安科瑞 劉邁

　　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(shù)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(shù)的需求、應(yīng)用現(xiàn)狀以及技術(shù)進展，探討了電化學(xué)儲能、物理儲能等多種儲能技術(shù)的特點、優(yōu)勢與挑戰(zhàn)，并對未來發(fā)展方向進行了展望。

　　關(guān)鍵詞：新能源儲能；電力系統(tǒng)；可再生能源；技術(shù)進展

　　0.引言

　　在全球能源轉(zhuǎn)型的大背景下，風能、太陽能等新能源在電力系統(tǒng)中的應(yīng)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(shù)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(shù)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(shù)，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(yīng)電網(wǎng)的功率變化，提供調(diào)頻、調(diào)壓等輔助服務(wù)，增強電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

　　2.新能源儲能技術(shù)分類及應(yīng)用

　　2.1電化學(xué)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(yīng)用廣泛的電化學(xué)儲能技術(shù)。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(diào)頻、調(diào)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(yīng)用逐漸增多，有望在大規(guī)模儲能領(lǐng)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(diào)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(shù)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(qū)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(qū)動膨脹機發(fā)電。其儲能容量大、成本相對較低，但能量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)節(jié)。

　　新能源儲能技術(shù)的發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)

　　3.1技術(shù)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(shù)不斷進步，包括電池管理系統(tǒng)、功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等的優(yōu)化設(shè)計，以提高整個儲能系統(tǒng)的效率和可靠性。

　　3.1.3多技術(shù)融合

　　將不同儲能技術(shù)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(yīng)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(xué)儲能技術(shù)，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。降低成本是儲能技術(shù)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(shù)發(fā)展迅速，但相關(guān)的標準和規(guī)范相對滯后，導(dǎo)致市場混亂，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，影響了儲能技術(shù)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(shè)備(PCS、BMS、電表、消防、空調(diào)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(yīng)用上支持能量調(diào)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(jié)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(shè)備管理的一套軟件系統(tǒng)平臺。

　　4.2適用場合

　　系統(tǒng)可應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)與用電負荷的作用；

　　4）新型應(yīng)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(yīng)用場景。

　　4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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(yīng)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(guān)等合、分閘狀態(tài)及有關(guān)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(guān)狀態(tài)、斷路器故障脫扣告警等。

　　系統(tǒng)應(yīng)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(shè)置等。

　　系統(tǒng)應(yīng)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(cè)、交流側(cè)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(shè)置界面

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

圖6儲能系統(tǒng)BMS參數(shù)設(shè)置界面

　　本界面用來展示對BMS的參數(shù)進行設(shè)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(cè)數(shù)據(jù)界面

　　本界面用來展示對PCS電網(wǎng)側(cè)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(cè)數(shù)據(jù)界面

　　本界面用來展示對PCS交流側(cè)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(cè)的異常信息進行告警。

圖9儲能系統(tǒng)PCS直流側(cè)數(shù)據(jù)界面

　　本界面用來展示對PCS直流側(cè)數(shù)據(jù)，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側(cè)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(yīng)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(cè)、交流側(cè)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(yù)覽、回放、管理與控制等。

　　4.4..7發(fā)電預(yù)測

　　系統(tǒng)應(yīng)可以通過歷史發(fā)電數(shù)據(jù)、實測數(shù)據(jù)、未來天氣預(yù)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(yù)測，并展示合格率及誤差分析。根據(jù)功率預(yù)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(yù)測界面

　　4.4.8策略配置

　　系統(tǒng)應(yīng)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(shè)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(yīng)能查詢各子系統(tǒng)、回路或設(shè)備時間的運行參數(shù)，報表中顯示電參量信息應(yīng)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(yīng)具有實時報警功能，系統(tǒng)能夠?qū)Ω髯酉到y(tǒng)中的逆變器、雙向變流器的啟動和關(guān)閉等遙信變位，及設(shè)備內(nèi)部的保護動作或事故跳閘時應(yīng)能發(fā)出告警，應(yīng)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(yīng)能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關(guān)人員。

圖19實時告警

　　4.4.11歷史事件查詢

　　應(yīng)能夠?qū)b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(zhì)量監(jiān)測

　　應(yīng)可以對整個微電網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)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(zhì)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(yīng)能實時顯示各電能質(zhì)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)能顯示電壓偏差與頻率偏差；

　　4）功率與電能計量：系統(tǒng)應(yīng)能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應(yīng)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(yīng)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(zhì)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(yīng)能產(chǎn)生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關(guān)人員；系統(tǒng)應(yīng)能查看相應(yīng)暫態(tài)事件發(fā)生前后的波形。

　　6）電能質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計：系統(tǒng)應(yīng)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(yīng)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(zhì)量界面

　　4.4.13遙控功能

　　應(yīng)可以對整個微電網(wǎng)系統(tǒng)范圍內(nèi)的設(shè)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(yù)置、遙控返校、遙控執(zhí)行的操作順序，可以及時執(zhí)行調(diào)度系統(tǒng)或站內(nèi)相應(yīng)的操作命令。

圖22遙控功能

　　4.4.14曲線查詢

　　應(yīng)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(nèi)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(zhì)量分析。

圖24統(tǒng)計報表

　　4.4.16網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

　　系統(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設(shè)備的通信狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；可在線診斷設(shè)備通信狀態(tài)，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)異常時能自動在界面上顯示故障設(shè)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(nèi)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(nèi)的設(shè)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(shè)備的通信和數(shù)據(jù)情況。通信應(yīng)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(quán)限管理

　　應(yīng)具備設(shè)置用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)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(quán)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(quán)限

　　4.4.19故障錄波

　　應(yīng)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(guān)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(guān)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(guān)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(chǔ)。

　　用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發(fā)生時，存儲事故掃描周期及事故后10個掃描周期的有關(guān)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(jié)語

　　本文分析了新能源儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)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(guān)重要。雖然目前儲能技術(shù)仍面臨諸多挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)的不斷進步和成本的降低，其在未來能源結(jié)構(gòu)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(shè)計與應(yīng)用手冊.2022.05版.