虛擬電廠中儲能技術的應用

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

【摘要】虛擬電廠利用*進的通信技術，將分布式電源、儲能裝置和可控負荷等資源廣泛連接，并采用特定的控制策略進行資源的協同聚合和智能管理，從而具備與電網能量互動的能力。在虛擬電廠的運作中，儲能設備不僅可以有效儲存可再生能源的過剩電力，還能在需要時釋放能源，以滿足可控負荷的需求響應和分布式能源的要求，從而能夠更加靈活地管理能源資源，提高電網的穩定性和可靠性。本文針對虛擬電廠中儲能技術的應用展開研究，對虛擬電廠中儲能技術發展、清潔能源的大規模應用進行了展望。

【關鍵詞】虛擬電廠；儲能技術；應用

0.引言

在當今社會的迅猛發展下，我們不可避免地面臨與日俱增的能源需求、嚴重的環境污染問題以及日益緊缺的自然資源帶來的挑戰，這些挑戰需要我們尋找創新的解決方案，以確保社會的可持續發展。近年來，可再生能源成為了一個備受關注的話題，與此同時分布式能源也逐漸嶄露頭角。可再生能源如太陽能和風能等具有巨大的潛力，它們可以為社會提供清潔的電力，減少人類對有限自然資源的依賴，并降低能源生產帶來的環境污染。然而，可再生能源的波動性和不確定性問題一直是困擾電力系統的挑戰之一。在這個背景下，虛擬電廠的概念應運而生。

虛擬電廠是一種*進的電力系統管理方法，它可以協調控制分布式電源（如太陽能電池和風力發電機等），并有效地管理能量流向，以支持電網的穩定運行。虛擬電廠的關鍵之一是儲能裝置。這些裝置可以儲存多余的能源，以便在需要時釋放，從而彌補可再生能源的波動性。這不僅可以提高電力系統的可靠性，還可以降低對傳統發電方式的依賴，減少環境污染。此外，儲能裝置還可以提高電力系統的經濟性，因為它們可以在高峰時段釋放儲存的能量，從而減少高成本的峰值電力需求。

1.虛擬電廠概述

虛擬電廠是一種創新性的電力管理概念，它在分布式電力管理系統的支持下，通過整合分散的分布式電源、可控制電源和儲能裝置等資源，形成一個龐大的虛擬性可控制信息集合體。這個概念的出現對電網運行和調度產生了深遠的影響，特別是在智能電網和分布式電網的應用沖突方面提供了解決方案。

虛擬電廠的核心思想是將分布式電源（包括太陽能光伏、風能、小型燃氣發電機等）以及各種可控制電源（如電動汽車充電樁和分布式儲能設備等），有效地匯聚成一個統一的實體。這個實體可以像傳統發電廠一樣，直接參與電網的運行和調度。這種整合有助于提高電力資源的可利用性，減少能源浪費，降低電網的負荷壓力，提高電網的可靠性和穩定性。

此外，虛擬電廠的出現也有助于解決智能電網和分布式電網之間的應用沖突。智能電網強調了數據分析和遠程控制，以提高電網的效率和可管理性；而分布式電網更強調本地化能源生產和消費，希望減少電力輸送損耗和提高電網的彈性。虛擬電廠的構成模式具體如圖1所示。

2.儲能技術

2.1儲能技術的內涵

電能儲存是儲能技術的核心概念，它使得能量可以在不同時刻之間進行轉化和利用。這個過程涉及到將能量以不同形式儲存，這可以通過介質或特定設備實現。儲能介質可以是電池、*級電容器、壓縮空氣儲能、重力儲能等多種形式，每種介質都有其的特性和適用場景。設備則包括能夠將能量儲存和釋放的技術，如充電/放電系統、逆變器和控制系統等。

這種能量存儲的靈活性使得儲能技術在多個領域中發揮著關鍵作用。首先，儲存的能量可以作為應急能源，以滿足突發事件或電力中斷時的能源需求。這對于維護基礎設施運行、醫療設備供電以及保障公共安全至關重要。此外，儲能技術還可以用來支持電網運行。電網負荷通常會出現波動，而儲能系統可以在負荷較低時存儲多余的能量，然后在高負荷時釋放，以平衡電力供需，減輕電網波動。這一過程有時被稱為"削峰填谷"，它有助于提高電網的穩定性和可靠性，同時也促進可再生能源的大規模集成。

2.2儲能技術的應用方向

（1）電化學儲能

電化學儲能技術在當今電力領域具備顯著的優勢，這些優勢包括其廣泛的適用性、*效的能量轉化效率、長期的使用壽命、靈活的充放電性能、相對較輕的重量以及*色的便攜性等。

電化學儲能技術的特點使其在電力系統中扮演著重要的角色，并且在多個領域都表現出*越的性能。首先，電化學儲能技術的廣泛適用性使其能夠滿足各種電力需求，無論是用于家庭、商業還是工業應用，電化學儲能系統都可以根據需求進行定制和擴展，這種靈活性使得儲能技術能夠在不同場景中提供可靠的能源支持。其次，電化學儲能技術以其*效的能量轉化效率而聞名，當電能儲存在儲能系統中時，其損失非常小，從而確保了電能的有效利用。同時，電化學儲能技術具有*越的使用壽命，這些系統通常能夠持續數年甚至更長時間的運行，而且其性能不會明顯下降。此外，電化學儲能技術在充放電方面表現*色，可以迅速響應電力需求的變化，無論是快速放電以提供輔助服務，還是緩慢充電以儲存電能供日后使用。

（2）機械儲能

機械儲能是一項關鍵的電力儲能技術，旨在將電能轉化為機械能，以便在需要時將其重新轉化為電能。其中一種主要的機械儲能技術是抽水蓄能，它利用了勢能和動能的原理，抽水蓄能的核心概念是將多余的電能轉化為勢能，通過將水資源從下水庫抽升到地上水庫的方式來實現。這個過程類似于充電的過程，其中下水庫充當電池，而地上水庫則充當能量存儲器。當電力資源供過于求時，通過電能轉化為機械能的方式，水被抽升到地上水庫，從而將電能儲存為潛在的勢能。而當電力資源需求增加時，可以釋放存儲的水，通過水力發電的方式將勢能轉化為電能，滿足電力負荷的需求。

抽水蓄被認為是電力資源轉換和電力發送功能的理想選擇之一，其成熟度很高，已在許多地方得到成功應用。這一技術的性在于它可以迅速響應電力需求的波動，有助于維持電網的穩定性。然而，抽水蓄能也存在一些挑戰和限制，其中之一是廠址選擇的復雜性。此外，建設一個抽水蓄能系統通常需要相當大的投資，涉及到水庫建設、水泵和發電機等設備的購置，這可能對財政構成一定壓力。施工工期也相對較長，需要耐心等待系統的建成和投入運行。

（3）電磁儲能

電磁儲能是一種重要的能源儲存方式，它包括兩種主要形式：超導磁儲能和*級電容器儲能。這些技術在能源儲存和轉換方面都具有巨大的潛力，可以在許多應用領域中發揮關鍵作用。

超導磁儲能利用超導材料制作超導線圈，通過將電能轉變為電磁能來實現能量的存儲。這個過程具有許多優勢。首先，超導線圈能夠快速反應，這意味著它們可以在瞬間之間轉換能量狀態。其次，超導磁儲能系統具有高功率密度，這意味著它們可以處理大量的能量，并且在短時間內釋放出來。此外，這種技術的能量消耗非常低，因此在儲能周期內能夠*效地保留能量。*重要的是，超導磁儲能系統具有高充放電效率，這意味著在能量轉換過程中幾乎沒有能量損失，因此非常節能。

與超導磁儲能不同，*級電容器儲能是另一種重要的電磁儲能技術。它分為兩種類型：雙電層電容器儲能和*級電容器儲能。這兩種技術都以其的特點而聞名。首先，它們都具備快速充放電反應的特點，能夠在瞬間之間存儲或釋放大量電能。其次，*級電容器儲能具有高功率密度，這使它們能夠在短時間內提供大量電能。此外，*級電容器儲能效率非常高，幾乎沒有能量損失。*后，*級電容器儲能技術非常安全穩定，不容易發生過熱或其他危險情況。

3儲能技術在虛擬電廠中的應用

3.1在儲能技術的作用下提高可再生能源利用率

儲能技術的應用可以通過多種方式提高可再生能源的發電能力，它在虛擬電廠中的應用為提高可再生資源的利用率提供了*的支持。在虛擬電廠的運營中，波動性和不確定性常常是一個挑戰。例如，風力發電和光伏發電的能源產量會受到天氣條件、季節和時間的影響，導致能源生產的波動。此外，這些可再生能源的產量是隨機的，很難提前預測。而儲能技術可以充分發揮其作用來解決這些挑戰，實現能源系統的可持續性和穩定性，提高可再生能源利用率。

通過在虛擬電廠中引入儲能設備，我們可以有效地減少可再生能源發電帶來的波動性和不確定性的影響。當風力或光伏系統產生超出規定數值的電力時，多余的能量可以存儲在儲能設備中，從而不被浪費；同時，存儲的能量可以在需要時釋放，以滿足能源需求。因此，即使在天氣等原因導致可再生能源產量過剩或不足的狀況下，這種能源轉換和使用的靈活性仍然可以確保虛擬電廠的穩定運行。

此外，作為一項關鍵的能源創新，儲能技術還有助于解決可再生資源的不可預測性問題。通過監測和管理儲能設備中的能量存儲，虛擬電廠操作人員可以更好地應對可再生能源產量的變化。這種實時的響應能力使虛擬電廠更加靈活，可以更好地適應不斷變化的能源環境。

3.2在儲能技術的作用下提升虛擬電廠的電能質量

在虛擬電廠運行過程中常常會面臨一些電能質量方面的挑戰，其中之一就是諧波問題。諧波是一種非正弦電流或電壓波形，它們會干擾電力系統的正常運行，損害與系統相關的設備和電能質量。

虛擬電廠作為一種集成分布式能源資源的智能電力系統，為了應對這些諧波問題，實現節能環保和系統穩定運行，儲能技術的應用成為了一個關鍵的解決方案。儲能技術通常包括電池等設備，它們可以將多余的電能存儲起來，并在需要時釋放。其中的逆變器是儲能系統中的一個關鍵組件，它能夠將儲存的電能轉換成可用的電流。在虛擬電廠中，逆變器不僅可以用來提供電力，還可以用來改善電能質量。儲能技術可以通過逆變器輸出和諧波相反的電流來補償虛擬電廠中產生的諧波。當虛擬電廠中的分布式能源資源產生諧波時，逆變器可以生成與諧波相反方向的電流波形，從而抵消諧波的影響。這種補償作用有助于提升電能質量，確保系統中的電壓和電流波形是接近正弦的，減少了諧波對設備和系統的損害。

此外，儲能技術還可以在系統供給和負荷不平衡的情況下發揮重要作用。當系統中發電側的供給和負荷需求不平衡時，可能會導致系統頻率偏差。此時儲能技術可以通過釋放或吸收電能來平衡頻率偏差，確保系統供電平衡，并降低偏差對系統的影響。這有助于維持系統的穩定運行，防止頻繁的停電或電力波動。

3.3在儲能技術的作用下提升虛擬電廠供電可靠性

由于可再生能源（如太陽能和風能等）受外界環境因素的影響較大，因此其發電能力可能會受到天氣條件的限制。此外，電網故障也是一個不可避免的問題，可能導致電力供應中斷，給用戶用電帶來不便。而儲能技術可以解決這些問題，確保虛擬電廠能夠為用戶提供持續的供電支持，從而顯著提升供電可靠性。在虛擬電廠中，儲能設備起到了至關重要的作用。

當可再生能源發電設備的力量為零或外界環境因素影響了其發電能力時，儲能技術可以存儲多余的電能。這意味著即使太陽能電池板因云層遮擋或風力發電機因風速不足而停止發電，用戶仍然可以依賴儲能系統獲得所需的電力。這種無縫切換和持續供電支持對于維持用戶的正常用電是至關重要的。此外，當電網發生故障時，虛擬電廠可以通過儲能技術提供備用電力，以確保用戶不會受到電力中斷的影響。這種供電可靠性的提高對于各種行業和領域都具有重要意義，特別是對于關鍵設施和醫療機構。

4.Acrel-2000ES儲能柜能量管理系統

4.1系統概述

安科瑞儲能能量管理系統Acrel-2000ES，專門針對工商業儲能柜、儲能集裝箱研發的一款儲能EMS，具有*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*級應用上支持能量調度,具備計劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。

4.2系統結構

Acrel-2000ES，可通過直采或者通過通訊管理或串口服務器將儲能柜或者儲能集裝箱內部的設備接入系統。系統結構如下：

4.3系統功能

4.3.1實時監測

系統人機界面友好，能夠顯示儲能柜的運行狀態，實時監測PCS、BMS以及環境參數信息，如電參量、溫度、濕度等。實時顯示有關故障、告警、收益等信息。

4.3.2設備監控

系統能夠實時監測PCS、BMS、電表、空調、消防、除濕機等設備的運行狀態及運行模式。

PCS監控：滿足儲能變流器的參數與限值設置；運行模式設置；實現儲能變流器交直流側電壓、電流、功率及充放電量參數的采集與展示；實現PCS通訊狀態、啟停狀態、開關狀態、異常告警等狀態監測。

BMS監控：滿足電池管理系統的參數與限值設置；實現儲能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監測；實現電池充放電狀態、電壓、電流及溫度異常狀態的告警。

空調監控：滿足環境溫度的監測，可根據設置的閾值進行空調溫度的聯動調節，并實時監測空調的運行狀態及溫濕度數據，以曲線形式進行展示。

UPS監控：滿足UPS的運行狀態及相關電參量監測。

4.3.3曲線報表

系統能夠對PCS充放電功率曲線、SOC變換曲線、及電壓、電流、溫度等歷史曲線的查詢與展示。

4.3.4策略配置

滿足儲能系統設備參數的配置、電價參數與時段的設置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制等。

4.3.5實時報警

儲能能量管理系統具有實時告警功能，系統能夠對儲能充放電越限、溫度越限、設備故障或通信故障等事件發出告警。

4.3.6事件查詢統計

儲能能量管理系統能夠對遙信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

4.3.7遙控操作

可以通過每個設備下面的紅色按鈕對PCS、風機、除濕機、空調控制器、照明等設備進行相應的控制，但是當設備未通信上時，控制按鈕會顯示無效狀態。

4.3.8用戶權限管理

儲能能量管理系統為保障系統安全穩定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控的操作，數據庫修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

5.相關平臺部署硬件選型清單

6.結束語

綜上所述，可再生資源在電力系統中具有巨大的潛力，但要實現這一潛力，需要克服波動性和不確定性等挑戰。通過儲能技術的應用，我們可以降低虛擬電廠能源利用的波動和不確定性，從而提高資源能源的利用率，并改善電能質量。這些技術將有助于推動清潔能源的廣泛應用，促進可持續能源發展。

參考文獻

[1]鄧永生,張勁松,李鐸等.虛擬電廠中儲能技術的應用與研究[J].電氣技術與經濟，2019(4):10-12.

[2]孫甲.面向虛擬電廠優化運行的多類型儲能系統容量配置研究[D].沈陽:沈陽工業大學,2019.

[3]潘華,梁作放,薛強中等.虛擬電廠中的儲能技術及其作用[J].山東電力技術,2018,45(7):55-61.

[4]洪依林,虛擬電廠中儲能技術的應用與研究[J].廣東天聯電力設計有限公司,2019.

[5]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05版.