基于蓄電池儲能系統的電網經濟運行優化研究

夏澤鍇 張狂 徐辰韜 包永強 夏岳軍

摘要：國家電網發布了“碳達峰、碳中和”行動方案，推動鼓勵新能源發展，制訂了構造以新能源為主的新型電力系統的方針，在此背景下，以江蘇某廠新能源方案為例進行用戶側儲能的探索和研究，通過在用戶側設計并搭建蓄電池儲能系統，實現用戶側電能的有效利用，從而發揮儲能在電能質量優化、供需管理、分時電價最優化等方面的價值，同時進行峰谷套利，提高經濟效益。

關鍵詞：新能源發展;蓄電池儲能系統;峰谷套利

0 ? ?引言

傳統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展，也促使新能源發電規模不斷擴大。儲能技術作為提高電網間歇性可再生能源發電接納技術水平的核心技術，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的關鍵支撐技術，現在在電力網絡應用領域呈現良好的發展趨勢[1]。

傳統電網的運行過程時刻處于發電與負荷之間的動態平衡狀態，電網系統以“供需平衡”的規則時刻運行著。傳統的電網規劃與建設由于科技和社會的不斷發展，其短板不斷凸顯，同時電力網絡的調度日益困難和復雜[2]。

電力系統網絡中引入儲能技術，不僅可以配合一些新能源接入電網，實現負荷調節，彌補線路損耗，從而實現電力網絡的再優化、電能質量的進一步提高，還可以通過商業化應用與推廣，實現其經濟價值，降低成本。

用戶側是儲能最早實現商業化應用的領域，通過蓄電池儲能系統進行峰谷套利，具有非常良好的市場發展空間。根據國家電網江蘇省電力價格及收費標準（2021年1月），大工業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），峰谷差價為實現經濟效益提供了可能[3]。

1 ? ?用戶側蓄電池儲能系統設計思路

1.1 ? 儲能系統的設計及電氣拓撲圖

蓄電池儲能系統電氣拓撲圖如圖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（BMS）、儲能雙向變流器（PCS）、監控系統（EMS）、熱管理系統（TMS）、配電系統等部件組成。

這套工作系統是將儲能電池組之間通過銅排進行連接，直流配電柜至PCS采用電纜經由電纜溝接入PCS直流側輸入斷路器，從而接入市內電網。采用Modbus TCP/IP通信方式將工作狀態反饋給集中監控系統和智能后臺監控系統，進行整個儲能系統的調控[4]。

1.2 ? ?儲能系統功能概述

蓄電池儲能系統（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通過對電池電壓、能量均衡、電流的檢測實現電池的日常維護、管理、保護，同時實現了對磷酸鐵鋰電池組的均衡管理。

（2）儲能雙向變換器系統（PCS）漸漸成為現代儲存電能最流行的形式，儲能雙向變換器具有諸多優點，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通信協議是BMS和微網中央控制系統間進行數據之間轉換的一種通信方式。

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

1.3 ? ?主要電氣設備選型

1.3.1 ? ?基礎分析

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

1.3.2 ? ?并網點開關設備選擇

并網點開關應選擇安全性和效率高、開關輪廓明顯且操作與后期維護簡單的設備，開關設備應挑選最佳的斷路器搭配工作。由于開關短路分斷電流需要高于50 kA，需要斷路器能在規定時間內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點的開關設備[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應達到0.95以上，輸出的有功功率應大于本身功率的1.5倍且輸出的有功功率應為正常的1/5左右。

1.3.4 ? ?電能質量監測要求

隨著社會的發展，企業及普通用戶的用電量在不斷上升，電站的電能質量也受到諸多因素的影響，其中有：波動負荷產生的諧波、供電距離過遠等導致的電壓偏差、電源事故可能出現的電壓波動、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生的直流分量等[7]。

由于光伏、風力、儲能電站系統的輸出功率不穩定，為防止這一情況發生，應該對電能質量加裝實時檢測系統，以便實現對電能質量指標的實時測量以及記錄，一切都需符合國家發布的相關標準。

2 ? ?實際儲能系統的接入與分析

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 ? ?接入系統電壓等級

根據《分布式電源接入配電網設計規范》（Q/GDW 11147—2013），分布式電源接入配電網的電壓等級，應按照安全性、靈活性、經濟性等原則，根據分布式電源容量、發電特性、導線載流量、上級變壓器及線路可接納能力、用戶所在地區配電網情況，經過綜合比選后確定。本次工程裝機容量為1.5 MWp，推薦380 V電壓等級上網。