安科瑞 劉邁

　　摘要：針對我國中等規(guī)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(huán)-智慧能源微電網系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用液化空氣儲能的方式儲存不持續(xù)、不穩(wěn)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(wěn)定輸出的電能,以解決風能發(fā)電與太陽能發(fā)電的不穩(wěn)定性、間歇性、不能直接并網等問題,具有選址靈活的優(yōu)勢,可實現(xiàn)冷、熱、電三聯(lián)供。

　　關鍵詞：儲能；微電網；液空聚能環(huán)

　　0引言

　　隨著“雙碳"戰(zhàn)略的推動，新能源的規(guī)模快速增長，給電力行業(yè)帶來了嚴重沖擊。因此，亟需進一步發(fā)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(huán)智慧能源微電網系統(tǒng)，我國中等規(guī)模儲能市場的空白，為分布式能源的大規(guī)模接入提供了新的方案。

　　1微電網系統(tǒng)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(fā)展。作為負責任的大國，我國提出了“碳達峰、碳中和"戰(zhàn)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(fā)展，新能源發(fā)電的成本已經具有較強的競爭優(yōu)勢。據(jù)英國石油公司統(tǒng)計，我國太陽能發(fā)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(wěn)運行。目前，可以被規(guī)?；瘧玫膬δ芗夹g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(tǒng)，儲能已成為*備環(huán)節(jié)，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(guī)模化應用和成本優(yōu)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(huán)境要求較*，大多利用遺棄的礦坑),無法滿足微網系統(tǒng)的需求。液化空氣儲能是一種大規(guī)模工業(yè)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(fā)電的波動提供了有效的解決方案。

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

　　2系統(tǒng)設計方案

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

圖1液空聚能環(huán)——智慧能源微電網系統(tǒng)階段模型圖

　　圖2為液空聚能環(huán)-智慧能源微電網系統(tǒng)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(tǒng)能夠有效吸收額外的負荷進行儲能，并在微網系統(tǒng)出力不夠時為用戶提供多種能源負荷，可輔助微網系統(tǒng)實現(xiàn)并網儲能、離網運行功能。儲能系統(tǒng)采用*效率的三*壓縮、三*膨脹，以液態(tài)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(tǒng)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(tài)空氣轉化為*溫*壓的氣態(tài)空氣，在膨脹機中進行膨脹，帶動發(fā)電機發(fā)電，為用戶提供電負荷?；厥諌嚎s過程中產生的壓縮熱及系統(tǒng)余熱可為用戶提供熱負荷，當用戶需要冷負荷時，也可根據(jù)需求抽取低溫的液態(tài)空氣實現(xiàn)供冷。

圖2液空聚能環(huán)-智慧能源微電網系統(tǒng)流程圖

　　3系統(tǒng)創(chuàng)新點及優(yōu)勢

　　3.1系統(tǒng)創(chuàng)新點

　　系統(tǒng)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(xiàn)減碳。

　　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(yōu)點，1m3液態(tài)空氣即可儲存約60kWh 的電能，且儲能規(guī)模越大，系統(tǒng)效率越*，可為微網系統(tǒng)提供靈活的配置方案。

　　采用MATLAB、Fluent 軟件自主編程，結合實際條件對系統(tǒng)進行數(shù)學建模及數(shù)值模擬分析，優(yōu)化系統(tǒng)流程，在保證系統(tǒng)運行余量的同時，實現(xiàn)選型*優(yōu)化，避免出現(xiàn)系統(tǒng)性能過剩的情況，降低項目初投資。

　　3.2系統(tǒng)技術優(yōu)勢

　　表1—表3分別為液態(tài)空氣與*壓空氣儲能密度對比、主要規(guī)模儲能技術對比及典型風能/儲能系統(tǒng)、主要規(guī)模儲能電站單位建設成本對比的相關數(shù)據(jù)。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(guī)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(xù)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(yōu)勢。

　　4安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統(tǒng)解決方案

　　4.1概述

　　安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統(tǒng)具有*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(tǒng)對電池組性能進行實時監(jiān)測及歷史數(shù)據(jù)分析、根據(jù)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(yōu)化了電池性能，提*電池壽命。系統(tǒng)支持Windows操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫采用SQLServer。本系統(tǒng)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(tǒng)平臺。

　　4.2適用場合

　　系統(tǒng)可應用于城市、*速公路、工業(yè)園區(qū)、工商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、智能建筑、海島、無電地區(qū)可再生能源系統(tǒng)監(jiān)控和能量管理需求。

　　工商業(yè)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(fā)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(yè)園區(qū)微網、海島微網、偏遠地區(qū)微網為主，儲能起到平衡發(fā)電供應與用電負荷的作用；

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

　　4.3系統(tǒng)結構

4.4系統(tǒng)功能

　　4.4.1實時監(jiān)測

　　微電網能量管理系統(tǒng)人機界面友好，應能夠以系統(tǒng)一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態(tài)及有關故障、告警等信號。其中，各子系統(tǒng)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(shù)、頻率和正向有功電能累計值；狀態(tài)參數(shù)主要有：開關狀態(tài)、斷路器故障脫扣告警等。

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

　　系統(tǒng)應可以對儲能系統(tǒng)進行狀態(tài)管理，能夠根據(jù)儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)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(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)界面包括系統(tǒng)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(jié)能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據(jù)不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統(tǒng)信息進行顯示。

圖2系統(tǒng)主界面

　　子界面主要包括系統(tǒng)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(tǒng)計列表等。

　　光伏界面

圖3光伏系統(tǒng)界面

　　本界面用來展示對光伏系統(tǒng)信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態(tài)監(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統(tǒng)計及分析、并網柜電力監(jiān)測及發(fā)電量統(tǒng)計、電站發(fā)電量年有效利用小時數(shù)統(tǒng)計、發(fā)電收益統(tǒng)計、碳減排統(tǒng)計、輻照度/風力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時對系統(tǒng)的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數(shù)據(jù)進行展示。

　　儲能界面

圖4儲能系統(tǒng)界面

　　本界面主要用來展示本系統(tǒng)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(tǒng)PCS參數(shù)設置界面

　　本界面主要用來展示對PCS的參數(shù)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(tǒng)BMS參數(shù)設置界面

　　本界面用來展示對BMS的參數(shù)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(tǒng)PCS電網側數(shù)據(jù)界面

　　本界面用來展示對PCS電網側數(shù)據(jù)，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數(shù)等。

圖8儲能系統(tǒng)PCS交流側數(shù)據(jù)界面

　　本界面用來展示對PCS交流側數(shù)據(jù)，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數(shù)、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(tǒng)PCS直流側數(shù)據(jù)界面

　　本界面用來展示對PCS直流側數(shù)據(jù)，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(tǒng)PCS狀態(tài)界面

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

圖11儲能電池狀態(tài)界面

　　本界面用來展示對BMS狀態(tài)信息，主要包括儲能電池的運行狀態(tài)、系統(tǒng)信息、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(tǒng)界面

　　本界面用來展示對風電系統(tǒng)信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態(tài)監(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統(tǒng)計及分析、電站發(fā)電量年有效利用小時數(shù)統(tǒng)計、發(fā)電收益統(tǒng)計、碳減排統(tǒng)計、風速/風力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時對系統(tǒng)的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數(shù)據(jù)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(tǒng)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(shù)據(jù)等。

　　視頻監(jiān)控界面

圖15微電網視頻監(jiān)控界面

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

　　4.4.2發(fā)電預測

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

圖16光伏預測界面

　　4.4.3策略配置

　　系統(tǒng)應可以根據(jù)發(fā)電數(shù)據(jù)、儲能系統(tǒng)容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統(tǒng)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(tài)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(tǒng)、回路或設備規(guī)定時間的運行參數(shù)，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(shù)、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(tǒng)能夠對各子系統(tǒng)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(fā)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(shù)、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(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

圖20歷史事件查詢

　　4.4.7電能質量監(jiān)測

　　應可以對整個微電網系統(tǒng)的電能質量包括穩(wěn)態(tài)狀態(tài)和暫態(tài)狀態(tài)進行持續(xù)監(jiān)測，使管理人員實時掌握供電系統(tǒng)電能質量情況，以便及時發(fā)現(xiàn)和消除供電不穩(wěn)定因素。

　　1）在供電系統(tǒng)主界面上應能實時顯示各電能質量監(jiān)測點的監(jiān)測裝置通信狀態(tài)、各監(jiān)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tài)監(jiān)測：在電能質量暫態(tài)事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發(fā)生時，系統(tǒng)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(tǒng)應能查看相應暫態(tài)事件發(fā)生前后的波形。

　　6）電能質量數(shù)據(jù)統(tǒng)計：系統(tǒng)應能顯示1min統(tǒng)計整2h存儲的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，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(tài)（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續(xù)時間、事件發(fā)生的時間。

圖21微電網系統(tǒng)電能質量界面

　　4.4.8遙控功能

　　應可以對整個微電網系統(tǒng)范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統(tǒng)維護人員可以通過管理系統(tǒng)的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執(zhí)行的操作順序，可以及時執(zhí)行調度系統(tǒng)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(shù)、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。

圖23曲線查詢

　　4.4.10統(tǒng)計報表

　　具備定時抄表匯總統(tǒng)計功能，用戶可以自由查詢自系統(tǒng)正常運行以來任意時間段內各配電節(jié)點的用電情況，即該節(jié)點進線用電量與各分支回路消耗電量的統(tǒng)計分析報表。對微電網與外部系統(tǒng)間電能量交換進行統(tǒng)計分析；對系統(tǒng)運行的節(jié)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(shù)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(tǒng)計報表

　　4.4.11網絡拓撲圖

　　系統(tǒng)支持實時監(jiān)視接入系統(tǒng)的各設備的通信狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網絡結構；可在線診斷設備通信狀態(tài)，發(fā)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(tǒng)拓撲界面

　　本界面主要展示微電網系統(tǒng)拓撲，包括系統(tǒng)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(tǒng)范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。系統(tǒng)維護人員可以通過管理系統(tǒng)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(shù)據(jù)情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規(guī)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(shù)修改等）?？梢远x不同*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。

圖27用戶權限

　　4.4.14故障錄波

　　應可以在系統(tǒng)發(fā)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(tǒng)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(fā)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(shù)據(jù)，包括開關位置、保護動作狀態(tài)、遙測量等，形成事故分析的數(shù)據(jù)基礎。

　　用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發(fā)生時，存儲事故10個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數(shù)據(jù)。啟動事件和監(jiān)視的數(shù)據(jù)點可由用戶規(guī)定和隨意修改。

圖29事故追憶

　　4.5系統(tǒng)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(tǒng)相比，本文提出的液空聚能環(huán)-智慧能源微電網系統(tǒng)具有適用性廣、效率*、周期成本低等優(yōu)勢。產品可保障微網系統(tǒng)充分利用風能、太陽能，并能根據(jù)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(tǒng)的整體效率。設備相關的生產技術成熟，具有產業(yè)化難度低且使用壽命長的優(yōu)點。從全生命周期來看，該技術成本低廉且適應不同規(guī)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(tǒng)分布式能源相比，產品引入液化空氣儲能系統(tǒng)，提*了系統(tǒng)整體的運行水平，實現(xiàn)了全系統(tǒng)穩(wěn)定配電、能源儲存，提升了系統(tǒng)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(shù)構建了仿真模型，驗證本文所提策略的適應性。

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