基于蓄電池儲能系統(tǒng)的電網(wǎng)經(jīng)濟運行優(yōu)化研究

夏澤鍇 張狂 徐辰韜 包永強 夏岳軍

摘要：國家電網(wǎng)發(fā)布了“碳達峰、碳中和”行動方案，推動鼓勵新能源發(fā)展，制訂了構(gòu)造以新能源為主的新型電力系統(tǒng)的方針，在此背景下，以江蘇某廠新能源方案為例進行用戶側(cè)儲能的探索和研究，通過在用戶側(cè)設(shè)計并搭建蓄電池儲能系統(tǒng)，實現(xiàn)用戶側(cè)電能的有效利用，從而發(fā)揮儲能在電能質(zhì)量優(yōu)化、供需管理、分時電價最優(yōu)化等方面的價值，同時進行峰谷套利，提高經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：新能源發(fā)展;蓄電池儲能系統(tǒng);峰谷套利

0 ? ?引言

傳統(tǒng)能源在不斷的消耗中日益匱乏，這不但促進了可再生能源的發(fā)展，也促使新能源發(fā)電規(guī)模不斷擴大。儲能技術(shù)作為提高電網(wǎng)間歇性可再生能源發(fā)電接納技術(shù)水平的核心技術(shù)，更是“碳達峰、碳中和”行動方案的重要組成部分和新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵支撐技術(shù)，現(xiàn)在在電力網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域呈現(xiàn)良好的發(fā)展趨勢[1]。

傳統(tǒng)電網(wǎng)的運行過程時刻處于發(fā)電與負荷之間的動態(tài)平衡狀態(tài)，電網(wǎng)系統(tǒng)以“供需平衡”的規(guī)則時刻運行著。傳統(tǒng)的電網(wǎng)規(guī)劃與建設(shè)由于科技和社會的不斷發(fā)展，其短板不斷凸顯，同時電力網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度日益困難和復(fù)雜[2]。

電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中引入儲能技術(shù)，不僅可以配合一些新能源接入電網(wǎng)，實現(xiàn)負荷調(diào)節(jié)，彌補線路損耗，從而實現(xiàn)電力網(wǎng)絡(luò)的再優(yōu)化、電能質(zhì)量的進一步提高，還可以通過商業(yè)化應(yīng)用與推廣，實現(xiàn)其經(jīng)濟價值，降低成本。

用戶側(cè)是儲能最早實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的領(lǐng)域，通過蓄電池儲能系統(tǒng)進行峰谷套利，具有非常良好的市場發(fā)展空間。根據(jù)國家電網(wǎng)江蘇省電力價格及收費標準（2021年1月），大工業(yè)用電尖峰電度電價在1.114 1元/（kW·h），波谷電度電價在0.298 7元/（kW·h），峰谷差價為實現(xiàn)經(jīng)濟效益提供了可能[3]。

1 ? ?用戶側(cè)蓄電池儲能系統(tǒng)設(shè)計思路

1.1 ? 儲能系統(tǒng)的設(shè)計及電氣拓撲圖

蓄電池儲能系統(tǒng)電氣拓撲圖如圖1所示，主要由儲能電池組[Battery pack，由磷酸鐵鋰電池（3.2 V/120 Ah電芯）組成]、電池管理系統(tǒng)（BMS）、儲能雙向變流器（PCS）、監(jiān)控系統(tǒng)（EMS）、熱管理系統(tǒng)（TMS）、配電系統(tǒng)等部件組成。

這套工作系統(tǒng)是將儲能電池組之間通過銅排進行連接，直流配電柜至PCS采用電纜經(jīng)由電纜溝接入PCS直流側(cè)輸入斷路器，從而接入市內(nèi)電網(wǎng)。采用Modbus TCP/IP通信方式將工作狀態(tài)反饋給集中監(jiān)控系統(tǒng)和智能后臺監(jiān)控系統(tǒng)，進行整個儲能系統(tǒng)的調(diào)控[4]。

1.2 ? ?儲能系統(tǒng)功能概述

蓄電池儲能系統(tǒng)（電站）的工作功能特點主要有下面幾點：

（1）儲能電池組電池管理系統(tǒng)通過對電池電壓、能量均衡、電流的檢測實現(xiàn)電池的日常維護、管理、保護，同時實現(xiàn)了對磷酸鐵鋰電池組的均衡管理。

（2）儲能雙向變換器系統(tǒng)（PCS）漸漸成為現(xiàn)代儲存電能最流行的形式，儲能雙向變換器具有諸多優(yōu)點，比如：電壓升高時能夠有效降低輸入電流和功率的損耗;功率會隨著電壓的減小而減小;靜電電流小，可以更有效地為使用者節(jié)約電能;配置以及組合方式簡潔明了[5]。

（3）Modbus TCP/IP或RS485通信協(xié)議是BMS和微網(wǎng)中央控制系統(tǒng)間進行數(shù)據(jù)之間轉(zhuǎn)換的一種通信方式。

（4）通信控制接口的主要功能是通過對電池系統(tǒng)單元與PCS、中央控制系統(tǒng)間進行調(diào)控、管理，從而使電池能夠在一個安全的環(huán)境下正常工作。

1.3 ? ?主要電氣設(shè)備選型

1.3.1 ? ?基礎(chǔ)分析

先進行相關(guān)線路及變壓器潮流分析，確保上傳至上級電網(wǎng)時不會對周邊電網(wǎng)潮流分布造成影響，再根據(jù)工程最大電流選擇線路導(dǎo)線的截面。

1.3.2 ? ?并網(wǎng)點開關(guān)設(shè)備選擇

并網(wǎng)點開關(guān)應(yīng)選擇安全性和效率高、開關(guān)輪廓明顯且操作與后期維護簡單的設(shè)備，開關(guān)設(shè)備應(yīng)挑選最佳的斷路器搭配工作。由于開關(guān)短路分斷電流需要高于50 kA，需要斷路器能在規(guī)定時間內(nèi)切斷和接通負荷電路，以保障電路的安全運行，篩選之下，塑殼斷路器最適合作為并網(wǎng)點的開關(guān)設(shè)備[6]。

1.3.3 ? ?無功補償容量配置

安裝人員需要參考用戶提供的相關(guān)資料來決定是否安裝無功補償裝置，安裝無功補償裝置的基本要求如下：客戶在使用時功率因數(shù)應(yīng)達到0.95以上，輸出的有功功率應(yīng)大于本身功率的1.5倍且輸出的有功功率應(yīng)為正常的1/5左右。

1.3.4 ? ?電能質(zhì)量監(jiān)測要求

隨著社會的發(fā)展，企業(yè)及普通用戶的用電量在不斷上升，電站的電能質(zhì)量也受到諸多因素的影響，其中有：波動負荷產(chǎn)生的諧波、供電距離過遠等導(dǎo)致的電壓偏差、電源事故可能出現(xiàn)的電壓波動、電能輸送電纜老化等原因造成的電壓不平衡、電流在電路短路時無法突變產(chǎn)生的直流分量等[7]。

由于光伏、風力、儲能電站系統(tǒng)的輸出功率不穩(wěn)定，為防止這一情況發(fā)生，應(yīng)該對電能質(zhì)量加裝實時檢測系統(tǒng)，以便實現(xiàn)對電能質(zhì)量指標的實時測量以及記錄，一切都需符合國家發(fā)布的相關(guān)標準。

2 ? ?實際儲能系統(tǒng)的接入與分析

2.1 ? ?基本情況

以江蘇某廠1.5 MW、4.42 MW·h儲能項目為例，現(xiàn)為兩路10 kV進線，共6臺變壓器，一次主接線圖如圖2所示。

2.2 ? ?接入系統(tǒng)電壓等級

根據(jù)《分布式電源接入配電網(wǎng)設(shè)計規(guī)范》（Q/GDW 11147—2013），分布式電源接入配電網(wǎng)的電壓等級，應(yīng)按照安全性、靈活性、經(jīng)濟性等原則，根據(jù)分布式電源容量、發(fā)電特性、導(dǎo)線載流量、上級變壓器及線路可接納能力、用戶所在地區(qū)配電網(wǎng)情況，經(jīng)過綜合比選后確定。本次工程裝機容量為1.5 MWp，推薦380 V電壓等級上網(wǎng)。