光伏儲能係統在不同配電網中的應用

hth下载地址 陳聰

【摘要】儲(chu) 能技術已被認為(wei) 是未來電力係統中的重要組成部分。它可以有效地消除電力峰穀差，實現需求側(ce) 管理，不僅(jin) 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(wei) 提高係統運行穩定性、調整頻率、補償(chang) 負荷波動的一種手段。分析了儲(chu) 能係統在不同電壓等級配電係統中的應用。在高壓配電係統中，抽水蓄能電站能有效地進行峰穀調節，從(cong) 而提高電力係統的運行效率。在中壓配電網中，儲(chu) 能係統往往與(yu) DG一起應用，用於(yu) 提高配電係統對DG的接納能力。在低壓配電係統中，儲(chu) 能係統主要用於(yu) 用戶側(ce) ，成為(wei) 電力係統進行需求側(ce) 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(yu) 電力係統的削峰填穀。

【關(guan) 鍵詞】儲(chu) 能；配電網；電壓等級；削峰

0.引言

電力的生產(chan) 是一個(ge) 連續的過程，其中發電、輸電、變電、配電和利用各個(ge) 環節同時完成。因此，電力生產(chan) 和消費在在任何時刻都始終保持平衡。但是大多數電力係統中負荷水平具有峰穀差，這就要求電力係統有足夠的備用容量，以滿足高峰負荷的需求。在一些負荷迅速增長的和地區，電力係統新設施的建設速度難以滿足經濟社會(hui) 發展所帶來的新增負荷需求。近年來，儲(chu) 能技術作為(wei) 一種解決(jue) 電能供需不平衡問題的有效手段，受到電力行業(ye) 的廣泛重視。電力係統係統中引入儲(chu) 能環節後，可以有效地實現需求側(ce) 管理，消除晝夜間峰穀差，平滑負荷，不僅(jin) 可以更有效地利用電力設備，降低供電成本，還可以提高電力係統對分布式新能源的接納能力，也可作為(wei) 提高係統運行穩定性、調整頻率、補償(chang) 負荷波動的一種手段。儲(chu) 能技術的應用必將在傳(chuan) 統的電力係統設計、規劃、調度、控製等方麵帶來重大變革。本文主要討論了儲(chu) 能係統在不同電壓等級配電網中的應用問題。在高壓配電係統中，儲(chu) 能係統的應用可以減少係統對高峰負荷的備用容量，這樣可以節省相關(guan) 的設備（如變壓器、線路等）投資。在中壓配電係統中，儲(chu) 能係統的應用往往是與(yu) 分布式發電

（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，同時也能提高電網調度的靈活性。在低壓配電係統中，儲(chu) 能技術主要用於(yu) 用戶側(ce) ，成為(wei) 電力係統進行需求側(ce) 管理（DemandSideManagement，DSM）、應急供電、提高電能質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係統的用戶側(ce) ，在有效管理的情況下，其電池也可以參與(yu) 電力係統的削峰填穀。本文著重介紹應用於(yu) 配電係統的電力儲(chu) 能技術的發展現狀，並基於(yu) 我國電力係統的實際狀況和需求，從(cong) 技術和經濟的層麵加以分析，探討儲(chu) 能係統在不同電壓等級配電係統中的應用方向。

1.儲(chu) 能技術的應用現狀

電能存儲(chu) 技術對於(yu) 電力安全、新能源的規模化應用都有著重要的意義(yi) 。是改變傳(chuan) 統電網中功率剛性平衡性質，提高電網柔性的革新性技術。電能存儲(chu) 形式多樣，如電池類的化學儲(chu) 能、抽水、壓縮空氣、飛輪、電容、電感等物理儲(chu) 能。抽水儲(chu) 能適合用大容量、長時間的儲(chu) 能，一般用於(yu) 大電網的負荷調節等。與(yu) 微網相關(guan) 的新型儲(chu) 能技術應是小型、高效、控製靈活的儲(chu) 能方式，現在正在迅速發展中的有各類電池、飛輪、超級電容器、超導磁儲(chu) 能等。

1. 抽水蓄能（PumpedHydroStorage）

抽水蓄能是在電力係統中得到為(wei) 廣泛應用的一種儲(chu) 能技術，其主要應用領域包括能量管理、頻率控製、調峰等。抽水蓄能電站在應用時配備上、下兩(liang) 個(ge) 水庫。在符合低穀時段，抽水蓄能設備工作在電動機狀態，將下遊水庫的水抽到上遊水庫保存。在負荷高峰時期，抽水蓄能設備處於(yu) 發電機狀態，利用儲(chu) 存在上遊水庫中的水發電。目前，世界共有超過90GW的抽水蓄能機組投入運行，約占全球總裝機容量的3%。限製抽水蓄能電站更廣泛應用的一個(ge) 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(wei) 二氧化鉛和鉛，以硫酸為(wei) 電解質。鉛酸電池組具有吸附電解質結構，工作時形成的氧能夠複合，並能在浮充（備用）和深循環應用下工作。鉛酸電池技術成熟，能實現規模化儲(chu) 能，是蓄電池儲(chu) 能中應用廣泛的。不足之處儲(chu) 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(wei) 鎳氫氧化物，負極為(wei) 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，電解液沒有增減現象，電池可實現密封設計。它儲(chu) 能密度較高，預測它將在電動機車領域擁有較大的應用空間。在電網應用上，與(yu) 鉛酸電池相比除了體(ti) 積小之外，沒有較為(wei) 明顯的優(you) 勢。

（4）全釩液流電池

與(yu) 上述各種電池相比較，液流電池雖然儲(chu) 能密度較低，但由於(yu) 其儲(chu) 能容量隻取決(jue) 於(yu) 電解液容量和密度，因此配置上相當靈活，隻需增加電解液容積和濃度即可增大儲(chu) 能容量，並且可以進行深度充放電。液流電池在成本上的優(you) 勢也較為(wei) 明顯，和鉛酸電池相比較，其能量效率可達75%～80%，性價(jia) 比較高。全釩液流電池在規模儲(chu) 能方麵具有能量轉換效率高、蓄電容量大、運行安全和環境友好等優(you) 點，被稱為(wei) “電銀行”。它可用於(yu) 電網“銷峰填穀”的調節，降低發電成本、提高電能使用效率；用於(yu) 太陽能、風能等可再生能源發電的儲(chu) 存，解決(jue) 它們(men) 發電不穩定、不連續而難以並網的問題；還可以用於(yu) 重要部門和設備充當備用電站。

（5）鈉硫電池

鈉硫電池於(yu) 1966年由美國福特公司提出，早期應用於(yu) 電動汽車的配套研究。與(yu) 鉛酸、鎳氫電池相比較，鈉硫電池的能量密度高，且沒有自放電現象，使其適合於(yu) 布置在受場地限製的城市地區。鈉硫電池的運行壽命也比較長，其充放電次數在理論上可達到2000次；充放電效率也較高，可達到90%以上。目前鈉硫電池的製備技術及其在電力儲(chu) 能方麵的應用已經取得大量成果。截至2004年12月，世界大約已經建造超過500kW的鈉硫電池儲(chu) 能係統59個(ge) ，總容量88MW，其中包括兩(liang) 個(ge) 額定容量達9.6MW，60MW·h的世界大的鈉硫電池係統。鈉硫電池的製造成本較高，這是限製其推廣應用的重要因素。

（6）飛輪儲(chu) 能

大多數現代飛輪儲(chu) 能係統都是由一個(ge) 圓柱形旋轉質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，提高係統的壽命。為(wei) 了保證足夠高的儲(chu) 能效率，飛輪係統應該運行於(yu) 真空度較高的環境中，以減少風阻損耗。飛輪與(yu) 電動機或者發電機相連，通過某種形式的電力電子裝置，可進行飛輪轉速的調節，實現儲(chu) 能裝置與(yu) 電網之間的功率交換。飛輪儲(chu) 能的突出優(you) 點是幾乎不需要運行維護，設備壽命長（可完成20a或者數萬(wan) 次深度充放能量過程），對環境沒有不良的影響。飛輪具有優(you) 秀的循環使用以及負荷跟蹤性能，它可以用於(yu) 那些在時間和容量方麵介於(yu) 短時儲(chu) 能應用和長時間儲(chu) 能應用之間的應用場合。

（7）導磁儲(chu) 能

超導磁儲(chu) 能（SuperconductiveMagneticEnergyStorage，SMES）由於(yu) 具有快速電磁響應特性和很高的儲(chu) 能效率（充/放電效率超過95%），很快吸引了電力工業(ye) 和*方的注意。SMES在電力係統中的應用包括：負荷均衡、動態穩定、暫態穩定、電壓穩定、頻率調整、輸電能力提高以及電能質量改善等方麵。和其他的儲(chu) 能技術相比，目前SMES仍很昂貴，除了超導體(ti) 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(yu) 有的柔性交流輸電裝置（FACTS）相結合，可以降低變流單元的費用，這部分費用一般在整個(ge) SMES成本中占大份額。已有的研究結果表明，對輸配電應用而言，微型（<0.1MW·h）和中型（0.1～100.0MW·h）SMES係統可能更為(wei) 經濟。使用高溫超導體(ti) 可以降低儲(chu) 能係統對於(yu) 低溫和製冷條件的要求，從(cong) 而使SMES的成本進一步降低。目前，在世界範圍內(nei) 有許多SMES工程正在進行或者處於(yu) 研製階段。

（8）超級電容器儲(chu) 能

超級電容器使用碳或其他高表麵積密度材質為(wei) 導體(ti) ，電極間的距離非常小，可儲(chu) 存較高的電能。它是介於(yu) 傳(chuan) 統電容器和電池之間的一種儲(chu) 能元件，一般應用於(yu) 高功率短時間放電的儲(chu) 能係統。充放電速度遠快於(yu) 傳(chuan) 統的化學電池。另外，它幾乎沒有充放電次數以及大放電量的限製，平均壽命可高達25年以上。目前，超級電容大多用於(yu) 高峰值功率、低容量的場合。可以在電壓跌落和瞬態幹擾期間提高供電水平。

（9）壓縮空氣儲(chu) 能

壓縮空氣儲(chu) 能常用於(yu) 調峰用燃氣輪機發電廠，對於(yu) 同樣的電力輸出，采用CAES的機組所消耗的燃氣要比常規燃氣輪機少40%。這是因為(wei) ，常規燃氣輪機在發電時大約需要消耗輸入燃料的2/3進行空氣壓縮，而CAES則可利用電網負荷低穀時的廉價(jia) 電能預先壓縮空氣，然後根據需要釋放儲(chu) 存的能量加上一些燃氣進行發電。壓縮空氣常常儲(chu) 存在合適的地下礦井或者溶岩下的洞穴中。一個(ge) 投入商業(ye) 運行的CAES是1978年建於(yu) 德國Hundorf的一台290MW機組。目前美國GE公司正在開發容量為(wei) 829MW的更為(wei) 的壓縮空氣儲(chu) 能電站，此外，俄、法、意、盧森堡、以色列等國也在積極開發和建設這種電站。

（10）製氫儲(chu) 能

由於(yu) 氫氣具有很高的熱值，1m3氫的使用效果相當於(yu) 1L汽油，而我國具有很豐(feng) 富的資源。製氫儲(chu) 能是指利用多餘(yu) 的電能來製取氫氣作為(wei) 能源。目前主要的製氫方式有如下幾種：1）從(cong) 含烴的化石燃料中製氫；2）電解水製氫；3）生物製氫。氫氣的存儲(chu) 技術主要是加壓壓縮儲(chu) 氫技術、液化儲(chu) 氫技術、金屬氧化物儲(chu) 氫技術和有機化合物儲(chu) 氫激技術。作為(wei) 生活用氫，經濟效益十分可觀。關(guan) 於(yu) 製氫國內(nei) 開展的比較多的主要是太陽能光伏製氫儲(chu) 能與(yu) 燃料電池相結合，當日照情況良好時，通過電解水製氫將多餘(yu) 的電能儲(chu) 存起來；在陽光條件下不能使光伏發電係統正常工作時，將儲(chu) 存的氫通過燃料電池轉換為(wei) 電能，繼續向負載送電，從(cong) 而保證了係統供電的連續性。

2.不同電壓等級配電網中儲(chu) 能係統的應用

在配電網規劃規劃階段，儲(chu) 能係統的配置策略應與(yu) 電壓等級一起考慮。

2.1高壓配電係統中的儲(chu) 能

在高壓配電係統中，儲(chu) 能係統主要用於(yu) 削峰填穀。儲(chu) 能係統的容量和安裝位置，應根據負荷特征和優(you) 化目標進行優(you) 化計算。圖1給出了一條典型的負荷持續時間曲線。在這條曲線中，5%的時間裏負荷水平比平均負荷水平（負荷峰值的56%）高。為(wei) 了保障電力係統的安運行和用戶的供電可靠性，電力係統應提供足夠的備用容量，以滿足持續時間不超過5%的高峰負荷的供電需求。在這種情況下，為(wei) 了滿足高峰負荷需求的備用容量將大大降低電力係統的運行效率，導致高投資和資源浪費。如果在高壓配電係統采用儲(chu) 能裝置，可以有效地減少所需的係統備用容量，節省電力設備投資。但另一方麵，儲(chu) 能裝置用於(yu) 電力調峰，需要裝置較大容量的儲(chu) 能容量，顯然，容量越大，其製造和控製就越困難。目前儲(chu) 能係統的造價(jia) 仍較高，其投資有可能會(hui) 超過了係統備用的投資。高壓配電網中儲(chu) 能係統的容量配置應和采用係統備用的方法進行技術經濟比較，其過程如圖2所示。

2.2中壓配電係統中的儲(chu) 能

在中壓配電係統中，儲(chu) 能係統的應用往往是為(wei) 了平抑間歇性DG的出力波動和提高中壓配電網的能量調度能力，從(cong) 而提高中壓配電網對DG的接納能力。對於(yu) 風力發電、光伏發電等新能源DG，其出力受到自然條件的限製，呈現顯著的間歇性特征。DG出力的波動會(hui) 導致配電網電能質量的下降，特別當DG滲透率達到一定程度時，其對配電網電能質量的影響將不能忽略。應用儲(chu) 能裝置是改善分布式發電輸出電壓和頻率質量的有效途徑，同時增加了DG與(yu) 電網並網運行時的可靠性。DG單元與(yu) 儲(chu) 能裝置的聯合運行與(yu) 協調控製是解決(jue) 諸如電壓跌落、湧流和瞬時供電中斷等動態電能質量問題的有效手段之一。儲(chu) 能係統使得不可調度的DG發電單元能夠作為(wei) 可調度機組單元運行，實現與(yu) 大電網的並網運行，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單元擁有者不能製定發電計劃，但有了儲(chu) 能係統，他們(men) 就可以在特定的時間提供所需的電能，而不必考慮此事DG單元能夠發出多少電能，通過儲(chu) 能的調節作用就可按照預先製定的各種不同發電規劃進行發電。此時儲(chu) 能的量配置涉及到經濟平衡問題：儲(chu) 能的容量越大，係統調度的靈活性就越高，DG單元擁有者就可以獲取更多的經濟利益；但儲(chu) 能容量越大，其投資也越大。通過技術經濟分析，在兩(liang) 者之間找到佳經濟平衡點。

2.3低壓配電係統中的儲(chu) 能

在低電壓配電係統中，儲(chu) 能係統主要用於(yu) 用戶側(ce) ，成為(wei) 電力係統進行需求側(ce) 管理的有效技術手段，例如微網中的電池係統。低壓配電係統中的儲(chu) 能係統還能用作緊急電源、提高電能質量和供電可靠性。另外，電動車往往接於(yu) 用戶側(ce) ，在有效管理的情況下，其電池也可以參與(yu) 電力係統的削峰填穀。

（1）需求側(ce) 管理

電力係統的需求側(ce) 管理會(hui) 采用合適的手段引導終用戶改變能源使用模式。儲(chu) 能作為(wei) 一種能量存儲(chu) 設備，改變了用電需求和發電的同時性要求，成為(wei) 輔助需求側(ce) 管理的有效技術手段。另一方麵，需求側(ce) 管理也可降低用於(yu) 改善電能質量所需的儲(chu) 能係統容量。

（2）緊急備用

緊急備用的典型應用是不間斷電源。當電網發生故障且分布式發電裝置不能正常供電時（例如，利用太陽能發電的夜間，風力發電在無風時，或者其他類型DG處於(yu) 檢修期間等），儲(chu) 能係統可作為(wei) 向用戶提供電力。儲(chu) 能係統的容量配置主要取決(jue) 於(yu) 負荷的需求。考慮到儲(chu) 能係統的造價(jia) 目前尚較高，作為(wei) 應急電源的儲(chu) 能係統主要配置於(yu) 一些重要用戶（如醫院、數據等）

（3）提高電能質量

將儲(chu) 能係統用於(yu) 用戶側(ce) ，可以提高電能質量，增強係統的供電可靠性。從(cong) 技術上來說，現在已經可以利用儲(chu) 能裝置為(wei) 用戶（家庭用戶、商業(ye) 或工業(ye) 用戶）提供不簡短的高質量供電電源，而且可以讓用戶自主選擇合適通過配電回路從(cong) 電網獲取電能或向電網回饋電能。

（4）電動汽車

電池電動汽車（BatteryElectricalVehicle）中的電池采用電網進行充電，對電網而言就是一種電能存儲(chu) 係統。智能電動汽車充放電管理係統有實現對電動汽車的有序充放電，從(cong) 而充分利用儲(chu) 能係統的削峰填穀能力。例如，在風力或太陽能DG發電高峰時期，可對電動汽車的電池進行充電，從(cong) 而吸納多餘(yu) 的風電電能。在風力或太陽能DG發電低穀且負荷用電高峰時期，應避免電動汽車充電，通過電價(jia) 等措施引導電動汽車的充電延遲到稍後非負荷高峰時期。電動汽車回饋電網（VehicletoGrid，V2G）模式允許電動車的電池向電網回饋電能。這種模式大大增加了電力係統運行的靈活性和可調度性。

3.Acrel-2000ES儲(chu) 能櫃能量管理係統

3.1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。

3.2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：

3.3係統功能

3.3.1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。

3.3.2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。

3.3.3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。

3.3.4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。

3.3.5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。

3.3.6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。

3.3.7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。

3.3.8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。

4.相關(guan) 平台部署硬件選型清單

5.結束語

本文分析了儲(chu) 能係統在不同電壓等級配電係統中的應用。在未來配電係統的規劃中，應考慮儲(chu) 能係統對負荷特性、DG 滲透率、需求側(ce) 管理等各方麵的影響。在高壓配電係統中，抽水蓄能電站能有效地進行峰穀調節，從(cong) 而提高電力係統的運行效率。在中壓配電網中，儲(chu) 能係統往往與(yu) DG 一起應用，用於(yu) 提高配電係統對 DG 的接納能力。在低壓配電係統中，儲(chu) 能係統主要用於(yu) 用戶側(ce) ，成為(wei) 電力係統進行需求側(ce) 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(yu) 電力係統的削峰填穀。

參考文獻

[1］張祖平，劉思革，梁惠施. 電力儲(chu) 能在不同電壓等級配電網中的應用

[2］張文亮，丘明，來小康．儲(chu) 能技術在電力係統中的應用[J]．電網技術，2008，32（7）：1-9．

[3]企業(ye) 微電網設計與(yu) 應用手冊(ce) 2022.05版.