淺談微電網(wǎng)中儲(chǔ)能與電能量管理系統(tǒng)應(yīng)用

安科瑞 陳聰

摘 要：傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)在發(fā)電方面高度集中，通常通過(guò)輸電網(wǎng)絡(luò)將電力和能量從大型同步發(fā)電機(jī)和感應(yīng)發(fā)電機(jī)單向輸送到用戶。然而，可再生分布式能源如風(fēng)能、光伏、電池、生物質(zhì)能、燃料電池和微型渦輪機(jī)的出現(xiàn)，有可能遏制對(duì)化石能源發(fā)電的依賴，并改變電網(wǎng)中能量流動(dòng)的單向性。這些技術(shù)使實(shí)現(xiàn)本地電力可靠性和可持續(xù)能源利用成為可能。當(dāng)本地DER單元產(chǎn)生足夠的電力時(shí)，某些地方可以從主電網(wǎng)中斷開(kāi)，形成一個(gè)具有明確電氣邊界的相互連接的能源系統(tǒng)的自我可持續(xù)的“微電網(wǎng)”。微電網(wǎng)具有廣泛的應(yīng)用前景。它可以作為獨(dú)立或并網(wǎng)的供用電系統(tǒng)，為偏遠(yuǎn)地區(qū)、工業(yè)園區(qū)、居民區(qū)等各類場(chǎng)景提供電力供應(yīng)。同時(shí)，微電網(wǎng)還可以與大電網(wǎng)進(jìn)行互動(dòng)，參與電力市場(chǎng)的交易和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)能源的多元化利用和節(jié)能減排?？傊?，微電網(wǎng)是一種具有重要意義的分布式能源形式，它能夠?qū)崿F(xiàn)電力電量的自我平衡和優(yōu)化利用，為未來(lái)的能源發(fā)展提供新的思路和方向。按照運(yùn)行模式的不同，微電網(wǎng)可以分為離網(wǎng)型和并網(wǎng)型，并網(wǎng)型微電網(wǎng)在正常條件下與主網(wǎng)并網(wǎng)進(jìn)行能量的雙向交流，一旦電網(wǎng)的品質(zhì)或者質(zhì)量不符合規(guī)定，就能及時(shí)切斷主網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)自給自足。而離網(wǎng)型微電網(wǎng)是完*獨(dú)立的，不需要與主網(wǎng)進(jìn)行任何的連接，一般建設(shè)在偏遠(yuǎn)的邊境或者海上的孤島，滿足當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)的供電的需求。

0引言

微電網(wǎng)與常規(guī)配電網(wǎng)通常情況下并網(wǎng)運(yùn)行，一旦在電網(wǎng)中檢測(cè)到故障或電能質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)便會(huì)迅速與電網(wǎng)斷開(kāi)，轉(zhuǎn)為獨(dú)立運(yùn)行模式。微電網(wǎng)通常會(huì)在系統(tǒng)中配置一定容量的儲(chǔ)能裝置，以應(yīng)對(duì)模式切換過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)的功率缺額，保證平穩(wěn)過(guò)渡并維持系統(tǒng)穩(wěn)定。由于外界環(huán)境的變化和影響，新能源發(fā)電常常出現(xiàn)出力不穩(wěn)定的情況，比如光伏發(fā)電在夜間、風(fēng)力發(fā)電無(wú)風(fēng)等情況。為了應(yīng)對(duì)這種情況，儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)揮重要作用，持續(xù)向系統(tǒng)中的用戶供電，確保電力供應(yīng)的連續(xù)性。除了直接向系統(tǒng)中的用戶供電，儲(chǔ)能還能起到參與電力調(diào)峰、改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量、提升微電源性能等作用。

1微電網(wǎng)中常見(jiàn)儲(chǔ)能類型

鑒于微電網(wǎng)的特點(diǎn)及不同儲(chǔ)能的作用及原理，配置在微電網(wǎng)中的儲(chǔ)能裝置有著獨(dú)*的要求：能量密度大、功率密度大、高低溫性能良好、能適應(yīng)一些特殊環(huán)境等。雖然不是所有種類的儲(chǔ)能設(shè)備都能配置在微電網(wǎng)中，但儲(chǔ)能在提高微電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)能力方面仍然起到重要作用。本章將介紹在微電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)高滲透和集成的集中種類儲(chǔ)能的概述，研究不同儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)，分析各種儲(chǔ)能在微電網(wǎng)中的作用。

1.1機(jī)械儲(chǔ)能

機(jī)械儲(chǔ)能按工作原理可以分為勢(shì)能和動(dòng)能兩大類。其中勢(shì)能類包括壓縮氣體儲(chǔ)能、抽水蓄能，動(dòng)能類典型的有飛輪儲(chǔ)能。機(jī)械儲(chǔ)能方法可以轉(zhuǎn)換并儲(chǔ)存來(lái)自水流、波浪、潮汐的能量，在需要時(shí)隨時(shí)提供能量。

1.2飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)是一種機(jī)械儲(chǔ)能方式。旨在有效地存儲(chǔ)和釋放能量以滿足電力需求。其基本原理是通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的飛輪將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)能量的臨時(shí)儲(chǔ)存，以備系統(tǒng)在需要時(shí)快速釋放。這項(xiàng)技術(shù)的起源可以追溯到20世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)人們提出利用飛輪進(jìn)行能量存儲(chǔ)，并在電動(dòng)汽車領(lǐng)域進(jìn)行了初步探索。然而，直到80年代，隨著磁懸浮技術(shù)、高強(qiáng)度碳素纖維以及現(xiàn)代電力電子技術(shù)的進(jìn)步，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)才

得以真正實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

現(xiàn)代飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心組件通常包括一個(gè)巨大的可旋轉(zhuǎn)圓柱體，它通過(guò)磁懸浮軸承系統(tǒng)支撐在定子上。當(dāng)系統(tǒng)需要存儲(chǔ)能量時(shí)，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)并使飛輪快速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存。而在電力需求增加或電網(wǎng)故障時(shí)，飛輪則通過(guò)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)將儲(chǔ)存的機(jī)械能轉(zhuǎn)換回電能，通過(guò)電力電子裝置對(duì)輸出電能進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足負(fù)載的要求。

通過(guò)減少摩擦造成的能量損失，可以提高飛輪儲(chǔ)能的整體效率，而這可以通過(guò)在真空中旋轉(zhuǎn)飛輪或使用磁性軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)。飛輪儲(chǔ)能設(shè)備可以在微電網(wǎng)中提供即時(shí)有功功率支持。它具有不直接排放溫室氣體、轉(zhuǎn)換效率高、功率密度高、壽命長(zhǎng)（一般為20年）等諸多優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)飛輪儲(chǔ)能設(shè)備也被廣泛配置于各種電源。但飛輪儲(chǔ)能仍存在一些缺點(diǎn)，例如由于摩擦和空氣阻力而損失能量導(dǎo)致飛輪儲(chǔ)能設(shè)備自放電率較高，每小時(shí)可達(dá)3%~20%，同時(shí)初始成本也較高。

1.3鉛酸蓄電池儲(chǔ)能

鉛酸（PbA）電池是一種常見(jiàn)的電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備，廣泛應(yīng)用于汽車、不間斷電源、各種儲(chǔ)能系統(tǒng)中，可以說(shuō)是目前應(yīng)用廣泛的儲(chǔ)能系統(tǒng)。鉛酸蓄電池由一組正極（陽(yáng)極）和負(fù)極（陰極）以及中間的電解液組成。正極一般采用過(guò)氧化鉛（PbO2），負(fù)極采用純鉛（Pb），電解液是稀硫酸溶液。鉛酸蓄電池具有較好的穩(wěn)定性，能夠適用于瞬時(shí)大電流的需求，能夠應(yīng)用于汽車啟動(dòng)。同時(shí)還具有較低的制造成本，能夠大規(guī)模生產(chǎn)。但傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池電池循環(huán)壽命較短，需定期維護(hù)，并且電池成分中含有有害物質(zhì)，須謹(jǐn)慎處理以防止造成環(huán)境污染。

1.4鋰離子電池儲(chǔ)能

鋰離子電池是近年來(lái)興起的新型高能量二次電池。廣泛應(yīng)用于各種移動(dòng)設(shè)備、電動(dòng)汽車和各種儲(chǔ)能系統(tǒng)中。鋰離子電池的工作原理是基于鋰離子在正負(fù)極之間的移動(dòng)。正極材料通常使用鋰鈷氧化物或鋰鐵磷酸鹽等、負(fù)極材料通常使用石墨。其具有較高能量密度、輕量化、低自放電率、無(wú)污染的特點(diǎn)相較于鉛酸蓄電池有更大優(yōu)勢(shì)。鋰的快速反應(yīng)性能和輕質(zhì)的特性使其非常適合制造電池。但目前鋰離子電池由于特殊包裝和內(nèi)部過(guò)充保護(hù)電路造成較高成本而無(wú)法大規(guī)模生產(chǎn)。物理?yè)p傷、電濫用（如短路和過(guò)充）以及暴露于高溫下會(huì)導(dǎo)致熱失控。這些安全問(wèn)題和總體成本是阻礙鋰離子電池在配電系統(tǒng)中廣泛使用的兩個(gè)主要因素。

2微電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)

與傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)相比，微電網(wǎng)關(guān)鍵的特點(diǎn)是其連接到配電系統(tǒng)后能夠作為一個(gè)協(xié)調(diào)模塊進(jìn)行控制和運(yùn)行。對(duì)微電網(wǎng)各組成部分進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制是保證微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。對(duì)于直流微電網(wǎng)，輸電電壓需要進(jìn)行控制，而對(duì)于交流微電網(wǎng)，輸電頻率和電壓都需要控制。微電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)應(yīng)具有一定的運(yùn)行目標(biāo)，例如，應(yīng)遵循經(jīng)濟(jì)考慮，應(yīng)保證計(jì)算機(jī)服務(wù)器和醫(yī)療設(shè)備等負(fù)載的不間斷運(yùn)行，斷開(kāi)和重新連接過(guò)程應(yīng)無(wú)縫進(jìn)行，微電網(wǎng)應(yīng)能夠在一般故障情況下通過(guò)黑啟動(dòng)。合適的微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)可以支持儲(chǔ)能設(shè)備，以提高系統(tǒng)的可靠性和效率。將儲(chǔ)能與適當(dāng)?shù)哪芰抗芾硐到y(tǒng)結(jié)合使用可以提供以下功能。

1）電能質(zhì)量/可靠性的調(diào)節(jié)：儲(chǔ)能設(shè)備可用于控制網(wǎng)絡(luò)中供電的質(zhì)量，并管理諸如電壓不平衡、低功率因數(shù)、電壓/頻率發(fā)生偏移或供電不足等問(wèn)題。

2）旋轉(zhuǎn)備用：儲(chǔ)能設(shè)備可以在電網(wǎng)全部斷電的情況下提供備用電源。

3）能量轉(zhuǎn)移：在供應(yīng)過(guò)剩時(shí)期存儲(chǔ)的能量可以轉(zhuǎn)移到高需求和價(jià)格高的時(shí)期使用。

4）調(diào)峰：儲(chǔ)能可用于在短期負(fù)載峰值期間向微電網(wǎng)供電，從而減少更高功率水平的峰值需求，降低傳輸基礎(chǔ)設(shè)施的總體所需容量和峰值電費(fèi)。

5）套利：在電價(jià)較低時(shí)儲(chǔ)能，在電價(jià)較高時(shí)放電，是提高系統(tǒng)效率，優(yōu)化經(jīng)濟(jì)效益的主要途徑之一。

6）黑啟動(dòng)：意外事件可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)或單個(gè)部分的供電中斷。在這種情況下，儲(chǔ)能可用于產(chǎn)生有功功率，用于激勵(lì)配電線路或作為大型發(fā)電廠的啟動(dòng)電源。微電網(wǎng)所采用的控制策略直接影響到系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可行性及其優(yōu)布局和規(guī)模。微電網(wǎng)可以以兩種模式運(yùn)行：連接到主電網(wǎng)和孤立于主電網(wǎng)。當(dāng)并網(wǎng)時(shí)，微電網(wǎng)可與主電網(wǎng)交換電力，保持電力穩(wěn)定。而當(dāng)處于孤島模式時(shí)，沒(méi)有與主電網(wǎng)的物理連接，需要儲(chǔ)能來(lái)維持電力穩(wěn)定。如上所述，微電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)的控制方法可以分為不同的類別，具有儲(chǔ)能的微電網(wǎng)可以采用集中式、分散式控制模式運(yùn)行。

3集中式控制

在集中式控制的結(jié)構(gòu)中，微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)發(fā)揮著大限度地提高微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和優(yōu)化其運(yùn)營(yíng)的重要作用。能量管理系統(tǒng)的控制器接收局部控制器的反饋，并發(fā)送微電網(wǎng)的所有控制信號(hào)。信號(hào)由局部控制器接收，它們控制直流微電網(wǎng)中的電壓（或交流微電網(wǎng)中的電壓和頻率）并優(yōu)化通過(guò)配電饋線的功率流。在并網(wǎng)模式下，局部控制器將服從控制器的命令，而在孤島模式下，它們有完*的自主權(quán)來(lái)執(zhí)行自己的行動(dòng)。在這種控制方法中，分布式發(fā)電機(jī)組通常有一個(gè)所有者，他想要優(yōu)化所有分布式發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在這里，控制器的主要作用是根據(jù)業(yè)主或微電網(wǎng)管理人員預(yù)定義的規(guī)則，決定需要從主電網(wǎng)導(dǎo)入的電量，并優(yōu)化非關(guān)鍵負(fù)載在關(guān)鍵條件下的功能。集中式控制的優(yōu)點(diǎn)是分工明確，設(shè)備成本低，容易執(zhí)行控制整個(gè)系統(tǒng)。但隨著分布式電源增加，會(huì)對(duì)控制器的信息處理能力有較高要求，不容易拓展應(yīng)用。

4分散式控制

與集中控制結(jié)構(gòu)相比，分散控制模式的主要目標(biāo)是大限度地生產(chǎn)電力，以滿足負(fù)荷需求，儲(chǔ)存、向公用電網(wǎng)輸出多余的電力。在這種控制模式下，控制器在控制通信中并不起重要作用，而是像局部控制器、微源控制器這樣的低層控制器在微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行中提供支持。所有微源控制器相互競(jìng)爭(zhēng)，以當(dāng)前市場(chǎng)價(jià)格為決定因素，通過(guò)管理運(yùn)行和維護(hù)來(lái)滿足需求并大限度地向電網(wǎng)出口，從而大化其產(chǎn)量。微源和負(fù)載的自主性可以使用智能方法來(lái)處理。當(dāng)微源和微負(fù)載具有不同的所有者和不同的目標(biāo)，且各單元控制器的動(dòng)作具有一定程度的智能時(shí)，這種控制結(jié)構(gòu)是好的。通過(guò)在系統(tǒng)中使用分散式控制，減少控制器計(jì)算負(fù)擔(dān)，每個(gè)局部控制器負(fù)責(zé)管理相對(duì)較小的子系統(tǒng)，降低整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性。分散式控制模式使得分布式電源具有更高的靈活性。各個(gè)局部控制器可以更迅速地響應(yīng)局部變化，適應(yīng)不同的環(huán)境和工況。即使控制器發(fā)生故障，分散式控制使得各個(gè)局部控制器能夠獨(dú)立運(yùn)行，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。這種冗余性有助于防止單點(diǎn)故障引起的系統(tǒng)崩潰。

5安科瑞Acrel-2000ES儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)概述

5.1概述

安科瑞Acrel-2000ES儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)，專門(mén)針對(duì)工商業(yè)儲(chǔ)能柜、儲(chǔ)能集裝箱研發(fā)的一款儲(chǔ)能EMS，具有完善的儲(chǔ)能監(jiān)控與管理功能,涵蓋了儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備(PCS、BMS、電表、消防、空調(diào)等)的詳細(xì)信息,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報(bào)警管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等功能。在高級(jí)應(yīng)用上支持能量調(diào)度,具備計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。

5.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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(chǔ)能柜或者儲(chǔ)能集裝箱內(nèi)部的設(shè)備接入系統(tǒng)

5.3接入設(shè)備

Acrel-2000ES，具備多種接口，多種協(xié)議對(duì)接的能力，支持多種設(shè)備接入。

5.4系統(tǒng)功能

5.4.1實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)人機(jī)界面友好，能夠顯示儲(chǔ)能柜的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) PCS、BMS 以及環(huán)境參數(shù)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。

5.4.2設(shè)備監(jiān)控

系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè) PCS、BMS、電表、空調(diào)、消防、除濕機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行模式。

PCS 監(jiān)控：滿足儲(chǔ)能變流器的參數(shù)與限值設(shè)置；運(yùn)行模式設(shè)置；實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能變流器交直流側(cè) 電壓、電流、功率及充放電量參數(shù)的采集與展示；實(shí)現(xiàn) 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(jiān)測(cè)。

BMS 監(jiān)控：滿足電池管理系統(tǒng)的參數(shù)與限值設(shè)置；實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池的電芯、電池簇的溫度、

電壓、電流的監(jiān)測(cè)；實(shí)現(xiàn)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(diào)監(jiān)控：滿足環(huán)境溫度的監(jiān)測(cè)，可根據(jù)設(shè)置的閾值進(jìn)行空調(diào)溫度的聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)及溫濕度數(shù)據(jù)，以曲線形式進(jìn)行展示。

UPS 監(jiān)控：滿足 UPS 的運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)電參量監(jiān)測(cè)。

5.4.3 曲線報(bào)表

系統(tǒng)能夠?qū)?PCS 充放電功率曲線、SOC 變換曲線、及電壓、電流、溫度等歷史曲線的查詢與展示。

5.4.4策略配置

滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)的配置、電價(jià)參數(shù)與時(shí)段的設(shè)置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制等。

5.4.5實(shí)時(shí)報(bào)警

儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)?chǔ)能充放電越限、溫度越限、設(shè)備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

5.4.6事件查詢統(tǒng)計(jì)

儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)能夠?qū)b信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，方便用戶對(duì)系統(tǒng)事件和報(bào)警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。

5.4.7遙控操作

可以通過(guò)每個(gè)設(shè)備下面的紅色按鈕對(duì) PCS、風(fēng)機(jī)、除濕機(jī)、空調(diào)控制器、照明等設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制，但是當(dāng)設(shè)備未通信上時(shí)，控制按鈕會(huì)顯示無(wú)效狀態(tài)。

5.4.8用戶權(quán)限管理

儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過(guò)用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如遙控的操作，數(shù)據(jù)庫(kù)修改等）?？梢远x不同級(jí)別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。

5.4.9安科瑞配套產(chǎn)品

6 結(jié)語(yǔ)

本文研究了一種適用于電動(dòng)公交車充電站的預(yù)制艙式儲(chǔ)能系統(tǒng)。不同于傳統(tǒng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，將主要設(shè)備集成在標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)，具有占地小、接線簡(jiǎn)單、便于運(yùn)輸及安裝的特點(diǎn)，適用于布置緊湊、缺少大型生產(chǎn)綜合用房的城市電動(dòng)公交車充電站，具有較好的應(yīng)用推廣前景。除儲(chǔ)能單元、變流單元等一次設(shè)備外，預(yù)制艙式儲(chǔ)能系統(tǒng)同時(shí)集成了智能控制屏柜，對(duì)整體系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境、控制策略、安防等方面進(jìn)行集中監(jiān)控，保障了預(yù)制艙式儲(chǔ)能系統(tǒng)安全高效運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

1. 王又佳，蔣雨哲.微電網(wǎng)中儲(chǔ)能與能量管理系統(tǒng)應(yīng)用

[2] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.5版.