淺談工商業用電能量管理儲能系統的設計和運用

更新時間：2025-03-18

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安科瑞陳聰

摘要：為提高電網運行的穩定性，面向工商業用電用戶，研究了一種儲能系統容量規劃方法。采用聚類分析方法對工商業用戶的用電特征進行辨識，根據儲能系統的供電模式構建儲能系統容量規劃的目標，并在主、備用電池容量規劃的約束條件下優化目標，根據計算的目標結果得到容量規劃方案。為檢測模型的容量規劃效果，根據某地工商業用戶群體的日負荷特征進行了仿真實驗，結果顯示，容量規劃后，實驗組峰谷之間的差值比對照組高31.93%，表明所設計的儲能系統容量規劃方法優化程度更顯著，提高了儲存電能的利用效率以及工商業用戶的用電經濟性。

關鍵詞：工商業用電；用電管理；能量儲存；儲能系統；儲能系統容量規劃；容量配置

0.引言

經濟不斷發展與進步，使我國進入了數字化時代，許多行業順應時代發展，進行了智能化的變革與更新。我國電力系統的發電也應用了智能化信息技術，不同地區的電網集團智能化收集到了不同的用電信息，并對其進行相應的管理。由于不同用電區域或團體都有各自的用電特征需求，為了進一步分析和管理相應區域的用電情況，面向不同的團體設立了其相對應的電能量儲能系統[4]。但由于目前對不同區域用電數據信息的分析能力不夠具體和完善，不能準確進行儲能系統的容量規劃配置，不利于電量的按需分配和節約環保性。基于以上背景，本文研究了一種面向工商業用電能量管理的儲能系統容量規劃分配方法，優化電力能量的調控與分配，希望可以提高電力分配的按需分配性以及用戶用電的經濟性，優化電網運行效率，提升電力行業長期發展的穩定性，實現其經濟效益與社會效益。

工商業用電儲能特征辨識

電能量供應與需求的平衡可以實現能量資源轉化的目標。需求響應是我國現階段電力運行中非常重要的一種電力配置方法。對于電能管理的大容量儲能系統，一般采用抽水蓄能、電池儲能、壓縮空氣法儲能等方法。在面向工商業用戶的電能管理下，根據便捷性、容量易調節性、不限制區域等優點，選擇一種基于電池的儲能系統進行容量規劃的研究。

采用聚類分析方法，對工商業用戶的用電特征進行辨識。可以針對不同的用電特征、工商用戶的負荷模式進行劃分，為儲能系統的容量規劃提供基礎參考。基于Calinski-Harabasz中的有效性指標進行聚類劃分。

儲能系統的主要功能包括：能量管理，將用電信息通過儲能裝置的電化學儲能技術與電網連接，提供功率調節和保護功能，儲能裝置可通過數據通信技術與電網進行實時信息交換，并可根據電網的負荷變化情況實時調節運行模式、優化運行策略；以電力電子技術為核心的儲能技術應用，可實現功率實時監測和能量調度；儲能裝置在關鍵時刻可以根據實際情況對電網電壓、電流以及用電負荷等進行實時調整。該儲能系統設計中選擇了基于Solaris技術和國際電工委員會（InternationalElectricalCommission，IEC）標準、RS485總線進行通信接口與不間斷電源（UninterruptiblePowerSupply，UPS）總線以及近場通信（NearFieldCommunication，NFC）技術進行通信連接，對電網接入功率進行優化調整，控制UPS功率實現實時、靈活調控。儲能電站控制模塊使用單片機為系統提供電力交易控制功能，可為電站提供電力交易指令、智能電力交易控制命令、綜合電氣控制命令等服務，實現對電網電源進行實時調節。儲能電站運行參數根據電網負荷進行實時優化調整，控制儲能系統能量達到使用效果，提高用戶用電效率和安全水平。

2.儲能系統容量規劃構建

2.1目標確定

本文根據工商業用戶電力儲能系統的供電方式，研究電力儲能系統的規劃方法，供電方式示意如圖1所示。在實際的用電負荷規劃中，備用電池可以解決規劃模型中用電負荷的不確定性問題，因此現基于備用電池研究儲能系統的容量規劃方案。

圖1工商業用戶電力儲能系統供電方式

電池為系統中提供儲能服務的主要來源，電池模塊和充放電控制器與逆變器連接，將蓄電池組所產生的電能通過逆變裝置轉換為電力，并通過蓄電池向電網提供給用戶。電池的能量越大，其能量密度或功率密度就越高，電池的技術要求也就越高。本系統電池采用方形電池組，其外殼使用的是環保材料并具有良好的耐腐蝕性，使電池組具有更高的安全性。

儲能應用能夠滿足快速響應市場變化的要求，在大范圍電網出現故障時，可以立即起到穩定電力系統的作用，為用戶提供更多的靈活性與便利性，并在電網出現故障時為設備提供更多的電源。儲能電站能使用戶快速響應市場信號以維持電網穩定，電力系統和電網之間的相互聯系更加緊密。儲能電站通過使用“電池—儲能—充放電”循環機制實現“電—儲—用”一體化運行。電池經過一系列復雜處理后被儲存起來或充電，從而實現快速響應市場信號和電網穩定工作。

2.2儲能優化

用戶用電數據采集后，通過數據分析軟件對用戶的用電行為進行實時分析，通過對用戶用電數據進行統計分析，將電網與用戶進行交互，了解用戶在用電方面是否存在違規用電、電表使用狀態與計量不準確、功率不匹配等問題。將用戶端的用電數據進行智能分析，對用戶在用電方面存在的問題進行預警提示。

儲能系統充放電是一個長期的運行狀態，因此會出現電池的老化情況，在電池不斷老化的過程中，電池的可用容量會逐漸降低，使設計的電池容量值與實際容量不同，造成規劃不準確的情況。因此，需要將電池老化的相關特征加入電池規劃的約束條件中。

儲能電站能提供給客戶的另外一項重要功能是利用其*特的管理功能，為用戶提供智能管理，幫助客戶在緊急情況下做出正確的決策，同時也可以減少因電網系統發生故障而造成的經濟損失。由于電網的運行特點，儲能電站的調峰和調頻能力比其他方式更加突出。隨著電源結構復雜化和分布式電源規模增加，其調峰能力可能會逐步增加。

3.實驗與檢測

為檢測本文設計面向工商業用電能量管理的儲能系統容量規劃的應用效果，對某城市的工商業用戶進行儲能系統容量規劃仿真試驗。繪制該地區工商業用戶24h的負荷預測曲線，如圖2所示。

基于圖2所示的負荷曲線，現調查相關用戶對應儲能系統的具體參數，如表1所示。

系統根據每路電流信號計算出每路需要補償的量來計算出每個電池的容量，以達到利用每個電池的目的。采用具有更高精度的電流傳感器來檢測每路的電流數據，在進行電流補償時采用3階自適應濾波算法。多路電流信號通過通信接口進行發送傳輸，數據傳輸速率為100Mb/s。采用多路信號同時傳送給控制器并進行實時計算輸出，可大大減少通信量并且提高系統響應速度。

系統采用2級控制體系實現各環節參數整定，其中主控制系統由主控制器完成各傳感器信號的采集與存儲；而各個傳感器作為采樣單元負責測量數據并輸出給各個控制器。對電池的充電容量、放電深度、放電次數進行了分析，在此基礎上提出了一種基于狀態觀測器的電流補償方法，并應用了功率跟蹤算法對蓄電池進行充電和放電管理。將各蓄電池的輸出功率與其初始值進行對比，并以此作為判定的基礎。利用多組不同的電流傳感器對各電池的運行狀況和各電池的溫度進行實時監控，實時分析充電容量、放電深度、放電次數，從而達到對電池進行智能充放電的控制。

利用硬件在環仿真模擬了各種電流傳感器及不同容量的電池性能。（1）采用高精度、高分辨率的傳感器和采集器，保證采集數據的準確性和完整性；（2）數據采集設備主要包括無線通信模塊，可實現數據的上傳、下載功能，與上位機通信；（3）數據采集終端設計。本設計中采用2種類型的數據采集終端，一是基于Modbus遠程終端單元（RemoteTerminalUnit，RTU）的無線通信模塊；二是基于無線控制單元或智能手機端的無線通信器。

采用先進的智能控制技術可實現對蓄電池的實時監控與自動充放電，具有安全可靠、經濟環保、效率高、等優點，是解決新能源并網中的不穩定因素的理想方式。本文利用智能手機與儲能系統相連，對蓄電池實現實時監控；通過數據分析將實時監控到的數據自動上傳至云服務器進行分析。

目前，該項目已經成功應用于某鋼鐵企業，儲能系統可以有效提升該系統的運行效率、提高用電設備的運行可靠性和電能質量改善能力，實現儲能系統和負荷設備之間的協調控制，使能源綜合利用更加便捷，還有效降低了用戶成本，減少了資源浪費及環境污染，同時也為企業提供了更多、更有效的用電服務。

Acrel-2000ES儲能柜能量管理系統

4.1系統概述

安科瑞儲能能量管理系統Acrel-2000ES，專門針對工商業儲能柜、儲能集裝箱研發的一款儲能EMS，具有完善的儲能監控與管理功能,涵蓋了儲能系統設備(PCS、BMS、電表、消防、空調等)的詳細信息,實現了數據采集、數據處理、數據存儲、數據查詢與分析、可視化監控、報警管理、統計報表等功能。在應用上支持能量調度,具備計劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。

4.2系統結構

Acrel-2000ES，可通過直采或者通過通訊管理或串口服務器將儲能柜或者儲能集裝箱內部的設備接入系統。系統結構如下：4.3系統功能