用户侧储能系统的研究与应用

杨树全

安徽海螺新能源有限公司 安徽芜湖 241070

1 储能产业的现状

近年来，基于全球环境的变化，各国对可再生能源的大力扶持，风电、光伏等清洁能源装机规模迅速扩大，但可再生能源的间歇波动特性严重制约了其并网能力，导致弃风、弃光、限电等现象屡见不鲜。中国2018年弃光电量54.9亿千瓦时，全国平均弃光率3%；弃风电量277亿千瓦时，平均弃风率7%；弃水电量691亿千瓦时，平均弃水率5%。仅此三类清洁能源就损失了1000多亿千瓦时电量。

可再生能源消纳难的问题难以解决，对配置储能的需求就日益强烈。储能是智能电网、可再生能源高占比能源系统、“互联网+”智慧能源的重要组成部分和关键支撑技术。储能能够为电网运行提供调峰、调频、备用、黑启动、需求响应支撑等多种服务，是提升传统电力系统灵活性、经济性和安全性的重要手段；储能能够显著提高风、光等可再生能源的消纳水平，支撑分布式电力及微网，是推动主体能源由化石能源向可再生能源更替的关键技术；储能能够促进能源生产消费开放共享和灵活交易、实现多能协同，是构建能源互联网，推动电力体制改革和促进能源新业态发展的核心基础[1]。

储能技术主要有物理储能、化学储能、电磁储能三种。物理储能建设需要一定的自然条件，建设周期较长。电磁储能尚处于实验室研发阶段，实际应用较少。化学储能由于技术相对成熟，应用空间最为广泛，随着持续投入研发以及应用领域的扩展，成本还有很大的下行空间，未来有可能成为最具发展前景的储能路线。从技术特点考虑，锂电池具有存储密度高，循环次数多，快速充放电等优点，最适合用户侧储能。

2 用户侧储能的市场前景

截止2018年底，我国已投运储能项目累计装机规模达31.3GW，占全球储能市场总体规模的17.3%，其中电化学储能累计装机规模达1.1GW。CNESA研究部预测，预计到2019年底，我国电化学储能的累计投运规模将达到1.92GW，年增速89%。在“十三五”的收官之年，即2020年，将延续超过70%的年增长速度，到2021年，储能的应用将在全领域铺开，规模化生产趋势明显，从而推动储能系统成本的理性下降。随着电力体制改革的进一步推进，推动市场化机制和价格机制的储能政策将为储能应用带来新一轮的高速发展，市场需求也将趋于刚性。在此背景下，电化学储能的规模将实现两连跳，2022年突破10GW，2023年接近20GW。

在国内储能技术的分布中，锂电池的装机比例达到了59%，占据了主导地位。未来在成本下降和技术进步的驱动下，锂离子电池储能装机还将持续大规模增长。用户侧储能应用有良好的应用价值和发展机遇，目前部分峰谷电价差较大地区的储能项目已经能够实现一定经济性。我国有约350家国家级工业园区，超1000家省级工业园区，这些工业园区为用户侧储能的发展提供了土壤。在峰谷电价差较大的地区，工业园区配套储能能够产生可观的经济效益，为用户侧储能提供了巨大的市场。

3 系统集成技术研究

以3.0MW/12MWh储能系统为例，由6台500KW/2MWh储能集装箱，通过两台2000kVA双分裂变压器接入交流母线来进行系统集成研究。

3.1 化学储能系统

3.0MW/12MWh储能系统分成6个2.0MWh子系统集装箱，单个2.0MWh子系统可由14个160kWh电池柜、1个控制柜（含UPS）、1个汇流柜组成；电池柜与储能系统变换器之间通过CAN进行通信；逆变器集装箱3个，集成6个500kw储能逆变器，及EMS监控系统和电池直流汇流柜[2]。

3.2 集装箱锂电池系统

500kW/2MWh集装箱储能系统是由集装箱箱体（含配电）、PCS、自动消防系统、视频监控系统、温控系统、电池储能系统（含机架、电池组、直流汇流柜）组成。其中：自动消防系统采用七氟丙烷为主要材料的自动灭火系统，应安装有自动报警装置，具备联动功能。MW级储能电池系统，从电芯到电池阵列，采用模块化的集成，电池系统采用3级BMS控制架构。

3.3 BMS管理系统

通过外箱上CAN接口可以检测、监测电池的状态、充放电电流、电压、自检和故障诊断功能等。管理系统的软件更新、升级具有外接充电控制和实时监控通信功能、SOC估算功能、箱体热管理功能、电池高压控制、充放电管理、电池最新运行数据记录等。

3.4 储能变流器（PCS）系统

储能逆变器采用功率器件以及数字控制技术，提高控制性能和系统的可靠性，适合于不同电池充放电需要，并且在结构上进行模块化集成。具备双向逆变，对电池充电、放电功能和完善的显示和通讯功能。接受微电网控制系统有功调节指令，在允许范围内实现有功及无功功率无级调节[3]。

3.5 EMS能量管理系统

当储能系统工作在并网运行状态下系统可分为两种状态，并网充电和并网放电。储能系统除具备并网运行能力外，还具有孤岛运行能力。在孤岛运行模式下具有并联其他发电设备运行的能力，当储能变流器处于离网运行模式时，系统中部分储能变流器采用V/f控制方式，建立并维持系统的电压及频率，为系统搭建基础电网。

3.6 监控后台系统

具备数据采集、处理，实时数据管理、历史数据库管理、图形编辑、曲线、报表、运行监控等。实时监视储能调频系统的运行状态、机组AGC模式和运行状态、AGC指令与实际出力、储能系统充放电速率和SOC状态、各类设备运行和告警信息，并进行控制模式、控制算法切换等操作。

4 储能电站实施的意义

储能调峰是以储能电站为手段，通过调节企业购电模式，不影响企业生产用电的前提下，节省企业用电费用。随着近几年储能技术的逐渐成熟，国内储能运用越来越广泛，尤其在发电和用电侧的运营已经实现商业化运行。储能系统在用户侧的应用有很多功能和价值：

4.1 削峰填谷

实行峰谷分时电价，有利于鼓励用户合理转移用电负荷，削峰填谷，降低峰谷时段的用电负荷率，提高系统设备容量的利用效率和节约能源。对用户，高峰时段少用电、低谷时段多用电，有利于降低用电成本；对社会，有利于减少或延缓电力投资，促进社会资源的合理配置。该系统具有能量搬移的功能，实现电网平滑输出，而且利用峰谷电价差赚取收益。

4.2 提高供电可靠性

电网停电时会造成生产停工损失和产品报废，储能系统可以作为UPS电源支持重要负荷的连续运行，从而为用户带来经济效益。

4.3 避免电力增容

随着企业不断发展，用户不断增加用电设备，原来的配电变压器容量不能满足，重新申请电力增容不仅花费巨大，而且存在一定的审批周期。建设储能电站通过负荷跟踪控制，可以避免增容，节省费用。

4.4 平抑功率波动

随着企业环保理念与社会责任感的不断提高，企业安装太阳能与风能发电系统越来越多，同时带来发电功率的波动。通过储能可迅速平抑功率波动，提高用户用电质量与满足电网调度和稳定的要求。

4.5 促进碳减排，提升社会效益

随着全面启动全国碳交易市场渐行渐近，用户侧储能在降低企业碳排放总量、推动产业绿色低碳循环发展等方面将发挥重要作用，为企业带来可观的碳排放权配额交易经济效益和节能环保、绿色的社会影响[4]。

5 结语

原来的我们的理念是“电从远方来”，发展特高压来实现远距离送电，而未来是“电从身边来”。储能电站作为新兴的技术、新兴的产业，从示范应用至今，虽然问题一直相伴相生，但朝产业化发展的信号日趋明显，社会对储能发展的信心也是前所未有的高涨。同时，用户侧是储能应用的最大市场，也是持续保持高增长的一个领域。特别是工商业用户端的储能是我国用户侧储能的主要形式，可以与光伏、风电等系统联合使用，又可以独立存在，是帮助电力用户实现分时电价管理的理想手段，可以降低电量电价和容量电价。目前系列政策的出台为储能产业大发展蓄势，行业到了爆发的临界点，储能的春天正在到来。