安科瑞電化學(xué)儲能能量管理系統(tǒng)解決方案

安科瑞徐行德/顧錫君

1 概述

在我國新型電力系統(tǒng)中，新能源裝機容量逐年提高，但是新能源比如光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電是不穩(wěn)定的能源，所以要維持電網(wǎng)穩(wěn)定，促進新能源發(fā)電的消納，儲能將成為至關(guān)重要的一環(huán)，是分布式光伏、風(fēng)電等新能源消納以及電網(wǎng)安全的必要保障，也是削峰填谷、平滑負荷的有效手段。國家鼓勵支持市場進行儲能項目建設(shè)，全國多個省市出臺了具體的儲能補貼政策，明確規(guī)定了儲能補貼標(biāo)準和限額。國內(nèi)分時電價的調(diào)整也增加了儲能項目的峰谷套利空間，多個省份每天可實現(xiàn)兩充兩放，大大縮短了儲能項目的投資回收期，這也讓儲能進入熱門賽道。

2 儲能電站盈利模式

據(jù)統(tǒng)計，2023年1-4月電化學(xué)儲能投運項目共73個，裝機規(guī)模為2.523GW/5.037GWh。其中磷酸鐵鋰儲能項目高達69個，裝機規(guī)模為2.52GW/5.019GWh；液流電池儲能項目共4個，裝機規(guī)模為3.1MW/18.1MWh。其中華東、西北和華北區(qū)域儲能規(guī)模分列前三，占總規(guī)模的78.5%，分別為814.94MW、623.6MW以及541.55MW。華東區(qū)域1-4月投運儲能項目規(guī)模很大，達814.94MW/1514.2MWh，總數(shù)也很多，共26個。

從應(yīng)用場景分布上看，“大儲"依舊占據(jù)至高地位，電源側(cè)和電網(wǎng)側(cè)項目儲能規(guī)模合計占比達98%，其中電網(wǎng)側(cè)儲能項目共投運24個，裝機規(guī)模為1542MW/2993MWh，包括7個集中式共享儲能項目。電源側(cè)儲能項目共投運23個，裝機規(guī)模為922MW/1964.5MWh，其中大部分為新能源側(cè)儲能項目，共19個，規(guī)模占電源側(cè)的88%。用戶側(cè)儲能項目，雖然規(guī)模體量上不及“大儲"，但各地電價機制改革后，尖峰電價提高，峰谷差價拉大，用電成本提高，給自身帶來了不小的挑戰(zhàn)。用戶側(cè)配儲可以谷時充電峰時放電，一方面可以緩解甚至解決尖峰購電壓力；另一方面，富余的儲能還可并網(wǎng)，作為用戶側(cè)參與電力市場，利用峰谷差價實現(xiàn)獲利，儲能的價值逐漸凸顯。1-4月份用戶側(cè)項目投運個數(shù)多達20個，隨著回報比率的提升，用戶側(cè)儲能項目會越來越多。

儲能在不同環(huán)節(jié)存在多種盈利模式，儲能盈利模式主要有以下幾種：幫助發(fā)、輸、配各環(huán)節(jié)電力運營商以及終端用戶降本增效；延緩基礎(chǔ)設(shè)施投資；通過峰谷價差套利、參與虛擬電廠需求響應(yīng)等輔助服務(wù)市場、容量租賃、電力現(xiàn)貨市場等方式。

電源側(cè)

電力調(diào)峰：通過儲能的方式實現(xiàn)用電負荷的削峰填谷，即發(fā)電廠在用電負荷低谷時段對電池充電，在用電負荷高峰時段將存儲的電量釋放。

提供容量：通過儲能提供發(fā)電容量以應(yīng)對發(fā)電尖峰負荷，提升傳統(tǒng)發(fā)電機組的運行效率。

可再生能源并網(wǎng)：在風(fēng)、光電站配置儲能，基于電站出力預(yù)測和儲能充放電調(diào)度，對隨機性、間歇性和波動性的可再生能源發(fā)電出力進行平滑控制，滿足并網(wǎng)要求。

可再生能源發(fā)電調(diào)峰：將可再生能源的棄風(fēng)棄光電量存儲后再移至其他時段進行并網(wǎng)，提高可再生能源利用率。

調(diào)頻：頻率的變化會對發(fā)電及用電設(shè)備的安全運行及壽命產(chǎn)生影響，因此頻率調(diào)節(jié)至關(guān)重要。電化學(xué)儲能調(diào)頻速度快，可以靈活地在充放電狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，因而成為好的調(diào)頻資源。

虛擬電廠：通過虛擬電廠的需求響應(yīng)為電網(wǎng)尖峰時段提供應(yīng)急容量，針對突發(fā)情況時為保障電能質(zhì)量和系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行而預(yù)留的有功功率儲備。

黑啟動：發(fā)生重大系統(tǒng)故障或全系統(tǒng)范圍停電時，在沒有電網(wǎng)支持的情況下重啟無自啟動能力的發(fā)電機組，逐漸擴大系統(tǒng)恢復(fù)范圍，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的恢復(fù)。

盈利方式：提升發(fā)電效率以增加收入；減少棄風(fēng)棄光，提升發(fā)電效率；峰谷價差套利。

電網(wǎng)側(cè)

緩解電網(wǎng)阻塞：將儲能系統(tǒng)安裝在線路上游，當(dāng)發(fā)生線路阻塞時可以將無法輸送的電能儲存到儲能設(shè)備中，等到線路負荷小于線路容量時，儲能系統(tǒng)再向線路放電。

延緩輸配電設(shè)備擴容升級：在負荷接近設(shè)備容量的輸配電系統(tǒng)內(nèi)，可以利用儲能系統(tǒng)通過較小的裝機容量有效提高電網(wǎng)的輸配電能力，從而延緩新建輸配電設(shè)施，降低成本。

盈利方式：提升輸配電效率，延緩?fù)顿Y。

用戶側(cè)

容量管理：工業(yè)用戶可以利用儲能系統(tǒng)在用電低谷時儲能，在高峰負荷時放電，從而降低整體負荷，達到降低容量電費的目的。

容量租賃：儲能電站租賃給新能源服務(wù)商，目前國內(nèi)的儲能容量租賃費用范圍在250-350元/kW·年，具體定價由儲能電站與新能源電站的項目收益相互協(xié)商，而后雙方簽訂長期租賃協(xié)議。

電力自發(fā)自用：安裝光伏的家庭和工商業(yè)用戶通過配置儲能可以更好地利用光伏電力，提高自發(fā)自用水平，降低用電成本。

峰谷價差套利：在實施峰谷電價的電力市場中，通過低電價時給儲能系統(tǒng)充電，高電價時儲能系統(tǒng)放電，實現(xiàn)峰谷電價差套利，降低用電成本。

消納綠電：當(dāng)光伏、風(fēng)力發(fā)電等可再生能源有富余時可儲存電能，促進綠電消納。

盈利方式：降低容量電費，節(jié)約用電成本，峰谷價差套利。

3 相關(guān)標(biāo)準

《電化學(xué)儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》GB/T 36547

《電化學(xué)儲能電站設(shè)計規(guī)范》GB 51048

《電化學(xué)儲能電站設(shè)計標(biāo)準（征求意見稿）》

《電化學(xué)儲能系統(tǒng)儲能變流器技術(shù)規(guī)范》GB/T 34120

《電力儲能用鋰離子電池》GB/T 36276

《儲能電站監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》NB/T 42090

《電化學(xué)儲能電站用鋰離子電池技術(shù)規(guī)范》NB/T 42091

《電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備通用要求》GB/T 19862

《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》GB 50058

《繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》GB/T 14285

《儲能電站用鋰離子電池管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》GB/T 34131

《3~110kV高壓配電裝置設(shè)計規(guī)范》GB 50060

《20kV及以下變電所設(shè)計規(guī)范》GB 50053

《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》GB 38755

《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制技術(shù)導(dǎo)則》GB26399

《電力系統(tǒng)調(diào)度自動化設(shè)計規(guī)程》DL/T 5003

《電能量計量系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》DL/T 5202

《電力系統(tǒng)電化學(xué)儲能系統(tǒng)通用技術(shù)條件》 GB/T 36558

4 電化學(xué)儲能電站分類

在GB 51048-2014《電化學(xué)儲能電站設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱規(guī)范)中電化學(xué)儲能電站按電池類型分類可以分為鉛酸(鉛炭)電池、鋰離子電池、液流電池、鈉硫電池和多類型電化學(xué)儲能等，但是在2022年的《電化學(xué)儲能電站設(shè)計標(biāo)準（征求意見稿）》(以下簡稱標(biāo)準)中已經(jīng)刪除鈉硫電池儲能，明確為鉛酸（鉛炭）電池、鋰離子電池和液流電池。國家能源局綜合司發(fā)布《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求（2022年版）（征求意見稿）》，提出中大型電化學(xué)儲能電站不得選用三元鋰電池、鈉硫電池，不宜選用梯次利用動力電池。所以中大型電化學(xué)儲能電站電池類型一般可選擇鉛酸（鉛炭）電池、磷酸鐵鋰電池和全釩液流電池。

另外針對電化學(xué)儲能電站的規(guī)模分類，規(guī)范和標(biāo)準也不同。

表1 規(guī)范和標(biāo)準對儲能系統(tǒng)規(guī)模定義

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，儲能電站的規(guī)模上限定義遠超之前的標(biāo)準，這也是由于近幾年儲能電站大規(guī)模發(fā)展的原因，放寬功率標(biāo)準，簡化了電化學(xué)儲能電站的建設(shè)要求，便于促進儲能的進一步發(fā)展。

5 儲能系統(tǒng)設(shè)計及選型

5.1 儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)電壓等級要求

GB 51048《電化學(xué)儲能電站設(shè)計規(guī)范》對并網(wǎng)電壓等級要求沒有非常明確，僅僅是建議大中型儲能系統(tǒng)采用10kV或更高電壓等級并網(wǎng)。在《電化學(xué)儲能電站設(shè)計標(biāo)準（征求意見稿）》對接入電壓等級的要求是：小型儲能電站宜采用0.4kV~20kV及以下電壓等級；中型儲能電站宜采用10kV~110kV電壓等級；大型儲能電站宜采用220kV及以上電壓等級。

GB/T 36547-2018《電化學(xué)儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》對不同容量的儲能系統(tǒng)并網(wǎng)電壓等級做了詳細的要求，電化學(xué)儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)的電壓等級應(yīng)按照儲能系統(tǒng)額定功率、接入電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等條件確定，不同額定功率儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)電壓等級如下表所示：

表2 儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)電壓等級要求

5.2 
8kW及以下儲能系統(tǒng)

8kW及以下的儲能系統(tǒng)一般用于戶用的光儲系統(tǒng)，配合屋頂光伏和光伏、儲能一體式逆變器，實現(xiàn)戶用并、離網(wǎng)模式運行。當(dāng)不允許向電網(wǎng)輸送電能時，通過防逆流裝置可以實現(xiàn)光伏發(fā)電富余時自動充電，至大程度消納綠電，配電結(jié)構(gòu)如圖1所示。戶用光儲系統(tǒng)數(shù)據(jù)可上傳云平臺供移動端查看數(shù)據(jù)。

圖1  8kW及以下戶用儲能光伏一體化系統(tǒng)

表3 戶用儲能管理系統(tǒng)硬件推薦

5.3 
 8kW-1000kW儲能系統(tǒng)

8kW-1000kW儲能系統(tǒng)一般500kW以下采用380V并網(wǎng)，500kW-1000kW根據(jù)接入電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可采用0.4kV多點并網(wǎng)，也可以采用6kV-20kV電壓并網(wǎng)。當(dāng)然采用6kV-20kV電壓并網(wǎng)需要增加升壓變壓器、中壓開關(guān)柜等設(shè)備，會大大增加儲能系統(tǒng)的成本，所以在情況允許的情況下可以采用0.4kV多點并網(wǎng)以減少成本。

比如企業(yè)內(nèi)部需要安裝大功率充電樁，但是企業(yè)變壓器容量不滿足要求的情況下可以安裝光伏、儲能系統(tǒng)用于擴展用電容量，在不更換變壓器的情況下，可以在0.4kV母線增加儲能系統(tǒng)并網(wǎng)。在光伏發(fā)電有富余或者負荷較低的谷電時段充電，負荷高峰時期放電，以小的成本擴展企業(yè)內(nèi)部用電容量，這種情況典型的場景是城市快速充電站或者需要變壓器擴容的企業(yè)，如圖2所示。通過多組250kW/500kWh分布式儲能柜并入0.4kV母線，這樣可以把企業(yè)內(nèi)部配電容量一段時間內(nèi)擴展1000kW，滿足企業(yè)用電擴容需要。

圖2  8kW-1000kW工商儲能光伏充電一體化系統(tǒng)

通過0.4kV多點并網(wǎng)的儲能系統(tǒng)中，在10kV產(chǎn)權(quán)分界點需要增加防孤島保護裝置和電能質(zhì)量分析裝置，如果不需要往電網(wǎng)送電還需要安裝逆功率保護裝置，在低壓側(cè)0.4kV安裝電能質(zhì)量治理和無功補償裝置等，儲能系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過智能網(wǎng)關(guān)采集后可以上傳至本地管理系統(tǒng)或者云平臺，實現(xiàn)企業(yè)可靠、有序用電，降低用能成本。

在這種模式下，安科瑞電氣可以為1000kW以下儲能監(jiān)控系統(tǒng)提供以下設(shè)備，見表4。

表4 1000kW以下儲能監(jiān)控系統(tǒng)硬件推薦

5.4 500kW-5000kW儲能系統(tǒng)

500kW-5000kW儲能系統(tǒng)采用6kV-20kV并網(wǎng)，一般采用電氣集裝箱方式安裝，分為電池艙、電氣艙等，也可采用模塊化的分布式儲能柜并聯(lián)匯流后升壓并網(wǎng)，組裝方便，安全系數(shù)高。

圖3  2MW/4MWh工商業(yè)儲能系統(tǒng)示意圖

現(xiàn)行分時電價政策由于不少地區(qū)在冬夏高峰時段每天會有2個尖峰時段，持續(xù)時間2小時左右，為了保證峰谷套利收益更大，工商業(yè)儲能系統(tǒng)大多采用充放電倍率0.5C輸出設(shè)計。

按照GB/T 36547-2018《電化學(xué)儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》要求，儲能系統(tǒng)交流側(cè)匯流后通過變壓器升壓至10kV后并入企業(yè)內(nèi)部配電網(wǎng)10kV母線，儲能系統(tǒng)交流側(cè)額定電壓可根據(jù)儲能系統(tǒng)功率確定，一般可選擇線電壓0.4kV、0.54kV、0.69kV、1.05kV、6.3kV、10.5kV等。

儲能系統(tǒng)的微機保護配置要求：儲能電站應(yīng)配置防孤島保護，非計劃孤島時應(yīng)在2s動作，將儲能電站與電網(wǎng)斷開；通過10（6）kV~35kV（66kV）電壓等級專線方式接入系統(tǒng)的儲能電站宜配置光纖電流差動或方向保護作為主保護。

關(guān)于儲能系統(tǒng)計量點的設(shè)置：如果儲能系統(tǒng)采用專線接入公用電網(wǎng)，計量點應(yīng)設(shè)置在公共連接點；采用T接方式并入公共電網(wǎng)，計量點應(yīng)設(shè)置在儲能系統(tǒng)出線側(cè)；如果儲能系統(tǒng)接入企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)，計量點應(yīng)設(shè)置在并網(wǎng)點，見圖3。

儲能單元應(yīng)具備絕緣監(jiān)測功能，當(dāng)儲能單元絕緣低時應(yīng)能發(fā)出報警和/或跳閘信號通知儲能變流器及計算機監(jiān)控系統(tǒng)，如果BMS或者PCS具備絕緣監(jiān)測功能的話不需要另外配置絕緣監(jiān)測裝置。

通過10（6）kV接入公用電網(wǎng)的儲能系統(tǒng)電能質(zhì)量宜滿足GB/T19862要求的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置，當(dāng)儲能系統(tǒng)的電能質(zhì)量指標(biāo)不滿足要求時，應(yīng)安裝電能質(zhì)量治理設(shè)備。

在5000kW以下儲能系統(tǒng)中，安科瑞提供的二次設(shè)備推薦如表5所示。

表5 5000kW以下儲能監(jiān)控系統(tǒng)硬件推薦

5.5 5000kW以上儲能系統(tǒng)

5000kW以上規(guī)模的儲能系統(tǒng)根據(jù)功率大小可采用35kV、110kV或者220kV并網(wǎng)，一般采用2MWh~4MWh左右的儲能單元作為一個基礎(chǔ)單元，集成安裝在一個40英尺集裝箱。和儲能單元配套的系統(tǒng)還包括三級電池管理系統(tǒng)(BMS)、消防系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)(EMS)，每個電池艙還包括電池柜、控制柜(BMS)和匯流柜等。也可采用模塊化的分布式儲能柜并聯(lián)匯流后升壓并網(wǎng)，組裝較為方便，安全系數(shù)較高，但是相對成本偏高。

圖4 中大型儲能電站電氣布局示意圖

通過110kV及以上電壓等級專線方式接入系統(tǒng)的儲能電站應(yīng)配置光纖電流差動保護作為主保護；通過10（6）kV~35kV（66kV）電壓等級專線方式接入系統(tǒng)的儲能電站宜配置光纖電流差動或方向保護作為主保護；大型儲能電站（100MW以上）應(yīng)配置專用故障錄波裝置。

儲能電站高壓側(cè)接線型式可采用單母線、單母線分段等簡單接線形式。當(dāng)電化學(xué)儲能電站經(jīng)雙回路接入系統(tǒng)時，宜采用單母線分段接線，并宜符合下列要求：小型儲能電站可采用線變組、單母線接線等；中型儲能電站可采用單母線或單母線分段接線等；大型儲能電站可采用單母線分段接線、雙母線接線等，儲能電站35kV及以上電壓等級的母線宜設(shè)置母線保護。

圖5 中大型儲能電站電氣接線示意圖

接入公用電網(wǎng)的電化學(xué)儲能站應(yīng)在并網(wǎng)點配置電能質(zhì)量監(jiān)測裝置或具備電能質(zhì)量監(jiān)測功能。10(6)kV及以上電壓等級接入公共電網(wǎng)的電化學(xué)儲能電站宜配置滿足現(xiàn)行國家標(biāo)準《電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備通用要求》GB/T 19862要求的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置，當(dāng)電能質(zhì)量指標(biāo)不滿足要求時，應(yīng)安裝電能質(zhì)量治理設(shè)備。

表6 5000kW以上儲能監(jiān)控系統(tǒng)硬件推薦

6 儲能工程電能管理系統(tǒng)

Acrel-2000MG儲能系統(tǒng)電能管理系統(tǒng)和AcrelEMS能源管理平臺能夠?qū)ζ髽I(yè)微電網(wǎng)的源（市電、分布式光伏、微型風(fēng)機）、網(wǎng)（企業(yè)內(nèi)部配電網(wǎng)）、荷（固定負荷和可調(diào)負荷）、儲能系統(tǒng)、新能源汽車充電負荷進行實時監(jiān)測和優(yōu)化控制，保護微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)運行安全，實現(xiàn)不同目標(biāo)下源網(wǎng)荷儲資源之間的靈活互動，增加多策略控制下系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。同時促進新能源消納、合理削峰填谷，減少電網(wǎng)建設(shè)投資，提升微電網(wǎng)運行安全，降低運行成本。Acrel-2000MG儲能系統(tǒng)電能管理系統(tǒng)適合部署在本地，作為實時監(jiān)控、異常告警和策略管理；AcrelEMS能源管理平臺適用于企業(yè)源網(wǎng)荷儲充運維的一體化管理平臺，并提供移動端數(shù)據(jù)服務(wù)和異常告警。

6.1  數(shù)據(jù)展示

展示儲能的容量信息、收益、充放電量及電壓、電流、及充放電功率的變化曲線等。

圖6 儲能系統(tǒng)數(shù)據(jù)展示

6.2 異常報警

儲能系統(tǒng)電能管理系統(tǒng)應(yīng)具有事故報警和預(yù)告報警功能。事故報警包括非正常操作引起的斷路器跳閘和保護裝置動作信號；預(yù)告報警包括一般設(shè)備變位、狀態(tài)異常信息或電芯過壓、電芯欠壓、溫度異常、電池簇過壓告警、電池簇欠壓告警等，保障儲能系統(tǒng)運行安全。

圖7 儲能系統(tǒng)告警記錄

6.3 實時監(jiān)控

儲能BMS監(jiān)測電芯、電池模組、電池簇的電壓、電流、溫度、SOC及越限電芯位置等，并針對越限信息進行告警，儲能變流器交直流側(cè)運行監(jiān)控、充放電指令下發(fā)、參數(shù)限值設(shè)定等。 

圖8 儲能系統(tǒng)實時監(jiān)控

6.4 光伏運行監(jiān)控

監(jiān)測企業(yè)分布式光伏電站運行情況，包括逆變器運行數(shù)據(jù)、光伏發(fā)電效率分析、發(fā)電量及收益統(tǒng)計以及光伏發(fā)電功率控制。

圖9 光伏運行監(jiān)測

6.5 電能質(zhì)量監(jiān)測

    監(jiān)測微電網(wǎng)重要回路的電壓波動與閃變、電壓暫升/暫降、短時中斷情況，實時記錄事件并故障錄波，為電能質(zhì)量分析與治理提供數(shù)據(jù)來源。及時采取相應(yīng)的措施提高配電系統(tǒng)的可靠性，減少因諧波造成的供電事故的發(fā)生。

圖10 電能質(zhì)量監(jiān)測

6.6 AcrelEMS能源管理平臺

AcrelEMS能源管理平臺通過先進的控制、計量、通信等技術(shù)，將分布式電源、儲能系統(tǒng)、可控負荷、電動汽車、電能路由器聚合在一起；平臺根據(jù)新的電網(wǎng)價格、用電負荷、電網(wǎng)調(diào)度指令等情況，靈活調(diào)整微電網(wǎng)控制策略并下發(fā)給儲能系統(tǒng)、電動汽車充電樁、電能路由器等系統(tǒng)，保障企業(yè)微電網(wǎng)穩(wěn)定運行，并提供移動端數(shù)據(jù)服務(wù)。

圖11  AcrelEMS能源管理平臺及APP展示

產(chǎn)品推薦：導(dǎo)軌式直流電能表；直流霍爾傳感器；多用戶預(yù)付費電能表

作者介紹：徐行德，男，本科，江蘇安科瑞電器制造有限公司，主要從事光儲充等研發(fā)與應(yīng)用