淺談微電網(wǎng)中儲能與電能量管理系統(tǒng)應用

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，通常通過輸電網(wǎng)絡將電力和能量從大型同步發(fā)電機和感應發(fā)電機單向輸送到用戶。然而，可再生分布式能源如風能、光伏、電池、生物質能、燃料電池和微型渦輪機的出現(xiàn)，有可能遏制對化石能源發(fā)電的依賴，并改變電網(wǎng)中能量流動的單向性。這些技術使實現(xiàn)本地電力可靠性和可持續(xù)能源利用成為可能。當本地DER單元產(chǎn)生足夠的電力時，某些地方可以從主電網(wǎng)中斷開，形成一個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)具有廣泛的應用前景。它可以作為獨立或并網(wǎng)的供用電系統(tǒng)，為偏遠地區(qū)、工業(yè)園區(qū)、居民區(qū)等各類場景提供電力供應。同時，微電網(wǎng)還可以與大電網(wǎng)進行互動，參與電力市場的交易和調(diào)度，實現(xiàn)能源的多元化利用和節(jié)能減排?？傊㈦娋W(wǎng)是一種具有重要意義的分布式能源形式，它能夠實現(xiàn)電力電量的自我平衡和優(yōu)化利用，為未來的能源發(fā)展提供新的思路和方向。按照運行模式的不同，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)進行能量的雙向交流，一旦電網(wǎng)的品質或者質量不符合規(guī)定，就能及時切斷主網(wǎng)，實現(xiàn)自給自足。而離網(wǎng)型微電網(wǎng)是完*獨立的，不需要與主網(wǎng)進行任何的連接，一般建設在偏遠的邊境或者海上的孤島，滿足當?shù)鼗A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)運行，一旦在電網(wǎng)中檢測到故障或電能質量出現(xiàn)問題時便會迅速與電網(wǎng)斷開，轉為獨立運行模式。微電網(wǎng)通常會在系統(tǒng)中配置一定容量的儲能裝置，以應對模式切換過程中可能會出現(xiàn)的功率缺額，保證平穩(wěn)過渡并維持系統(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、風力發(fā)電無風等情況。為了應對這種情況，儲能系統(tǒng)發(fā)揮重要作用，持續(xù)向系統(tǒng)中的用戶供電，確保電力供應的連續(xù)性。除了直接向系統(tǒng)中的用戶供電，儲能還能起到參與電力調(diào)峰、改善微電網(wǎng)電能質量、提升微電源性能等作用。

1微電網(wǎng)中常見儲能類型

鑒于微電網(wǎng)的特點及不同儲能的作用及原理，配置在微電網(wǎng)中的儲能裝置有著獨*的要求：能量密度大、功率密度大、高低溫性能良好、能適應一些特殊環(huán)境等。雖然不是所有種類的儲能設備都能配置在微電網(wǎng)中，但儲能在提高微電網(wǎng)運營能力方面仍然起到重要作用。本章將介紹在微電網(wǎng)中實現(xiàn)高滲透和集成的集中種類儲能的概述，研究不同儲能技術的特點，分析各種儲能在微電網(wǎng)中的作用。

1.1機械儲能

機械儲能按工作原理可以分為勢能和動能兩大類。其中勢能類包括壓縮氣體儲能、抽水蓄能，動能類典型的有飛輪儲能。機械儲能方法可以轉換并儲存來自水流、波浪、潮汐的能量，在需要時隨時提供能量。

1.2飛輪儲能

飛輪儲能技術是一種機械儲能方式。旨在有效地存儲和釋放能量以滿足電力需求。其基本原理是通過高速旋轉的飛輪將電能轉化為機械能，實現(xiàn)能量的臨時儲存，以備系統(tǒng)在需要時快速釋放。這項技術的起源可以追溯到20世紀50年代，當時人們提出利用飛輪進行能量存儲，并在電動汽車領域進行了初步探索。然而，直到80年代，隨著磁懸浮技術、高強度碳素纖維以及現(xiàn)代電力電子技術的進步，飛輪儲能技術才

得以真正實現(xiàn)應用。

現(xiàn)代飛輪儲能系統(tǒng)的核心組件通常包括一個巨大的可旋轉圓柱體，它通過磁懸浮軸承系統(tǒng)支撐在定子上。當系統(tǒng)需要存儲能量時，電動機啟動并使飛輪快速旋轉，將電能轉化為機械能，從而實現(xiàn)能量的儲存。而在電力需求增加或電網(wǎng)故障時，飛輪則通過驅動發(fā)電機將儲存的機械能轉換回電能，通過電力電子裝置對輸出電能進行調(diào)節(jié)，滿足負載的要求。

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

1.3鉛酸蓄電池儲能

鉛酸（PbA）電池是一種常見的電化學儲能設備，廣泛應用于汽車、不間斷電源、各種儲能系統(tǒng)中，可以說是目前應用廣泛的儲能系統(tǒng)。鉛酸蓄電池由一組正極（陽極）和負極（陰極）以及中間的電解液組成。正極一般采用過氧化鉛（PbO2），負極采用純鉛（Pb），電解液是稀硫酸溶液。鉛酸蓄電池具有較好的穩(wěn)定性，能夠適用于瞬時大電流的需求，能夠應用于汽車啟動。同時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，并且電池成分中含有有害物質，須謹慎處理以防止造成環(huán)境污染。

1.4鋰離子電池儲能

鋰離子電池是近年來興起的新型高能量二次電池。廣泛應用于各種移動設備、電動汽車和各種儲能系統(tǒng)中。鋰離子電池的工作原理是基于鋰離子在正負極之間的移動。正極材料通常使用鋰鈷氧化物或鋰鐵磷酸鹽等、負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、無污染的特點相較于鉛酸蓄電池有更大優(yōu)勢。鋰的快速反應性能和輕質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)部過充保護電路造成較高成本而無法大規(guī)模生產(chǎn)。物理損傷、電濫用（如短路和過充）以及暴露于高溫下會導致熱失控。這些安全問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)關鍵的特點是其連接到配電系統(tǒng)后能夠作為一個協(xié)調(diào)模塊進行控制和運行。對微電網(wǎng)各組成部分進行監(jiān)測和控制是保證微電網(wǎng)穩(wěn)定運行的關鍵。對于直流微電網(wǎng)，輸電電壓需要進行控制，而對于交流微電網(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)應具有一定的運行目標，例如，應遵循經(jīng)濟考慮，應保證計算機服務器和醫(yī)療設備等負載的不間斷運行，斷開和重新連接過程應無縫進行，微電網(wǎng)應能夠在一般故障情況下通過黑啟動。合適的微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)可以支持儲能設備，以提高系統(tǒng)的可靠性和效率。將儲能與適當?shù)哪芰抗芾硐到y(tǒng)結合使用可以提供以下功能。

1）電能質量/可靠性的調(diào)節(jié)：儲能設備可用于控制網(wǎng)絡中供電的質量，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題。

2）旋轉備用：儲能設備可以在電網(wǎng)全部斷電的情況下提供備用電源。

3）能量轉移：在供應過剩時期存儲的能量可以轉移到高需求和價格高的時期使用。

4）調(diào)峰：儲能可用于在短期負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，降低傳輸基礎設施的總體所需容量和峰值電費。

5）套利：在電價較低時儲能，在電價較高時放電，是提高系統(tǒng)效率，優(yōu)化經(jīng)濟效益的主要途徑之一。

6）黑啟動：意外事件可能導致整個系統(tǒng)或單個部分的供電中斷。在這種情況下，儲能可用于產(chǎn)生有功功率，用于激勵配電線路或作為大型發(fā)電廠的啟動電源。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)可以以兩種模式運行：連接到主電網(wǎng)和孤立于主電網(wǎng)。當并網(wǎng)時，微電網(wǎng)可與主電網(wǎng)交換電力，保持電力穩(wěn)定。而當處于孤島模式時，沒有與主電網(wǎng)的物理連接，需要儲能來維持電力穩(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，具有儲能的微電網(wǎng)可以采用集中式、分散式控制模式運行。

3集中式控制

在集中式控制的結構中，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)濟價值和優(yōu)化其運營的重要作用。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。信號由局部控制器接收，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*的自主權來執(zhí)行自己的行動。在這種控制方法中，分布式發(fā)電機組通常有一個所有者，他想要優(yōu)化所有分布式發(fā)電機組的運行和經(jīng)濟標準。在這里，控制器的主要作用是根據(jù)業(yè)主或微電網(wǎng)管理人員預定義的規(guī)則，決定需要從主電網(wǎng)導入的電量，并優(yōu)化非關鍵負載在關鍵條件下的功能。集中式控制的優(yōu)點是分工明確，設備成本低，容易執(zhí)行控制整個系統(tǒng)。但隨著分布式電源增加，會對控制器的信息處理能力有較高要求，不容易拓展應用。

4分散式控制

與集中控制結構相比，分散控制模式的主要目標是大限度地生產(chǎn)電力，以滿足負荷需求，儲存、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)定運行中提供支持。所有微源控制器相互競爭，以當前市場價格為決定因素，通過管理運行和維護來滿足需求并大限度地向電網(wǎng)出口，從而大化其產(chǎn)量。微源和負載的自主性可以使用智能方法來處理。當微源和微負載具有不同的所有者和不同的目標，且各單元控制器的動作具有一定程度的智能時，這種控制結構是好的。通過在系統(tǒng)中使用分散式控制，減少控制器計算負擔，每個局部控制器負責管理相對較小的子系統(tǒng)，降低整個系統(tǒng)的復雜性。分散式控制模式使得分布式電源具有更高的靈活性。各個局部控制器可以更迅速地響應局部變化，適應不同的環(huán)境和工況。即使控制器發(fā)生故障，分散式控制使得各個局部控制器能夠獨立運行，從而保證整個系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。這種冗余性有助于防止單點故障引起的系統(tǒng)崩潰。

5安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統(tǒng)概述

5.1概述

安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統(tǒng)，專門針對工商業(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(jiān)控與管理功能,涵蓋了儲能系統(tǒng)設備(PCS、BMS、電表、消防、空調(diào)等)的詳細信息,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。在高級應用上支持能量調(diào)度,具備計劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。

5.2系統(tǒng)結構

Acrel-2000ES，可通過直采或者通過通訊管理或串口服務器將儲能柜或者儲能集裝箱內(nèi)部的設備接入系統(tǒng)

5.3接入設備

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

5.4系統(tǒng)功能

5.4.1實時監(jiān)測

系統(tǒng)人機界面友好，能夠顯示儲能柜的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測 PCS、BMS 以及環(huán)境參數(shù)信息，如電參量、溫度、濕度等。實時顯示有關故障、告警、收益等信息。

5.4.2設備監(jiān)控

系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測 PCS、BMS、電表、空調(diào)、消防、除濕機等設備的運行狀態(tài)及運行模式。

PCS 監(jiān)控：滿足儲能變流器的參數(shù)與限值設置；運行模式設置；實現(xiàn)儲能變流器交直流側 電壓、電流、功率及充放電量參數(shù)的采集與展示；實現(xiàn) PCS 通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開關狀態(tài)、 異常告警等狀態(tài)監(jiān)測。

BMS 監(jiān)控：滿足電池管理系統(tǒng)的參數(shù)與限值設置；實現(xiàn)儲能電池的電芯、電池簇的溫度、

電壓、電流的監(jiān)測；實現(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，可根據(jù)設置的閾值進行空調(diào)溫度的聯(lián)動調(diào)節(jié)，并實時監(jiān)測空調(diào)的運行狀態(tài)及溫濕度數(shù)據(jù)，以曲線形式進行展示。

UPS 監(jiān)控：滿足 UPS 的運行狀態(tài)及相關電參量監(jiān)測。

5.4.3 曲線報表

系統(tǒng)能夠對 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

滿足儲能系統(tǒng)設備參數(shù)的配置、電價參數(shù)與時段的設置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制等。

5.4.5實時報警

儲能能量管理系統(tǒng)具有實時告警功能，系統(tǒng)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。

5.4.6事件查詢統(tǒng)計

儲能能量管理系統(tǒng)能夠對遙信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

5.4.7遙控操作

可以通過每個設備下面的紅色按鈕對 PCS、風機、除濕機、空調(diào)控制器、照明等設備進行相應的控制，但是當設備未通信上時，控制按鈕會顯示無效狀態(tài)。

5.4.8用戶權限管理

儲能能量管理系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作（如遙控的操作，數(shù)據(jù)庫修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

5.4.9安科瑞配套產(chǎn)品

6 結語

本文研究了一種適用于電動公交車充電站的預制艙式儲能系統(tǒng)。不同于傳統(tǒng)的儲能系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用模塊化設計思路，將主要設備集成在標準集裝箱內(nèi)，具有占地小、接線簡單、便于運輸及安裝的特點，適用于布置緊湊、缺少大型生產(chǎn)綜合用房的城市電動公交車充電站，具有較好的應用推廣前景。除儲能單元、變流單元等一次設備外，預制艙式儲能系統(tǒng)同時集成了智能控制屏柜，對整體系統(tǒng)的運行環(huán)境、控制策略、安防等方面進行集中監(jiān)控，保障了預制艙式儲能系統(tǒng)安全高效運行。

參考文獻

1. 王又佳，蔣雨哲.微電網(wǎng)中儲能與能量管理系統(tǒng)應用

[2] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.5版.