浅谈新能源储能技术在电力系统中的应用与发展

安科瑞 刘迈

　　摘要：随着新能源在电力系统中的占比不断增加，储能技术作为支撑系统，对于平衡供需、提高可再生能源利用率以及增强电力系统稳定性具有重要意义。本文综述了新能源电力系统中储能技术的需求、应用现状以及技术进展，探讨了电化学储能、物理储能等多种储能技术的特点、优势与挑战，并对未来发展方向进行了展望。

　　关键词：新能源储能；电力系统；可再生能源；技术进展

　　0.引言

　　在全球能源转型的大背景下，风能、太阳能等新能源在电力系统中的应用日益广泛。然而，新能源的间歇性和不性给电力系统的稳定运行带来了巨大挑战，储能技术因此成为解决这些问题的手段。

　　1.新能源电力系统中的储能需求分析

　　1.1　跨时间尺度的能量平衡

　　新能源发电具有间歇性，如太阳能白天有、晚上无，风能受风力影响不稳定。储能技术可以在发电过剩时储存能量，在发电不足时释放能量，实现不同时间尺度的能量平衡。

　　1.2　提高可再生能源利用率

　　通过储能技术，可以将新能源发电的多余电量储存起来，避免弃风、弃光现象，从而提高新能源的利用率。

　　1.3　增强电力系统稳定性

　　储能系统能够快速响应电网的功率变化，提供调频、调压等辅助服务，增强电力系统的稳定性和可靠性。

　　2.新能源储能技术分类及应用

　　2.1电化学储能

　　2.1.1锂离子电池储能

　　锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长等优点，是目前应用广泛的电化学储能技术。它可用于分布式储能系统，为家庭、商业用户提供备用电源，也可在大规模储能电站中用于调频、调峰。

　　2.1.2钠离子电池储能

　　钠离子电池资源丰富、成本较低，且具有较好的倍率性能和低温性能。近年来，其研究和应用逐渐增多，有望在大规模储能领域与锂离子电池形成竞争。

　　2.1.3液流电池储能

　　液流电池的电解液与电分离，具有容量可扩展性强、循环寿命长等优点，适用于大规模储能场景，如电网调峰、可再生能源基地配套储能等。

　　2.2物理储能

　　2.2.1抽水蓄能

　　抽水蓄能是目前成熟的储能技术之一，利用电力负荷低谷时的电能抽水上水库，在电力负荷高峰时再放水下水库发电。它具有储能容量大、运行寿命长等优点，但受地理条件限制较大。

　　2.2.2压缩空气储能

　　压缩空气储能系统在储能时利用多余电能驱动压缩机，将空气压缩并储存于储气室中；释能时释放高压空气驱动膨胀机发电。其储能容量大、成本相对较低，但能量转换效率有待提高。

　　2.2.3飞轮储能

　　飞轮储能通过电动机将电能转化为飞轮的动能储存起来，在需要时再通过发电机将动能转化为电能输出。它具有功率密度高、充放电速度快等优点，但能量密度相对较低，适合短时高频次的功率调节。

　　新能源储能技术的发展趋势与挑战

　　3.1技术发展趋势

　　3.1.1高性能电材料研发

　　研究人员不断探索新型电材料，如高性能硅基负材料、富锂锰基正材料等，以提高电池的能量密度和循环稳定性。

　　3.1.2系统集成与优化

　　储能系统的集成技术不断进步，包括电池管理系统、功率转换系统等的优化设计，以提高整个储能系统的效率和可靠性。

　　3.1.3多技术融合

　　将不同储能技术进行组合，如锂离子电池与液流电池混合储能系统，发挥各自优势，满足不同应用场景的需求。

　　3.2面临的挑战

　　3.2.1成本问题

　　储能系统的初始投资成本较高，尤其是高性能电化学储能技术，限制了其大规模应用。降低成本是储能技术未来发展的。

　　3.2.2安全性与可靠性

　　储能系统在运行过程中存在一定的安全风险，如电池的热失控、液流电池的电解液泄漏等。提高储能系统的安全性和可靠性是亟待解决的问题。

　　3.2.3标准与规范缺失

　　储能技术发展迅速，但相关的标准和规范相对滞后，导致市场混乱，产品质量参差不齐，影响了储能技术的健康发展。

　　4.安科瑞Acrel-2000ES储能能量管理系统解决方案

　　4.1概述

　　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、可视监控、报警管理、统计报表等功能。在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。系统对电池组性能进行实时监测及历史数据分析、根据分析结果采用智

　　能化的分配策略对电池组进行充放电控制，优化了电池性能，提高电池寿命。系统支持Windows操作系统，数据库采用SQLServer。本系统既可以用于储能一体柜，也可以用于储能集装箱，是专门用于储能设备管理的一套软件系统平台。

　　4.2适用场合

　　系统可应用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。

　　4.2.1工商业储能四大应用场景

　　1）工厂与商场：工厂与商场用电习惯明显，安装储能以进行削峰填谷、需量管理，能够降低用电成本，并充当后备电源应急；

　　2）光储充电站：光伏自发自用、供给电动车充电站能源，储能平抑大功率充电站对于电网的冲击；

　　3）微电网：微电网具备可并网或离网运行的灵活性，以工业园区微网、海岛微网、偏远地区微网为主，储能起到平衡发电供应与用电负荷的作用；

　　4）新型应用场景：工商业储能积探索融合发展新场景，已出现在数据、5G基站、换电重卡、港口岸电等众多应用场景。

　　4.3系统结构

4.4系统功能

　　4.4.1实时监测

　　微电网能量管理系统人机界面友好，应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中，各子系统回路电参量主要有：三相电流、三相电压、总有功功率、总无功功率、总功率因数、频率和正向有功电能累计值；状态参数主要有：开关状态、断路器故障脱扣告警等。

　　系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理，使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。

　　系统应可以对储能系统进行状态管理，能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警，并支持定期的电池维护。

　　微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电桩及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求，也可将充电，储能及光伏系统信息进行显示。

图2系统主界面

　　子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电桩信息、通讯状况及一些统计列表等。

　　4.4.2光伏界面

图3光伏系统界面

　　本界面用来展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

　　4.4.3储能界面

图4储能系统界面

　　本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。

图5储能系统PCS参数设置界面

　　本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置，包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。

图6储能系统BMS参数设置界面

　　本界面用来展示对BMS的参数进行设置，主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。

图7储能系统PCS电网侧数据界面

　　本界面用来展示对PCS电网侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。

图8储能系统PCS交流侧数据界面

　　本界面用来展示对PCS交流侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。

图9储能系统PCS直流侧数据界面

　　本界面用来展示对PCS直流侧数据，主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。

图10储能系统PCS状态界面

　　本界面用来展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。

图11储能电池状态界面

　　本界面用来展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。

图12储能电池簇运行数据界面

　　本界面用来展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的大、小电压、温度值及所对应的位置。

　　4.4.4风电界面

图13风电系统界面

　　本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

　　4.4.5充电桩界面

图14充电桩界面

　　本界面用来展示对充电桩系统信息，主要包括充电桩用电总功率、交直流充电桩的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电桩的运行数据等。

　　4.4.6视频监控界面

图15微电网视频监控界面

　　本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。

　　4.4..7发电预测

　　系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划，便于用户对该系统新能源发电的集中管控。

图16光伏预测界面

　　4.4.8策略配置

　　系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、有序充电、动态扩容等。

图17策略配置界面

　　4.4.9运行报表

　　应能查询各子系统、回路或设备时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能等。

图18运行报表

　　4.4.10实时报警

　　应具有实时报警功能，系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位，及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警，应能实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。

图19实时告警

　　4.4.11历史事件查询

　　应能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度（锂离子电池）、压力（液流电池）、光照、风速、气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。

图20历史事件查询

　　4.4.12电能质量监测

　　应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。

　　1）在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度和正序/负序/零序电流值；

　　2）谐波分析功能：系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电流含有率；

　　3）电压波动与闪变：系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值；应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线；应能显示电压偏差与频率偏差；

　　4）功率与电能计量：系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率；应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素；应能提供有功负荷曲线，包括日有功负荷曲线（折线型）和年有功负荷曲线（折线型）；

　　5）电压暂态监测：在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时，系统应能产生告警，事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员；系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。

　　6）电能质量数据统计：系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据，包括均值、大值、小值、95%概率值、方均根值。

　　7）事件记录查看功能：事件记录应包含事件名称、状态（动作或返回）、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。

图21微电网系统电能质量界面

　　4.4.13遥控功能

　　应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作，并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。

图22遥控功能

　　4.4.14曲线查询

　　应可在曲线查询界面，可以直接查看各电参量曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。

图23曲线查询

　　4.4.15统计报表

　　具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析；对系统运行的节能、收益等分析；具备对微电网供电可靠性分析，包括年停电时间、年停电次数等分析；具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。

图24统计报表

　　4.4.16网络拓扑图

　　系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。

图25微电网系统拓扑界面

　　本界面主要展示微电网系统拓扑，包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。

　　4.4.17通信管理

　　可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序，然后选择通信控制启动所有端口或某个端口，快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

图26通信管理

　　4.4.18用户权限管理

　　应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控操作，运行参数修改等）。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。

图27用户权限

　　4.4.19故障录波

　　应可以在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条，每条录波可触发6段录波，每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形，总录波时间共计46s。每个采样点录波少包含12个模拟量、10个开关量波形。

图28故障录波

　　4.4.20事故追忆

　　可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据，包括开关位置、保护动作状态、遥测量等，形成事故分析的数据基础。

　　用户可自定义事故追忆的启动事件，当每个事件发生时，存储事故扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户和随意修改。

图29事故追忆

　　5.系统硬件配置清单

6.结语

　　本文分析了新能源储能技术在电力系统中具有广阔的应用前景，对于促进新能源的利用和电力系统的稳定运行关重要。虽然目前储能技术仍面临诸多挑战，但随着技术的不断进步和成本的降低，其在未来能源结构中的地位将日益重要。

　　参考文献

　　[1]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版.