光伏电站储能能量管理系统技术的研究与应用

【摘要】随着可再生能源的广泛接入和电力系统对灵活性,稳定性要求的提升,储能电站作为电力系统中组成部分,其重要性日益凸显。深入探讨储能电站能量管理设备系统的技术研究与应用,回顾储能电站的发展背景,探讨储能电池的类型与储能技术分类,阐述储能电站能量管理设备系统的构成与设计,为储能电站的高效、安全运行提供理论与实践指导。

【关键词】储能电站，能量管理，设备系统技术研究

储能电站能量管理设备系统作为储能电站的核心组成部分,直接关系储能系统的整体效率和安全性。该系统包括电池配置、换流器及控制系统(PCS)电池管理系统(BMS)和能量管理系统(EMS)等关键组件，这些组件的优化设计和高效协同，对实现储能电站的精细化管理、提高能量利用效率、降低运行成本十分重要。

近年储能技术快速发展,特别是锂离子电池、液流电池等新型储能方式不断成熟,显著降低了储能成本,提升了储能系统的效率与安全性,推动储能系统在电力系统中的广泛应用。随着风能、太阳能等可再生能源的普及电力系统面临的间歇性和波动性挑战日益凸显,储能技术成为平衡供需、平滑输出、提高并网稳定性的关键!储能系统在调峰填谷、优化资源配置、提升电网灵活性方面的作用显著,面对全球气候变化的严峻形势,储能技术的应用有助于减少化石能源依赖,促进清洁能源消纳,对实现碳中和目标具有重要战略意义。

1 储能电站能量管理设备系统的选型与方案

1.1 储能电池类型

储能电池性能直接影响储能系统的能量密度、功率密度、循环寿命、安全性和成本等关键指标。目前,市场上主流的储能电池包括锂离子电池、铅酸电池、液流电池、钠硫电池等,每种电池类型都有其的优势和适用场景。

1.2 电池储能技术分类

1.2.1锂离子电池储能技术

锂离子电池是目前应用最为广泛的电池储能技术之一,具有高能量密度、长循环寿命、快速充放电能力和良好的功率特性,适用于多种储能场景,包括电动汽车、家用储能系统、电网调峰和可再生能源并网等!21。锂离子电池的种类繁多,常见的有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和镍钴锰三元材料等。磷酸铁锂作为磷酸铁锂电池的正极材料,其天然形态为有序的橄榄石结构,来源于自然界中的磷铁锂矿,的结构赋其优异的稳定性和安全性。在单体电池的设计中,包括隔膜、正负极材料及电解质溶液,各部分协同工作以实现电能的存储与释放。

在电池内部,聚合物隔膜允许锂离子自由穿越,有效阻挡电子的直接流通,确保电池在充放电过程中既高效又安全。电池的右侧,石墨作为负极活性物质,通过铜与电池负极紧密相连,形成高效的电子传输通道，电池的左侧为磷酸铁锂构成的正极材料,通过铝箔与正极相连确保正极材料的稳定性和电导率。整个电池系统由坚固的外壳密封封装,内部充盈着电解质溶液,电解质溶液为锂离子提供移动的介质,还对电池内部组件起到保护作用,防止水分和杂质的侵人,保证电池的长期稳定运行。

1.2.2铅酸电池储能技术

铅酸电池是最早的商用电池之一,具有成本低、技术成熟、维护简单等优点,虽然其能量密度和功率密度较低,但在备用电源,小型储能系统和某些特定工业应用中仍然占据一席之地。铅酸电池主要包括普通铅酸电池和阀控式密封铅酸电池(VRLA)两种类型。

1.2.3液流电池储能技术

液流电池是将化学能转化为电能的电化学储能装置,其工作原理是利用两个可流动的电解质溶液在电池中进行氧化还原反应。液流电池的特点是能量密度和功率密度可独立设计,易于大规模储能,安全性高、循环寿命长。常见的液流电池有全钒液流电池、锌溴液流电池和锌铁液流电池等。

1.2.4钠硫电池储能技术

钠硫电池是以钠和硫为活性物质的高温电池，具有高能量密度、高效率和长循环寿命的优点,适用于大容量、高功率的储能应用。钠硫电池工作温度通常在300℃以上,需要良好的热管理系统以保证安全运行。

1.3 系统需求分析

在储能电站的选型中,考虑商业运营的核心目标与系统的规模,电化学储能方案中,钠硫电池和全钒液流电池因技术成熟度、成本和安全性问题,使其在大规模储能项目中的应用受到限制。铅碳电池由于充放电次数有限和能量密度不足，也不适合作为大型储能项目的选择相比之下,锂离子电池,尤其是磷酸铁锂电池,凭借成熟的技术,广泛的应用,较高的安全性和成本效益,成为大型储能电站的优选。磷酸铁锂电池在安全性,耐热性和循环寿命方面表现突出,且国内产业链完善,成本控制优势明显,是实现储能系统高效、安全、经济运行的理想选择。因此,基于项目规模、技术成熟度、成本效益和安全性能的综合考量,建议采用磷酸铁锂系统作为储能解决方案,以实现商业运营目标。

2 储能电站能量管理设备系统构成与设计

2.1 电池配置

储能电站的电池配置设计是一个系统工程,应综合考虑储能需求、电池特性、系统集成、安全防护和维护管理等多方面因素,实现储能系统的性能和经济性。以某300MW/300MWh储能电站建设项目为例,其储能系统主要由储能电池组、PCS、BMS及汇流变压器等设备组成1。单套35kV6.38MW/6.38MWh交流级联储能系统电池系统成组方式如表1所示(共30套)4,单套35kV6.08MW/6.08MWh交流级联储能系统电池系统成组方式如表2所示(共18套)。

2.2 换流器及控制系统

PCS负责电池与电网之间的能量转换,控制系统则负责调度和优化能量流动。PCS在储能系统中十分重要,实现电池与电网之间的能量双向转换,即从直流电到交流电的逆变过程,以及从交流电到直流电的整流过程。

PCS的技术先进性直接决定储能系统在电气性能上的表现水平。作为储能系统的核心组件,PCS的性能优劣直接影响整个系统的运行效率、安全性和经济性。为充分发挥大量交流级联PCS的协同优势,精细且高效的控制系统。控制系统通常由主控制器、人机交互界面(触摸屏)及上位机等多个关键组件构成,共同协作以实现对整个级联系统的精准调控。

2.3 电池管理系统

BMS采用三级架构,每一层级承担特定职责,协同确保电池组的高效与安全运行。其中电池采集单元(BMU)直接采集电池电压、温度等数据,诊断并上报故障:电池控制单元(BCU)管理电池充放电,估算SOC与SOH,执行自检、通信协调,以及遇异常自动保护。电池堆管理系统(BAMS)进行全局监控,分析BCU数据,评估电池状态,转发数据至EMS,确保系统的稳定运行。

2.4 能量管理系统的特点

储能电站的监控和EMS作为储能系统的核心大脑主要职责包括全面收集并管理来自BMS、PCS及电气设备的全部数据，向储能系统各组成部分发送精准的控制指令,指导整个系统的运行,确保储能变流器的工作状态符合策略:负责设置PCS的充放电功率、电压、电流和频率等关键参数,实时采集并显示PCS的有功/无功功率、电压、电流、频率及工作状态等信息,确保PCS运行在高效、安全的状态下。系统具备自动与手动两种运行模式,自动模式下,系统依据预设的充放电时间、功率和运行模式自主运行,实现智能化管理:在手动模式下,系统能够即时响应操作员的指令,确保在特定情况下的人为干预能力。

3 储能电站能量管理设备系统关键技术

3.1 数据存储技术

数据存储技术旨在确保海量数据的准确存储与高效检索,支持对大数据的深度分析,为决策提供坚实的数据基础,对电池状态、电网运行参数、环境条件等多种数据的实时记录与长期保存。高性能数据库管理系统,结合数据压缩、冗余存储、数据加密等技术,利用分布式存储和云计算技术,提高数据处理能力和系统扩展性。

3.2 鲁棒性测试技术

鲁棒性测试技术用于评估系统在异常条件下的稳定性和可靠性,确保即使在或非预期环境下,系统仍能保持正常运行,减少故障风险。通过构建多种异常场景，如电网波动、设备故障、天气条件等,对系统进行压力测试和故障注人,评估系统恢复能力和容错性能。

3.3电网控制类闭环验证技术

闭环验证技术通过模拟真实电网环境，包括动态负荷变化、电网频率波动等复杂条件,全面评估系统在实际运行中的控制策略和响应效果。构建高保真的电网仿真模型,与实际储能系统进行闭环连接,实时模拟各种电网场景,测试系统的控制逻辑和算法性能。通过对比仿真结果与预期目标,优化控制参数,提高系统对电网需求的响应速度和准确性。

4 储能电站能量管理设备系统的实现及技术验证

4.1系统实现

储能电站控制系统遵循模块化与功能集成的设计理念,构建由系统层和设备层组成的双层结构,实现高效灵活的能源管理。设备层与系统层之间通过网线或光纤进行数据交换,采用星型网络结构,确保数据传输的稳定性和高速度。在设备层，下行设备通过RS485接口或网线与通信管理机及中心控制器进行通信151。通信管理机扮演着桥梁角色,负责将采用非标准化协议的设备数据转换并转发给监控主机,实现数据的标准化与统一管理

4.2 技术验证

通过虚拟化技术,模拟100台储能设备的高负载环境,每台设备每秒发送数据包数量为50个。在高负载条件下,EMS平均响应时间为0.25s,数据处理延迟低于1s处理能力达到98%。CPU使用率平均为45%,峰值为60%:内存使用率为30%,峰值为45%:网络带宽使用率为20%,峰值为35%。接入了5个不同品牌的BMS和PCS设备,包括品牌A、B.C.D和E,每种设备型号至少3种,共计15台设备。

测试结果表明,所有设备均能成功接入EMS,数据采集和控制指令传输成功率均达到100%。与电网调度中心和另一EMS系统进行接口测试,数据交换的准确率和实时性分别达到99.5%和99%。测试了Modbus.DNP3和IEC61850三种协议,发现所有数据传输均无误,兼容性测试通过率为 100%。

并且EMS在高负载下表现稳定,响应速度和数据处理能力均达到设计要求,资源利用效率良好，无明显瓶颈。另外,EMS与不同品牌设备和外部系统的兼容性良好,数据交换准确无误,协议兼容性得到验证。

4安科瑞Acrel-2000ES储能能量管理系统介绍

4.1平台简介

安科瑞Acrel-2000ES储能能量管理系统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。在高级应用上支持能量调度,具备计划曲线、削峰填谷、需量控制、备用电源等控制功能。既可以用于储能一体柜,也可以用于储能集装箱,是专门用于设备管理的一套软件系统平台。

4.2产品规格

4.3系统功能

4.4应用范围

5结论

储能电站能量管理设备系统的设计与优化,对于推动储能技术进步、促进电力系统智能化和绿色化转型具有重要意义。未来,随着储能技术的不断成熟和应用领域的持续拓展,储能技术的发展将推动电力系统的变革，对能源结构优化、环境保护和经济可持续发展产生深远影响。