虚拟电厂中储能技术的应用-化工仪器网-手机版

【摘要】虚拟电厂利用*进的通信技术，将分布式电源、储能装置和可控负荷等资源广泛连接，并采用特定的控制策略进行资源的协同聚合和智能管理，从而具备与电网能量互动的能力。在虚拟电厂的运作中，储能设备不仅可以有效储存可再生能源的过剩电力，还能在需要时释放能源，以满足可控负荷的需求响应和分布式能源的要求，从而能够更加灵活地管理能源资源，提高电网的稳定性和可靠性。本文针对虚拟电厂中储能技术的应用展开研究，对虚拟电厂中储能技术发展、清洁能源的大规模应用进行了展望。

0.引言

在当今社会的迅猛发展下，我们不可避免地面临与日俱增的能源需求、严重的环境污染问题以及日益紧缺的自然资源带来的挑战，这些挑战需要我们寻找创新的解决方案，以确保社会的可持续发展。近年来，可再生能源成为了一个备受关注的话题，与此同时分布式能源也逐渐崭露头角。可再生能源如太阳能和风能等具有巨大的潜力，它们可以为社会提供清洁的电力，减少人类对有限自然资源的依赖，并降低能源生产带来的环境污染。然而，可再生能源的波动性和不确定性问题一直是困扰电力系统的挑战之一。在这个背景下，虚拟电厂的概念应运而生。

虚拟电厂是一种*进的电力系统管理方法，它可以协调控制分布式电源（如太阳能电池和风力发电机等），并有效地管理能量流向，以支持电网的稳定运行。虚拟电厂的关键之一是储能装置。这些装置可以储存多余的能源，以便在需要时释放，从而弥补可再生能源的波动性。这不仅可以提高电力系统的可靠性，还可以降低对传统发电方式的依赖，减少环境污染。此外，储能装置还可以提高电力系统的经济性，因为它们可以在高峰时段释放储存的能量，从而减少高成本的峰值电力需求。

1.虚拟电厂概述

虚拟电厂是一种创新性的电力管理概念，它在分布式电力管理系统的支持下，通过整合分散的分布式电源、可控制电源和储能装置等资源，形成一个庞大的虚拟性可控制信息集合体。这个概念的出现对电网运行和调度产生了深远的影响，特别是在智能电网和分布式电网的应用冲突方面提供了解决方案。

虚拟电厂的核心思想是将分布式电源（包括太阳能光伏、风能、小型燃气发电机等）以及各种可控制电源（如电动汽车充电桩和分布式储能设备等），有效地汇聚成一个统一的实体。这个实体可以像传统发电厂一样，直接参与电网的运行和调度。这种整合有助于提高电力资源的可利用性，减少能源浪费，降低电网的负荷压力，提高电网的可靠性和稳定性。

此外，虚拟电厂的出现也有助于解决智能电网和分布式电网之间的应用冲突。智能电网强调了数据分析和远程控制，以提高电网的效率和可管理性；而分布式电网更强调本地化能源生产和消费，希望减少电力输送损耗和提高电网的弹性。虚拟电厂的构成模式具体如图1所示。

2.储能技术

2.1储能技术的内涵

电能储存是储能技术的核心概念，它使得能量可以在不同时刻之间进行转化和利用。这个过程涉及到将能量以不同形式储存，这可以通过介质或特定设备实现。储能介质可以是电池、*级电容器、压缩空气储能、重力储能等多种形式，每种介质都有其特性和适用场景。设备则包括能够将能量储存和释放的技术，如充电/放电系统、逆变器和控制系统等。

这种能量存储的灵活性使得储能技术在多个领域中发挥着关键作用。首先，储存的能量可以作为应急能源，以满足突发事件或电力中断时的能源需求。这对于维护基础设施运行、医疗设备供电以及保障公共安全至关重要。此外，储能技术还可以用来支持电网运行。电网负荷通常会出现波动，而储能系统可以在负荷较低时存储多余的能量，然后在高负荷时释放，以平衡电力供需，减轻电网波动。这一过程有时被称为"削峰填谷"，它有助于提高电网的稳定性和可靠性，同时也促进可再生能源的大规模集成。

2.2储能技术的应用方向

（1）电化学储能

电化学储能技术在当今电力领域具备显著的优势，这些优势包括其广泛的适用性、*效的能量转化效率、长期的使用寿命、灵活的充放电性能、相对较轻的重量以及*色的便携性等。

电化学储能技术的特点使其在电力系统中扮演着重要的角色，并且在多个领域都表现出*越的性能。首先，电化学储能技术的广泛适用性使其能够满足各种电力需求，无论是用于家庭、商业还是工业应用，电化学储能系统都可以根据需求进行定制和扩展，这种灵活性使得储能技术能够在不同场景中提供可靠的能源支持。其次，电化学储能技术以其*效的能量转化效率而闻名，当电能储存在储能系统中时，其损失非常小，从而确保了电能的有效利用。同时，电化学储能技术具有*越的使用寿命，这些系统通常能够持续数年甚至更长时间的运行，而且其性能不会明显下降。此外，电化学储能技术在充放电方面表现*色，可以迅速响应电力需求的变化，无论是快速放电以提供辅助服务，还是缓慢充电以储存电能供日后使用。

（2）机械储能

机械储能是一项关键的电力储能技术，旨在将电能转化为机械能，以便在需要时将其重新转化为电能。其中一种主要的机械储能技术是抽水蓄能，它利用了势能和动能的原理，抽水蓄能的核心概念是将多余的电能转化为势能，通过将水资源从下水库抽升到地上水库的方式来实现。这个过程类似于充电的过程，其中下水库充当电池，而地上水库则充当能量存储器。当电力资源供过于求时，通过电能转化为机械能的方式，水被抽升到地上水库，从而将电能储存为潜在的势能。而当电力资源需求增加时，可以释放存储的水，通过水力发电的方式将势能转化为电能，满足电力负荷的需求。

抽水蓄被认为是电力资源转换和电力发送功能的理想选择之一，其成熟度很高，已在许多地方得到成功应用。然而，抽水蓄能也存在一些挑战和限制，其中之一是厂址选择的复杂性。此外，建设一个抽水蓄能系统通常需要相当大的投资，涉及到水库建设、水泵和发电机等设备的购置，这可能对财政构成一定压力。施工工期也相对较长，需要耐心等待系统的建成和投入运行。

（3）电磁储能

电磁储能是一种重要的能源储存方式，它包括两种主要形式：超导磁储能和*级电容器储能。这些技术在能源储存和转换方面都具有巨大的潜力，可以在许多应用领域中发挥关键作用。

超导磁储能利用超导材料制作超导线圈，通过将电能转变为电磁能来实现能量的存储。这个过程具有许多优势。首先，超导线圈能够快速反应，这意味着它们可以在瞬间之间转换能量状态。其次，超导磁储能系统具有高功率密度，这意味着它们可以处理大量的能量，并且在短时间内释放出来。此外，这种技术的能量消耗非常低，因此在储能周期内能够*效地保留能量。*重要的是，超导磁储能系统具有高充放电效率，这意味着在能量转换过程中几乎没有能量损失，因此非常节能。

与超导磁储能不同，*级电容器储能是另一种重要的电磁储能技术。它分为两种类型：双电层电容器储能和*级电容器储能。首先，它们都具备快速充放电反应的特点，能够在瞬间之间存储或释放大量电能。其次，*级电容器储能具有高功率密度，这使它们能够在短时间内提供大量电能。此外，*级电容器储能效率非常高，几乎没有能量损失。*后，*级电容器储能技术非常安全稳定，不容易发生过热或其他危险情况。

3储能技术在虚拟电厂中的应用

3.1在储能技术的作用下提高可再生能源利用率

储能技术的应用可以通过多种方式提高可再生能源的发电能力，它在虚拟电厂中的应用为提高可再生资源的利用率提供了强大的支持。在虚拟电厂的运营中，波动性和不确定性常常是一个挑战。例如，风力发电和光伏发电的能源产量会受到天气条件、季节和时间的影响，导致能源生产的波动。此外，这些可再生能源的产量是随机的，很难提前预测。而储能技术可以充分发挥其作用来解决这些挑战，实现能源系统的可持续性和稳定性，提高可再生能源利用率。

通过在虚拟电厂中引入储能设备，我们可以有效地减少可再生能源发电带来的波动性和不确定性的影响。当风力或光伏系统产生超出规定数值的电力时，多余的能量可以存储在储能设备中，从而不被浪费；同时，存储的能量可以在需要时释放，以满足能源需求。因此，即使在天气等原因导致可再生能源产量过剩或不足的状况下，这种能源转换和使用的灵活性仍然可以确保虚拟电厂的稳定运行。

此外，作为一项关键的能源创新，储能技术还有助于解决可再生资源的不可预测性问题。通过监测和管理储能设备中的能量存储，虚拟电厂操作人员可以更好地应对可再生能源产量的变化。这种实时的响应能力使虚拟电厂更加灵活，可以更好地适应不断变化的能源环境。

3.2在储能技术的作用下提升虚拟电厂的电能质量

在虚拟电厂运行过程中常常会面临一些电能质量方面的挑战，其中之一就是谐波问题。谐波是一种非正弦电流或电压波形，它们会干扰电力系统的正常运行，损害与系统相关的设备和电能质量。

虚拟电厂作为一种集成分布式能源资源的智能电力系统，为了应对这些谐波问题，实现节能环保和系统稳定运行，储能技术的应用成为了一个关键的解决方案。储能技术通常包括电池等设备，它们可以将多余的电能存储起来，并在需要时释放。其中的逆变器是储能系统中的一个关键组件，它能够将储存的电能转换成可用的电流。在虚拟电厂中，逆变器不仅可以用来提供电力，还可以用来改善电能质量。储能技术可以通过逆变器输出和谐波相反的电流来补偿虚拟电厂中产生的谐波。当虚拟电厂中的分布式能源资源产生谐波时，逆变器可以生成与谐波相反方向的电流波形，从而抵消谐波的影响。这种补偿作用有助于提升电能质量，确保系统中的电压和电流波形是接近正弦的，减少了谐波对设备和系统的损害。

此外，储能技术还可以在系统供给和负荷不平衡的情况下发挥重要作用。当系统中发电侧的供给和负荷需求不平衡时，可能会导致系统频率偏差。此时储能技术可以通过释放或吸收电能来平衡频率偏差，确保系统供电平衡，并降低偏差对系统的影响。这有助于维持系统的稳定运行，防止频繁的停电或电力波动。

3.3在储能技术的作用下提升虚拟电厂供电可靠性

由于可再生能源（如太阳能和风能等）受外界环境因素的影响较大，因此其发电能力可能会受到天气条件的限制。此外，电网故障也是一个不可避免的问题，可能导致电力供应中断，给用户用电带来不便。而储能技术可以解决这些问题，确保虚拟电厂能够为用户提供持续的供电支持，从而显著提升供电可靠性。在虚拟电厂中，储能设备起到了至关重要的作用。

当可再生能源发电设备的力量为零或外界环境因素影响了其发电能力时，储能技术可以存储多余的电能。这意味着即使太阳能电池板因云层遮挡或风力发电机因风速不足而停止发电，用户仍然可以依赖储能系统获得所需的电力。这种无缝切换和持续供电支持对于维持用户的正常用电是至关重要的。此外，当电网发生故障时，虚拟电厂可以通过储能技术提供备用电力，以确保用户不会受到电力中断的影响。这种供电可靠性的提高对于各种行业和领域都具有重要意义，特别是对于关键设施和医疗机构。

4.Acrel-2000ES储能柜能量管理系统

4.1系统概述

安科瑞储能能量管理系统Acrel-2000ES，专门针对工商业储能柜、储能集装箱研发的一款储能EMS，具有完善的储能监控与管理功能,涵盖了储能系统设备(PCS、BMS、电表、消防、空调等)的详细信息,实现了数据采集、数据处理、数据存储、数据查询与分析、可视化监控、报警管理、统计报表等功能。在*级应用上支持能量调度,具备计划曲线、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。

4.2系统结构

Acrel-2000ES，可通过直采或者通过通讯管理或串口服务器将储能柜或者储能集装箱内部的设备接入系统。系统结构如下：

4.3系统功能

4.3.1实时监测

系统人机界面友好，能够显示储能柜的运行状态，实时监测PCS、BMS以及环境参数信息，如电参量、温度、湿度等。实时显示有关故障、告警、收益等信息。

4.3.2设备监控

系统能够实时监测PCS、BMS、电表、空调、消防、除湿机等设备的运行状态及运行模式。

PCS监控：满足储能变流器的参数与限值设置；运行模式设置；实现储能变流器交直流侧电压、电流、功率及充放电量参数的采集与展示；实现PCS通讯状态、启停状态、开关状态、异常告警等状态监测。

BMS监控：满足电池管理系统的参数与限值设置；实现储能电池的电芯、电池簇的温度、电压、电流的监测；实现电池充放电状态、电压、电流及温度异常状态的告警。

空调监控：满足环境温度的监测，可根据设置的阈值进行空调温度的联动调节，并实时监测空调的运行状态及温湿度数据，以曲线形式进行展示。

UPS监控：满足UPS的运行状态及相关电参量监测。

4.3.3曲线报表

系统能够对PCS充放电功率曲线、SOC变换曲线、及电压、电流、温度等历史曲线的查询与展示。

4.3.4策略配置

满足储能系统设备参数的配置、电价参数与时段的设置、控制策略的选择。目前支持的控制策略包含计划曲线、削峰填谷、需量控制等。

4.3.5实时报警

储能能量管理系统具有实时告警功能，系统能够对储能充放电越限、温度越限、设备故障或通信故障等事件发出告警。

4.3.6事件查询统计

储能能量管理系统能够对遥信变位，温湿度、电压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

4.3.7遥控操作

可以通过每个设备下面的红色按钮对PCS、风机、除湿机、空调控制器、照明等设备进行相应的控制，但是当设备未通信上时，控制按钮会显示无效状态。

4.3.8用户权限管理

储能能量管理系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控的操作，数据库修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

5.相关平台部署硬件选型清单

设备	型号	图片	说明
储能能量管理系统	Acrel-2000ES		实现储能设备的数据采集与监控，统计分析、异常告警、优化控制、数据转发等；策略控制:计划曲线、需量控制、削峰填谷、备用电源等。
触摸屏电脑	PPX-133L		1)承接系统软件 2)可视化展示:显示系统运行信息
交流计量表计	DTSD1352		集成电力参量及电能计量及考核管理，提供各类电能数据统计。具有谐波与总谐波含量检测，带有开关量输入和开关量输出可实现“遥信”和“遥控”功能，并具备报警输出。带有RS485 通信接口，可选用MODBUS-RTU或 DL/T645协议。
直流计量表计	DJSF1352		表可测量直流系统中的电压、电流、功率以及正反向电能等;具有红外通讯接口和RS-485通讯接口，同时支持Modbus-RTU协议和DLT645协议;可带继电器报警输出和开关量输入功能。
温度在线监测装置	ARTM-8		适用于多路温度的测量和控制，支持测量8通道温度;每一通道温度测量对应2段报警，继电器输出可以任意设置报警方向及报警值。
通讯管理机	ANet-2E8S1		能够根据不同的采集规约进行水表、气表、电表、微机保护等设备终端的数据采集汇总；提供规约转换、透明转发、数据加密压缩、数据转换、边缘计算等多项功能；实时多任务并行处理数据采集和数据转发，可多链路上送平台据。
串口服务器	Aport		功能:转换“辅助系统”的状态数据，反馈到能量管理系统中。1)空调的开关，调温，及断电(二次开关实现)；2)上传配电柜各个空开信号；3)上传UPS内部电量信息等；4)接入电表、BSMU等设备
遥信模块	ARTU-KJ8		1)反馈各个设备状态，将相关数据到串口服务器；2)读消防1/0信号，并转发给到上层(关机、事件上报等)；3)采集水浸传感器信息，并转发给到上层(水浸信号事件上报)；4)读取门禁程传感器信息，并转发给到上层(门禁事件上报)。