淺談工業(yè)園區(qū)儲能系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)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(tǒng)間的電能互濟、電網(wǎng)關(guān)口計量點需量控制及充電樁等設(shè)備的柔性控制問題,以中節(jié)能臨平儲能電站項目為例,對儲能系統(tǒng)運行過程中存在的問題及相關(guān)數(shù)據(jù)進行研究分析,提出相關(guān)解決方法。選擇合適的采集點,通過控制與管理系統(tǒng)（EMS）打通信信息孤島,可有效解儲能系統(tǒng)運行存在的問題,以期為其他園區(qū)實施相關(guān)項目提供借鑒。
關(guān)鍵字：工業(yè)園區(qū)；儲能系統(tǒng)；EMS；電網(wǎng)關(guān)口計量點；需量控制
0.引言
隨著全球氣候問題日益嚴峻,新能源的應(yīng)用得到了普及。然而,光伏、風(fēng)能等新能源的應(yīng)用對電網(wǎng)的穩(wěn)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(yīng)用儲能系統(tǒng)是通過介質(zhì)或設(shè)備把能量存儲起來,在需要時再釋放的過程。儲能系統(tǒng)根據(jù)能量來源的不同分為物理儲能、化學(xué)儲能、電磁儲能3大類。儲能系統(tǒng)主要包括儲能設(shè)備、能量轉(zhuǎn)換裝置、EMS3部分。工商業(yè)用戶的分布式儲能以化學(xué)儲能應(yīng)用為主,在工業(yè)園區(qū)的實踐探索中,分布式儲能已經(jīng)取得了顯著成效。然而,分布式儲能在應(yīng)用中常因數(shù)據(jù)采集點設(shè)置和控制邏輯不合理導(dǎo)致需量控制失敗,儲能系統(tǒng)的輸出輸入功率被過早限止。筆者以中節(jié)能臨平儲能電站項目為例,分析儲能系統(tǒng)應(yīng)用中存在的問題,并提出解決措施,以期為其他園區(qū)實施類似項目提供參考。
1.項目概況
新建的中節(jié)能臨平儲能電站位于臨平工業(yè)園區(qū)內(nèi),園區(qū)從電網(wǎng)接入1路10kV高壓電源,5路高壓出線。1號配電房高低壓共室布置,3路高壓出線為B1、B2、B33臺變壓器提供電源,1號配電房另一路高壓出線到2號配電房通過一進四出環(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(qū)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(jù)歷史用電數(shù)據(jù),*大需量在變壓器總?cè)萘康?0%以內(nèi)。園區(qū)管理部門為了減少基本電費的支出按實際需量的電費結(jié)算方式簽訂供用電合同。10kV一次主接線圖如圖1所示。
2.項目儲能系統(tǒng)
根據(jù)臨平工業(yè)園區(qū)近年的負荷曲線和變壓器的輸出功率情況,項目課題組在B1號變壓器和B2號變壓器低壓總進線斷路器出線側(cè)接入300kW/996kW·h的1號儲能系統(tǒng)和200kW/446kW·h的2號儲能系統(tǒng)。項目課題組依據(jù)浙江省的電費政策采取二充二放的充放電策略。考慮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(tǒng)支持削峰填谷、需量控制、防逆流控制的策略。儲能系統(tǒng)的并網(wǎng)接入點選擇在變壓器的低壓總進線處,在接入點電源側(cè)增設(shè)防逆流電表用以采集變壓器輸出的瞬時功率和正向有功功率需量。儲能系統(tǒng)的并網(wǎng)柜內(nèi)設(shè)置充放電的并網(wǎng)電能表,用以計量儲能設(shè)備的充放電有功電量。EMS采集防逆流電表及并網(wǎng)柜內(nèi)電能表的數(shù)據(jù)并進行運算,依照設(shè)定的邏輯來控制儲能系統(tǒng)的輸入、輸出有功功率。如：儲能系統(tǒng)輸出功率小于本地負荷功率時,按*大功率放電;儲能系統(tǒng)輸出功率大于本地負荷瞬時功率時,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(tǒng)向接入點變壓器高壓側(cè)輸出電能。儲能系統(tǒng)輸入功率與本地負荷功率之和應(yīng)不超過變壓器的需求量及*大帶載容量,否則需降低儲能系統(tǒng)的輸入功率。臨平工業(yè)園區(qū)的2套儲能系統(tǒng)各自運行相互不關(guān)聯(lián),每套儲能系統(tǒng)的拓樸圖如圖2所示。
3.儲能系統(tǒng)運行存在問題及原因分析
3.1儲能系統(tǒng)運行存在問題
儲能系統(tǒng)輸入功率時,存在基本電費增加的風(fēng)險。儲能系統(tǒng)僅依據(jù)并網(wǎng)點變壓器側(cè)的有功功率和需量數(shù)據(jù)進行運行控制,若并網(wǎng)接入點變壓器的瞬時輸出功率未超該變壓器的需量和允許*大輸出功率,此時疊加其余變壓器的功率后電網(wǎng)關(guān)口計量點的需量有增加的風(fēng)險。電網(wǎng)關(guān)口計量點的*大需量是電網(wǎng)與用戶結(jié)算基本電費的依據(jù),但并網(wǎng)接入點變壓器和電網(wǎng)關(guān)口計量點的*大需求量在時間上是不一致的,僅依據(jù)單臺變壓器的控制方式會導(dǎo)致需量控制策略失敗。
充電樁工作時僅依據(jù)車輛的狀態(tài)為新能源車輛輸出有功功率,儲能系統(tǒng)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(tǒng)輸入功率時,僅依據(jù)接入點變壓器的功率與需量來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(qū)1號儲能系統(tǒng)和2號儲能系統(tǒng)某日9：00—11：00（輸出功率時段）、11：00—13：00（輸入功率時段）、15：00—17：00（輸出功率時段）儲能系統(tǒng)并網(wǎng)點負荷功率曲線如圖3和圖4所示。圖中關(guān)口表功率曲線為接入點變壓器的功率曲線,負載功率曲線為接入點變壓器所帶負載的功率曲線,需量為接入點變壓器的數(shù)據(jù),并網(wǎng)點功率為儲能系統(tǒng)的輸入輸出功率。以下針對9：00—11：00時段、11：00—13：00時段進行分析。
9：00—11：00時段。根據(jù)圖3、圖4可知,該時間段1號和2號儲能系統(tǒng)均輸出有功功率。1號儲能系統(tǒng)并網(wǎng)變壓器的用戶負載功率小于儲能系統(tǒng)的額定輸出功率,1號儲能系統(tǒng)輸出功率不大于用戶的負載,2號儲能系統(tǒng)以額定功率輸出有功功率。該時段儲能系統(tǒng)輸出功率周期結(jié)束時,1號儲能系統(tǒng)電池存儲電量未全部釋放,電池SOC值為38%,2號儲能系統(tǒng)電池存儲的電量按設(shè)定參數(shù)全部釋放完,電池SOC值為5%。11：00—13：00時段。該時段為低谷時段,儲能系統(tǒng)輸入有功功率,儲能電池存儲電量。1號儲能系統(tǒng)以額定功率輸入有功功率,儲能電池存儲電量達到設(shè)定的*大值,電池SOC值為95%。2號儲能系統(tǒng)受并網(wǎng)接入點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(jù)電網(wǎng)關(guān)口計量點數(shù)據(jù)分析,該時段所有負載功率仍小于*大需量時,2號儲能系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集點設(shè)置不合理,投運時每個EMS各自采集儲能系統(tǒng)接入點變壓器的有功功率和*大需量值,不能反映電網(wǎng)關(guān)口計量點的有功功率和*大需量,而電網(wǎng)關(guān)口計量點恰恰又是電網(wǎng)防逆流和*大需量考核點。當(dāng)儲能并網(wǎng)接入點變壓器未發(fā)生逆流且輸出功率小于*大需量,但疊加同一電網(wǎng)關(guān)口計量點范圍內(nèi)其余變壓器所帶負荷、儲能系統(tǒng)負荷、充電樁負荷,則在電網(wǎng)關(guān)口計量點可能發(fā)生逆流或輸出功率超過*大需量的情況,*終導(dǎo)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(jù)車輛交互信息提供輸出功率,儲能系統(tǒng)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。充電樁不能主動降低充電輸出功率以保證儲能系統(tǒng)的輸入功率。
儲能系統(tǒng)EMS間數(shù)據(jù)鏈路未形成,相互間不能協(xié)同運行。如前述9：00—11：00時段的情況：1號儲能系統(tǒng)未能釋放全部電量,2號儲能系統(tǒng)以額定功率釋放全部電量,2號儲能系統(tǒng)所屬變壓器負載功率仍需電網(wǎng)提供才能滿足要求,1號儲能系統(tǒng)無法輸出功率提供給2號儲能系統(tǒng)所屬變壓器負載。
4.解決方法
首先,選擇合理的采樣點,采集儲能系統(tǒng)并網(wǎng)接入點變壓器、充電樁所接變壓器的功率及電網(wǎng)關(guān)口計量點的功率和*大需量,得到準確反映變壓器的輸出功率、計量點的*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)口計量點范圍內(nèi)接入的不同變壓器、儲能系統(tǒng)、充電樁的電參量數(shù)據(jù)采集到同一個EMS,EMS依據(jù)每臺并網(wǎng)變壓器的有功功率及電網(wǎng)關(guān)口計量點的*大需量計算出每套儲能系統(tǒng)的輸入功率、儲能系統(tǒng)及充電樁的輸出功率。EMS拓樸圖如圖5所示。
EMS確保儲能設(shè)備在輸入功率、充電樁輸出功率時不增加園區(qū)*大需量,接入點變壓器的負載功率不超過變壓器的安全供電容量,且儲能設(shè)備輸出功率時不向電網(wǎng)送電。具體方法如下。
防逆流數(shù)據(jù)采集點由接入點變壓器低壓側(cè)上移到電網(wǎng)關(guān)口計量點,使儲能設(shè)備在釋放電能時不受接入點變壓器逆流的控制,有效打通不同變壓器間的能量流通。如,其中一臺儲能設(shè)備的輸出功率大于接入點變壓器的負載功率,電能會從接入點變壓器的低壓側(cè)流向高壓側(cè),經(jīng)高壓母排輸送到其余變壓器的負載,當(dāng)電網(wǎng)關(guān)口計量點出現(xiàn)逆流趨勢,則降低儲能設(shè)備輸出功率或停止儲能設(shè)備輸出功率。
電網(wǎng)關(guān)口計量點的有功功率、*大需量、儲能和充電樁接入變壓器的瞬時輸出功率數(shù)據(jù)統(tǒng)一由EMS收集并進行邊緣計算。電網(wǎng)關(guān)口計量點一旦出現(xiàn)逆流趨勢,EMS即發(fā)出指令讓儲能設(shè)備降低輸出功率直至停止功率輸出,防止逆流時儲能設(shè)備向電網(wǎng)送輸出有功功率,此時不影響光伏系統(tǒng)的功率輸出。儲能設(shè)備輸入功率階段EMS調(diào)度儲能和充電樁的輸入功率值，保證接入點變壓器不超載運行。
在本項目實施過程中考慮儲能、充電樁等設(shè)備來自不同廠家的因素,為確保設(shè)備的安全運行及責(zé)任劃分,EMS只負責(zé)數(shù)據(jù)的采集、運算、各設(shè)備允許輸出輸入功率的分配,不參與單臺設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)的控制。EMS把各受調(diào)設(shè)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(tǒng),由儲能或充電樁管理子系統(tǒng)自行控制相應(yīng)設(shè)備。
5.Acrel-2000ES儲能柜能量管理系統(tǒng)
5.1系統(tǒng)概述
安科瑞儲能能量管理系統(tǒng)Acrel-2000ES，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(shè)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、防逆流等控制功能。
5.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
Acrel-2000ES，可通過直采或者通過通訊管理或串口服務(wù)器將儲能柜或者儲能集裝箱內(nèi)部的設(shè)備接入系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：
5.3.1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(guān)故障、告警、收益等信息。
5.3.2設(shè)備監(jiān)控
系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測PCS、BMS、電表、空調(diào)、消防、除濕機等設(shè)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(shè)置；運行模式設(shè)置；實現(xiàn)儲能變流器交直流側(cè)電壓、電流、功率及充放電量參數(shù)的采集與展示；實現(xiàn)PCS通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開關(guān)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(shè)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(shè)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(guān)電參量監(jiān)測。
5.3.3曲線報表
系統(tǒng)能夠?qū)CS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。
滿足儲能系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)的配置、電價參數(shù)與時段的設(shè)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。
5.3.5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?qū)δ艹浞烹娫较蕖囟仍较?、設(shè)備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。
儲能能量管理系統(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。
可以通過每個設(shè)備下面的紅色按鈕對PCS、風(fēng)機、除濕機、空調(diào)控制器、照明等設(shè)備進行相應(yīng)的控制，但是當(dāng)設(shè)備未通信上時，控制按鈕會顯示無效狀態(tài)。
儲能能量管理系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(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)庫修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)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
設(shè)備 | 型號 | 圖片 | 說明 |
儲能能量管理系統(tǒng) | Acrel-2000ES |
| 實現(xiàn)儲能設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，統(tǒng)計分析、異常告警、優(yōu)化控制、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等； 策略控制:計劃曲線、需量控制、削峰填谷、備用電源等。 |
觸摸屏電腦 | PPX-133L |
| 1)承接系統(tǒng)軟件 2)可視化展示:顯示系統(tǒng)運行信息 |
交流計量表計 | DTSD1352 |
| 集成電力參量及電能計量及考核管理，提供各類電能數(shù)據(jù)統(tǒng)計。具有諧波與總諧波含量檢測，帶有開關(guān)量輸入和開關(guān)量輸出可實現(xiàn)“遙信"和“遙控"功能，并具備報警輸出。帶有RS485 通信接口，可選用MODBUS-RTU或 DL/T645協(xié)議。 |
直流計量表計 | DJSF1352 |
| 表可測量直流系統(tǒng)中的電壓、電流、功率以及正反向電能等;具有紅外通訊接口和RS-485通訊接口，同時支持Modbus-RTU協(xié)議和DLT645協(xié)議;可帶繼電器報警輸出和開關(guān)量輸入功能。 |
溫度在線監(jiān)測裝置 | ARTM-8 |
| 適用于多路溫度的測量和控制，支持測量8通道溫度;每一通道溫度測量對應(yīng)2段報警，繼電器輸出可以任意設(shè)置報警方向及報警值。 |
通訊管理機 | ANet-2E8S1 |
| 能夠根據(jù)不同的采集規(guī)約進行水表、氣表、電表、微機保護等設(shè)備終端的數(shù)據(jù)采集匯總；提供規(guī)約轉(zhuǎn)換、透明轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)加密壓縮、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、邊緣計算等多項功能；實時多任務(wù)并行處理數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，可多鏈路上送平臺據(jù)。 |
串口服務(wù)器 | Aport |
| 功能:轉(zhuǎn)換“輔助系統(tǒng)"的狀態(tài)數(shù)據(jù)，反饋到能量管理系統(tǒng)中。1)空調(diào)的開關(guān)，調(diào)溫，及斷電(二次開關(guān)實現(xiàn))；2)上傳配電柜各個空開信號；3)上傳UPS內(nèi)部電量信息等；4)接入電表、BSMU等設(shè)備 |
遙信模塊 | ARTU-KJ8 |
| 1)反饋各個設(shè)備狀態(tài)，將相關(guān)數(shù)據(jù)到串口服務(wù)器；2)讀消防1/0信號，并轉(zhuǎn)發(fā)給到上層(關(guān)機、事件上報等)；3)采集水浸傳感器信息，并轉(zhuǎn)發(fā)給到上層(水浸信號事件上報)；4)讀取門禁程傳感器信息，并轉(zhuǎn)發(fā)給到上層(門禁事件上報)。 |
7.結(jié)語
筆者以中節(jié)能臨平儲能電站項目為例,介紹項目新建儲能系統(tǒng)運行過程中存在的問題,針對問題提出：選擇合理的采樣點,采集儲能系統(tǒng)并網(wǎng)接入點變壓器、充電樁所接變壓器的功率及電網(wǎng)關(guān)口計量點的功率和*大需量;引入以電網(wǎng)關(guān)口計量點為控制單元的EMS,加強控制邏輯。相關(guān)措施有效解決了基本電費增加問題,也解決了變壓器間輸出功率及負載功率互濟增加問題,提升了儲能系統(tǒng)的存儲電量及釋放電量,增加儲能收益。
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