淺談工業(yè)園區儲能系統設計與應用

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：獨立為解決不同儲能系統間的電能互濟、電網(wǎng)關(guān)口計量點(diǎn)需量控制及充電樁等設備的柔性控制問(wèn)題,以中節能臨平儲能電站項目為例,對儲能系統運行過(guò)程中存在的問(wèn)題及相關(guān)數據進(jìn)行研究分析,提出相關(guān)解決方法。選擇合適的采集點(diǎn),通過(guò)控制與管理系統（EMS）打通信信息孤島,可有效解儲能系統運行存在的問(wèn)題,以期為其他園區實(shí)施相關(guān)項目提供借鑒。

關(guān)鍵字：工業(yè)園區；儲能系統；EMS；電網(wǎng)關(guān)口計量點(diǎn)；需量控制

0.引言

隨著(zhù)全球氣候問(wèn)題日益嚴峻,新能源的應用得到了普及。然而,光伏、風(fēng)能等新能源的應用對電網(wǎng)的穩定運行造成了一定影響,為緩解影響,儲能技術(shù)得到了推廣應用儲能系統是通過(guò)介質(zhì)或設備把能量存儲起來(lái),在需要時(shí)再釋放的過(guò)程。儲能系統根據能量來(lái)源的不同分為物理儲能、化學(xué)儲能、電磁儲能3大類(lèi)。儲能系統主要包括儲能設備、能量轉換裝置、EMS3部分。工商業(yè)用戶(hù)的分布式儲能以化學(xué)儲能應用為主,在工業(yè)園區的實(shí)踐探索中,分布式儲能已經(jīng)取得了顯著(zhù)成效。然而,分布式儲能在應用中常因數據采集點(diǎn)設置和控制邏輯不合理導致需量控制失敗,儲能系統的輸出輸入功率被過(guò)早限止。筆者以中節能臨平儲能電站項目為例,分析儲能系統應用中存在的問(wèn)題,并提出解決措施,以期為其他園區實(shí)施類(lèi)似項目提供參考。

1.項目概況

新建的中節能臨平儲能電站位于臨平工業(yè)園區內,園區從電網(wǎng)接入1路10kV高壓電源,5路高壓出線(xiàn)。1號配電房高低壓共室布置,3路高壓出線(xiàn)為B1、B2、B33臺變壓器提供電源,1號配電房另一路高壓出線(xiàn)到2號配電房通過(guò)一進(jìn)四出環(huán)網(wǎng)柜為B4、B5、B6、B74臺變壓器提供高壓電源,*后一路高壓出線(xiàn)為3號配電房B8變壓器提供電源。1號、2號、3號、8號變壓器的容量為1250kVA,4號～7號變壓器的容量為1000kVA。園區已建有光伏1MWp,分2路并入2號配電房的B4、B6變壓器低壓母排。根據歷史用電數據,*大需量在變壓器總容量的50%以?xún)?。園區管理部門(mén)為了減少基本電費的支出按實(shí)際需量的電費結算方式簽訂供用電合同。10kV一次主接線(xiàn)圖如圖1所示。

2.項目?jì)δ芟到y

根據臨平工業(yè)園區近年的負荷曲線(xiàn)和變壓器的輸出功率情況,項目課題組在B1號變壓器和B2號變壓器低壓總進(jìn)線(xiàn)斷路器出線(xiàn)側接入300kW/996kW·h的1號儲能系統和200kW/446kW·h的2號儲能系統。項目課題組依據浙江省的電費政策采取二充二放的充放電策略?？紤]1號、2號變壓器的負載率相對較高,B3號變壓器的負載率相對較小且變壓器附近布置充電樁的條件合適,項目課題組決定在B3號變壓器低壓出線(xiàn)回路新增一樁二槍快充1臺（功率為120kW）,慢充樁5臺（功率為7kW）。儲能系統支持削峰填谷、需量控制、防逆流控制的策略。儲能系統的并網(wǎng)接入點(diǎn)選擇在變壓器的低壓總進(jìn)線(xiàn)處,在接入點(diǎn)電源側增設防逆流電表用以采集變壓器輸出的瞬時(shí)功率和正向有功功率需量。儲能系統的并網(wǎng)柜內設置充放電的并網(wǎng)電能表,用以計量?jì)δ茉O備的充放電有功電量。EMS采集防逆流電表及并網(wǎng)柜內電能表的數據并進(jìn)行運算,依照設定的邏輯來(lái)控制儲能系統的輸入、輸出有功功率。如：儲能系統輸出功率小于本地負荷功率時(shí),按*大功率放電;儲能系統輸出功率大于本地負荷瞬時(shí)功率時(shí),降低輸出功率,使輸出功率不大于本地負荷功率,防止儲能系統向接入點(diǎn)變壓器高壓側輸出電能。儲能系統輸入功率與本地負荷功率之和應不超過(guò)變壓器的需求量及*大帶載容量,否則需降低儲能系統的輸入功率。臨平工業(yè)園區的2套儲能系統各自運行相互不關(guān)聯(lián),每套儲能系統的拓樸圖如圖2所示。

3.儲能系統運行存在問(wèn)題及原因分析

3.1儲能系統運行存在問(wèn)題

儲能系統輸入功率時(shí),存在基本電費增加的風(fēng)險。儲能系統僅依據并網(wǎng)點(diǎn)變壓器側的有功功率和需量數據進(jìn)行運行控制,若并網(wǎng)接入點(diǎn)變壓器的瞬時(shí)輸出功率未超該變壓器的需量和允許*大輸出功率,此時(shí)疊加其余變壓器的功率后電網(wǎng)關(guān)口計量點(diǎn)的需量有增加的風(fēng)險。電網(wǎng)關(guān)口計量點(diǎn)的*大需量是電網(wǎng)與用戶(hù)結算基本電費的依據,但并網(wǎng)接入點(diǎn)變壓器和電網(wǎng)關(guān)口計量點(diǎn)的*大需求量在時(shí)間上是不一致的,僅依據單臺變壓器的控制方式會(huì )導致需量控制策略失敗。

充電樁工作時(shí)僅依據車(chē)輛的狀態(tài)為新能源車(chē)輛輸出有功功率,儲能系統輸入功率及用電負載功率疊加充電功率后,存在增加電網(wǎng)關(guān)口計量點(diǎn)的*大需量及變壓器超功率運行的風(fēng)險,對變壓器的安全運行造成危害。

儲能系統輸入功率時(shí),僅依據接入點(diǎn)變壓器的功率與需量來(lái)判斷允許的輸入功率,存在降低儲能電站收益的風(fēng)險。臨平工業(yè)園區1號儲能系統和2號儲能系統某日9：00—11：00（輸出功率時(shí)段）、11：00—13：00（輸入功率時(shí)段）、15：00—17：00（輸出功率時(shí)段）儲能系統并網(wǎng)點(diǎn)負荷功率曲線(xiàn)如圖3和圖4所示。圖中關(guān)口表功率曲線(xiàn)為接入點(diǎn)變壓器的功率曲線(xiàn),負載功率曲線(xiàn)為接入點(diǎn)變壓器所帶負載的功率曲線(xiàn),需量為接入點(diǎn)變壓器的數據,并網(wǎng)點(diǎn)功率為儲能系統的輸入輸出功率。以下針對9：00—11：00時(shí)段、11：00—13：00時(shí)段進(jìn)行分析。

9：00—11：00時(shí)段。根據圖3、圖4可知,該時(shí)間段1號和2號儲能系統均輸出有功功率。1號儲能系統并網(wǎng)變壓器的用戶(hù)負載功率小于儲能系統的額定輸出功率,1號儲能系統輸出功率不大于用戶(hù)的負載,2號儲能系統以額定功率輸出有功功率。該時(shí)段儲能系統輸出功率周期結束時(shí),1號儲能系統電池存儲電量未全部釋放,電池SOC值為38%,2號儲能系統電池存儲的電量按設定參數全部釋放完,電池SOC值為5%。11：00—13：00時(shí)段。該時(shí)段為低谷時(shí)段,儲能系統輸入有功功率,儲能電池存儲電量。1號儲能系統以額定功率輸入有功功率,儲能電池存儲電量達到設定的*大值,電池SOC值為95%。2號儲能系統受并網(wǎng)接入點(diǎn)變壓器需量控制影響,輸入功率小于額定輸入功率,儲能電池存儲電量不足,電池SOC值為68%。根據電網(wǎng)關(guān)口計量點(diǎn)數據分析,該時(shí)段所有負載功率仍小于*大需量時(shí),2號儲能系統的輸入功率被限制,降低了電站的收益。

3.2原因分析

由于數據采集點(diǎn)設置不合理,投運時(shí)每個(gè)EMS各自采集儲能系統接入點(diǎn)變壓器的有功功率和*大需量值,不能反映電網(wǎng)關(guān)口計量點(diǎn)的有功功率和*大需量,而電網(wǎng)關(guān)口計量點(diǎn)恰恰又是電網(wǎng)防逆流和*大需量考核點(diǎn)。當儲能并網(wǎng)接入點(diǎn)變壓器未發(fā)生逆流且輸出功率小于*大需量,但疊加同一電網(wǎng)關(guān)口計量點(diǎn)范圍內其余變壓器所帶負荷、儲能系統負荷、充電樁負荷,則在電網(wǎng)關(guān)口計量點(diǎn)可能發(fā)生逆流或輸出功率超過(guò)*大需量的情況,*終導致防逆流和*大需量控制策略失敗。

充電樁的充放電功率只根據車(chē)輛交互信息提供輸出功率,儲能系統輸入功率產(chǎn)生功率疊加后,增加逆流及總功率超*大需量風(fēng)險。充電樁不能主動(dòng)降低充電輸出功率以保證儲能系統的輸入功率。

儲能系統EMS間數據鏈路未形成,相互間不能協(xié)同運行。如前述9：00—11：00時(shí)段的情況：1號儲能系統未能釋放全部電量,2號儲能系統以額定功率釋放全部電量,2號儲能系統所屬變壓器負載功率仍需電網(wǎng)提供才能滿(mǎn)足要求,1號儲能系統無(wú)法輸出功率提供給2號儲能系統所屬變壓器負載。

4.解決方法

首先,選擇合理的采樣點(diǎn),采集儲能系統并網(wǎng)接入點(diǎn)變壓器、充電樁所接變壓器的功率及電網(wǎng)關(guān)口計量點(diǎn)的功率和*大需量,得到準確反映變壓器的輸出功率、計量點(diǎn)的*大需量及有功功率等信息。其次,打通信息孤島,同一電網(wǎng)關(guān)口計量點(diǎn)范圍內接入的不同變壓器、儲能系統、充電樁的電參量數據采集到同一個(gè)EMS,EMS依據每臺并網(wǎng)變壓器的有功功率及電網(wǎng)關(guān)口計量點(diǎn)的*大需量計算出每套儲能系統的輸入功率、儲能系統及充電樁的輸出功率。EMS拓樸圖如圖5所示。

EMS確保儲能設備在輸入功率、充電樁輸出功率時(shí)不增加園區*大需量,接入點(diǎn)變壓器的負載功率不超過(guò)變壓器的安全供電容量,且儲能設備輸出功率時(shí)不向電網(wǎng)送電。具體方法如下。

防逆流數據采集點(diǎn)由接入點(diǎn)變壓器低壓側上移到電網(wǎng)關(guān)口計量點(diǎn),使儲能設備在釋放電能時(shí)不受接入點(diǎn)變壓器逆流的控制,有效打通不同變壓器間的能量流通。如,其中一臺儲能設備的輸出功率大于接入點(diǎn)變壓器的負載功率,電能會(huì )從接入點(diǎn)變壓器的低壓側流向高壓側,經(jīng)高壓母排輸送到其余變壓器的負載,當電網(wǎng)關(guān)口計量點(diǎn)出現逆流趨勢,則降低儲能設備輸出功率或停止儲能設備輸出功率。

電網(wǎng)關(guān)口計量點(diǎn)的有功功率、*大需量、儲能和充電樁接入變壓器的瞬時(shí)輸出功率數據統一由EMS收集并進(jìn)行邊緣計算。電網(wǎng)關(guān)口計量點(diǎn)一旦出現逆流趨勢,EMS即發(fā)出指令讓儲能設備降低輸出功率直至停止功率輸出,防止逆流時(shí)儲能設備向電網(wǎng)送輸出有功功率,此時(shí)不影響光伏系統的功率輸出。儲能設備輸入功率階段EMS調度儲能和充電樁的輸入功率值，保證接入點(diǎn)變壓器不超載運行。

在本項目實(shí)施過(guò)程中考慮儲能、充電樁等設備來(lái)自不同廠(chǎng)家的因素,為確保設備的安全運行及責任劃分,EMS只負責數據的采集、運算、各設備允許輸出輸入功率的分配,不參與單臺設備系統內的控制。EMS把各受調設備的輸出、輸入功率的指令發(fā)送給儲能或充電樁的管理子系統,由儲能或充電樁管理子系統自行控制相應設備。

5.Acrel-2000ES儲能柜能量管理系統

5.1系統概述

安科瑞儲能能量管理系統Acrel-2000ES，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。系統結構如下：

5.3系統功能

5.3.1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。

5.3.2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。

5.3.3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。

5.3.4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。5.3.5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。

5.3.6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。

5.3.7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)。

5.3.8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。

6.相關(guān)平臺部署硬件選型清單

7.結語(yǔ)

筆者以中節能臨平儲能電站項目為例,介紹項目新建儲能系統運行過(guò)程中存在的問(wèn)題,針對問(wèn)題提出：選擇合理的采樣點(diǎn),采集儲能系統并網(wǎng)接入點(diǎn)變壓器、充電樁所接變壓器的功率及電網(wǎng)關(guān)口計量點(diǎn)的功率和*大需量;引入以電網(wǎng)關(guān)口計量點(diǎn)為控制單元的EMS,加強控制邏輯。相關(guān)措施有效解決了基本電費增加問(wèn)題,也解決了變壓器間輸出功率及負載功率互濟增加問(wèn)題,提升了儲能系統的存儲電量及釋放電量,增加儲能收益。

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