探究基于储能技术的智慧能源微电网系统设计

摘要：针对我国中等规模储能技术的*缺性及能源结构转型的切实需求,提出了液空聚能环-智慧能源微电网系统。该系统采用液化空气储能的方式储存不持续、不稳定的风能和太阳能等可再生能源,并在用电*峰期将其转化为稳定输出的电能,以解决风能发电与太阳能发电的不稳定性、间歇性、不能直接并网等问题,具有零排放、选址灵活的优势,可实现冷、热、电三联供。

关键词：储能；微电网；液空聚能环

0引言

随着“双碳”战略的推动，新能源的规模快速增长，给电力行业带来了严重冲击。因此，亟需进一步发展储能技术。本文在综合已有研究成果的基础上，提出了液空聚能环智慧能源微电网系统，填补了我国中等规模储能市场的空白，为分布式能源的大规模接入提供了新的方案。

1微电网系统的研究背景及意义

为了应对全球气候变暖，控制二氧化碳排放量，以太阳能和风电为主的新能源在各国迅速发展。作为负责任的大国，我国提出了“碳达峰、碳中和”战略，积*推进减碳工作。其中，减碳的关键是能源领域，尤其是以太阳能和风电为主的新能源。近年来，随着新能源技术的发展，新能源发电的成本已经具有较强的竞争优势。据英国石油公司统计，我国太阳能发电增长31.5%,风电增长29.4%。由于太阳能和风电具有明显的波动性，占比过*会对电网造成较大冲击,因此，需要依靠储能技术来平衡能源，以保障电网的平稳运行。目前，可以被规模化应用的储能技术主要包括抽水蓄能、压缩空气储能、电化学储能和氢能等。

对于包含光伏和风电的微网系统，储能已成为*备环节，其不仅会影响微网中光伏和风电的占比，还会影响整体的运行水平。目前，抽水储能和压缩空气储能具有规模化应用和成本优势。但这2种储能方式对地理条件要求较*(抽水储能要求有*落差的地形，压缩空气对储气环境要求较*，大多利用遗弃的矿坑),无法满足微网系统的需求。液化空气储能是一种大规模工业化储能技术，受地理条件限制较小且储能密度较*,为平抑微网中光伏和风力发电的波动提供了有效的解决方案。

液空聚能环-智慧能源微电网系统将液化空气储能技术引入分布式能源领域，可实现新能源的*效利用，缓解电网压力。该系统具有初投资低、储能效率*、储能密度大、调节灵活、运行寿命长、易于维护、选址灵活等优点，应用前景广阔。

2系统设计方案

图1为该项目所建立的液空聚能环-智慧能源微电网系统阶段模型图。按功能可将系统分为液化装置、储存装置、发电装置3个阶段。

图1液空聚能环——智慧能源微电网系统阶段模型图

图2为液空聚能环-智慧能源微电网系统的工作流程图。当光伏、风电的出力超出负荷需求时，储能系统能够有效吸收额外的负荷进行储能，并在微网系统出力不够时为用户提供多种能源负荷，可辅助微网系统实现并网储能、离网运行功能。储能系统采用*效率的三*压缩、三*膨胀，以液态空气形式储存可再生能源，并将其转化为多种形式的能量输出。系统的核心设备包括空气压缩机、储冷器、换热器、低温泵等。储能过程为：微网的额外负荷通过驱动压缩机生产冷量并输送至冷箱中存储，再通过低温膨胀机对冷空气进行液化并储存至低温储罐。能量释放过程为：将液态空气转化为*温*压的气态空气，在膨胀机中进行膨胀，带动发电机发电，为用户提供电负荷。回收压缩过程中产生的压缩热及系统余热可为用户提供热负荷，当用户需要冷负荷时，也可根据需求抽取低温的液态空气实现供冷。

图2液空聚能环-智慧能源微电网系统流程图

3系统创新点及优势

3.1系统创新点

1. 系统可平抑微网中风能、太阳能的波动性，满足微网*质量供能需求，减少化石能源的使用，不仅能降低能源使用成本，还能实现减碳。

2. 与其他储能技术相比，液化空气储能具有储能密度*、占地面积小、选址灵活等优点，1m³液态空气即可储存约60kWh 的电能，且储能规模越大，系统效率越*，可为微网系统提供灵活的配置方案。

3. 采用MATLAB、Fluent 软件自主编程，结合实际条件对系统进行数学建模及数值模拟分析，优化系统流程，在保证系统运行余量的同时，实现选型*优化，避免出现系统性能过剩的情况，降低项目初投资。

3.2系统技术优势

表1—表3分别为液态空气与*压空气储能密度对比、主要规模储能技术对比及典型风能/储能系统、主要规模储能电站单位建设成本对比的相关数据。由表1—表3可知，与压缩空气储能相比，液化空气储能具有较*的储能密度、较低的储存压力，对储罐的要求较低，而其他储能方式(如抽水蓄能、压缩空气储能、钠硫电池、氧化还原液流电池等)在大规模应用中仍存在不可避免的缺陷。由此可知，与其他的储能方式相比，液化空气储能具有储能成本低、持续时间长储能密度*、储能容量大、选址灵活等特点，在电网*供能的应用中具有显著优势。

4安科瑞Acrel-2000ES储能能量管理系统解决方案

4.1概述

安科瑞Acrel-2000ES储能能量管理系统具有完善的储能监控与管理功能，涵盖了储能系统设备(PCS、BMS、电表、消防、空调等)的详细信息，实现了数据采集、数据处理、数据存储、数据查询与分析、可视化监控、报警管理、统计报表等功能。在应用上支持能量调度，具备计划曲线、削峰填谷、需量控制、备用电源等控制功能。系统对电池组性能进行实时监测及历史数据分析、根据分析结果采用智能化的分配策略对电池组进行充放电控制，优化了电池性能，提*电池寿命。系统支持Windows操作系统，数据库采用SQLServer。本系统既可以用于储能一体柜，也可以用于储能集装箱，是专门用于储能设备管理的一套软件系统平台。

4.2适用场合

系统可应用于城市、*速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。

工商业储能四大应用场景

1）工厂与商场：工厂与商场用电习惯明显，安装储能以进行削峰填谷、需量管理，能够降低用电成本，并充当后备电源应急；

2）光储充电站：光伏自发自用、供给电动车充电站能源，储能平抑大功率充电站对于电网的冲击；

3）微电网：微电网具备可并网或离网运行的灵活性，以工业园区微网、海岛微网、偏远地区微网为主，储能起到平衡发电供应与用电负荷的作用；

4）新型应用场景：工商业储能探索融合发展新场景，已出现在5G基站、换电重卡、港口岸电等众多应用场景。

4.3系统结构

4.4系统功能

4.4.1实时监测

微电网能量管理系统人机界面友好，应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中，各子系统回路电参量主要有：三相电流、三相电压、总有功功率、总无功功率、总功率因数、频率和正向有功电能累计值；状态参数主要有：开关状态、断路器故障脱扣告警等。

系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理，使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。

系统应可以对储能系统进行状态管理，能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警，并支持定期的电池维护。

微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电桩及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求，也可将充电，储能及光伏系统信息进行显示。

图2系统主界面

子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电桩信息、通讯状况及一些统计列表等。

光伏界面

图3光伏系统界面

本界面用来展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

储能界面

图4储能系统界面

本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。

图5储能系统PCS参数设置界面

本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置，包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。

图6储能系统BMS参数设置界面

本界面用来展示对BMS的参数进行设置，主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。

图7储能系统PCS电网侧数据界面

本界面用来展示对PCS电网侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。

图8储能系统PCS交流侧数据界面

本界面用来展示对PCS交流侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。

图9储能系统PCS直流侧数据界面

本界面用来展示对PCS直流侧数据，主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。

图10储能系统PCS状态界面

本界面用来展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。

图11储能电池状态界面

本界面用来展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。

图12储能电池簇运行数据界面

本界面用来展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的电压、温度值及所对应的位置。

风电界面

图13风电系统界面

本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

充电桩界面

图14充电桩界面

本界面用来展示对充电桩系统信息，主要包括充电桩用电总功率、交直流充电桩的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电桩的运行数据等。

视频监控界面

图15微电网视频监控界面

本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。

4.4.2发电预测

系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划，便于用户对该系统新能源发电的集中管控。

图16光伏预测界面

4.4.3策略配置

系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、有序充电、动态扩容等。

图17策略配置界面

4.4.4运行报表

应能查询各子系统、回路或设备规定时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能等。

图18运行报表

4.4.5实时报警

应具有实时报警功能，系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位，及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警，应能实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。

图19实时告警

4.4.6历史事件查询

应能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度（锂离子电池）、压力（液流电池）、光照、风速、气压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

图20历史事件查询

4.4.7电能质量监测

应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。

1）在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度和正序/负序/零序电流值；

2）谐波分析功能：系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电流含有率；

3）电压波动与闪变：系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值；应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线；应能显示电压偏差与频率偏差；

4）功率与电能计量：系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率；应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素；应能提供有功负荷曲线，包括日有功负荷曲线（折线型）和年有功负荷曲线（折线型）；

5）电压暂态监测：在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时，系统应能产生告警，事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员；系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。

6）电能质量数据统计：系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据，包括均值、95%概率值、方均根值。

7）事件记录查看功能：事件记录应包含事件名称、状态（动作或返回）、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。

图21微电网系统电能质量界面

4.4.8遥控功能

应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作，并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。

图22遥控功能

4.4.9曲线查询

应可在曲线查询界面，可以直接查看各电参量曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。

图23曲线查询

4.4.10统计报表

具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析；对系统运行的节能、收益等分析；具备对微电网供电可靠性分析，包括年停电时间、年停电次数等分析；具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。

图24统计报表

4.4.11网络拓扑图

系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。

图25微电网系统拓扑界面

本界面主要展示微电网系统拓扑，包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。

4.4.12通信管理

可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序，然后选择通信控制启动所有端口或某个端口，快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

图26通信管理

4.4.13用户权限管理

应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控操作，运行参数修改等）。可以定义不同*别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

图27用户权限

4.4.14故障录波

应可以在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提*电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条，每条录波可触发6段录波，每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形，总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形。

图28故障录波

4.4.15事故追忆

可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据，包括开关位置、保护动作状态、遥测量等，形成事故分析的数据基础。

用户可自定义事故追忆的启动事件，当每个事件发生时，存储事故前10个扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户规定和随意修改。

图29事故追忆

4.5系统硬件配置清单

5结论

与依托抽水储能、压缩空气储能和氢气储能的系统相比，本文提出的液空聚能环-智慧能源微电网系统具有适用性广、效率*、周期成本低等优势。产品可保障微网系统充分利用风能、太阳能，并能根据用户负荷需求，直接为用户提供热负荷、冷负荷，减少能源二次转化，提升能源系统的整体效率。设备相关的生产技术成熟，具有产业化难度低且使用寿命长的优点。从全生命周期来看，该技术成本低廉且适应不同规模场景需求，投资回收期在2~3年，回收期短，经济效益明显。与传统分布式能源相比，产品引入液化空气储能系统，提*了系统整体的运行水平，实现了全系统零排放、稳定配电、能源储存，提升了系统的可靠网频率。本文提出了电网频率校正控制适应性的电网运行场景域描述方法，利用控制量整定范围评价电网频率校正策略的适应性，并基于电网实际参数构建了仿真模型，验证本文所提策略的适应性。

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