大工業(yè)用戶1 兆瓦/2 兆瓦時(shí)分布式儲(chǔ)能設(shè)計(jì)研究

韓緒鵬 沈 凱 張振宇

隨著電力的市場(chǎng)化發(fā)展和儲(chǔ)能支持政策的不斷完善，在新型電力系統(tǒng)背景下新能源占比逐漸提高，未來儲(chǔ)能的應(yīng)用重點(diǎn)逐漸從電源側(cè)和電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)移到用戶側(cè)分布式儲(chǔ)能。尤其是大工業(yè)用戶（特指受電變壓器容量在315 千伏安及以上、用電負(fù)荷達(dá)到較大容量、在現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系中扮演著重要角色的電力大用戶），分布式儲(chǔ)能可直接應(yīng)用于峰谷價(jià)差獲利、容量費(fèi)用管理、提升電能質(zhì)量、提高供電可靠性等應(yīng)用場(chǎng)景，商業(yè)化應(yīng)用條件最為成熟，可最大化地通過“谷充峰放”降低用電成本。在分布式儲(chǔ)能領(lǐng)域占絕對(duì)主導(dǎo)地位的工商業(yè)儲(chǔ)能容量有望迎來爆發(fā)式增長(zhǎng)。根據(jù)中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布的數(shù)據(jù)，2023 年用戶側(cè)儲(chǔ)能的市場(chǎng)熱度持續(xù)升高，2023 年上半年備案的用戶側(cè)儲(chǔ)能項(xiàng)目達(dá)到250個(gè)，規(guī)模合計(jì)2.7億瓦時(shí)。當(dāng)前，用戶側(cè)儲(chǔ)能面臨跨越式發(fā)展的機(jī)遇和技術(shù)不成熟的挑戰(zhàn)，考慮到分布式儲(chǔ)能是支撐新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，本文以浙江省某大工業(yè)用戶為例（屬于工商業(yè)分布式儲(chǔ)能），對(duì)1 兆瓦/2 兆瓦時(shí)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

一、儲(chǔ)能項(xiàng)目概況

我國浙江省某大工業(yè)用戶是一家集制造、投資、貿(mào)易、進(jìn)出口、地產(chǎn)等業(yè)務(wù)于一體的大型集團(tuán)企業(yè)，其擁有30 萬平方米的工廠制造區(qū)，凈資產(chǎn)已超3 億元人民幣，集團(tuán)員工逾3000 人。變壓器容量3060 千伏安，企業(yè)負(fù)荷正常，常年維持在1700 千伏安左右，征信良好。在“雙碳”背景下實(shí)施節(jié)能減排，已安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)，為節(jié)省企業(yè)電費(fèi)，更是響應(yīng)電網(wǎng)錯(cuò)峰用電的號(hào)召，在廠區(qū)內(nèi)的空地建設(shè)分布式儲(chǔ)能電站，分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)總裝機(jī)容量為1 兆瓦/2 兆瓦時(shí)，后期根據(jù)實(shí)際使用負(fù)荷情況，增加儲(chǔ)能配置并通過微電網(wǎng)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”一體化運(yùn)營管理系統(tǒng)達(dá)到收益最大化，使得企業(yè)在分時(shí)電價(jià)管理、容量費(fèi)用管理、提高電能質(zhì)量、提升供電可靠性等方面的性能得到顯著改善。安裝儲(chǔ)能系統(tǒng)的地點(diǎn)是位于浙江省金華市武義縣五金機(jī)械工業(yè)區(qū)，儲(chǔ)能系統(tǒng)采用0.4千伏電壓等級(jí)并網(wǎng)。

二、1 兆瓦/2 兆瓦時(shí)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）消納分析

利用開發(fā)的ESS（能量存儲(chǔ)系統(tǒng)）儲(chǔ)能配置測(cè)算系統(tǒng)計(jì)算某大工業(yè)用戶上一自然年度15 分鐘級(jí)負(fù)荷結(jié)果，根據(jù)業(yè)主負(fù)荷曲線及浙江省峰谷電價(jià)時(shí)段，基于儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的最大儲(chǔ)能量預(yù)測(cè)某電力大用戶1 兆瓦/2 兆瓦時(shí)用戶側(cè)儲(chǔ)能項(xiàng)目用電量，預(yù)計(jì)表如表1 所示。統(tǒng)計(jì)尖峰、高峰、低估的用電量，配置儲(chǔ)能裝置后，低谷用電占比從24.33%預(yù)計(jì)升至51.2%。

為論證本項(xiàng)目?jī)?chǔ)能運(yùn)行策略以及預(yù)計(jì)產(chǎn)生的影響，在開發(fā)的用戶側(cè)儲(chǔ)能配置運(yùn)行策略算法的ESS 系統(tǒng)中隨機(jī)抽取兩個(gè)自然日的運(yùn)行狀況（見圖1 和圖2）可以看到，儲(chǔ)能系統(tǒng)放電時(shí)作為電源端，工廠實(shí)際負(fù)荷是變壓器額定需量的24%，由此可以看出儲(chǔ)能系統(tǒng)有效降低了變壓器1000千瓦的負(fù)荷，可以應(yīng)對(duì)當(dāng)?shù)氐南揠娬撸▓D1 的10：15 時(shí)刻）；儲(chǔ)能系統(tǒng)充電時(shí)作為負(fù)載端，其充電所需功率和工廠生產(chǎn)負(fù)荷的加權(quán)功率是變壓器容量的83.2%，此時(shí)并未造成變壓器超容（圖2 的11：45 時(shí)刻），因此復(fù)核確認(rèn)本項(xiàng)目1 兆瓦/2兆瓦時(shí)系統(tǒng)配置合理。

圖1 2022 年07 月06 日運(yùn)行工況圖

圖2 2022 年12 月06 日運(yùn)行工況圖

本儲(chǔ)能項(xiàng)目運(yùn)行后，可以開發(fā)基于人工智能算法的儲(chǔ)能系統(tǒng)根據(jù)未來實(shí)際運(yùn)行工況來做充放策略的制定，在歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，努力增加年利用天數(shù)，以求年化收益率達(dá)到更優(yōu)。考慮設(shè)備成本以及升壓過程中的損耗和再轉(zhuǎn)低壓利用過程的電力損耗問題，本儲(chǔ)能項(xiàng)目選擇低壓接入方式，采用0.4 千伏并網(wǎng)方式進(jìn)行建設(shè)，設(shè)2 個(gè)低壓并網(wǎng)點(diǎn)，0.4 千伏出線接至廠區(qū)內(nèi)低壓配電室，運(yùn)行方式采用“削峰填谷”模式。本項(xiàng)目是采取峰谷套利的方式實(shí)現(xiàn)收益。

（二）儲(chǔ)能系統(tǒng)總體規(guī)劃

1 兆瓦/2 兆瓦時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)包含儲(chǔ)能介質(zhì)（磷酸鐵鋰電池）、100 千瓦/200 千瓦時(shí)組串式儲(chǔ)能系統(tǒng)10 套、電池管理系統(tǒng)（BMS）、能量管理系統(tǒng)（EMS）、電池倉等主要組成設(shè)備。

磷酸鐵鋰儲(chǔ)能系統(tǒng)以磷酸鐵鋰電池組作為儲(chǔ)能介質(zhì)，儲(chǔ)能系統(tǒng)由儲(chǔ)能電池經(jīng)DC 匯流之后，接入變流器（PCS）直流側(cè)，PCS 交流側(cè)接入0.4千伏母線上。通常在并網(wǎng)點(diǎn)安裝雙向計(jì)量電表，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電電量大小進(jìn)行測(cè)量。每個(gè)電池組均裝有電池管理系統(tǒng)（BMS）對(duì)電池的充放電進(jìn)行智能管理，BMS 與PCS 與后臺(tái)監(jiān)控相連，執(zhí)行最佳充放電控制策略。儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)涫疽鈭D如圖3 所示。

圖3 儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)涫疽鈭D

（三）儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框架

設(shè)計(jì)一套1 兆瓦/2 兆瓦時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)，出線中壓接入用電側(cè)回路，配置方案成本較低且調(diào)整難度更低，更容易對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電運(yùn)行工況進(jìn)行控制。同時(shí)配置了微電網(wǎng)運(yùn)營管理系統(tǒng)方便電網(wǎng)側(cè)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)度。此外，此項(xiàng)目配置為1500 伏液冷系統(tǒng)方案，采用215 千瓦時(shí)標(biāo)準(zhǔn)液冷儲(chǔ)能戶外柜型式，單個(gè)戶外柜容量為100 千瓦/215 千瓦時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備包含有10 臺(tái)100千瓦/215 千瓦時(shí)標(biāo)準(zhǔn)液冷儲(chǔ)能戶外柜，總?cè)萘繛? 兆瓦/2 兆瓦時(shí)。儲(chǔ)能系統(tǒng)戶外柜采用一體化設(shè)計(jì)，箱內(nèi)集成有儲(chǔ)能鋰電池組、變流系統(tǒng)、電池控制柜、溫控系統(tǒng)、自動(dòng)消防系統(tǒng)等。

儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采用組串式儲(chǔ)能一體柜（如圖4 所示），將儲(chǔ)能電池系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)集成于定制化柜體內(nèi)的儲(chǔ)能裝置，這種結(jié)構(gòu)具有占地面積小、建設(shè)周期短、模塊化程度高、系統(tǒng)效率高、安全性好的優(yōu)點(diǎn)。高度集成的一體柜設(shè)計(jì)使整機(jī)占地空間更小，運(yùn)輸與安裝運(yùn)維更便捷，能量密度更高，非常適合用戶側(cè)的中小型儲(chǔ)能系統(tǒng)。

圖4 1 兆瓦/2 兆瓦時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的組串式儲(chǔ)能一體柜

（四）EMS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

EMS 管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控（SCADA）和能量管理等功能。監(jiān)控功能主要包括數(shù)據(jù)采集和處理、控制和操作、儲(chǔ)能基本單元監(jiān)控、報(bào)警處理、畫面生成及顯示、在線計(jì)算及制表、數(shù)據(jù)接口、人機(jī)聯(lián)系等。能量管理功能主要包括能量平衡和自動(dòng)調(diào)度、模式控制等。

1.數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控

按照“少人值守”的原則設(shè)計(jì)，自動(dòng)化程度高；能迅速、準(zhǔn)確、有效地完成對(duì)被控對(duì)象的監(jiān)測(cè)與控制；根據(jù)采集到的包括儲(chǔ)能用蓄電池、負(fù)荷、各電氣設(shè)備等的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析、控制和調(diào)節(jié)；實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行監(jiān)視，屏幕顯示，事故處理指導(dǎo)和恢復(fù)操作指導(dǎo)等功能；實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)儲(chǔ)能單元的高級(jí)能量管理，最大限度利用儲(chǔ)能電池。

2.報(bào)警處理

報(bào)警處理分為事故報(bào)警和預(yù)告報(bào)警。事故報(bào)警是非操作引起的斷路器跳閘和保護(hù)裝置動(dòng)作信號(hào)。預(yù)告報(bào)警是一般性設(shè)備變位，狀態(tài)異常信號(hào)，模擬量越限，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的事件異常等。事故報(bào)警和預(yù)告報(bào)警應(yīng)采用不同顏色，對(duì)重要模擬量越限或發(fā)生斷路器跳閘等事故時(shí)，應(yīng)自動(dòng)推出相關(guān)提示信息。當(dāng)所采集的模擬量發(fā)生越限，開關(guān)量變位及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自診斷故障時(shí)應(yīng)自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警處理。對(duì)于事故狀態(tài)方式時(shí)，操作員工作站的畫面上應(yīng)有相應(yīng)的顏色顯示，同時(shí)有報(bào)警條文。

3.控制和操作

所謂控制，包括三層意思。第一是監(jiān)控系統(tǒng)能根據(jù)操作員輸入的命令實(shí)現(xiàn)斷路器、定值、切換開關(guān)等的正常操作和其它必要的操作。第二是監(jiān)控系統(tǒng)提供必要的操作步驟和足夠的監(jiān)督功能，以確保操作的合法性、合理性、安全性和正確性。第三是操作控制的執(zhí)行結(jié)果應(yīng)反饋到相關(guān)設(shè)備圖上，其執(zhí)行情況能產(chǎn)生正常（或異常）執(zhí)行報(bào)告并顯示。所謂操作，主要包括狀態(tài)顯示功能和操作權(quán)限限制功能，前者可基于該功能了解系統(tǒng)的總體狀態(tài)，查閱畫面和報(bào)表。后者是系統(tǒng)可設(shè)置不同操作權(quán)限和口令，以防止非法使用及誤操作。

4.人機(jī)接口及管理功能

（1）人機(jī)接口

人機(jī)接口，即輸入/輸出設(shè)備的接口，主要包括彩色液晶顯示器（TFT）、功能鍵盤、漢字打印機(jī)。其核心功能有：調(diào)畫面、一覽表、測(cè)點(diǎn)索引；日期和時(shí)鐘的設(shè)置；測(cè)點(diǎn)的投退；各種參數(shù)的設(shè)置；報(bào)警確認(rèn)和畫面清閃；對(duì)可控設(shè)備發(fā)出控制操作命令。

（2）開放性與擴(kuò)展性

開放性，即儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不同廠家、不同標(biāo)準(zhǔn)之間相互兼容。儲(chǔ)能系統(tǒng)提供對(duì)數(shù)據(jù)模式的建立、數(shù)據(jù)存貯、報(bào)表系統(tǒng)以及對(duì)外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，將商用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫在設(shè)計(jì)上有機(jī)地融合在一起。在滿足各種接口標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，可基于系統(tǒng)的需求對(duì)不同廠家的硬件和軟件進(jìn)行集成，并根據(jù)實(shí)際用電需求進(jìn)行靈活配置，使系統(tǒng)具有良好的集成性和擴(kuò)充性。

擴(kuò)展性，即儲(chǔ)能系統(tǒng)可以根據(jù)需求容易擴(kuò)展和調(diào)整。儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)能支持多類型計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備，軟、硬接口符合國際標(biāo)準(zhǔn)。儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)逐步建設(shè)、逐步投運(yùn)、逐步擴(kuò)充、逐步升級(jí)，具備硬件擴(kuò)展新計(jì)算機(jī)的能力和軟件增加新功能的能力。

（五）儲(chǔ)能系統(tǒng)布置

儲(chǔ)能設(shè)備布置于高壓配電房附近，利用附近露天空地空余位置集中布置儲(chǔ)能設(shè)備，儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)出線通過現(xiàn)有電纜溝敷設(shè)至配電室，在母線接入點(diǎn)處擴(kuò)建2 套并網(wǎng)開關(guān)柜。儲(chǔ)能系統(tǒng)布置示意圖如圖5 所示。

圖5 儲(chǔ)能系統(tǒng)布置示意圖

（六）儲(chǔ)能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

采用微電網(wǎng)智慧運(yùn)營管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，利用工控機(jī)采集數(shù)據(jù)，連續(xù)24小時(shí)不間斷地監(jiān)測(cè)和記錄所有PCS 以及BMS 的運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)，并通過大屏幕液晶電視顯示儲(chǔ)能參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)。儲(chǔ)能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能，一是監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能參數(shù)——PCSBMS 的實(shí)時(shí)參數(shù)；二是檢測(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)（電壓、電流、功率、頻率、電量、功率因數(shù)、CO2減排量等）。通過系統(tǒng)運(yùn)行指示牌顯示參數(shù)，能方便地通過RS485接口和PCS 以及數(shù)字式發(fā)電量計(jì)量電表進(jìn)行通訊，同時(shí)可以外接日照傳感器和溫度傳感器顯示日照強(qiáng)度和溫度。

三、收益分析

（一）儲(chǔ)能收益

電芯質(zhì)保循環(huán)壽命6000 次，對(duì)應(yīng)SOH 為80%；電芯放電深度90%，儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電效率90%，工廠有效運(yùn)轉(zhuǎn)天數(shù)330 天。浙江省某大工業(yè)用戶儲(chǔ)能系統(tǒng)商業(yè)模式考慮合同能源管理模式，若由投資商建設(shè)，則大工業(yè)用戶需提供儲(chǔ)能設(shè)備放置空地，電價(jià)按照收益的85 折計(jì)算，即投資方在峰谷套利中的收入15%分享給企業(yè)，若按照浙江省目錄電價(jià)2022 年8 月1 日尖峰電價(jià)即為1.237 元每度，則預(yù)計(jì)首年節(jié)省電費(fèi)11.94萬元左右，20 年總計(jì)節(jié)省217.34 萬元左右。此外，本分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)能就地高效快速地進(jìn)行有功和無功控制，提升大工業(yè)用戶的電能質(zhì)量和可靠性，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生事故時(shí)可充當(dāng)大工業(yè)用戶的不間斷電源。

（二）微電網(wǎng)系統(tǒng)收益

微電網(wǎng)智慧運(yùn)營管理系統(tǒng)配置后，可對(duì)企業(yè)本身能耗、光伏、儲(chǔ)能等進(jìn)行統(tǒng)籌監(jiān)控，因?yàn)榇舜蠊I(yè)用戶的用電特性十分復(fù)雜，機(jī)加工車間存在大量不穩(wěn)定負(fù)荷，光伏的波動(dòng)性也很大。據(jù)此，推薦電力用戶配置微電網(wǎng)智慧運(yùn)營管理系統(tǒng)StarGrid，通過系統(tǒng)調(diào)節(jié)微電網(wǎng)整體平衡，控制住需量的同時(shí)進(jìn)行峰谷套利，可以讓微電網(wǎng)系統(tǒng)投資收益最大化，與獨(dú)立采購儲(chǔ)能系統(tǒng)的方式進(jìn)行比較，收益增加5%左右。

四、結(jié)論

給大工業(yè)用戶配置儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以通過能量時(shí)移的方式，實(shí)現(xiàn)利用谷時(shí)電價(jià)將電能儲(chǔ)存，在峰時(shí)電價(jià)時(shí)將電能釋放，實(shí)現(xiàn)價(jià)差收益。同時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)在用戶側(cè)可作為綠色消納的輔助設(shè)備，在新能源設(shè)備發(fā)電期間如果用戶消納不足，可將相關(guān)電量?jī)?chǔ)存在儲(chǔ)能設(shè)備內(nèi)，在使用時(shí)釋放達(dá)到電能調(diào)節(jié)的作用，提升新能源發(fā)電的消納。在技術(shù)成熟的情況下，用戶側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)可以將綠色清潔能源收集后再利用，達(dá)到降低碳排放實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。本文以浙江省某大工業(yè)用戶為例，從消納分析、總體規(guī)劃、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)布置、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等方面設(shè)計(jì)1 兆瓦/2 兆瓦時(shí)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)，2 充2 放運(yùn)行，每天最大可為企業(yè)提供2000度的電量，實(shí)現(xiàn)大工業(yè)用戶的光伏儲(chǔ)能一體化。按照工程實(shí)際在一定的邊界條件下，大工業(yè)用戶儲(chǔ)能收益和微電網(wǎng)系統(tǒng)收益均非常理想。參照國外的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，隨著需求側(cè)管理及電力市場(chǎng)的進(jìn)一步完善，大工業(yè)用戶儲(chǔ)能有望在降低容量管理費(fèi)用、需求響應(yīng)補(bǔ)償?shù)确矫娅@得更多的潛在收益。