基于蓄电池储能系统的电网经济运行优化研究

夏泽锴 张狂 徐辰韬 包永强 夏岳军

摘要：国家电网发布了“碳达峰、碳中和”行动方案，推动鼓励新能源发展，制订了构造以新能源为主的新型电力系统的方针，在此背景下，以江苏某厂新能源方案为例进行用户侧储能的探索和研究，通过在用户侧设计并搭建蓄电池储能系统，实现用户侧电能的有效利用，从而发挥储能在电能质量优化、供需管理、分时电价最优化等方面的价值，同时进行峰谷套利，提高经济效益。

关键词：新能源发展;蓄电池储能系统;峰谷套利

0    引言

传统能源在不断的消耗中日益匮乏，这不但促进了可再生能源的发展，也促使新能源发电规模不断扩大。储能技术作为提高电网间歇性可再生能源发电接纳技术水平的核心技术，更是“碳达峰、碳中和”行动方案的重要组成部分和新型电力系统的关键支撑技术，现在在电力网络应用领域呈现良好的发展趋势[1]。

传统电网的运行过程时刻处于发电与负荷之间的动态平衡状态，电网系统以“供需平衡”的规则时刻运行着。传统的电网规划与建设由于科技和社会的不断发展，其短板不断凸显，同时电力网络的调度日益困难和复杂[2]。

电力系统网络中引入储能技术，不仅可以配合一些新能源接入电网，实现负荷调节，弥补线路损耗，从而实现电力网络的再优化、电能质量的进一步提高，还可以通过商业化应用与推广，实现其经济价值，降低成本。

用户侧是储能最早实现商业化应用的领域，通过蓄电池储能系统进行峰谷套利，具有非常良好的市场发展空间。根据国家电网江苏省电力价格及收费标准（2021年1月），大工业用电尖峰电度电价在1.114 1元/（kW·h），波谷电度电价在0.298 7元/（kW·h），峰谷差价为实现经濟效益提供了可能[3]。

1    用户侧蓄电池储能系统设计思路

1.1   储能系统的设计及电气拓扑图

蓄电池储能系统电气拓扑图如图1所示，主要由储能电池组[Battery pack，由磷酸铁锂电池（3.2 V/120 Ah电芯）组成]、电池管理系统（BMS）、储能双向变流器（PCS）、监控系统（EMS）、热管理系统（TMS）、配电系统等部件组成。

这套工作系统是将储能电池组之间通过铜排进行连接，直流配电柜至PCS采用电缆经由电缆沟接入PCS直流侧输入断路器，从而接入市内电网。采用Modbus TCP/IP通信方式将工作状态反馈给集中监控系统和智能后台监控系统，进行整个储能系统的调控[4]。

1.2    储能系统功能概述

蓄电池储能系统（电站）的工作功能特点主要有下面几点：

（1）储能电池组电池管理系统通过对电池电压、能量均衡、电流的检测实现电池的日常维护、管理、保护，同时实现了对磷酸铁锂电池组的均衡管理。

（2）储能双向变换器系统（PCS）渐渐成为现代储存电能最流行的形式，储能双向变换器具有诸多优点，比如：电压升高时能够有效降低输入电流和功率的损耗;功率会随着电压的减小而减小;静电电流小，可以更有效地为使用者节约电能;配置以及组合方式简洁明了[5]。

（3）Modbus TCP/IP或RS485通信协议是BMS和微网中央控制系统间进行数据之间转换的一种通信方式。

（4）通信控制接口的主要功能是通过对电池系统单元与PCS、中央控制系统间进行调控、管理，从而使电池能够在一个安全的环境下正常工作。

1.3    主要电气设备选型

1.3.1    基础分析

先进行相关线路及变压器潮流分析，确保上传至上级电网时不会对周边电网潮流分布造成影响，再根据工程最大电流选择线路导线的截面。

1.3.2    并网点开关设备选择

并网点开关应选择安全性和效率高、开关轮廓明显且操作与后期维护简单的设备，开关设备应挑选最佳的断路器搭配工作。由于开关短路分断电流需要高于50 kA，需要断路器能在规定时间内切断和接通负荷电路，以保障电路的安全运行，筛选之下，塑壳断路器最适合作为并网点的开关设备[6]。

1.3.3    无功补偿容量配置

安装人员需要参考用户提供的相关资料来决定是否安装无功补偿装置，安装无功补偿装置的基本要求如下：客户在使用时功率因数应达到0.95以上，输出的有功功率应大于本身功率的1.5倍且输出的有功功率应为正常的1/5左右。

1.3.4    电能质量监测要求

随着社会的发展，企业及普通用户的用电量在不断上升，电站的电能质量也受到诸多因素的影响，其中有：波动负荷产生的谐波、供电距离过远等导致的电压偏差、电源事故可能出现的电压波动、电能输送电缆老化等原因造成的电压不平衡、电流在电路短路时无法突变产生的直流分量等[7]。

由于光伏、风力、储能电站系统的输出功率不稳定，为防止这一情况发生，应该对电能质量加装实时检测系统，以便实现对电能质量指标的实时测量以及记录，一切都需符合国家发布的相关标准。

2    实际储能系统的接入与分析

2.1    基本情况

以江苏某厂1.5 MW、4.42 MW·h储能项目为例，现为两路10 kV进线，共6台变压器，一次主接线图如图2所示。

2.2    接入系统电压等级

根据《分布式电源接入配电网设计规范》（Q/GDW 11147—2013），分布式电源接入配电网的电压等级，应按照安全性、灵活性、经济性等原则，根据分布式电源容量、发电特性、导线载流量、上级变压器及线路可接纳能力、用户所在地区配电网情况，经过综合比选后确定。本次工程装机容量为1.5 MWp，推荐380 V电压等级上网。