安科瑞 陳聰

摘 要：傳統的電力系統在發(fā)電方面高度集中，通常通過(guò)輸電網(wǎng)絡(luò )將電力和能量從大型同步發(fā)電機和感應發(fā)電機單向輸送到用戶(hù)。然而，可再生分布式能源如風(fēng)能、光伏、電池、生物質(zhì)能、燃料電池和微型渦輪機的出現，有可能遏制對化石能源發(fā)電的依賴(lài)，并改變電網(wǎng)中能量流動(dòng)的單向性。這些技術(shù)使實(shí)現本地電力可靠性和可持續能源利用成為可能。當本地DER單元產(chǎn)生足夠的電力時(shí)，某些地方可以從主電網(wǎng)中斷開(kāi)，形成一個(gè)具有明確電氣邊界的相互連接的能源系統的自我可持續的“微電網(wǎng)”。微電網(wǎng)具有廣泛的應用前景。它可以作為獨立或并網(wǎng)的供用電系統，為偏遠地區、工業(yè)園區、居民區等各類(lèi)場(chǎng)景提供電力供應。同時(shí)，微電網(wǎng)還可以與大電網(wǎng)進(jìn)行互動(dòng)，參與電力市場(chǎng)的交易和調度，實(shí)現能源的多元化利用和節能減排?？傊?，微電網(wǎng)是一種具有重要意義的分布式能源形式，它能夠實(shí)現電力電量的自我平衡和優(yōu)化利用，為未來(lái)的能源發(fā)展提供新的思路和方向。按照運行模式的不同，微電網(wǎng)可以分為離網(wǎng)型和并網(wǎng)型，并網(wǎng)型微電網(wǎng)在正常條件下與主網(wǎng)并網(wǎng)進(jìn)行能量的雙向交流，一旦電網(wǎng)的品質(zhì)或者質(zhì)量不符合規定，就能及時(shí)切斷主網(wǎng)，實(shí)現自給自足。而離網(wǎng)型微電網(wǎng)是完*獨立的，不需要與主網(wǎng)進(jìn)行任何的連接，一般建設在偏遠的邊境或者海上的孤島，滿(mǎn)足當地基礎的供電的需求。

0引言

微電網(wǎng)與常規配電網(wǎng)通常情況下并網(wǎng)運行，一旦在電網(wǎng)中檢測到故障或電能質(zhì)量出現問(wèn)題時(shí)便會(huì )迅速與電網(wǎng)斷開(kāi)，轉為獨立運行模式。微電網(wǎng)通常會(huì )在系統中配置一定容量的儲能裝置，以應對模式切換過(guò)程中可能會(huì )出現的功率缺額，保證平穩過(guò)渡并維持系統穩定。由于外界環(huán)境的變化和影響，新能源發(fā)電常常出現出力不穩定的情況，比如光伏發(fā)電在夜間、風(fēng)力發(fā)電無(wú)風(fēng)等情況。為了應對這種情況，儲能系統發(fā)揮重要作用，持續向系統中的用戶(hù)供電，確保電力供應的連續性。除了直接向系統中的用戶(hù)供電，儲能還能起到參與電力調峰、改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量、提升微電源性能等作用。

1微電網(wǎng)中常見(jiàn)儲能類(lèi)型

鑒于微電網(wǎng)的特點(diǎn)及不同儲能的作用及原理，配置在微電網(wǎng)中的儲能裝置有著(zhù)獨*的要求：能量密度大、功率密度大、高低溫性能良好、能適應一些特殊環(huán)境等。雖然不是所有種類(lèi)的儲能設備都能配置在微電網(wǎng)中，但儲能在提高微電網(wǎng)運營(yíng)能力方面仍然起到重要作用。本章將介紹在微電網(wǎng)中實(shí)現高滲透和集成的集中種類(lèi)儲能的概述，研究不同儲能技術(shù)的特點(diǎn)，分析各種儲能在微電網(wǎng)中的作用。

1.1機械儲能

機械儲能按工作原理可以分為勢能和動(dòng)能兩大類(lèi)。其中勢能類(lèi)包括壓縮氣體儲能、抽水蓄能，動(dòng)能類(lèi)典型的有飛輪儲能。機械儲能方法可以轉換并儲存來(lái)自水流、波浪、潮汐的能量，在需要時(shí)隨時(shí)提供能量。

1.2飛輪儲能

飛輪儲能技術(shù)是一種機械儲能方式。旨在有效地存儲和釋放能量以滿(mǎn)足電力需求。其基本原理是通過(guò)高速旋轉的飛輪將電能轉化為機械能，實(shí)現能量的臨時(shí)儲存，以備系統在需要時(shí)快速釋放。這項技術(shù)的起源可以追溯到20世紀50年代，當時(shí)人們提出利用飛輪進(jìn)行能量存儲，并在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域進(jìn)行了初步探索。然而，直到80年代，隨著(zhù)磁懸浮技術(shù)、高強度碳素纖維以及現代電力電子技術(shù)的進(jìn)步，飛輪儲能技術(shù)才

得以真正實(shí)現應用。

現代飛輪儲能系統的核心組件通常包括一個(gè)巨大的可旋轉圓柱體，它通過(guò)磁懸浮軸承系統支撐在定子上。當系統需要存儲能量時(shí)，電動(dòng)機啟動(dòng)并使飛輪快速旋轉，將電能轉化為機械能，從而實(shí)現能量的儲存。而在電力需求增加或電網(wǎng)故障時(shí)，飛輪則通過(guò)驅動(dòng)發(fā)電機將儲存的機械能轉換回電能，通過(guò)電力電子裝置對輸出電能進(jìn)行調節，滿(mǎn)足負載的要求。

通過(guò)減少摩擦造成的能量損失，可以提高飛輪儲能的整體效率，而這可以通過(guò)在真空中旋轉飛輪或使用磁性軸承來(lái)實(shí)現。飛輪儲能設備可以在微電網(wǎng)中提供即時(shí)有功功率支持。它具有不直接排放溫室氣體、轉換效率高、功率密度高、壽命長(cháng)（一般為20年）等諸多優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)飛輪儲能設備也被廣泛配置于各種電源。但飛輪儲能仍存在一些缺點(diǎn)，例如由于摩擦和空氣阻力而損失能量導致飛輪儲能設備自放電率較高，每小時(shí)可達3%~20%，同時(shí)初始成本也較高。

1.3鉛酸蓄電池儲能

鉛酸（PbA）電池是一種常見(jiàn)的電化學(xué)儲能設備，廣泛應用于汽車(chē)、不間斷電源、各種儲能系統中，可以說(shuō)是目前應用廣泛的儲能系統。鉛酸蓄電池由一組正極（陽(yáng)極）和負極（陰極）以及中間的電解液組成。正極一般采用過(guò)氧化鉛（PbO2），負極采用純鉛（Pb），電解液是稀硫酸溶液。鉛酸蓄電池具有較好的穩定性，能夠適用于瞬時(shí)大電流的需求，能夠應用于汽車(chē)啟動(dòng)。同時(shí)還具有較低的制造成本，能夠大規模生產(chǎn)。但傳統的鉛酸蓄電池電池循環(huán)壽命較短，需定期維護，并且電池成分中含有有害物質(zhì)，須謹慎處理以防止造成環(huán)境污染。

1.4鋰離子電池儲能

鋰離子電池是近年來(lái)興起的新型高能量二次電池。廣泛應用于各種移動(dòng)設備、電動(dòng)汽車(chē)和各種儲能系統中。鋰離子電池的工作原理是基于鋰離子在正負極之間的移動(dòng)。正極材料通常使用鋰鈷氧化物或鋰鐵磷酸鹽等、負極材料通常使用石墨。其具有較高能量密度、輕量化、低自放電率、無(wú)污染的特點(diǎn)相較于鉛酸蓄電池有更大優(yōu)勢。鋰的快速反應性能和輕質(zhì)的特性使其非常適合制造電池。但目前鋰離子電池由于特殊包裝和內部過(guò)充保護電路造成較高成本而無(wú)法大規模生產(chǎn)。物理?yè)p傷、電濫用（如短路和過(guò)充）以及暴露于高溫下會(huì )導致熱失控。這些安全問(wèn)題和總體成本是阻礙鋰離子電池在配電系統中廣泛使用的兩個(gè)主要因素。

2微電網(wǎng)的能量管理系統

與傳統的配電系統相比，微電網(wǎng)關(guān)鍵的特點(diǎn)是其連接到配電系統后能夠作為一個(gè)協(xié)調模塊進(jìn)行控制和運行。對微電網(wǎng)各組成部分進(jìn)行監測和控制是保證微電網(wǎng)穩定運行的關(guān)鍵。對于直流微電網(wǎng)，輸電電壓需要進(jìn)行控制，而對于交流微電網(wǎng)，輸電頻率和電壓都需要控制。微電網(wǎng)的能量管理系統應具有一定的運行目標，例如，應遵循經(jīng)濟考慮，應保證計算機服務(wù)器和醫療設備等負載的不間斷運行，斷開(kāi)和重新連接過(guò)程應無(wú)縫進(jìn)行，微電網(wǎng)應能夠在一般故障情況下通過(guò)黑啟動(dòng)。合適的微電網(wǎng)能量管理系統可以支持儲能設備，以提高系統的可靠性和效率。將儲能與適當的能量管理系統結合使用可以提供以下功能。

1）電能質(zhì)量/可靠性的調節：儲能設備可用于控制網(wǎng)絡(luò )中供電的質(zhì)量，并管理諸如電壓不平衡、低功率因數、電壓/頻率發(fā)生偏移或供電不足等問(wèn)題。

2）旋轉備用：儲能設備可以在電網(wǎng)全部斷電的情況下提供備用電源。

3）能量轉移：在供應過(guò)剩時(shí)期存儲的能量可以轉移到高需求和價(jià)格高的時(shí)期使用。

4）調峰：儲能可用于在短期負載峰值期間向微電網(wǎng)供電，從而減少更高功率水平的峰值需求，降低傳輸基礎設施的總體所需容量和峰值電費。

5）套利：在電價(jià)較低時(shí)儲能，在電價(jià)較高時(shí)放電，是提高系統效率，優(yōu)化經(jīng)濟效益的主要途徑之一。

6）黑啟動(dòng)：意外事件可能導致整個(gè)系統或單個(gè)部分的供電中斷。在這種情況下，儲能可用于產(chǎn)生有功功率，用于激勵配電線(xiàn)路或作為大型發(fā)電廠(chǎng)的啟動(dòng)電源。微電網(wǎng)所采用的控制策略直接影響到系統的經(jīng)濟可行性及其優(yōu)布局和規模。微電網(wǎng)可以以?xún)煞N模式運行：連接到主電網(wǎng)和孤立于主電網(wǎng)。當并網(wǎng)時(shí)，微電網(wǎng)可與主電網(wǎng)交換電力，保持電力穩定。而當處于孤島模式時(shí)，沒(méi)有與主電網(wǎng)的物理連接，需要儲能來(lái)維持電力穩定。如上所述，微電網(wǎng)的能量管理系統的控制方法可以分為不同的類(lèi)別，具有儲能的微電網(wǎng)可以采用集中式、分散式控制模式運行。

3集中式控制

在集中式控制的結構中，微電網(wǎng)能量管理系統發(fā)揮著(zhù)大限度地提高微電網(wǎng)的經(jīng)濟價(jià)值和優(yōu)化其運營(yíng)的重要作用。能量管理系統的控制器接收局部控制器的反饋，并發(fā)送微電網(wǎng)的所有控制信號。信號由局部控制器接收，它們控制直流微電網(wǎng)中的電壓（或交流微電網(wǎng)中的電壓和頻率）并優(yōu)化通過(guò)配電饋線(xiàn)的功率流。在并網(wǎng)模式下，局部控制器將服從控制器的命令，而在孤島模式下，它們有完*的自主權來(lái)執行自己的行動(dòng)。在這種控制方法中，分布式發(fā)電機組通常有一個(gè)所有者，他想要優(yōu)化所有分布式發(fā)電機組的運行和經(jīng)濟標準。在這里，控制器的主要作用是根據業(yè)主或微電網(wǎng)管理人員預定義的規則，決定需要從主電網(wǎng)導入的電量，并優(yōu)化非關(guān)鍵負載在關(guān)鍵條件下的功能。集中式控制的優(yōu)點(diǎn)是分工明確，設備成本低，容易執行控制整個(gè)系統。但隨著(zhù)分布式電源增加，會(huì )對控制器的信息處理能力有較高要求，不容易拓展應用。

4分散式控制

與集中控制結構相比，分散控制模式的主要目標是大限度地生產(chǎn)電力，以滿(mǎn)足負荷需求，儲存、向公用電網(wǎng)輸出多余的電力。在這種控制模式下，控制器在控制通信中并不起重要作用，而是像局部控制器、微源控制器這樣的低層控制器在微電網(wǎng)的穩定運行中提供支持。所有微源控制器相互競爭，以當前市場(chǎng)價(jià)格為決定因素，通過(guò)管理運行和維護來(lái)滿(mǎn)足需求并大限度地向電網(wǎng)出口，從而大化其產(chǎn)量。微源和負載的自主性可以使用智能方法來(lái)處理。當微源和微負載具有不同的所有者和不同的目標，且各單元控制器的動(dòng)作具有一定程度的智能時(shí)，這種控制結構是好的。通過(guò)在系統中使用分散式控制，減少控制器計算負擔，每個(gè)局部控制器負責管理相對較小的子系統，降低整個(gè)系統的復雜性。分散式控制模式使得分布式電源具有更高的靈活性。各個(gè)局部控制器可以更迅速地響應局部變化，適應不同的環(huán)境和工況。即使控制器發(fā)生故障，分散式控制使得各個(gè)局部控制器能夠獨立運行，從而保證整個(gè)系統的運行穩定性。這種冗余性有助于防止單點(diǎn)故障引起的系統崩潰。

5安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統概述

5.1概述

安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統，專(zhuān)門(mén)針對工商業(yè)儲能柜、儲能集裝箱研發(fā)的一款儲能EMS，具有完善的儲能監控與管理功能,涵蓋了儲能系統設備(PCS、BMS、電表、消防、空調等)的詳細信息,實(shí)現了數據采集、數據處理、數據存儲、數據查詢(xún)與分析、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(xiàn)、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。

5.2系統結構

Acrel-2000ES，可通過(guò)直采或者通過(guò)通訊管理或串口服務(wù)器將儲能柜或者儲能集裝箱內部的設備接入系統

5.3接入設備

Acrel-2000ES，具備多種接口，多種協(xié)議對接的能力，支持多種設備接入。

5.4系統功能

5.4.1實(shí)時(shí)監測

系統人機界面友好，能夠顯示儲能柜的運行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監測 PCS、BMS 以及環(huán)境參數信息，如電參量、溫度、濕度等。實(shí)時(shí)顯示有關(guān)故障、告警、收益等信息。

5.4.2設備監控

系統能夠實(shí)時(shí)監測 PCS、BMS、電表、空調、消防、除濕機等設備的運行狀態(tài)及運行模式。

PCS 監控：滿(mǎn)足儲能變流器的參數與限值設置；運行模式設置；實(shí)現儲能變流器交直流側 電壓、電流、功率及充放電量參數的采集與展示；實(shí)現 PCS 通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、 異常告警等狀態(tài)監測。

BMS 監控：滿(mǎn)足電池管理系統的參數與限值設置；實(shí)現儲能電池的電芯、電池簇的溫度、

電壓、電流的監測；實(shí)現電池充放電狀態(tài)、電壓、電流及溫度異常狀態(tài)的告警。

空調監控：滿(mǎn)足環(huán)境溫度的監測，可根據設置的閾值進(jìn)行空調溫度的聯(lián)動(dòng)調節，并實(shí)時(shí)監測空調的運行狀態(tài)及溫濕度數據，以曲線(xiàn)形式進(jìn)行展示。

UPS 監控：滿(mǎn)足 UPS 的運行狀態(tài)及相關(guān)電參量監測。

5.4.3 曲線(xiàn)報表

系統能夠對 PCS 充放電功率曲線(xiàn)、SOC 變換曲線(xiàn)、及電壓、電流、溫度等歷史曲線(xiàn)的查詢(xún)與展示。

5.4.4策略配置

滿(mǎn)足儲能系統設備參數的配置、電價(jià)參數與時(shí)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(xiàn)、削峰填谷、需量控制等。

5.4.5實(shí)時(shí)報警

儲能能量管理系統具有實(shí)時(shí)告警功能，系統能夠對儲能充放電越限、溫度越限、設備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

5.4.6事件查詢(xún)統計

儲能能量管理系統能夠對遙信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶(hù)對系統事件和報警進(jìn)行歷史追溯，查詢(xún)統計、事故分析。

5.4.7遙控操作

可以通過(guò)每個(gè)設備下面的紅色按鈕對 PCS、風(fēng)機、除濕機、空調控制器、照明等設備進(jìn)行相應的控制，但是當設備未通信上時(shí)，控制按鈕會(huì )顯示無(wú)效狀態(tài)。

5.4.8用戶(hù)權限管理

儲能能量管理系統為保障系統安全穩定運行，設置了用戶(hù)權限管理功能。通過(guò)用戶(hù)權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作（如遙控的操作，數據庫修改等）?？梢远x不同級別用戶(hù)的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

5.4.9安科瑞配套產(chǎn)品

6 結語(yǔ)

本文研究了一種適用于電動(dòng)公交車(chē)充電站的預制艙式儲能系統。不同于傳統的儲能系統，本系統采用模塊化設計思路，將主要設備集成在標準集裝箱內，具有占地小、接線(xiàn)簡(jiǎn)單、便于運輸及安裝的特點(diǎn)，適用于布置緊湊、缺少大型生產(chǎn)綜合用房的城市電動(dòng)公交車(chē)充電站，具有較好的應用推廣前景。除儲能單元、變流單元等一次設備外，預制艙式儲能系統同時(shí)集成了智能控制屏柜，對整體系統的運行環(huán)境、控制策略、安防等方面進(jìn)行集中監控，保障了預制艙式儲能系統安全高效運行。

參考文獻

1. 王又佳，蔣雨哲.微電網(wǎng)中儲能與能量管理系統應用

[2] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.5版.