(jia) 有關(guan) 事項的通知》（鄂發改價(jia) 管〔2020〕439號），湖北省在原有峰、平、穀用電時段基礎上，增設了尖峰用電時段，進一步優(you) 化了峰穀分時電價(jia) 政策。當前湖北省用電各時段劃分見表3。

表3湖北省用電各時段劃分

同時根據《湖北新分時電價(jia) 銷售電價(jia) 表》顯示，2023年湖北省110kV大工業(ye) 用電尖峰時段電價(jia) 為(wei) 1.17元/kWh，高峰時段電價(jia) 為(wei) 0.86元/kWh，平段電價(jia) 為(wei) 0.67元/kWh，低穀時段電價(jia) 為(wei) 0.31元/kWh，大峰穀差0.86元/kWh。特別是湖北省還是全國執行季節性分時電價(jia) 的省份之一，根據《省發改委關(guan) 於(yu) 進一步完善分時電價(jia) 機製有關(guan) 事項的通知》（鄂發改價(jia) 管〔2022〕406號）顯示，對於(yu) 每年夏季7~8月、冬季12月~次年1月的用電高峰月份，用電尖峰時段（每日20:00~22:00）基礎電價(jia) 浮動比例由1.8調整為(wei) 2，低穀時段（每日23:00~次日7:00）基礎電價(jia) 浮動比例由0.48調整為(wei) 0.45。調整以後，在這幾個(ge) 用電高峰的月份，尖峰時段電價(jia) 提高到1.3元/kWh，低穀電價(jia) 降低到0.29元/kWh，峰穀電價(jia) 差達1.01元/kWh。這使得在“峰穀套利”方麵具有巨大的經濟收益潛力。

本項目儲(chu) 能電站規模為(wei) 4MW/8MWh，充放電倍率0.5C，充放電效率92%，采用每日“兩(liang) 衝(chong) 兩(liang) 放”的充放電策略，在低電價(jia) 時段充電，在高電價(jia) 時段放電，變壓器容量滿足儲(chu) 能充電需求，且工廠負荷穩定可**消納儲(chu) 能放電。儲(chu) 能電站在低穀時段23:00~次日07:00間將電池係統充滿電，然後在高峰時段13:00~15:00放電2h，接著在平段15:00~20:00間再次將電池充滿，再在尖峰時段20:00~22:00放電2h，實現了“低穀-高峰”和“平段-尖峰”相互配合的單日兩(liang) 充兩(liang) 放收益模式。根據分時電價(jia) 數據和儲(chu) 能電站效率可計算得出，正常月份單日套利收益可達11280元，用電高峰月份單日套利收益可達12640元，全年收益可達400餘(yu) 萬(wan) 元。

4.儲(chu) 能電站建設成效

本項目儲(chu) 能電站建成投入運營後，帶來了以下幾方麵的成效：

（1）儲(chu) 能電站在電量需求低穀時將電能存儲(chu) ，在電量需求高峰時進行釋放，實現了能源的高效利用。通過建設運營儲(chu) 能電站，可以降低電能浪費，提高水泥工廠能源利用效率。（2）儲(chu) 能電站可以在電能供大於(yu) 求時存儲(chu) 電能，在電能供應不足時釋放存儲(chu) 的電能，從(cong) 而平衡了電能的供需，提高了水泥工廠用能的穩定性。（3）儲(chu) 能電站提升了水泥工廠電網的抗風險能力。當外部電網發生故障或突發自然災害造成工廠電力中斷時，儲(chu) 能電站可以作為(wei) 應急備用電源，迅速投入使用並提供穩定的電力供應，提高了工廠電網的安全性。（4）儲(chu) 能電站在水泥工廠負載用電峰值時可代替變壓器部分容量，降低工廠總體(ti) 容量需求，進而達到降低容量電費的目的。

5.Acrel-2000ES儲(chu) 能櫃能量管理係統

5.1係統概述

hth下载地址儲(chu) 能能量管理係統Acrel-2000ES，專(zhuan) 門針對工商業(ye) 儲(chu) 能櫃、儲(chu) 能集裝箱研發的一款儲(chu) 能EMS，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。在高級應用上支持能量調度,具備計劃曲線、削峰填穀、需量控製、防逆流等控製功能。

5.2係統結構

Acrel-2000ES，可通過直采或者通過通訊管理或串口服務器將儲(chu) 能櫃或者儲(chu) 能集裝箱內(nei) 部的設備接入係統。係統結構如下：

5.3係統功能

5.3.1實時監測

係統人機界麵友好，能夠顯示儲(chu) 能櫃的運行狀態，實時監測PCS、BMS以及環境參數信息，如電參量、溫度、濕度等。實時顯示有關(guan) 故障、告警、收益等信息。

5.3.2設備監控

係統能夠實時監測PCS、BMS、電表、空調、消防、除濕機等設備的運行狀態及運行模式。

PCS監控：滿足儲(chu) 能變流器的參數與(yu) 限值設置；運行模式設置；實現儲(chu) 能變流器交直流側(ce) 電壓、電流、功率及充放電量參數的采集與(yu) 展示；實現PCS通訊狀態、啟停狀態、開關(guan) 狀態、異常告警等狀態監測。

BMS監控：滿足電池管理係統的參數與(yu) 限值設置；實現儲(chu) 能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監測；實現電池充放電狀態、電壓、電流及溫度異常狀態的告警。

空調監控：滿足環境溫度的監測，可根據設置的閾值進行空調溫度的聯動調節，並實時監測空調的運行狀態及溫濕度數據，以曲線形式進行展示。

UPS監控：滿足UPS的運行狀態及相關(guan) 電參量監測。

5.3.3曲線報表

係統能夠對PCS充放電功率曲線、SOC變換曲線、及電壓、電流、溫度等曆史曲線的查詢與(yu) 展示。

5.3.4策略配置

滿足儲(chu) 能係統設備參數的配置、電價(jia) 參數與(yu) 時段的設置、控製策略的選擇。目前支持的控製策略包含計劃曲線、削峰填穀、需量控製等。5.3.5實時報警

儲(chu) 能能量管理係統具有實時告警功能，係統能夠對儲(chu) 能充放電越限、溫度越限、設備故障或通信故障等事件發出告警。

5.3.6事件查詢統計

儲(chu) 能能量管理係統能夠對遙信變位，溫濕度、電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。

5.3.7遙控操作

可以通過每個(ge) 設備下麵的紅色按鈕對PCS、風機、除濕機、空調控製器、照明等設備進行相應的控製，但是當設備未通信上時，控製按鈕會(hui) 顯示無效狀態。

5.3.8用戶權限管理

儲(chu) 能能量管理係統為(wei) 保障係統安全穩定運行，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授權的操作（如遙控的操作，數據庫修改等）。可以定義(yi) 不同級別用戶的登錄名、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。

6.相關(guan) 平台部署硬件選型清單

7結語

綜上所述，本工程通過在水泥工廠建設儲(chu) 能電站，采用靈活高效的運行調度模式，可以產(chan) 生可觀的利益回報，同時降低水泥工廠的用電成本。伴隨著新能源產(chan) 業(ye) 的技術進步，電池原材料價(jia) 格還會(hui) 進一步下降，儲(chu) 能電站的建設成本將會(hui) 繼續降低，再加上扶持政策、稅收政策、補貼政策、市場準入政策的不斷完善，儲(chu) 能電站作為(wei) 一種靈活的資源，具有快速複製推廣的潛力。儲(chu) 能電站既可以參與(yu) 用戶側(ce) 電力需求調節，又有效的緩解了工廠的“兩(liang) 高”限電壓力，為(wei) 水泥工廠的節能降碳高質量發展之路提供了指引，開創了水泥工廠綠色低碳發展的嶄新局麵。

參考文獻

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