安科瑞 陳聰

摘要：針對我國中等規模儲能技術的*缺性及能源結構轉型的切實需求,提出了液空聚能環-智慧能源微電網系統。該系統采用液化空氣儲能的方式儲存不持續、不穩定的風能和太陽能等可再生能源,并在用電*峰期將其轉化為穩定輸出的電能,以解決風能發電與太陽能發電的不穩定性、間歇性、不能直接并網等問題,具有*排放、選址靈活的優勢,可實現冷、熱、電三聯供。

關鍵詞：儲能；微電網；液空聚能環

0引言

隨著“雙碳”戰略的推動，新能源的規模快速增長，給電力行業帶來了嚴重沖擊。因此，亟需進一步發展儲能技術。本文在綜合已有研究成果的基礎上，提出了液空聚能環智慧能源微電網系統，彌補了我國中等規模儲能市場的空白，為分布式能源的大規模接入提供了新的方案。

1微電網系統的研究背景及意義

為了應對全球氣候變暖，控制二氧化碳排放量，以太陽能和風電為主的新能源在各國迅速發展。作為負責任的大國，我國提出了“碳達峰、碳中和”戰略，積*推進減碳工作。其中，減碳的關鍵是能源領域，尤其是以太陽能和風電為主的新能源。近年來，隨著新能源技術的發展，新能源發電的成本已經具有較強的競爭優勢。據英國石油公司統計，我國太陽能發電增長31.5%,風電增長29.4%。由于太陽能和風電具有明顯的波動性，占比過*會對電網造成較大沖擊,因此，需要依靠儲能技術來平衡能源，以保障電網的平穩運行。目前，可以被規模化應用的儲能技術主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、電化學儲能和氫能等。

對于包含光伏和風電的微網系統，儲能已成為*備環節，其不僅會影響微網中光伏和風電的占比，還會影響整體的運行水平。目前，抽水儲能和壓縮空氣儲能具有規模化應用和成本優勢。但這2種儲能方式對地理條件要求較*(抽水儲能要求有*落差的地形，壓縮空氣對儲氣環境要求較*，大多利用遺棄的礦坑),無法滿足微網系統的需求。液化空氣儲能是一種大規模工業化儲能技術，受地理條件限制較小且儲能密度較*,為平抑微網中光伏和風力發電的波動提供了有效的解決方案。

液空聚能環-智慧能源微電網系統將液化空氣儲能技術引入分布式能源領域，可實現新能源的*效利用，緩解電網壓力。該系統具有初投資低、儲能效率*、儲能密度大、調節靈活、運行壽命長、易于維護、選址靈活等優點，應用前景廣闊。

2系統設計方案

圖1為該項目所建立的液空聚能環-智慧能源微電網系統階段模型圖。按功能可將系統分為液化裝置、儲存裝置、發電裝置3個階段。

圖1液空聚能環——智慧能源微電網系統階段模型圖

   圖2為液空聚能環-智慧能源微電網系統的工作流程圖。當光伏、風電的出力超出負荷需求時，儲能系統能夠有效吸收額外的負荷進行儲能，并在微網系統出力不夠時為用戶提供多種能源負荷，可輔助微網系統實現并網儲能、離網運行功能。儲能系統采用*效率的三*壓縮、三*膨脹，以液態空氣形式儲存可再生能源，并將其轉化為多種形式的能量輸出。系統的核心設備包括空氣壓縮機、儲冷器、換熱器、低溫泵等。儲能過程為：微網的額外負荷通過驅動壓縮機生產冷量并輸送至冷箱中存儲，再通過低溫膨脹機對冷空氣進行液化并儲存至低溫儲罐。能量釋放過程為：將液態空氣轉化為*溫*壓的氣態空氣，在膨脹機中進行膨脹，帶動發電機發電，為用戶提供電負荷。回收壓縮過程中產生的壓縮熱及系統余熱可為用戶提供熱負荷，當用戶需要冷負荷時，也可根據需求抽取低溫的液態空氣實現供冷。

圖2液空聚能環-智慧能源微電網系統流程圖

3系統創新點及優勢

3.1系統創新點

1. 系統可平抑微網中風能、太陽能的波動性，滿足微網*質量供能需求，減少化石能源的使用，不僅能降低能源使用成本，還能實現減碳。

2. 與其他儲能技術相比，液化空氣儲能具有儲能密度*、占地面積小、選址靈活等優點，1m³液態空氣即可儲存約60kWh 的電能，且儲能規模越大，系統效率越*，可為微網系統提供靈活的配置方案。

3. 采用MATLAB、Fluent 軟件自主編程，結合實際條件對系統進行數學建模及數值模擬分析，優化系統流程，在保證系統運行余量的同時，實現選型*優化，避免出現系統性能過剩的情況，降低項目初投資。

3.2系統技術優勢

表1—表3分別為液態空氣與*壓空氣儲能密度對比、主要規模儲能技術對比及典型風能/儲能系統、主要規模儲能電站單位建設成本對比的相關數據。由表1—表3可知，與壓縮空氣儲能相比，液化空氣儲能具有較*的儲能密度、較低的儲存壓力，對儲罐的要求較低，而其他儲能方式(如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、鈉硫電池、氧化還原液流電池等)在大規模應用中仍存在不可避免的缺陷。由此可知，與其他的儲能方式相比，液化空氣儲能具有儲能成本低、持續時間長儲能密度*、儲能容量大、選址靈活等特點，在電網*供能的應用中具有顯著優勢。

4安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統解決方案

4.1概述

安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統具有完善的儲能監控與管理功能，涵蓋了儲能系統設備(PCS、BMS、電表、消防、空調等)的詳細信息，實現了數據采集、數據處理、數據存儲、數據查詢與分析、可視化監控、報警管理、統計報表等功能。在應用上支持能量調度，具備計劃曲線、削峰填谷、需量控制、備用電源等控制功能。系統對電池組性能進行實時監測及歷史數據分析、根據分析結果采用智能化的分配策略對電池組進行充放電控制，優化了電池性能，提*電池壽命。系統支持Windows操作系統，數據庫采用SQLServer。本系統既可以用于儲能一體柜，也可以用于儲能集裝箱，是專門用于儲能設備管理的一套軟件系統平臺。

4.2適用場合

系統可應用于城市、*速公路、工業園區、工商業區、居民區、智能建筑、海島、無電地區可再生能源系統監控和能量管理需求。

工商業儲能四大應用場景

1）工廠與商場：工廠與商場用電習慣明顯，安裝儲能以進行削峰填谷、需量管理，能夠降低用電成本，并充當后備電源應急；

2）光儲充電站：光伏自發自用、供給電動車充電站能源，儲能平抑大功率充電站對于電網的沖擊；

3）微電網：微電網具備可并網或離網運行的靈活性，以工業園區微網、海島微網、偏遠地區微網為主，儲能起到平衡發電供應與用電負荷的作用；

4）新型應用場景：工商業儲能探索融合發展新場景，已出現在5G基站、換電重卡、港口岸電等眾多應用場景。

4.3系統結構

4.4系統功能

4.4.1實時監測

微電網能量管理系統人機界面友好，應能夠以系統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態，實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。其中，各子系統回路電參量主要有：三相電流、三相電壓、總有功功率、總無功功率、總功率因數、頻率和正向有功電能累計值；狀態參數主要有：開關狀態、斷路器故障脫扣告警等。

系統應可以對分布式電源、儲能系統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態及發電單元與儲能單元運行功率設置等。

系統應可以對儲能系統進行狀態管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態進行及時告警，并支持定期的電池維護。

微電網能量管理系統的監控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電樁及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統信息進行顯示。

圖2系統主界面

子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電樁信息、通訊狀況及一些統計列表等。

光伏界面

圖3光伏系統界面

本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、并網柜電力監測及發電量統計、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

儲能界面

圖4儲能系統界面

本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖5儲能系統PCS參數設置界面

本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖6儲能系統BMS參數設置界面

本界面用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖7儲能系統PCS電網側數據界面

本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。

圖8儲能系統PCS交流側數據界面

本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。

圖9儲能系統PCS直流側數據界面

本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。

圖10儲能系統PCS狀態界面

本界面用來展示對PCS狀態信息，主要包括通訊狀態、運行狀態、STS運行狀態及STS故障告警等。

圖11儲能電池狀態界面

本界面用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲能電池的運行狀態、系統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。

圖12儲能電池簇運行數據界面

本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的電壓、溫度值及所對應的位置。

風電界面

圖13風電系統界面

本界面用來展示對風電系統信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

充電樁界面

圖14充電樁界面

本界面用來展示對充電樁系統信息，主要包括充電樁用電總功率、交直流充電樁的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電樁的運行數據等。

視頻監控界面

圖15微電網視頻監控界面

本界面主要展示系統所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。

4.4.2發電預測

系統應可以通過歷史發電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發電進行短期、超短期發電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發電計劃，便于用戶對該系統新能源發電的集中管控。

圖16光伏預測界面

4.4.3策略配置

系統應可以根據發電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、有序充電、動態擴容等。

圖17策略配置界面

4.4.4運行報表

應能查詢各子系統、回路或設備規定時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能等。

圖18運行報表

4.4.5實時報警

應具有實時報警功能，系統能夠對各子系統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。

圖19實時告警

4.4.6歷史事件查詢

應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

圖20歷史事件查詢

4.4.7電能質量監測

應可以對整個微電網系統的電能質量包括穩態狀態和暫態狀態進行持續監測，使管理人員實時掌握供電系統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。

1）在供電系統主界面上應能實時顯示各電能質量監測點的監測裝置通信狀態、各監測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度和正序/負序/零序電流值；

2）諧波分析功能：系統應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；

3）電壓波動與閃變：系統應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與頻率偏差；

4）功率與電能計量：系統應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；

5）電壓暫態監測：在電能質量暫態事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發生時，系統應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統應能查看相應暫態事件發生前后的波形。

6）電能質量數據統計：系統應能顯示1min統計整2h存儲的統計數據，包括均值、95%概率值、方均根值。

7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續時間、事件發生的時間。

圖21微電網系統電能質量界面

4.4.8遙控功能

應可以對整個微電網系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統維護人員可以通過管理系統的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度系統或站內相應的操作命令。

圖22遙控功能

4.4.9曲線查詢

應可在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

圖23曲線查詢

4.4.10統計報表

具備定時抄表匯總統計功能，用戶可以自由查詢自系統正常運行以來任意時間段內各配電節點的用電情況，即該節點進線用電量與各分支回路消耗電量的統計分析報表。對微電網與外部系統間電能量交換進行統計分析；對系統運行的節能、收益等分析；具備對微電網供電可靠性分析，包括年停電時間、年停電次數等分析；具備對并網型微電網的并網點進行電能質量分析。

圖24統計報表

4.4.11網絡拓撲圖

系統支持實時監視接入系統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。

圖25微電網系統拓撲界面

本界面主要展示微電網系統拓撲，包括系統的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。

4.4.12通信管理

可以對整個微電網系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監測。系統維護人員可以通過管理系統的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

圖26通信管理

4.4.13用戶權限管理

應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）。可以定義不同*別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

圖27用戶權限

4.4.14故障錄波

應可以在系統發生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提*電力系統安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。

圖28故障錄波

4.4.15事故追憶

可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。

用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發生時，存儲事故前*個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數據。啟動事件和監視的數據點可由用戶規定和隨意修改。

圖29事故追憶

4.5系統硬件配置清單

5結論

與依托抽水儲能、壓縮空氣儲能和氫氣儲能的系統相比，本文提出的液空聚能環-智慧能源微電網系統具有適用性廣、效率*、周期成本低等優勢。產品可保障微網系統充分利用風能、太陽能，并能根據用戶負荷需求，直接為用戶提供熱負荷、冷負荷，減少能源二次轉化，提升能源系統的整體效率。設備相關的生產技術成熟，具有產業化難度低且使用壽命長的優點。從全生命周期來看，該技術成本低廉且適應不同規模場景需求，投資回收期在2~3年，回收期短，經濟效益明顯。與傳統分布式能源相比，產品引入液化空氣儲能系統，提*了系統整體的運行水平，實現了全系統*排放、穩定配電、能源儲存，提升了系統的可靠網頻率。本文提出了電網頻率校正控制適應性的電網運行場景域描述方法，利用控制量整定范圍評價電網頻率校正策略的適應性，并基于電網實際參數構建了仿真模型，驗證本文所提策略的適應性。

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