【摘要】隨著可再生能源的廣泛接入和電力系統對靈活性,穩定性要求的提升,儲能電站作為電力系統中組成部分,其重要性日益凸顯。深入探討儲能電站能量管理設備系統的技術研究與應用,回顧儲能電站的發展背景,探討儲能電池的類型與儲能技術分類,闡述儲能電站能量管理設備系統的構成與設計,為儲能電站的高效、安全運行提供理論與實踐指導。

【關鍵詞】儲能電站，能量管理，設備系統技術研究

儲能電站能量管理設備系統作為儲能電站的核心組成部分,直接關系儲能系統的整體效率和安全性。該系統包括電池配置、換流器及控制系統(PCS)電池管理系統(BMS)和能量管理系統(EMS)等關鍵組件，這些組件的優化設計和高效協同，對實現儲能電站的精細化管理、提高能量利用效率、降低運行成本十分重要。

近年儲能技術快速發展,特別是鋰離子電池、液流電池等新型儲能方式不斷成熟,顯著降低了儲能成本,提升了儲能系統的效率與安全性,推動儲能系統在電力系統中的廣泛應用。隨著風能、太陽能等可再生能源的普及電力系統面臨的間歇性和波動性挑戰日益凸顯,儲能技術成為平衡供需、平滑輸出、提高并網穩定性的關鍵!儲能系統在調峰填谷、優化資源配置、提升電網靈活性方面的作用顯著,面對全球氣候變化的嚴峻形勢,儲能技術的應用有助于減少化石能源依賴,促進清潔能源消納,對實現碳中和目標具有重要戰略意義。

1 儲能電站能量管理設備系統的選型與方案

1.1 儲能電池類型

儲能電池性能直接影響儲能系統的能量密度、功率密度、循環壽命、安全性和成本等關鍵指標。目前,市場上主流的儲能電池包括鋰離子電池、鉛酸電池、液流電池、鈉硫電池等,每種電池類型都有其的優勢和適用場景。

1.2 電池儲能技術分類

1.2.1鋰離子電池儲能技術

鋰離子電池是目前應用最為廣泛的電池儲能技術之一,具有高能量密度、長循環壽命、快速充放電能力和良好的功率特性,適用于多種儲能場景,包括電動汽車、家用儲能系統、電網調峰和可再生能源并網等!21。鋰離子電池的種類繁多,常見的有鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和鎳鈷錳三元材料等。磷酸鐵鋰作為磷酸鐵鋰電池的正極材料,其天然形態為有序的橄欖石結構,來源于自然界中的磷鐵鋰礦,的結構賦其優異的穩定性和安全性。在單體電池的設計中,包括隔膜、正負極材料及電解質溶液,各部分協同工作以實現電能的存儲與釋放。

在電池內部,聚合物隔膜允許鋰離子自由穿越,有效阻擋電子的直接流通,確保電池在充放電過程中既高效又安全。電池的右側,石墨作為負極活性物質,通過銅與電池負極緊密相連,形成高效的電子傳輸通道，電池的左側為磷酸鐵鋰構成的正極材料,通過鋁箔與正極相連確保正極材料的穩定性和電導率。整個電池系統由堅固的外殼密封封裝,內部充盈著電解質溶液,電解質溶液為鋰離子提供移動的介質,還對電池內部組件起到保護作用,防止水分和雜質的侵人,保證電池的長期穩定運行。

1.2.2鉛酸電池儲能技術

鉛酸電池是最早的商用電池之一,具有成本低、技術成熟、維護簡單等優點,雖然其能量密度和功率密度較低,但在備用電源,小型儲能系統和某些特定工業應用中仍然占據一席之地。鉛酸電池主要包括普通鉛酸電池和閥控式密封鉛酸電池(VRLA)兩種類型。

1.2.3液流電池儲能技術

液流電池是將化學能轉化為電能的電化學儲能裝置,其工作原理是利用兩個可流動的電解質溶液在電池中進行氧化還原反應。液流電池的特點是能量密度和功率密度可獨立設計,易于大規模儲能,安全性高、循環壽命長。常見的液流電池有全釩液流電池、鋅溴液流電池和鋅鐵液流電池等。

1.2.4鈉硫電池儲能技術

鈉硫電池是以鈉和硫為活性物質的高溫電池，具有高能量密度、高效率和長循環壽命的優點,適用于大容量、高功率的儲能應用。鈉硫電池工作溫度通常在300℃以上,需要良好的熱管理系統以保證安全運行。

1.3 系統需求分析

在儲能電站的選型中,考慮商業運營的核心目標與系統的規模,電化學儲能方案中,鈉硫電池和全釩液流電池因技術成熟度、成本和安全性問題,使其在大規模儲能項目中的應用受到限制。鉛碳電池由于充放電次數有限和能量密度不足，也不適合作為大型儲能項目的選擇相比之下,鋰離子電池,尤其是磷酸鐵鋰電池,憑借成熟的技術,廣泛的應用,較高的安全性和成本效益,成為大型儲能電站的優選。磷酸鐵鋰電池在安全性,耐熱性和循環壽命方面表現突出,且國內產業鏈完善,成本控制優勢明顯,是實現儲能系統高效、安全、經濟運行的理想選擇。因此,基于項目規模、技術成熟度、成本效益和安全性能的綜合考量,建議采用磷酸鐵鋰系統作為儲能解決方案,以實現商業運營目標。

2 儲能電站能量管理設備系統構成與設計

2.1 電池配置

儲能電站的電池配置設計是一個系統工程,應綜合考慮儲能需求、電池特性、系統集成、安全防護和維護管理等多方面因素,實現儲能系統的性能和經濟性。以某300MW/300MWh儲能電站建設項目為例,其儲能系統主要由儲能電池組、PCS、BMS及匯流變壓器等設備組成1。單套35kV6.38MW/6.38MWh交流級聯儲能系統電池系統成組方式如表1所示(共30套)4,單套35kV6.08MW/6.08MWh交流級聯儲能系統電池系統成組方式如表2所示(共18套)。

2.2 換流器及控制系統

PCS負責電池與電網之間的能量轉換,控制系統則負責調度和優化能量流動。PCS在儲能系統中十分重要,實現電池與電網之間的能量雙向轉換,即從直流電到交流電的逆變過程,以及從交流電到直流電的整流過程。

PCS的技術先進性直接決定儲能系統在電氣性能上的表現水平。作為儲能系統的核心組件,PCS的性能優劣直接影響整個系統的運行效率、安全性和經濟性。為充分發揮大量交流級聯PCS的協同優勢,精細且高效的控制系統。控制系統通常由主控制器、人機交互界面(觸摸屏)及上位機等多個關鍵組件構成,共同協作以實現對整個級聯系統的精準調控。

2.3 電池管理系統

BMS采用三級架構,每一層級承擔特定職責,協同確保電池組的高效與安全運行。其中電池采集單元(BMU)直接采集電池電壓、溫度等數據,診斷并上報故障:電池控制單元(BCU)管理電池充放電,估算SOC與SOH,執行自檢、通信協調,以及遇異常自動保護。電池堆管理系統(BAMS)進行全局監控,分析BCU數據,評估電池狀態,轉發數據至EMS,確保系統的穩定運行。

2.4 能量管理系統的特點

儲能電站的監控和EMS作為儲能系統的核心大腦主要職責包括全面收集并管理來自BMS、PCS及電氣設備的全部數據，向儲能系統各組成部分發送精準的控制指令,指導整個系統的運行,確保儲能變流器的工作狀態符合策略:負責設置PCS的充放電功率、電壓、電流和頻率等關鍵參數,實時采集并顯示PCS的有功/無功功率、電壓、電流、頻率及工作狀態等信息,確保PCS運行在高效、安全的狀態下。系統具備自動與手動兩種運行模式,自動模式下,系統依據預設的充放電時間、功率和運行模式自主運行,實現智能化管理:在手動模式下,系統能夠即時響應操作員的指令,確保在特定情況下的人為干預能力。

3 儲能電站能量管理設備系統關鍵技術

3.1 數據存儲技術

數據存儲技術旨在確保海量數據的準確存儲與高效檢索,支持對大數據的深度分析,為決策提供堅實的數據基礎,對電池狀態、電網運行參數、環境條件等多種數據的實時記錄與長期保存。高性能數據庫管理系統,結合數據壓縮、冗余存儲、數據加密等技術,利用分布式存儲和云計算技術,提高數據處理能力和系統擴展性。

3.2 魯棒性測試技術

魯棒性測試技術用于評估系統在異常條件下的穩定性和可靠性,確保即使在或非預期環境下,系統仍能保持正常運行,減少故障風險。通過構建多種異常場景，如電網波動、設備故障、天氣條件等,對系統進行壓力測試和故障注人,評估系統恢復能力和容錯性能。

3.3電網控制類閉環驗證技術

閉環驗證技術通過模擬真實電網環境，包括動態負荷變化、電網頻率波動等復雜條件,全面評估系統在實際運行中的控制策略和響應效果。構建高保真的電網仿真模型,與實際儲能系統進行閉環連接,實時模擬各種電網場景,測試系統的控制邏輯和算法性能。通過對比仿真結果與預期目標,優化控制參數,提高系統對電網需求的響應速度和準確性。

4 儲能電站能量管理設備系統的實現及技術驗證

4.1系統實現

儲能電站控制系統遵循模塊化與功能集成的設計理念,構建由系統層和設備層組成的雙層結構,實現高效靈活的能源管理。設備層與系統層之間通過網線或光纖進行數據交換,采用星型網絡結構,確保數據傳輸的穩定性和高速度。在設備層，下行設備通過RS485接口或網線與通信管理機及中心控制器進行通信151。通信管理機扮演著橋梁角色,負責將采用非標準化協議的設備數據轉換并轉發給監控主機,實現數據的標準化與統一管理

4.2 技術驗證

通過虛擬化技術,模擬100臺儲能設備的高負載環境,每臺設備每秒發送數據包數量為50個。在高負載條件下,EMS平均響應時間為0.25s,數據處理延遲低于1s處理能力達到98%。CPU使用率平均為45%,峰值為60%:內存使用率為30%,峰值為45%:網絡帶寬使用率為20%,峰值為35%。接入了5個不同品牌的BMS和PCS設備,包括品牌A、B.C.D和E,每種設備型號至少3種,共計15臺設備。

測試結果表明,所有設備均能成功接入EMS,數據采集和控制指令傳輸成功率均達到100%。與電網調度中心和另一EMS系統進行接口測試,數據交換的準確率和實時性分別達到99.5%和99%。測試了Modbus.DNP3和IEC61850三種協議,發現所有數據傳輸均無誤,兼容性測試通過率為 100%。

并且EMS在高負載下表現穩定,響應速度和數據處理能力均達到設計要求,資源利用效率良好，無明顯瓶頸。另外,EMS與不同品牌設備和外部系統的兼容性良好,數據交換準確無誤,協議兼容性得到驗證。

4安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統介紹

4.1平臺簡介

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。在高級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。既可以用于儲能一體柜,也可以用于儲能集裝箱,是專門用于設備管理的一套軟件系統平臺。

4.2產品規格

4.3系統功能

4.4應用范圍

5結論

儲能電站能量管理設備系統的設計與優化,對于推動儲能技術進步、促進電力系統智能化和綠色化轉型具有重要意義。未來,隨著儲能技術的不斷成熟和應用領域的持續拓展,儲能技術的發展將推動電力系統的變革，對能源結構優化、環境保護和經濟可持續發展產生深遠影響。