浅谈微电网中储能与电能量管理系统应用

安科瑞 陈聪

摘 要：传统的电力系统在发电方面高度集中，通常通过输电网络将电力和能量从大型同步发电机和感应发电机单向输送到用户。然而，可再生分布式能源如风能、光伏、电池、生物质能、燃料电池和微型涡轮机的出现，有可能遏制对化石能源发电的依赖，并改变电网中能量流动的单向性。这些技术使实现本地电力可靠性和可持续能源利用成为可能。当本地DER单元产生足够的电力时，某些地方可以从主电网中断开，形成一个具有明确电气边界的相互连接的能源系统的自我可持续的“微电网”。微电网具有广泛的应用前景。它可以作为独立或并网的供用电系统，为偏远地区、工业园区、居民区等各类场景提供电力供应。同时，微电网还可以与大电网进行互动，参与电力市场的交易和调度，实现能源的多元化利用和节能减排。总之，微电网是一种具有重要意义的分布式能源形式，它能够实现电力电量的自我平衡和优化利用，为未来的能源发展提供新的思路和方向。按照运行模式的不同，微电网可以分为离网型和并网型，并网型微电网在正常条件下与主网并网进行能量的双向交流，一旦电网的品质或者质量不符合规定，就能及时切断主网，实现自给自足。而离网型微电网是完*独立的，不需要与主网进行任何的连接，一般建设在偏远的边境或者海上的孤岛，满足当地基础的供电的需求。

0引言

微电网与常规配电网通常情况下并网运行，一旦在电网中检测到故障或电能质量出现问题时便会迅速与电网断开，转为独立运行模式。微电网通常会在系统中配置一定容量的储能装置，以应对模式切换过程中可能会出现的功率缺额，保证平稳过渡并维持系统稳定。由于外界环境的变化和影响，新能源发电常常出现出力不稳定的情况，比如光伏发电在夜间、风力发电无风等情况。为了应对这种情况，储能系统发挥重要作用，持续向系统中的用户供电，确保电力供应的连续性。除了直接向系统中的用户供电，储能还能起到参与电力调峰、改善微电网电能质量、提升微电源性能等作用。

1微电网中常见储能类型

鉴于微电网的特点及不同储能的作用及原理，配置在微电网中的储能装置有着独*的要求：能量密度大、功率密度大、高低温性能良好、能适应一些特殊环境等。虽然不是所有种类的储能设备都能配置在微电网中，但储能在提高微电网运营能力方面仍然起到重要作用。本章将介绍在微电网中实现高渗透和集成的集中种类储能的概述，研究不同储能技术的特点，分析各种储能在微电网中的作用。

1.1机械储能

机械储能按工作原理可以分为势能和动能两大类。其中势能类包括压缩气体储能、抽水蓄能，动能类典型的有飞轮储能。机械储能方法可以转换并储存来自水流、波浪、潮汐的能量，在需要时随时提供能量。

1.2飞轮储能

飞轮储能技术是一种机械储能方式。旨在有效地存储和释放能量以满足电力需求。其基本原理是通过高速旋转的飞轮将电能转化为机械能，实现能量的临时储存，以备系统在需要时快速释放。这项技术的起源可以追溯到20世纪50年代，当时人们提出利用飞轮进行能量存储，并在电动汽车领域进行了初步探索。然而，直到80年代，随着磁悬浮技术、高强度碳素纤维以及现代电力电子技术的进步，飞轮储能技术才

得以真正实现应用。

现代飞轮储能系统的核心组件通常包括一个巨大的可旋转圆柱体，它通过磁悬浮轴承系统支撑在定子上。当系统需要存储能量时，电动机启动并使飞轮快速旋转，将电能转化为机械能，从而实现能量的储存。而在电力需求增加或电网故障时，飞轮则通过驱动发电机将储存的机械能转换回电能，通过电力电子装置对输出电能进行调节，满足负载的要求。

通过减少摩擦造成的能量损失，可以提高飞轮储能的整体效率，而这可以通过在真空中旋转飞轮或使用磁性轴承来实现。飞轮储能设备可以在微电网中提供即时有功功率支持。它具有不直接排放温室气体、转换效率高、功率密度高、寿命长（一般为20年）等诸多优点。近年来飞轮储能设备也被广泛配置于各种电源。但飞轮储能仍存在一些缺点，例如由于摩擦和空气阻力而损失能量导致飞轮储能设备自放电率较高，每小时可达3%~20%，同时初始成本也较高。

1.3铅酸蓄电池储能

铅酸（PbA）电池是一种常见的电化学储能设备，广泛应用于汽车、不间断电源、各种储能系统中，可以说是目前应用广泛的储能系统。铅酸蓄电池由一组正极（阳极）和负极（阴极）以及中间的电解液组成。正极一般采用过氧化铅（PbO2），负极采用纯铅（Pb），电解液是稀硫酸溶液。铅酸蓄电池具有较好的稳定性，能够适用于瞬时大电流的需求，能够应用于汽车启动。同时还具有较低的制造成本，能够大规模生产。但传统的铅酸蓄电池电池循环寿命较短，需定期维护，并且电池成分中含有有害物质，须谨慎处理以防止造成环境污染。

1.4锂离子电池储能

锂离子电池是近年来兴起的新型高能量二次电池。广泛应用于各种移动设备、电动汽车和各种储能系统中。锂离子电池的工作原理是基于锂离子在正负极之间的移动。正极材料通常使用锂钴氧化物或锂铁磷酸盐等、负极材料通常使用石墨。其具有较高能量密度、轻量化、低自放电率、无污染的特点相较于铅酸蓄电池有更大优势。锂的快速反应性能和轻质的特性使其非常适合制造电池。但目前锂离子电池由于特殊包装和内部过充保护电路造成较高成本而无法大规模生产。物理损伤、电滥用（如短路和过充）以及暴露于高温下会导致热失控。这些安全问题和总体成本是阻碍锂离子电池在配电系统中广泛使用的两个主要因素。

2微电网的能量管理系统

与传统的配电系统相比，微电网关键的特点是其连接到配电系统后能够作为一个协调模块进行控制和运行。对微电网各组成部分进行监测和控制是保证微电网稳定运行的关键。对于直流微电网，输电电压需要进行控制，而对于交流微电网，输电频率和电压都需要控制。微电网的能量管理系统应具有一定的运行目标，例如，应遵循经济考虑，应保证计算机服务器和医疗设备等负载的不间断运行，断开和重新连接过程应无缝进行，微电网应能够在一般故障情况下通过黑启动。合适的微电网能量管理系统可以支持储能设备，以提高系统的可靠性和效率。将储能与适当的能量管理系统结合使用可以提供以下功能。

1）电能质量/可靠性的调节：储能设备可用于控制网络中供电的质量，并管理诸如电压不平衡、低功率因数、电压/频率发生偏移或供电不足等问题。

2）旋转备用：储能设备可以在电网全部断电的情况下提供备用电源。

3）能量转移：在供应过剩时期存储的能量可以转移到高需求和价格高的时期使用。

4）调峰：储能可用于在短期负载峰值期间向微电网供电，从而减少更高功率水平的峰值需求，降低传输基础设施的总体所需容量和峰值电费。

5）套利：在电价较低时储能，在电价较高时放电，是提高系统效率，优化经济效益的主要途径之一。

6）黑启动：意外事件可能导致整个系统或单个部分的供电中断。在这种情况下，储能可用于产生有功功率，用于激励配电线路或作为大型发电厂的启动电源。微电网所采用的控制策略直接影响到系统的经济可行性及其优布局和规模。微电网可以以两种模式运行：连接到主电网和孤立于主电网。当并网时，微电网可与主电网交换电力，保持电力稳定。而当处于孤岛模式时，没有与主电网的物理连接，需要储能来维持电力稳定。如上所述，微电网的能量管理系统的控制方法可以分为不同的类别，具有储能的微电网可以采用集中式、分散式控制模式运行。

3集中式控制

在集中式控制的结构中，微电网能量管理系统发挥着大限度地提高微电网的经济价值和优化其运营的重要作用。能量管理系统的控制器接收局部控制器的反馈，并发送微电网的所有控制信号。信号由局部控制器接收，它们控制直流微电网中的电压（或交流微电网中的电压和频率）并优化通过配电馈线的功率流。在并网模式下，局部控制器将服从控制器的命令，而在孤岛模式下，它们有完*的自主权来执行自己的行动。在这种控制方法中，分布式发电机组通常有一个所有者，他想要优化所有分布式发电机组的运行和经济标准。在这里，控制器的主要作用是根据业主或微电网管理人员预定义的规则，决定需要从主电网导入的电量，并优化非关键负载在关键条件下的功能。集中式控制的优点是分工明确，设备成本低，容易执行控制整个系统。但随着分布式电源增加，会对控制器的信息处理能力有较高要求，不容易拓展应用。

4分散式控制

与集中控制结构相比，分散控制模式的主要目标是大限度地生产电力，以满足负荷需求，储存、向公用电网输出多余的电力。在这种控制模式下，控制器在控制通信中并不起重要作用，而是像局部控制器、微源控制器这样的低层控制器在微电网的稳定运行中提供支持。所有微源控制器相互竞争，以当前市场价格为决定因素，通过管理运行和维护来满足需求并大限度地向电网出口，从而大化其产量。微源和负载的自主性可以使用智能方法来处理。当微源和微负载具有不同的所有者和不同的目标，且各单元控制器的动作具有一定程度的智能时，这种控制结构是好的。通过在系统中使用分散式控制，减少控制器计算负担，每个局部控制器负责管理相对较小的子系统，降低整个系统的复杂性。分散式控制模式使得分布式电源具有更高的灵活性。各个局部控制器可以更迅速地响应局部变化，适应不同的环境和工况。即使控制器发生故障，分散式控制使得各个局部控制器能够独立运行，从而保证整个系统的运行稳定性。这种冗余性有助于防止单点故障引起的系统崩溃。

5安科瑞Acrel-2000ES储能能量管理系统概述

5.1概述

安科瑞Acrel-2000ES储能能量管理系统，专门针对工商业储能柜、储能集装箱研发的一款储能EMS，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、防逆流等控制功能。

5.2系统结构

Acrel-2000ES，可通过直采或者通过通讯管理或串口服务器将储能柜或者储能集装箱内部的设备接入系统

5.3接入设备

Acrel-2000ES，具备多种接口，多种协议对接的能力，支持多种设备接入。

5.4系统功能

5.4.1实时监测

系统人机界面友好，能够显示储能柜的运行状态，实时监测 PCS、BMS 以及环境参数信息，如电参量、温度、湿度等。实时显示有关故障、告警、收益等信息。

5.4.2设备监控

系统能够实时监测 PCS、BMS、电表、空调、消防、除湿机等设备的运行状态及运行模式。

PCS 监控：满足储能变流器的参数与限值设置；运行模式设置；实现储能变流器交直流侧 电压、电流、功率及充放电量参数的采集与展示；实现 PCS 通讯状态、启停状态、开关状态、 异常告警等状态监测。

BMS 监控：满足电池管理系统的参数与限值设置；实现储能电池的电芯、电池簇的温度、

电压、电流的监测；实现电池充放电状态、电压、电流及温度异常状态的告警。

空调监控：满足环境温度的监测，可根据设置的阈值进行空调温度的联动调节，并实时监测空调的运行状态及温湿度数据，以曲线形式进行展示。

UPS 监控：满足 UPS 的运行状态及相关电参量监测。

5.4.3 曲线报表

系统能够对 PCS 充放电功率曲线、SOC 变换曲线、及电压、电流、温度等历史曲线的查询与展示。

5.4.4策略配置

满足储能系统设备参数的配置、电价参数与时段的设置、控制策略的选择。目前支持的控制策略包含计划曲线、削峰填谷、需量控制等。

5.4.5实时报警

储能能量管理系统具有实时告警功能，系统能够对储能充放电越限、温度越限、设备故障或通信故障等事件发出告警。

5.4.6事件查询统计

储能能量管理系统能够对遥信变位，温湿度、电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。

5.4.7遥控操作

可以通过每个设备下面的红色按钮对 PCS、风机、除湿机、空调控制器、照明等设备进行相应的控制，但是当设备未通信上时，控制按钮会显示无效状态。

5.4.8用户权限管理

储能能量管理系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控的操作，数据库修改等）。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。

5.4.9安科瑞配套产品

6 结语

本文研究了一种适用于电动公交车充电站的预制舱式储能系统。不同于传统的储能系统，本系统采用模块化设计思路，将主要设备集成在标准集装箱内，具有占地小、接线简单、便于运输及安装的特点，适用于布置紧凑、缺少大型生产综合用房的城市电动公交车充电站，具有较好的应用推广前景。除储能单元、变流单元等一次设备外，预制舱式储能系统同时集成了智能控制屏柜，对整体系统的运行环境、控制策略、安防等方面进行集中监控，保障了预制舱式储能系统安全高效运行。

参考文献

1. 王又佳，蒋雨哲.微电网中储能与能量管理系统应用

[2] 安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.5版.