化学电池储能系统在并网型新能源发电系统中的应用研究分析

0引言

随着“双碳”目标的提出，以风电、光伏发电为主的新能源发电装机容量呈逐年上涨趋势。同时，受局部气候的影响，新能源发电的输出功率易出现急剧爬升或陡降的情况，这给电力系统的调频裕度带来了挑战。由于新能源发电的输出功率特性和较为复杂的并网阻抗特性，在大规模集中式并网或分布式并网的情况下，电力系统易出现频率振荡的情况，引发电力系统稳定性问题，影响负荷的用电安全性。而结合储能系统应用，可实现对电力系统用电负荷的削峰填谷，缓解火电机组的调峰压力；此外，以储能系统作为一次调频，能够平衡电力系统的用电负荷波动，使电力系统频率在允许范围内波动。

国内外开展了许多关于储能系统的研究，比如：[1-3]介绍了储能系统的前景和优势；[4-5]对发电侧、用电侧储能系统进行了成本和收益分析；[6-7]对储能控制管理系统进行了研究，提高了该系统的稳定性；[8-9]分别对光储一体化项目和海上风电项目的配套储能系统方案进行了设计研究，缓解了电力系统调峰压力，并提高了能源利用率；[10]对混合储能方案的优选及其优化配置模型进行了研究，探讨了多种灵活性调节资源优势互补下的独立于新型电力系统各环节的混合储能优化配置策略与多环节联动的混合储能均衡配置策略。

为了更好地改善新能源发电并网对电力系统稳定性的影响，本文针对电池储能系统在并网型新能源发电系统中的应用及作用进行分析；并以某光储一体化微电网项目为例，对电池储能系统的经济性进行研究。

1储能系统概述

储能系统是指通过一种或多种技术手段，将电能、热能、化学能、机械能等能量形式储存起来，并在需要时将储存的能量释放出来，以满足不同应用场景下能源需求的系统。它在能源领域中起着调节能源供需、提高能源利用效率、增强能源系统稳定性和可靠性等重要作用。

2储能系统的组成

2.1储能单元

是储能系统的核心部分，负责实现能量的储存和释放，如电池、飞轮、压缩空气容器等。

2.2能量转换单元

主要包括变流器等设备，其作用是实现电能与其他形式能量之间的转换，以及对电能的变换和控制，以满足不同设备和负载的需求。

2.3管理系统

用于监测储能系统的运行状态，包括电池的电压、电流、温度等参数，以及对储能单元进行充放电控制、故障诊断、能量调度等，以确保储能系统的安全、稳定运行。

2.4辅助设备

如冷却系统、消防系统、监控设备等，为储能系统的正常运行提供保障和支持。

3储能系统的应用场景

3.1电力系统

在发电侧，可用于调节可再生能源发电的间歇性和波动性，提高发电的稳定性和可靠性；在电网侧，可用于电网的调峰调频、电压支撑、缓解输电拥堵等，提高电网的运行效率和灵活性；在用户侧，可作为分布式能源存储装置，实现用户的能源自给自足，降低用电成本，同时也可用于应急备用电源。

3.2交通运输

主要应用于电动汽车、电动公交车等电动交通工具，为车辆提供动力能源，实现车辆的零排放或低排放运行。

3.3工业领域

可用于一些对能源供应稳定性要求较高的工业生产过程，如钢铁、化工等行业，作为备用电源或用于调节生产过程中的能源需求，提高生产的连续性和效率。

3.4通信领域

作为通信基站的备用电源，确保在电网停电等情况下，通信设备能够持续运行，保障通信的畅通。

4电池储能系统在并网型新能源发电系统中的作用

本文以包括风电和光伏发电的新能源发电系统为例，对电池储能系统在此种并网型新能源发电系统中的作用进行分析。本文以包括风电和光伏发电的新能源发电系统为例，对电池储能系统在此种并网型新能源发电系统中的作用进行分析。

4.1削峰填谷

新能源发电在一天内的长时间波动性及其与用电负荷的不匹配性，即反调峰特性，导致其并网后将增加电力系统在上调和下调时的备用容量需求。在夜晚用电高峰期(一般为19:00～22:00时段)，光伏发电无电力输出；而风力发电往往可能在全天负荷*低点(即24:00时)出现满功率发电的情况，导致1年中将会出现一定比例的因输送通道能力不足而“弃光”和“弃风”的现象。针对上述情况，储能系统可将风电在全天负荷*低点时所发电能进行存储，在夜晚用电高峰期再释放出来，将电量在时间上进行平移，以*大限度地利用传输线路匹配负荷用电趋势，同时减少电力系统对火电机组上调和下调的容量需求，达到削峰填谷的目的。

新能源发电通过配置电池储能系统可有效限制等效用电负荷(即给定的日用电负荷和新能源发电输出功率的总和)，使其处于新能源发电上网*大有效功率和*小有效功率范围以内，避免了新能源发电限发和甩用电负荷的行为，提高了电力系统对新能源发电的消纳能力，同时也可降低电力系统对备用容量的需求，提高电力系统整体运行效率。

4.2稳定电力系统

新能源发电系统输出功率的短时变化率应满足电力系统的稳定性要求。目前，电力系统对并网型新能源发电系统的有功功率变化限值的要求如表1所示。

表1电力系统对并网型新能源发电系统的有功功率变化限值

平滑新能源发电并网时的波动性是指通过电池储能系统控制新能源电力的存储和释放，使电池储能系统输出的有功功率PBES与新能源发电输出的有功功率PNE的总和P的波动变化量满足表1中的限值要求。0电池储能系统的有功功率控制算法主要包括两种，分别为逐点限值法和低通滤波法。0采用逐点限值法时，电池储能系统j时刻输出的有功功率PBES(j)的取值范围可表示为：

式中：ΔP10(j)为电池储能系统j时刻输出的有功功率与其过去10min内输出的有功功率之间的变化量；Py,10为电池储能系统10min内*大允许波动功率；ΔP1(j)为电池储能系统j时刻输出的有功功率与其过去1min内输出的有功功率之间的变化量；Py,1为电池储能系统1min内*大允许波动功率。0低通滤波法通过低通滤波器对输入信号的幅值进行加减处理，使输出的信号更为平滑。采用低通滤波法时，电池储能系统j时刻输出的有功功率可表示为：

式中：τ为时间常数；t为控制周期；P(j)、P(j–1)分别为j、j–1时刻的电池储能系统与新能源发电系统输出的有功功率的总和。0时间常数可表示为：

式中：fc为低通滤波器的截止频率。

4.3一次调频

一次调频主要为应对电力系统短期的用电负荷快速波动，在电力系统频率超限情况下，自主向电力系统进行有功功率支持或有功功率吸纳的行为。电力系统对不同类型能源的一次调频要求不尽相同，比如：对火电的一次调频控制死区要求为50±0.033Hz；对水电的要求为50±0.05Hz；对光伏发电的要求为50±0.06Hz；对风电的要求为50±0.10Hz。

储能系统的一次调频是指其根据电力系统频率的实时变化情况来调整自身输出或吸收的有功功率，以便于迅速响应电力系统用电负荷波动，从而维持电力系统频率的稳定性。该调频方式具有响应速度快、调节精度高的特点，是保障电力系统稳定运行的重要方式。相较于火电机组，电池储能系统可以更快地响应电力系统的频率变化，且可以独立或与新能源一起承担一次调频。根据相关的电力系统双细则考核，新能源发电配套储能系统后，能够完成或改善其在调峰、一次调频等方面的功能。对于300MW火电机组而言，其一次调频的限幅为额定容量的8%，即24MW；火电机组一次调频负荷调整量为每赫兹160MW，频率偏差为0.033～0.183Hz，对应调节功率为0～24MW，每次超限后火电机组的输出功率都为±0.2%的额定功率，即±600kW。按照上述技术要求，假设一次调频交由电池储能系统独立承担，则电池储能系统单次充放电工作时间仅为10s左右，且可认为上下频率超限的概率大致相当，则配置600kW/0.5h的电池储能系统较为适宜。若再辅助合理的电荷状态(SOC)管理策略，虽然每日电池储能系统的充放电循环次数较多，但其储能电池基本在50%SOC附近浅充浅放，充放电深度范围较小，确保了储能电池的使用寿命。

此外，为了进一步减少电池储能系统的容量，同时使储能电池运行在合理的SOC范围内，可采用双边界改进型平滑控制算法，通过频繁动作，优化运行中储能电池的SOC，进一步减少电力系统对电池储能系统容量的需求。

5应用案例

5.1项目介绍及主要设备

以某光储一体化微电网项目为例进行分析。该项目由装机容量为800kW的光伏发电系统、容量为250kW/500kWh的磷酸铁锂电池储能系统及用户用电负荷组成。磷酸铁锂电池储能系统的*高电压等级为10kV；光伏电力在满足自用有富余时，将电力存储在磷酸铁锂电池储能系统中，然后在用电高峰期将电力供给电网。该项目的主要设备清单如表2所示。

表2本项目的主要设备清单

5.2微电网的主要运行功能

5.2.1储能系统“黑启动”

该微电网会将光伏发电余电存储在磷酸铁锂电池储能系统中，以备不时之需。当市电网失电时，微电网与电网的公共连接点断开，磷酸铁锂电池储能系统可实现“黑启动”，即由储能系统和光伏发电系统向负载供电，而无需使用市电网电力。

5.2.2电压-电流双闭环运行模式

磷酸铁锂电池储能系统输出采用两段母线，当一段母线下多组储能电池运行于电压-电流双闭环模式时，另一段母线则运行于微电网并网控制策略下。在电压-电流双闭环运行模式下，可实现对储能电池的充放电控制，确保储能系统的运行稳定性和充放电效率，从而维持直流母线电压的平衡。

5.2.3能量管理系统(EMS)

EMS用于保障微电网的稳定、安全、可靠运行和光伏发电系统的优化利用，其具有数据及状态监控、设备管理与系统故障保护、信息存储与记录、配网自动化、智能计量、智能用电、视频及环境监控、综合能量管理等功能。

5.3储能系统的收益测算

本微电网中的磷酸铁锂电池储能系统主要运行在可实现削峰填谷的经济性运行模式下，即在用电低谷期，由电网向其充电；在白天用电高峰期，则释放能量，为电网供电。0当项目所在地的峰谷电价差为0.7元/kWh时，在磷酸铁锂电池储能系统的放电深度为90%的情况下，该储能系统的年收益为0.7×500×90%×365≈11.5万元。另外，本项目配套储能系统后，在节省电费的同时，还可以降低所需箱变的功率，节省箱变的购买费用。

6安科瑞Acrel-2000ES储能能量管理系统解决方案

6.1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，提高电池寿命。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。

6.2适用场合

(1)系统可应用于城市、高速公路、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。

(2)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：工商业储能积极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。

6.3系统结构

6.4系统功能

6.4.1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。

6.4.1.1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。

6.4.1.2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。

6.4.1.3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。

6.4.1.4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。

6.4.1.5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。

6.4.2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

6.4.3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

6.4.4运行报表

应能查询各子系统、回路的运行参数，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

6.4.5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

6.4.6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

6.4.7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、正序/负序/零序电压值、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

6.4.8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

6.4.9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

6.4.10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

6.4.11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。

6.4.12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

6.4.13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）。可以定义不同级别用户的登录名、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

6.4.14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、提高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

6.4.15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随意修改。

图29事故追忆

6.5系统硬件配置清单

7结论

本文针对电池储能系统在并网型新能源发电系统中的应用及作用进行了分析，并以某光储一体化微电网项目为例，对电池储能系统的经济性进行了研究。分析结果显示：在并网型新能源发电系统中，电池储能系统主要具有削峰填谷、稳定电力系统和一次调频的作用。基于所述光储一体化微电网项目所在地的峰谷电价差，电池储能系统运行在削峰填谷经济性模式下时可实现约11.5万元的年收益；并且在节省电费的同时，还可以节省箱变的购买费用。由此可知，储能系统的应用不仅可提高电力系统的运行可靠性和稳定性，还能达到一定的经济效益。

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