虛擬電廠中儲能技術(shù)的應(yīng)用

【摘要】虛擬電廠利用*進(jìn)的通信技術(shù)，將分布式電源、儲能裝置和可控負(fù)荷等資源廣泛連接，并采用特定的控制策略進(jìn)行資源的協(xié)同聚合和智能管理，從而具備與電網(wǎng)能量互動的能力。在虛擬電廠的運(yùn)作中，儲能設(shè)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(fù)荷的需求響應(yīng)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(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。本文針對虛擬電廠中儲能技術(shù)的應(yīng)用展開研究，對虛擬電廠中儲能技術(shù)發(fā)展、清潔能源的大規(guī)模應(yīng)用進(jìn)行了展望。

0.引言

在當(dāng)今社會的迅猛發(fā)展下，我們不可避免地面臨與日俱增的能源需求、嚴(yán)重的環(huán)境污染問題以及日益緊缺的自然資源帶來的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)需要我們尋找創(chuàng)新的解決方案，以確保社會的可持續(xù)發(fā)展。近年來，可再生能源成為了一個備受關(guān)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(fēng)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(chǎn)帶來的環(huán)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(tǒng)的挑戰(zhàn)之一。在這個背景下，虛擬電廠的概念應(yīng)運(yùn)而生。

虛擬電廠是一種*進(jìn)的電力系統(tǒng)管理方法，它可以協(xié)調(diào)控制分布式電源（如太陽能電池和風(fēng)力發(fā)電機(jī)等），并有效地管理能量流向，以支持電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。虛擬電廠的關(guān)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(bǔ)可再生能源的波動性。這不僅可以提高電力系統(tǒng)的可靠性，還可以降低對傳統(tǒng)發(fā)電方式的依賴，減少環(huán)境污染。此外，儲能裝置還可以提高電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)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(chuàng)新性的電力管理概念，它在分布式電力管理系統(tǒng)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(xiàn)對電網(wǎng)運(yùn)行和調(diào)度產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，特別是在智能電網(wǎng)和分布式電網(wǎng)的應(yīng)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(fēng)能、小型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)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(shè)備等），有效地匯聚成一個統(tǒng)一的實體。這個實體可以像傳統(tǒng)發(fā)電廠一樣，直接參與電網(wǎng)的運(yùn)行和調(diào)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(fèi)，降低電網(wǎng)的負(fù)荷壓力，提高電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性。

此外，虛擬電廠的出現(xiàn)也有助于解決智能電網(wǎng)和分布式電網(wǎng)之間的應(yīng)用沖突。智能電網(wǎng)強(qiáng)調(diào)了數(shù)據(jù)分析和遠(yuǎn)程控制，以提高電網(wǎng)的效率和可管理性；而分布式電網(wǎng)更強(qiáng)調(diào)本地化能源生產(chǎn)和消費(fèi)，希望減少電力輸送損耗和提高電網(wǎng)的彈性。虛擬電廠的構(gòu)成模式具體如圖1所示。

2.儲能技術(shù)

2.1儲能技術(shù)的內(nèi)涵

電能儲存是儲能技術(shù)的核心概念，它使得能量可以在不同時刻之間進(jìn)行轉(zhuǎn)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(zhì)或特定設(shè)備實現(xiàn)。儲能介質(zhì)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(zhì)都有其特性和適用場景。設(shè)備則包括能夠?qū)⒛芰績Υ婧歪尫诺募夹g(shù)，如充電/放電系統(tǒng)、逆變器和控制系統(tǒng)等。

這種能量存儲的靈活性使得儲能技術(shù)在多個領(lǐng)域中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。首先，儲存的能量可以作為應(yīng)急能源，以滿足突發(fā)事件或電力中斷時的能源需求。這對于維護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行、醫(yī)療設(shè)備供電以及保障公共安全至關(guān)重要。此外，儲能技術(shù)還可以用來支持電網(wǎng)運(yùn)行。電網(wǎng)負(fù)荷通常會出現(xiàn)波動，而儲能系統(tǒng)可以在負(fù)荷較低時存儲多余的能量，然后在高負(fù)荷時釋放，以平衡電力供需，減輕電網(wǎng)波動。這一過程有時被稱為"削峰填谷"，它有助于提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時也促進(jìn)可再生能源的大規(guī)模集成。

2.2儲能技術(shù)的應(yīng)用方向

（1）電化學(xué)儲能

電化學(xué)儲能技術(shù)在當(dāng)今電力領(lǐng)域具備顯著的優(yōu)勢，這些優(yōu)勢包括其廣泛的適用性、*效的能量轉(zhuǎn)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(xué)儲能技術(shù)的特點(diǎn)使其在電力系統(tǒng)中扮演著重要的角色，并且在多個領(lǐng)域都表現(xiàn)出*越的性能。首先，電化學(xué)儲能技術(shù)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(yè)還是工業(yè)應(yīng)用，電化學(xué)儲能系統(tǒng)都可以根據(jù)需求進(jìn)行定制和擴(kuò)展，這種靈活性使得儲能技術(shù)能夠在不同場景中提供可靠的能源支持。其次，電化學(xué)儲能技術(shù)以其*效的能量轉(zhuǎn)化效率而聞名，當(dāng)電能儲存在儲能系統(tǒng)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(xué)儲能技術(shù)具有*越的使用壽命，這些系統(tǒng)通常能夠持續(xù)數(shù)年甚至更長時間的運(yùn)行，而且其性能不會明顯下降。此外，電化學(xué)儲能技術(shù)在充放電方面表現(xiàn)*色，可以迅速響應(yīng)電力需求的變化，無論是快速放電以提供輔助服務(wù)，還是緩慢充電以儲存電能供日后使用。

（2）機(jī)械儲能

機(jī)械儲能是一項關(guān)鍵的電力儲能技術(shù)，旨在將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，以便在需要時將其重新轉(zhuǎn)化為電能。其中一種主要的機(jī)械儲能技術(shù)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(zhuǎn)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(xiàn)。這個過程類似于充電的過程，其中下水庫充當(dāng)電池，而地上水庫則充當(dāng)能量存儲器。當(dāng)電力資源供過于求時，通過電能轉(zhuǎn)化為機(jī)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(dāng)電力資源需求增加時，可以釋放存儲的水，通過水力發(fā)電的方式將勢能轉(zhuǎn)化為電能，滿足電力負(fù)荷的需求。

抽水蓄被認(rèn)為是電力資源轉(zhuǎn)換和電力發(fā)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(yīng)用。然而，抽水蓄能也存在一些挑戰(zhàn)和限制，其中之一是廠址選擇的復(fù)雜性。此外，建設(shè)一個抽水蓄能系統(tǒng)通常需要相當(dāng)大的投資，涉及到水庫建設(shè)、水泵和發(fā)電機(jī)等設(shè)備的購置，這可能對財政構(gòu)成一定壓力。施工工期也相對較長，需要耐心等待系統(tǒng)的建成和投入運(yùn)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(dǎo)磁儲能和*級電容器儲能。這些技術(shù)在能源儲存和轉(zhuǎn)換方面都具有巨大的潛力，可以在許多應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

超導(dǎo)磁儲能利用超導(dǎo)材料制作超導(dǎo)線圈，通過將電能轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶拍軄韺崿F(xiàn)能量的存儲。這個過程具有許多優(yōu)勢。首先，超導(dǎo)線圈能夠快速反應(yīng)，這意味著它們可以在瞬間之間轉(zhuǎn)換能量狀態(tài)。其次，超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)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(nèi)釋放出來。此外，這種技術(shù)的能量消耗非常低，因此在儲能周期內(nèi)能夠*效地保留能量。*重要的是，超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)具有高充放電效率，這意味著在能量轉(zhuǎn)換過程中幾乎沒有能量損失，因此非常節(jié)能。

與超導(dǎo)磁儲能不同，*級電容器儲能是另一種重要的電磁儲能技術(shù)。它分為兩種類型：雙電層電容器儲能和*級電容器儲能。首先，它們都具備快速充放電反應(yīng)的特點(diǎn)，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(nèi)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(shù)非常安全穩(wěn)定，不容易發(fā)生過熱或其他危險情況。

3儲能技術(shù)在虛擬電廠中的應(yīng)用

3.1在儲能技術(shù)的作用下提高可再生能源利用率

儲能技術(shù)的應(yīng)用可以通過多種方式提高可再生能源的發(fā)電能力，它在虛擬電廠中的應(yīng)用為提高可再生資源的利用率提供了強(qiáng)大的支持。在虛擬電廠的運(yùn)營中，波動性和不確定性常常是一個挑戰(zhàn)。例如，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的能源產(chǎn)量會受到天氣條件、季節(jié)和時間的影響，導(dǎo)致能源生產(chǎn)的波動。此外，這些可再生能源的產(chǎn)量是隨機(jī)的，很難提前預(yù)測。而儲能技術(shù)可以充分發(fā)揮其作用來解決這些挑戰(zhàn)，實現(xiàn)能源系統(tǒng)的可持續(xù)性和穩(wěn)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(shè)備，我們可以有效地減少可再生能源發(fā)電帶來的波動性和不確定性的影響。當(dāng)風(fēng)力或光伏系統(tǒng)產(chǎn)生超出規(guī)定數(shù)值的電力時，多余的能量可以存儲在儲能設(shè)備中，從而不被浪費(fèi)；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?qū)е驴稍偕茉串a(chǎn)量過?；虿蛔愕臓顩r下，這種能源轉(zhuǎn)換和使用的靈活性仍然可以確保虛擬電廠的穩(wěn)定運(yùn)行。

此外，作為一項關(guān)鍵的能源創(chuàng)新，儲能技術(shù)還有助于解決可再生資源的不可預(yù)測性問題。通過監(jiān)測和管理儲能設(shè)備中的能量存儲，虛擬電廠操作人員可以更好地應(yīng)對可再生能源產(chǎn)量的變化。這種實時的響應(yīng)能力使虛擬電廠更加靈活，可以更好地適應(yīng)不斷變化的能源環(huán)境。

3.2在儲能技術(shù)的作用下提升虛擬電廠的電能質(zhì)量

在虛擬電廠運(yùn)行過程中常常會面臨一些電能質(zhì)量方面的挑戰(zhàn)，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(tǒng)的正常運(yùn)行，損害與系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)備和電能質(zhì)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(tǒng)，為了應(yīng)對這些諧波問題，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保和系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，儲能技術(shù)的應(yīng)用成為了一個關(guān)鍵的解決方案。儲能技術(shù)通常包括電池等設(shè)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(tǒng)中的一個關(guān)鍵組件，它能夠?qū)Υ娴碾娔苻D(zhuǎn)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(zhì)量。儲能技術(shù)可以通過逆變器輸出和諧波相反的電流來補(bǔ)償虛擬電廠中產(chǎn)生的諧波。當(dāng)虛擬電廠中的分布式能源資源產(chǎn)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(bǔ)償作用有助于提升電能質(zhì)量，確保系統(tǒng)中的電壓和電流波形是接近正弦的，減少了諧波對設(shè)備和系統(tǒng)的損害。

此外，儲能技術(shù)還可以在系統(tǒng)供給和負(fù)荷不平衡的情況下發(fā)揮重要作用。當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)電側(cè)的供給和負(fù)荷需求不平衡時，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)頻率偏差。此時儲能技術(shù)可以通過釋放或吸收電能來平衡頻率偏差，確保系統(tǒng)供電平衡，并降低偏差對系統(tǒng)的影響。這有助于維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，防止頻繁的停電或電力波動。

3.3在儲能技術(shù)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(fēng)能等）受外界環(huán)境因素的影響較大，因此其發(fā)電能力可能會受到天氣條件的限制。此外，電網(wǎng)故障也是一個不可避免的問題，可能導(dǎo)致電力供應(yīng)中斷，給用戶用電帶來不便。而儲能技術(shù)可以解決這些問題，確保虛擬電廠能夠為用戶提供持續(xù)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(shè)備起到了至關(guān)重要的作用。

當(dāng)可再生能源發(fā)電設(shè)備的力量為零或外界環(huán)境因素影響了其發(fā)電能力時，儲能技術(shù)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(fēng)力發(fā)電機(jī)因風(fēng)速不足而停止發(fā)電，用戶仍然可以依賴儲能系統(tǒng)獲得所需的電力。這種無縫切換和持續(xù)供電支持對于維持用戶的正常用電是至關(guān)重要的。此外，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，虛擬電廠可以通過儲能技術(shù)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(yè)和領(lǐng)域都具有重要意義，特別是對于關(guān)鍵設(shè)施和醫(yī)療機(jī)構(gòu)。

4.Acrel-2000ES儲能柜能量管理系統(tǒng)

4.1系統(tǒng)概述

安科瑞儲能能量管理系統(tǒng)Acrel-2000ES，專門針對工商業(yè)儲能柜、儲能集裝箱研發(fā)的一款儲能EMS，具有完善的儲能監(jiān)控與管理功能,涵蓋了儲能系統(tǒng)設(shè)備(PCS、BMS、電表、消防、空調(diào)等)的詳細(xì)信息,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報警管理、統(tǒng)計報表等功能。在*級應(yīng)用上支持能量調(diào)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(tǒng)結(jié)構(gòu)

Acrel-2000ES，可通過直采或者通過通訊管理或串口服務(wù)器將儲能柜或者儲能集裝箱內(nèi)部的設(shè)備接入系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：

4.3系統(tǒng)功能

4.3.1實時監(jiān)測

系統(tǒng)人機(jī)界面友好，能夠顯示儲能柜的運(yùn)行狀態(tài)，實時監(jiān)測PCS、BMS以及環(huán)境參數(shù)信息，如電參量、溫度、濕度等。實時顯示有關(guān)故障、告警、收益等信息。

4.3.2設(shè)備監(jiān)控

系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測PCS、BMS、電表、空調(diào)、消防、除濕機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行模式。

PCS監(jiān)控：滿足儲能變流器的參數(shù)與限值設(shè)置；運(yùn)行模式設(shè)置；實現(xiàn)儲能變流器交直流側(cè)電壓、電流、功率及充放電量參數(shù)的采集與展示；實現(xiàn)PCS通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開關(guān)狀態(tài)、異常告警等狀態(tài)監(jiān)測。

BMS監(jiān)控：滿足電池管理系統(tǒng)的參數(shù)與限值設(shè)置；實現(xiàn)儲能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監(jiān)測；實現(xiàn)電池充放電狀態(tài)、電壓、電流及溫度異常狀態(tài)的告警。

空調(diào)監(jiān)控：滿足環(huán)境溫度的監(jiān)測，可根據(jù)設(shè)置的閾值進(jìn)行空調(diào)溫度的聯(lián)動調(diào)節(jié)，并實時監(jiān)測空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)及溫濕度數(shù)據(jù)，以曲線形式進(jìn)行展示。

UPS監(jiān)控：滿足UPS的運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)電參量監(jiān)測。

4.3.3曲線報表

系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)備參數(shù)的配置、電價參數(shù)與時段的設(shè)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(tǒng)具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)δ艹浞烹娫较蕖囟仍较?、設(shè)備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

4.3.6事件查詢統(tǒng)計

儲能能量管理系統(tǒng)能夠?qū)b信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

4.3.7遙控操作

可以通過每個設(shè)備下面的紅色按鈕對PCS、風(fēng)機(jī)、除濕機(jī)、空調(diào)控制器、照明等設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制，但是當(dāng)設(shè)備未通信上時，控制按鈕會顯示無效狀態(tài)。

4.3.8用戶權(quán)限管理

儲能能量管理系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如遙控的操作，數(shù)據(jù)庫修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。

5.相關(guān)平臺部署硬件選型清單

6.結(jié)束語

綜上所述，可再生資源在電力系統(tǒng)中具有巨大的潛力，但要實現(xiàn)這一潛力，需要克服波動性和不確定性等挑戰(zhàn)。通過儲能技術(shù)的應(yīng)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(zhì)量。這些技術(shù)將有助于推動清潔能源的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)可持續(xù)能源發(fā)展。

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