新能源儲能技術在電力系統(tǒng)中的應用與發(fā)展

摘要：隨著新能源在電力系統(tǒng)中的占比不斷增加，儲能技術作為支撐系統(tǒng)，對于平衡供需、提高可再生能源利用率以及增強電力系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要意義。本文綜述了新能源電力系統(tǒng)中儲能技術的需求、應用現(xiàn)狀以及技術進展，探討了電化學儲能、物理儲能等多種儲能技術的特點、優(yōu)勢與挑戰(zhàn)，并對未來發(fā)展方向進行了展望。

詞：新能源儲能；電力系統(tǒng)；可再生能源；技術進展

0.引言

在全球能源轉型的大背景下，風能、太陽能等新能源在電力系統(tǒng)中的應用日益廣泛。然而，新能源的間歇性和不性給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來了巨大挑戰(zhàn)，儲能技術因此成為解決這些問題的手段。

1.新能源電力系統(tǒng)中的儲能需求分析

1.1　跨時間尺度的能量平衡

新能源發(fā)電具有間歇性，如太陽能白天有、晚上無，風能受風力影響不穩(wěn)定。儲能技術可以在發(fā)電過剩時儲存能量，在發(fā)電不足時釋放能量，實現(xiàn)不同時間尺度的能量平衡。

1.2　提高可再生能源利用率

通過儲能技術，可以將新能源發(fā)電的多余電量儲存起來，避免棄風、棄光現(xiàn)象，從而提高新能源的利用率。

1.3　增強電力系統(tǒng)穩(wěn)定性

儲能系統(tǒng)能夠快速響應電網(wǎng)的功率變化，提供調頻、調壓等輔助服務，增強電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2.新能源儲能技術分類及應用

2.1電化學儲能

2.1.1鋰離子電池儲能

鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，是目前應用廣泛的電化學儲能技術。它可用于分布式儲能系統(tǒng)，為家庭、商業(yè)用戶提供備用電源，也可在大規(guī)模儲能電站中用于調頻、調峰。

2.1.2鈉離子電池儲能

鈉離子電池資源豐富、成本較低，且具有較好的倍率性能和低溫性能。近年來，其研究和應用逐漸增多，有望在大規(guī)模儲能領域與鋰離子電池形成競爭。

2.1.3液流電池儲能

液流電池的電解液與電分離，具有容量可擴展性強、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，適用于大規(guī)模儲能場景，如電網(wǎng)調峰、可再生能源基地配套儲能等。

2.2物理儲能

2.2.1抽水蓄能

抽水蓄能是目前成熟的儲能技術之一，利用電力負荷低谷時的電能抽水上水庫，在電力負荷高峰時再放水下水庫發(fā)電。它具有儲能容量大、運行壽命長等優(yōu)點，但受地理條件限制較大。

2.2.2壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能系統(tǒng)在儲能時利用多余電能驅動壓縮機，將空氣壓縮并儲存于儲氣室中；釋能時釋放高壓空氣驅動膨脹機發(fā)電。其儲能容量大、成本相對較低，但能量轉換效率有待提高。

2.2.3飛輪儲能

飛輪儲能通過電動機將電能轉化為飛輪的動能儲存起來，在需要時再通過發(fā)電機將動能轉化為電能輸出。它具有功率密度高、充放電速度快等優(yōu)點，但能量密度相對較低，適合短時高頻次的功率調節(jié)。

.       新能源儲能技術的發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)

3.1技術發(fā)展趨勢

3.1.1高性能電材料研發(fā)

研究人員不斷探索新型電材料，如高性能硅基負材料、富鋰錳基正材料等，以提高電池的能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性。

3.1.2系統(tǒng)集成與優(yōu)化

儲能系統(tǒng)的集成技術不斷進步，包括電池管理系統(tǒng)、功率轉換系統(tǒng)等的優(yōu)化設計，以提高整個儲能系統(tǒng)的效率和可靠性。

3.1.3多技術融合

將不同儲能技術進行組合，如鋰離子電池與液流電池混合儲能系統(tǒng)，發(fā)揮各自優(yōu)勢，滿足不同應用場景的需求。

3.2面臨的挑戰(zhàn)

3.2.1成本問題

儲能系統(tǒng)的初始投資成本較高，尤其是高性能電化學儲能技術，限制了其大規(guī)模應用。降低成本是儲能技術未來發(fā)展的。

3.2.2安全性與可靠性

儲能系統(tǒng)在運行過程中存在一定的安全風險，如電池的熱失控、液流電池的電解液泄漏等。提高儲能系統(tǒng)的安全性和可靠性是亟待解決的問題。

3.2.3標準與規(guī)范缺失

儲能技術發(fā)展迅速，但相關的標準和規(guī)范相對滯后，導致市場混亂，產品質量參差不齊，影響了儲能技術的健康發(fā)展。

4.安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統(tǒng)解決方案

4.1概述

安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統(tǒng)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、可視監(jiān)控、報警管理、統(tǒng)計報表等功能。在應用上支持能量調度，具備計劃曲線、削峰填谷、需量控制、備用電源等控制功能。系統(tǒng)對電池組性能進行實時監(jiān)測及歷史數(shù)據(jù)分析、根據(jù)分析結果采用智

能化的分配策略對電池組進行充放電控制，優(yōu)化了電池性能，提高電池壽命。系統(tǒng)支持Windows操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫采用SQLServer。本系統(tǒng)既可以用于儲能一體柜，也可以用于儲能集裝箱，是專門用于儲能設備管理的一套軟件系統(tǒng)平臺。

4.2適用場合

系統(tǒng)可應用于城市、高速公路、工業(yè)園區(qū)、工商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、智能建筑、海島、無電地區(qū)可再生能源系統(tǒng)監(jiān)控和能量管理需求。

4.2.1工商業(yè)儲能四大應用場景

1）工廠與商場：工廠與商場用電習慣明顯，安裝儲能以進行削峰填谷、需量管理，能夠降低用電成本，并充當后備電源應急；

2）光儲充電站：光伏自發(fā)自用、供給電動車充電站能源，儲能平抑大功率充電站對于電網(wǎng)的沖擊；

3）微電網(wǎng)：微電網(wǎng)具備可并網(wǎng)或離網(wǎng)運行的靈活性，以工業(yè)園區(qū)微網(wǎng)、海島微網(wǎng)、偏遠地區(qū)微網(wǎng)為主，儲能起到平衡發(fā)電供應與用電負荷的作用；

4）新型應用場景：工商業(yè)儲能積探索融合發(fā)展新場景，已出現(xiàn)在數(shù)據(jù)、5G基站、換電重卡、港口岸電等眾多應用場景。

4.3系統(tǒng)結構

4.4系統(tǒng)功能

4.4.1實時監(jiān)測

微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)人機界面友好，應能夠以系統(tǒng)一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態(tài)及有關故障、告警等信號。其中，各子系統(tǒng)回路電參量主要有：三相電流、三相電壓、總有功功率、總無功功率、總功率因數(shù)、頻率和正向有功電能累計值；狀態(tài)參數(shù)主要有：開關狀態(tài)、斷路器故障脫扣告警等。

系統(tǒng)應可以對分布式電源、儲能系統(tǒng)進行發(fā)電管理，使管理人員實時掌握發(fā)電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態(tài)及發(fā)電單元與儲能單元運行功率設置等。

系統(tǒng)應可以對儲能系統(tǒng)進行狀態(tài)管理，能夠根據(jù)儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)進行及時告警，并支持定期的電池維護。

微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)界面包括系統(tǒng)主界面，包含微電網(wǎng)光伏、風電、儲能、充電樁及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節(jié)能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據(jù)不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統(tǒng)信息進行顯示。

圖2系統(tǒng)主界面

子界面主要包括系統(tǒng)主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電樁信息、通訊狀況及一些統(tǒng)計列表等。

4.4.2光伏界面

圖3光伏系統(tǒng)界面

本界面用來展示對光伏系統(tǒng)信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態(tài)監(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統(tǒng)計及分析、并網(wǎng)柜電力監(jiān)測及發(fā)電量統(tǒng)計、電站發(fā)電量年有效利用小時數(shù)統(tǒng)計、發(fā)電收益統(tǒng)計、碳減排統(tǒng)計、輻照度/風力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時對系統(tǒng)的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數(shù)據(jù)進行展示。

4.4.3儲能界面

圖4儲能系統(tǒng)界面

本界面主要用來展示本系統(tǒng)的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖5儲能系統(tǒng)PCS參數(shù)設置界面

本界面主要用來展示對PCS的參數(shù)進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖6儲能系統(tǒng)BMS參數(shù)設置界面

本界面用來展示對BMS的參數(shù)進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖7儲能系統(tǒng)PCS電網(wǎng)側數(shù)據(jù)界面

本界面用來展示對PCS電網(wǎng)側數(shù)據(jù)，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數(shù)等。

圖8儲能系統(tǒng)PCS交流側數(shù)據(jù)界面

本界面用來展示對PCS交流側數(shù)據(jù)，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數(shù)、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。

圖9儲能系統(tǒng)PCS直流側數(shù)據(jù)界面

本界面用來展示對PCS直流側數(shù)據(jù)，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。

圖10儲能系統(tǒng)PCS狀態(tài)界面

本界面用來展示對PCS狀態(tài)信息，主要包括通訊狀態(tài)、運行狀態(tài)、STS運行狀態(tài)及STS故障告警等。

圖11儲能電池狀態(tài)界面

本界面用來展示對BMS狀態(tài)信息，主要包括儲能電池的運行狀態(tài)、系統(tǒng)信息、數(shù)據(jù)信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。

圖12儲能電池簇運行數(shù)據(jù)界面

本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的大、小電壓、溫度值及所對應的位置。

4.4.4風電界面

圖13風電系統(tǒng)界面

本界面用來展示對風電系統(tǒng)信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態(tài)監(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統(tǒng)計及分析、電站發(fā)電量年有效利用小時數(shù)統(tǒng)計、發(fā)電收益統(tǒng)計、碳減排統(tǒng)計、風速/風力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時對系統(tǒng)的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數(shù)據(jù)進行展示。

4.4.5充電樁界面

圖14充電樁界面

本界面用來展示對充電樁系統(tǒng)信息，主要包括充電樁用電總功率、交直流充電樁的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電樁的運行數(shù)據(jù)等。

4.4.6視頻監(jiān)控界面

圖15微電網(wǎng)視頻監(jiān)控界面

本界面主要展示系統(tǒng)所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現(xiàn)預覽、回放、管理與控制等。

4.4..7發(fā)電預測

系統(tǒng)應可以通過歷史發(fā)電數(shù)據(jù)、實測數(shù)據(jù)、未來天氣預測數(shù)據(jù)，對分布式發(fā)電進行短期、超短期發(fā)電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據(jù)功率預測可進行人工輸入或者自動生成發(fā)電計劃，便于用戶對該系統(tǒng)新能源發(fā)電的集中管控。

圖16光伏預測界面

4.4.8策略配置

系統(tǒng)應可以根據(jù)發(fā)電數(shù)據(jù)、儲能系統(tǒng)容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統(tǒng)運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、有序充電、動態(tài)擴容等。

圖17策略配置界面

4.4.9運行報表

應能查詢各子系統(tǒng)、回路或設備時間的運行參數(shù)，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數(shù)、總有功功率、總無功功率、正向有功電能等。

圖18運行報表

4.4.10實時報警

應具有實時報警功能，系統(tǒng)能夠對各子系統(tǒng)中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發(fā)出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。

圖19實時告警

4.4.11歷史事件查詢

應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣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。

圖20歷史事件查詢

4.4.12電能質量監(jiān)測

應可以對整個微電網(wǎng)系統(tǒng)的電能質量包括穩(wěn)態(tài)狀態(tài)和暫態(tài)狀態(tài)進行持續(xù)監(jiān)測，使管理人員實時掌握供電系統(tǒng)電能質量情況，以便及時發(fā)現(xiàn)和消除供電不穩(wěn)定因素。

1）在供電系統(tǒng)主界面上應能實時顯示各電能質量監(jiān)測點的監(jiān)測裝置通信狀態(tài)、各監(jiān)測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度和正序/負序/零序電流值；

2）諧波分析功能：系統(tǒng)應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；

3）電壓波動與閃變：系統(tǒng)應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與頻率偏差；

4）功率與電能計量：系統(tǒng)應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；

5）電壓暫態(tài)監(jiān)測：在電能質量暫態(tài)事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發(fā)生時，系統(tǒng)應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統(tǒng)應能查看相應暫態(tài)事件發(fā)生前后的波形。

6）電能質量數(shù)據(jù)統(tǒng)計：系統(tǒng)應能顯示1min統(tǒng)計整2h存儲的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，包括均值、大值、小值、95%概率值、方均根值。

7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態(tài)（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續(xù)時間、事件發(fā)生的時間。

圖21微電網(wǎng)系統(tǒng)電能質量界面

4.4.13遙控功能

應可以對整個微電網(wǎng)系統(tǒng)范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統(tǒng)維護人員可以通過管理系統(tǒng)的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執(zhí)行的操作順序，可以及時執(zhí)行調度系統(tǒng)或站內相應的操作命令。

圖22遙控功能

4.4.14曲線查詢

應可在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

圖23曲線查詢

4.4.15統(tǒng)計報表

具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內各配電節(jié)點的用電情況，即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計分析報表。對微電網(wǎng)與外部系統(tǒng)間電能量交換進行統(tǒng)計分析；對系統(tǒng)運行的節(jié)能、收益等分析；具備對微電網(wǎng)供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數(shù)等分析；具備對并網(wǎng)型微電網(wǎng)的并網(wǎng)點進行電能質量分析。

圖24統(tǒng)計報表

4.4.16網(wǎng)絡拓撲圖

系統(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設備的通信狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡結構；可在線診斷設備通信狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖25微電網(wǎng)系統(tǒng)拓撲界面

本界面主要展示微電網(wǎng)系統(tǒng)拓撲，包括系統(tǒng)的組成內容、電網(wǎng)連接方式、斷路器、表計等信息。

4.4.17通信管理

可以對整個微電網(wǎng)系統(tǒng)范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。系統(tǒng)維護人員可以通過管理系統(tǒng)的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數(shù)據(jù)情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規(guī)約。

圖26通信管理

4.4.18用戶權限管理

應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作（如遙控操作，運行參數(shù)修改等）。可以定義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。

圖27用戶權限

4.4.19故障錄波

應可以在系統(tǒng)發(fā)生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統(tǒng)安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發(fā)6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波少包含12個模擬量、10個開關量波形。

圖28故障錄波

4.4.20事故追憶

可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數(shù)據(jù)，包括開關位置、保護動作狀態(tài)、遙測量等，形成事故分析的數(shù)據(jù)基礎。

用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發(fā)生時，存儲事故10個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數(shù)據(jù)。啟動事件和監(jiān)視的數(shù)據(jù)點可由用戶和隨意修改。

圖29事故追憶

5.系統(tǒng)硬件配置清單

6.結語

本文分析了新能源儲能技術在電力系統(tǒng)中具有廣闊的應用前景，對于促進新能源的利用和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行關重要。雖然目前儲能技術仍面臨諸多挑戰(zhàn)，但隨著技術的不斷進步和成本的降低，其在未來能源結構中的地位將日益重要。

參考文獻

[1]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05版.