【摘要】隨著可再生能源的廣泛接入和電力系統(tǒng)對靈活性,穩(wěn)定性要求的提升,儲能電站作為電力系統(tǒng)中組成部分,其重要性日益凸顯。深入探討儲能電站能量管理設(shè)備系統(tǒng)的技術(shù)研究與應(yīng)用,回顧儲能電站的發(fā)展背景,探討儲能電池的類型與儲能技術(shù)分類,闡述儲能電站能量管理設(shè)備系統(tǒng)的構(gòu)成與設(shè)計,為儲能電站的高效、安全運行提供理論與實踐指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】儲能電站，能量管理，設(shè)備系統(tǒng)技術(shù)研究

儲能電站能量管理設(shè)備系統(tǒng)作為儲能電站的核心組成部分,直接關(guān)系儲能系統(tǒng)的整體效率和安全性。該系統(tǒng)包括電池配置、換流器及控制系統(tǒng)(PCS)電池管理系統(tǒng)(BMS)和能量管理系統(tǒng)(EMS)等關(guān)鍵組件，這些組件的優(yōu)化設(shè)計和高效協(xié)同，對實現(xiàn)儲能電站的精細(xì)化管理、提高能量利用效率、降低運行成本十分重要。

近年儲能技術(shù)快速發(fā)展,特別是鋰離子電池、液流電池等新型儲能方式不斷成熟,顯著降低了儲能成本,提升了儲能系統(tǒng)的效率與安全性,推動儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用。隨著風(fēng)能、太陽能等可再生能源的普及電力系統(tǒng)面臨的間歇性和波動性挑戰(zhàn)日益凸顯,儲能技術(shù)成為平衡供需、平滑輸出、提高并網(wǎng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵!儲能系統(tǒng)在調(diào)峰填谷、優(yōu)化資源配置、提升電網(wǎng)靈活性方面的作用顯著,面對全球氣候變化的嚴(yán)峻形勢,儲能技術(shù)的應(yīng)用有助于減少化石能源依賴,促進清潔能源消納,對實現(xiàn)碳中和目標(biāo)具有重要戰(zhàn)略意義。

1 儲能電站能量管理設(shè)備系統(tǒng)的選型與方案

1.1 儲能電池類型

儲能電池性能直接影響儲能系統(tǒng)的能量密度、功率密度、循環(huán)壽命、安全性和成本等關(guān)鍵指標(biāo)。目前,市場上主流的儲能電池包括鋰離子電池、鉛酸電池、液流電池、鈉硫電池等,每種電池類型都有其的優(yōu)勢和適用場景。

1.2 電池儲能技術(shù)分類

1.2.1鋰離子電池儲能技術(shù)

鋰離子電池是目前應(yīng)用最為廣泛的電池儲能技術(shù)之一,具有高能量密度、長循環(huán)壽命、快速充放電能力和良好的功率特性,適用于多種儲能場景,包括電動汽車、家用儲能系統(tǒng)、電網(wǎng)調(diào)峰和可再生能源并網(wǎng)等!21。鋰離子電池的種類繁多,常見的有鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和鎳鈷錳三元材料等。磷酸鐵鋰作為磷酸鐵鋰電池的正極材料,其天然形態(tài)為有序的橄欖石結(jié)構(gòu),來源于自然界中的磷鐵鋰礦,的結(jié)構(gòu)賦其優(yōu)異的穩(wěn)定性和安全性。在單體電池的設(shè)計中,包括隔膜、正負(fù)極材料及電解質(zhì)溶液,各部分協(xié)同工作以實現(xiàn)電能的存儲與釋放。

在電池內(nèi)部,聚合物隔膜允許鋰離子自由穿越,有效阻擋電子的直接流通,確保電池在充放電過程中既高效又安全。電池的右側(cè),石墨作為負(fù)極活性物質(zhì),通過銅與電池負(fù)極緊密相連,形成高效的電子傳輸通道，電池的左側(cè)為磷酸鐵鋰構(gòu)成的正極材料,通過鋁箔與正極相連確保正極材料的穩(wěn)定性和電導(dǎo)率。整個電池系統(tǒng)由堅固的外殼密封封裝,內(nèi)部充盈著電解質(zhì)溶液,電解質(zhì)溶液為鋰離子提供移動的介質(zhì),還對電池內(nèi)部組件起到保護作用,防止水分和雜質(zhì)的侵人,保證電池的長期穩(wěn)定運行。

1.2.2鉛酸電池儲能技術(shù)

鉛酸電池是最早的商用電池之一,具有成本低、技術(shù)成熟、維護簡單等優(yōu)點,雖然其能量密度和功率密度較低,但在備用電源,小型儲能系統(tǒng)和某些特定工業(yè)應(yīng)用中仍然占據(jù)一席之地。鉛酸電池主要包括普通鉛酸電池和閥控式密封鉛酸電池(VRLA)兩種類型。

1.2.3液流電池儲能技術(shù)

液流電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)儲能裝置,其工作原理是利用兩個可流動的電解質(zhì)溶液在電池中進行氧化還原反應(yīng)。液流電池的特點是能量密度和功率密度可獨立設(shè)計,易于大規(guī)模儲能,安全性高、循環(huán)壽命長。常見的液流電池有全釩液流電池、鋅溴液流電池和鋅鐵液流電池等。

1.2.4鈉硫電池儲能技術(shù)

鈉硫電池是以鈉和硫為活性物質(zhì)的高溫電池，具有高能量密度、高效率和長循環(huán)壽命的優(yōu)點,適用于大容量、高功率的儲能應(yīng)用。鈉硫電池工作溫度通常在300℃以上,需要良好的熱管理系統(tǒng)以保證安全運行。

1.3 系統(tǒng)需求分析

在儲能電站的選型中,考慮商業(yè)運營的核心目標(biāo)與系統(tǒng)的規(guī)模,電化學(xué)儲能方案中,鈉硫電池和全釩液流電池因技術(shù)成熟度、成本和安全性問題,使其在大規(guī)模儲能項目中的應(yīng)用受到限制。鉛碳電池由于充放電次數(shù)有限和能量密度不足，也不適合作為大型儲能項目的選擇相比之下,鋰離子電池,尤其是磷酸鐵鋰電池,憑借成熟的技術(shù),廣泛的應(yīng)用,較高的安全性和成本效益,成為大型儲能電站的優(yōu)選。磷酸鐵鋰電池在安全性,耐熱性和循環(huán)壽命方面表現(xiàn)突出,且國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈完善,成本控制優(yōu)勢明顯,是實現(xiàn)儲能系統(tǒng)高效、安全、經(jīng)濟運行的理想選擇。因此,基于項目規(guī)模、技術(shù)成熟度、成本效益和安全性能的綜合考量,建議采用磷酸鐵鋰系統(tǒng)作為儲能解決方案,以實現(xiàn)商業(yè)運營目標(biāo)。

2 儲能電站能量管理設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成與設(shè)計

2.1 電池配置

儲能電站的電池配置設(shè)計是一個系統(tǒng)工程,應(yīng)綜合考慮儲能需求、電池特性、系統(tǒng)集成、安全防護和維護管理等多方面因素,實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟性。以某300MW/300MWh儲能電站建設(shè)項目為例,其儲能系統(tǒng)主要由儲能電池組、PCS、BMS及匯流變壓器等設(shè)備組成1。單套35kV6.38MW/6.38MWh交流級聯(lián)儲能系統(tǒng)電池系統(tǒng)成組方式如表1所示(共30套)4,單套35kV6.08MW/6.08MWh交流級聯(lián)儲能系統(tǒng)電池系統(tǒng)成組方式如表2所示(共18套)。

2.2 換流器及控制系統(tǒng)

PCS負(fù)責(zé)電池與電網(wǎng)之間的能量轉(zhuǎn)換,控制系統(tǒng)則負(fù)責(zé)調(diào)度和優(yōu)化能量流動。PCS在儲能系統(tǒng)中十分重要,實現(xiàn)電池與電網(wǎng)之間的能量雙向轉(zhuǎn)換,即從直流電到交流電的逆變過程,以及從交流電到直流電的整流過程。

PCS的技術(shù)先進性直接決定儲能系統(tǒng)在電氣性能上的表現(xiàn)水平。作為儲能系統(tǒng)的核心組件,PCS的性能優(yōu)劣直接影響整個系統(tǒng)的運行效率、安全性和經(jīng)濟性。為充分發(fā)揮大量交流級聯(lián)PCS的協(xié)同優(yōu)勢,精細(xì)且高效的控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)通常由主控制器、人機交互界面(觸摸屏)及上位機等多個關(guān)鍵組件構(gòu)成,共同協(xié)作以實現(xiàn)對整個級聯(lián)系統(tǒng)的精準(zhǔn)調(diào)控。

2.3 電池管理系統(tǒng)

BMS采用三級架構(gòu),每一層級承擔(dān)特定職責(zé),協(xié)同確保電池組的高效與安全運行。其中電池采集單元(BMU)直接采集電池電壓、溫度等數(shù)據(jù),診斷并上報故障:電池控制單元(BCU)管理電池充放電,估算SOC與SOH,執(zhí)行自檢、通信協(xié)調(diào),以及遇異常自動保護。電池堆管理系統(tǒng)(BAMS)進行全局監(jiān)控,分析BCU數(shù)據(jù),評估電池狀態(tài),轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)至EMS,確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

2.4 能量管理系統(tǒng)的特點

儲能電站的監(jiān)控和EMS作為儲能系統(tǒng)的核心大腦主要職責(zé)包括全面收集并管理來自BMS、PCS及電氣設(shè)備的全部數(shù)據(jù)，向儲能系統(tǒng)各組成部分發(fā)送精準(zhǔn)的控制指令,指導(dǎo)整個系統(tǒng)的運行,確保儲能變流器的工作狀態(tài)符合策略:負(fù)責(zé)設(shè)置PCS的充放電功率、電壓、電流和頻率等關(guān)鍵參數(shù),實時采集并顯示PCS的有功/無功功率、電壓、電流、頻率及工作狀態(tài)等信息,確保PCS運行在高效、安全的狀態(tài)下。系統(tǒng)具備自動與手動兩種運行模式,自動模式下,系統(tǒng)依據(jù)預(yù)設(shè)的充放電時間、功率和運行模式自主運行,實現(xiàn)智能化管理:在手動模式下,系統(tǒng)能夠即時響應(yīng)操作員的指令,確保在特定情況下的人為干預(yù)能力。

3 儲能電站能量管理設(shè)備系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 數(shù)據(jù)存儲技術(shù)

數(shù)據(jù)存儲技術(shù)旨在確保海量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確存儲與高效檢索,支持對大數(shù)據(jù)的深度分析,為決策提供堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),對電池狀態(tài)、電網(wǎng)運行參數(shù)、環(huán)境條件等多種數(shù)據(jù)的實時記錄與長期保存。高性能數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),結(jié)合數(shù)據(jù)壓縮、冗余存儲、數(shù)據(jù)加密等技術(shù),利用分布式存儲和云計算技術(shù),提高數(shù)據(jù)處理能力和系統(tǒng)擴展性。

3.2 魯棒性測試技術(shù)

魯棒性測試技術(shù)用于評估系統(tǒng)在異常條件下的穩(wěn)定性和可靠性,確保即使在或非預(yù)期環(huán)境下,系統(tǒng)仍能保持正常運行,減少故障風(fēng)險。通過構(gòu)建多種異常場景，如電網(wǎng)波動、設(shè)備故障、天氣條件等,對系統(tǒng)進行壓力測試和故障注人,評估系統(tǒng)恢復(fù)能力和容錯性能。

3.3電網(wǎng)控制類閉環(huán)驗證技術(shù)

閉環(huán)驗證技術(shù)通過模擬真實電網(wǎng)環(huán)境，包括動態(tài)負(fù)荷變化、電網(wǎng)頻率波動等復(fù)雜條件,全面評估系統(tǒng)在實際運行中的控制策略和響應(yīng)效果。構(gòu)建高保真的電網(wǎng)仿真模型,與實際儲能系統(tǒng)進行閉環(huán)連接,實時模擬各種電網(wǎng)場景,測試系統(tǒng)的控制邏輯和算法性能。通過對比仿真結(jié)果與預(yù)期目標(biāo),優(yōu)化控制參數(shù),提高系統(tǒng)對電網(wǎng)需求的響應(yīng)速度和準(zhǔn)確性。

4 儲能電站能量管理設(shè)備系統(tǒng)的實現(xiàn)及技術(shù)驗證

4.1系統(tǒng)實現(xiàn)

儲能電站控制系統(tǒng)遵循模塊化與功能集成的設(shè)計理念,構(gòu)建由系統(tǒng)層和設(shè)備層組成的雙層結(jié)構(gòu),實現(xiàn)高效靈活的能源管理。設(shè)備層與系統(tǒng)層之間通過網(wǎng)線或光纖進行數(shù)據(jù)交換,采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和高速度。在設(shè)備層，下行設(shè)備通過RS485接口或網(wǎng)線與通信管理機及中心控制器進行通信151。通信管理機扮演著橋梁角色,負(fù)責(zé)將采用非標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議的設(shè)備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控主機,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化與統(tǒng)一管理

4.2 技術(shù)驗證

通過虛擬化技術(shù),模擬100臺儲能設(shè)備的高負(fù)載環(huán)境,每臺設(shè)備每秒發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)量為50個。在高負(fù)載條件下,EMS平均響應(yīng)時間為0.25s,數(shù)據(jù)處理延遲低于1s處理能力達到98%。CPU使用率平均為45%,峰值為60%:內(nèi)存使用率為30%,峰值為45%:網(wǎng)絡(luò)帶寬使用率為20%,峰值為35%。接入了5個不同品牌的BMS和PCS設(shè)備,包括品牌A、B.C.D和E,每種設(shè)備型號至少3種,共計15臺設(shè)備。

測試結(jié)果表明,所有設(shè)備均能成功接入EMS,數(shù)據(jù)采集和控制指令傳輸成功率均達到100%。與電網(wǎng)調(diào)度中心和另一EMS系統(tǒng)進行接口測試,數(shù)據(jù)交換的準(zhǔn)確率和實時性分別達到99.5%和99%。測試了Modbus.DNP3和IEC61850三種協(xié)議,發(fā)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)傳輸均無誤,兼容性測試通過率為 100%。

并且EMS在高負(fù)載下表現(xiàn)穩(wěn)定,響應(yīng)速度和數(shù)據(jù)處理能力均達到設(shè)計要求,資源利用效率良好，無明顯瓶頸。另外,EMS與不同品牌設(shè)備和外部系統(tǒng)的兼容性良好,數(shù)據(jù)交換準(zhǔn)確無誤,協(xié)議兼容性得到驗證。

4安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統(tǒng)介紹

4.1平臺簡介

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(xì)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、可視化監(jiān)控、報警管理、統(tǒng)計報表等功能。在高級應(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。既可以用于儲能一體柜,也可以用于儲能集裝箱,是專門用于設(shè)備管理的一套軟件系統(tǒng)平臺。

4.2產(chǎn)品規(guī)格

4.3系統(tǒng)功能

4.4應(yīng)用范圍

5結(jié)論

儲能電站能量管理設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化,對于推動儲能技術(shù)進步、促進電力系統(tǒng)智能化和綠色化轉(zhuǎn)型具有重要意義。未來,隨著儲能技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用領(lǐng)域的持續(xù)拓展,儲能技術(shù)的發(fā)展將推動電力系統(tǒng)的變革，對能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、環(huán)境保護和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。