大工业用户1 兆瓦/2 兆瓦时分布式储能设计研究

韩绪鹏 沈 凯 张振宇

随着电力的市场化发展和储能支持政策的不断完善，在新型电力系统背景下新能源占比逐渐提高，未来储能的应用重点逐渐从电源侧和电网侧转移到用户侧分布式储能。尤其是大工业用户（特指受电变压器容量在315 千伏安及以上、用电负荷达到较大容量、在现代产业体系中扮演着重要角色的电力大用户），分布式储能可直接应用于峰谷价差获利、容量费用管理、提升电能质量、提高供电可靠性等应用场景，商业化应用条件最为成熟，可最大化地通过“谷充峰放”降低用电成本。在分布式储能领域占绝对主导地位的工商业储能容量有望迎来爆发式增长。根据中关村储能产业技术联盟发布的数据，2023 年用户侧储能的市场热度持续升高，2023 年上半年备案的用户侧储能项目达到250个，规模合计2.7亿瓦时。当前，用户侧储能面临跨越式发展的机遇和技术不成熟的挑战，考虑到分布式储能是支撑新型电力系统的关键技术，本文以浙江省某大工业用户为例（属于工商业分布式储能），对1 兆瓦/2 兆瓦时分布式储能系统进行设计研究。

一、储能项目概况

我国浙江省某大工业用户是一家集制造、投资、贸易、进出口、地产等业务于一体的大型集团企业，其拥有30 万平方米的工厂制造区，净资产已超3 亿元人民币，集团员工逾3000 人。变压器容量3060 千伏安，企业负荷正常，常年维持在1700 千伏安左右，征信良好。在“双碳”背景下实施节能减排，已安装光伏发电系统，为节省企业电费，更是响应电网错峰用电的号召，在厂区内的空地建设分布式储能电站，分布式储能系统总装机容量为1 兆瓦/2 兆瓦时，后期根据实际使用负荷情况，增加储能配置并通过微电网“源网荷储”一体化运营管理系统达到收益最大化，使得企业在分时电价管理、容量费用管理、提高电能质量、提升供电可靠性等方面的性能得到显著改善。安装储能系统的地点是位于浙江省金华市武义县五金机械工业区，储能系统采用0.4千伏电压等级并网。

二、1 兆瓦/2 兆瓦时分布式储能系统设计

（一）消纳分析

利用开发的ESS（能量存储系统）储能配置测算系统计算某大工业用户上一自然年度15 分钟级负荷结果，根据业主负荷曲线及浙江省峰谷电价时段，基于储能系统运行的最大储能量预测某电力大用户1 兆瓦/2 兆瓦时用户侧储能项目用电量，预计表如表1 所示。统计尖峰、高峰、低估的用电量，配置储能装置后，低谷用电占比从24.33%预计升至51.2%。

为论证本项目储能运行策略以及预计产生的影响，在开发的用户侧储能配置运行策略算法的ESS 系统中随机抽取两个自然日的运行状况（见图1 和图2）可以看到，储能系统放电时作为电源端，工厂实际负荷是变压器额定需量的24%，由此可以看出储能系统有效降低了变压器1000千瓦的负荷，可以应对当地的限电政策（图1 的10：15 时刻）；储能系统充电时作为负载端，其充电所需功率和工厂生产负荷的加权功率是变压器容量的83.2%，此时并未造成变压器超容（图2 的11：45 时刻），因此复核确认本项目1 兆瓦/2兆瓦时系统配置合理。

图1 2022 年07 月06 日运行工况图

图2 2022 年12 月06 日运行工况图

本储能项目运行后，可以开发基于人工智能算法的储能系统根据未来实际运行工况来做充放策略的制定，在历史数据的基础上，努力增加年利用天数，以求年化收益率达到更优。考虑设备成本以及升压过程中的损耗和再转低压利用过程的电力损耗问题，本储能项目选择低压接入方式，采用0.4 千伏并网方式进行建设，设2 个低压并网点，0.4 千伏出线接至厂区内低压配电室，运行方式采用“削峰填谷”模式。本项目是采取峰谷套利的方式实现收益。

（二）储能系统总体规划

1 兆瓦/2 兆瓦时储能系统包含储能介质（磷酸铁锂电池）、100 千瓦/200 千瓦时组串式储能系统10 套、电池管理系统（BMS）、能量管理系统（EMS）、电池仓等主要组成设备。

磷酸铁锂储能系统以磷酸铁锂电池组作为储能介质，储能系统由储能电池经DC 汇流之后，接入变流器（PCS）直流侧，PCS 交流侧接入0.4千伏母线上。通常在并网点安装双向计量电表，对储能系统的充放电电量大小进行测量。每个电池组均装有电池管理系统（BMS）对电池的充放电进行智能管理，BMS 与PCS 与后台监控相连，执行最佳充放电控制策略。储能系统拓扑示意图如图3 所示。

图3 储能系统拓扑示意图

（三）储能系统设计总框架

设计一套1 兆瓦/2 兆瓦时储能系统，出线中压接入用电侧回路，配置方案成本较低且调整难度更低，更容易对储能系统充放电运行工况进行控制。同时配置了微电网运营管理系统方便电网侧对储能系统的运行调度。此外，此项目配置为1500 伏液冷系统方案，采用215 千瓦时标准液冷储能户外柜型式，单个户外柜容量为100 千瓦/215 千瓦时，储能系统设备包含有10 台100千瓦/215 千瓦时标准液冷储能户外柜，总容量为1 兆瓦/2 兆瓦时。储能系统户外柜采用一体化设计，箱内集成有储能锂电池组、变流系统、电池控制柜、温控系统、自动消防系统等。

储能系统结构上采用组串式储能一体柜（如图4 所示），将储能电池系统、电池管理系统和能量管理系统集成于定制化柜体内的储能装置，这种结构具有占地面积小、建设周期短、模块化程度高、系统效率高、安全性好的优点。高度集成的一体柜设计使整机占地空间更小，运输与安装运维更便捷，能量密度更高，非常适合用户侧的中小型储能系统。

图4 1 兆瓦/2 兆瓦时储能系统的组串式储能一体柜

（四）EMS 系统设计

EMS 管理系统可以实现储能系统的实时监控（SCADA）和能量管理等功能。监控功能主要包括数据采集和处理、控制和操作、储能基本单元监控、报警处理、画面生成及显示、在线计算及制表、数据接口、人机联系等。能量管理功能主要包括能量平衡和自动调度、模式控制等。

1.数据采集与监控

按照“少人值守”的原则设计，自动化程度高；能迅速、准确、有效地完成对被控对象的监测与控制；根据采集到的包括储能用蓄电池、负荷、各电气设备等的数据，进行分析、控制和调节；实现安全运行监视，屏幕显示，事故处理指导和恢复操作指导等功能；实现对系统内储能单元的高级能量管理，最大限度利用储能电池。

2.报警处理

报警处理分为事故报警和预告报警。事故报警是非操作引起的断路器跳闸和保护装置动作信号。预告报警是一般性设备变位，状态异常信号，模拟量越限，计算机监控系统的事件异常等。事故报警和预告报警应采用不同颜色，对重要模拟量越限或发生断路器跳闸等事故时，应自动推出相关提示信息。当所采集的模拟量发生越限，开关量变位及计算机系统自诊断故障时应自动进行报警处理。对于事故状态方式时，操作员工作站的画面上应有相应的颜色显示，同时有报警条文。

3.控制和操作

所谓控制，包括三层意思。第一是监控系统能根据操作员输入的命令实现断路器、定值、切换开关等的正常操作和其它必要的操作。第二是监控系统提供必要的操作步骤和足够的监督功能，以确保操作的合法性、合理性、安全性和正确性。第三是操作控制的执行结果应反馈到相关设备图上，其执行情况能产生正常（或异常）执行报告并显示。所谓操作，主要包括状态显示功能和操作权限限制功能，前者可基于该功能了解系统的总体状态，查阅画面和报表。后者是系统可设置不同操作权限和口令，以防止非法使用及误操作。

4.人机接口及管理功能

（1）人机接口

人机接口，即输入/输出设备的接口，主要包括彩色液晶显示器（TFT）、功能键盘、汉字打印机。其核心功能有：调画面、一览表、测点索引；日期和时钟的设置；测点的投退；各种参数的设置；报警确认和画面清闪；对可控设备发出控制操作命令。

（2）开放性与扩展性

开放性，即储能系统实现不同厂家、不同标准之间相互兼容。储能系统提供对数据模式的建立、数据存贮、报表系统以及对外部系统的数据接口，将商用关系型数据库和实时数据库在设计上有机地融合在一起。在满足各种接口标准的基础上，可基于系统的需求对不同厂家的硬件和软件进行集成，并根据实际用电需求进行灵活配置，使系统具有良好的集成性和扩充性。

扩展性，即储能系统可以根据需求容易扩展和调整。储能系统的结构应能支持多类型计算机硬件设备，软、硬接口符合国际标准。储能系统应实现逐步建设、逐步投运、逐步扩充、逐步升级，具备硬件扩展新计算机的能力和软件增加新功能的能力。

（五）储能系统布置

储能设备布置于高压配电房附近，利用附近露天空地空余位置集中布置储能设备，储能设备进出线通过现有电缆沟敷设至配电室，在母线接入点处扩建2 套并网开关柜。储能系统布置示意图如图5 所示。

图5 储能系统布置示意图

（六）储能监测系统

采用微电网智慧运营管理系统监测并网储能系统的运行状况，利用工控机采集数据，连续24小时不间断地监测和记录所有PCS 以及BMS 的运行数据和故障数据，并通过大屏幕液晶电视显示储能参数和运行参数。储能监测系统的功能，一是监测储能参数——PCSBMS 的实时参数；二是检测储能系统的运行参数（电压、电流、功率、频率、电量、功率因数、CO2减排量等）。通过系统运行指示牌显示参数，能方便地通过RS485接口和PCS 以及数字式发电量计量电表进行通讯，同时可以外接日照传感器和温度传感器显示日照强度和温度。

三、收益分析

（一）储能收益

电芯质保循环寿命6000 次，对应SOH 为80%；电芯放电深度90%，储能系统充放电效率90%，工厂有效运转天数330 天。浙江省某大工业用户储能系统商业模式考虑合同能源管理模式，若由投资商建设，则大工业用户需提供储能设备放置空地，电价按照收益的85 折计算，即投资方在峰谷套利中的收入15%分享给企业，若按照浙江省目录电价2022 年8 月1 日尖峰电价即为1.237 元每度，则预计首年节省电费11.94万元左右，20 年总计节省217.34 万元左右。此外，本分布式储能系统能就地高效快速地进行有功和无功控制，提升大工业用户的电能质量和可靠性，当电力系统发生事故时可充当大工业用户的不间断电源。

（二）微电网系统收益

微电网智慧运营管理系统配置后，可对企业本身能耗、光伏、储能等进行统筹监控，因为此大工业用户的用电特性十分复杂，机加工车间存在大量不稳定负荷，光伏的波动性也很大。据此，推荐电力用户配置微电网智慧运营管理系统StarGrid，通过系统调节微电网整体平衡，控制住需量的同时进行峰谷套利，可以让微电网系统投资收益最大化，与独立采购储能系统的方式进行比较，收益增加5%左右。

四、结论

给大工业用户配置储能系统，可以通过能量时移的方式，实现利用谷时电价将电能储存，在峰时电价时将电能释放，实现价差收益。同时，储能系统在用户侧可作为绿色消纳的辅助设备，在新能源设备发电期间如果用户消纳不足，可将相关电量储存在储能设备内，在使用时释放达到电能调节的作用，提升新能源发电的消纳。在技术成熟的情况下，用户侧储能系统可以将绿色清洁能源收集后再利用，达到降低碳排放实现碳中和的目标。本文以浙江省某大工业用户为例，从消纳分析、总体规划、系统设计、系统布置、监测系统等方面设计1 兆瓦/2 兆瓦时分布式储能系统，2 充2 放运行，每天最大可为企业提供2000度的电量，实现大工业用户的光伏储能一体化。按照工程实际在一定的边界条件下，大工业用户储能收益和微电网系统收益均非常理想。参照国外的实践经验，随着需求侧管理及电力市场的进一步完善，大工业用户储能有望在降低容量管理费用、需求响应补偿等方面获得更多的潜在收益。