【摘要】儲能技術(shù)已被認為是未來(lái)電力系統中的重要組成部分。它可以有效地消除電力峰谷差，實(shí)現需求側管理，不僅可以更有效地利用電力設備，降低供電成本，還可以促進(jìn)可再生能源的應用，也可作為提高系統運行穩定性、調整頻率、補償負荷波動(dòng)的一種手段。分析了儲能系統在不同電壓等級配電系統中的應用。在高壓配電系統中，抽水蓄能電站能有效地進(jìn)行峰谷調節，從而提高電力系統的運行效率。在中壓配電網(wǎng)中，儲能系統往往與DG一起應用，用于提高配電系統對DG的接納能力。在低壓配電系統中，儲能系統主要用于用戶(hù)側，成為電力系統進(jìn)行需求側管理（DemandSideManagement，DSM）和緊急備用的有效技術(shù)手段。另外在有效管理的情況下，電動(dòng)汽車(chē)的電池也可以參與電力系統的削峰填谷。

【關(guān)鍵詞】儲能；配電網(wǎng)；電壓等級；削峰

0.引言

電力的生產(chǎn)是一個(gè)連續的過(guò)程，其中發(fā)電、輸電、變電、配電和利用各個(gè)環(huán)節同時(shí)完成。因此，電力生產(chǎn)和消費在在任何時(shí)刻都始終保持平衡。但是大多數電力系統中負荷水平具有峰谷差，這就要求電力系統有足夠的備用容量，以滿(mǎn)足高峰負荷的需求。在一些負荷迅速增長(cháng)的和地區，電力系統新設施的建設速度難以滿(mǎn)足經(jīng)濟社會(huì )發(fā)展所帶來(lái)的新增負荷需求。近年來(lái)，儲能技術(shù)作為一種解決電能供需不平衡問(wèn)題的有效手段，受到電力行業(yè)的廣泛重視。電力系統系統中引入儲能環(huán)節后，可以有效地實(shí)現需求側管理，消除晝夜間峰谷差，平滑負荷，不僅可以更有效地利用電力設備，降低供電成本，還可以提高電力系統對分布式新能源的接納能力，也可作為提高系統運行穩定性、調整頻率、補償負荷波動(dòng)的一種手段。儲能技術(shù)的應用必將在傳統的電力系統設計、規劃、調度、控制等方面帶來(lái)重大變革。本文主要討論了儲能系統在不同電壓等級配電網(wǎng)中的應用問(wèn)題。在高壓配電系統中，儲能系統的應用可以減少系統對高峰負荷的備用容量，這樣可以節省相關(guān)的設備（如變壓器、線(xiàn)路等）投資。在中壓配電系統中，儲能系統的應用往往是與分布式發(fā)電

（DistributedGeneration，DG）配合使用，可通過(guò)其可控的充放電平抑DG出力的波動(dòng)性，同時(shí)也能提高電網(wǎng)調度的靈活性。在低壓配電系統中，儲能技術(shù)主要用于用戶(hù)側，成為電力系統進(jìn)行需求側管理（DemandSideManagement，DSM）、應急供電、提高電能質(zhì)量和供電可靠性的有效技術(shù)手段。另外，電動(dòng)車(chē)往往連接在低壓配電系統的用戶(hù)側，在有效管理的情況下，其電池也可以參與電力系統的削峰填谷。本文著(zhù)重介紹應用于配電系統的電力儲能技術(shù)的發(fā)展現狀，并基于我國電力系統的實(shí)際狀況和需求，從技術(shù)和經(jīng)濟的層面加以分析，探討儲能系統在不同電壓等級配電系統中的應用方向。

1.儲能技術(shù)的應用現狀

電能存儲技術(shù)對于電力安全、新能源的規?；瘧枚加兄?zhù)重要的意義。是改變傳統電網(wǎng)中功率剛性平衡性質(zhì)，提高電網(wǎng)柔性的革新性技術(shù)。電能存儲形式多樣，如電池類(lèi)的化學(xué)儲能、抽水、壓縮空氣、飛輪、電容、電感等物理儲能。抽水儲能適合用大容量、長(cháng)時(shí)間的儲能，一般用于大電網(wǎng)的負荷調節等。與微網(wǎng)相關(guān)的新型儲能技術(shù)應是小型、高效、控制靈活的儲能方式，現在正在迅速發(fā)展中的有各類(lèi)電池、飛輪、超級電容器、超導磁儲能等。

1. 抽水蓄能（PumpedHydroStorage）

抽水蓄能是在電力系統中得到為廣泛應用的一種儲能技術(shù)，其主要應用領(lǐng)域包括能量管理、頻率控制、調峰等。抽水蓄能電站在應用時(shí)配備上、下兩個(gè)水庫。在符合低谷時(shí)段，抽水蓄能設備工作在電動(dòng)機狀態(tài)，將下游水庫的水抽到上游水庫保存。在負荷高峰時(shí)期，抽水蓄能設備處于發(fā)電機狀態(tài)，利用儲存在上游水庫中的水發(fā)電。目前，共有超過(guò)90GW的抽水蓄能機組投入運行，約占全球總裝機容量的3%。限制抽水蓄能電站更廣泛應用的一個(gè)重要因素是其對地理條件有特殊要求，同時(shí)建設工期長(cháng)，工程投資大。

（2）鉛酸電池

鉛酸電池的正負電極為二氧化鉛和鉛，以硫酸為電解質(zhì)。鉛酸電池組具有吸附電解質(zhì)結構，工作時(shí)形成的氧能夠復合，并能在浮充（備用）和深循環(huán)應用下工作。鉛酸電池技術(shù)成熟，能實(shí)現規?；瘍δ?，是蓄電池儲能中應用廣泛的。不足之處儲能密度低，充放電速度慢，效率受周?chē)鷾囟鹊挠绊懕容^大，且鉛等有毒物質(zhì)具有一定的危險性。

（3）MH-Ni（MetalHydride－Nickel）電池

MH-Ni電池是一種堿性電池，其正極為鎳氫氧化物，負極為貯氫合金材料。充電時(shí)氫由正極到負極，放電時(shí)氫由負極到正極，電解液沒(méi)有增減現象，電池可實(shí)現密封設計。它儲能密度較高，它將在電動(dòng)機車(chē)領(lǐng)域擁有較大的應用空間。在電網(wǎng)應用上，與鉛酸電池相比除了體積小之外，沒(méi)有較為明顯的優(yōu)勢。

（4）全釩液流電池

與上述各種電池相比較，液流電池雖然儲能密度較低，但由于其儲能容量只取決于電解液容量和密度，因此配置上相當靈活，只需增加電解液容積和濃度即可增大儲能容量，并且可以進(jìn)行深度充放電。液流電池在成本上的優(yōu)勢也較為明顯，和鉛酸電池相比較，其能量效率可達75%～80%，性?xún)r(jià)比較高。全釩液流電池在規模儲能方面具有能量轉換效率高、蓄電容量大、運行安全和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，被稱(chēng)為“電銀行"。它可用于電網(wǎng)“銷(xiāo)峰填谷"的調節，降低發(fā)電成本、提高電能使用效率；用于太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源發(fā)電的儲存，解決它們發(fā)電不穩定、不連續而難以并網(wǎng)的問(wèn)題；還可以用于重要部門(mén)和設備充當備用電站。

（5）鈉硫電池

鈉硫電池于1966年由美國福特公司提出，早期應用于電動(dòng)汽車(chē)的配套研究。與鉛酸、鎳氫電池相比較，鈉硫電池的能量密度高，且沒(méi)有自放電現象，使其適合于布置在受場(chǎng)地限制的城市地區。鈉硫電池的運行壽命也比較長(cháng)，其充放電次數在理論上可達到2000次；充放電效率也較高，可達到90%以上。目前鈉硫電池的制備技術(shù)及其在電力儲能方面的應用已經(jīng)取得大量成果。截至2004年12月，大約已經(jīng)建造超過(guò)500kW的鈉硫電池儲能系統59個(gè)，總容量88MW，其中包括兩個(gè)額定容量達9.6MW，60MW·h的世界大的鈉硫電池系統。鈉硫電池的制造成本較高，這是限制其推廣應用的重要因素。

（6）飛輪儲能

大多數現代飛輪儲能系統都是由一個(gè)圓柱形旋轉質(zhì)量塊和通過(guò)磁懸浮軸承支撐的機構組成。采用磁懸浮軸承的目的是消除摩擦損耗，提高系統的壽命。為了保證足夠高的儲能效率，飛輪系統應該運行于真空度較高的環(huán)境中，以減少風(fēng)阻損耗。飛輪與電動(dòng)機或者發(fā)電機相連，通過(guò)某種形式的電力電子裝置，可進(jìn)行飛輪轉速的調節，實(shí)現儲能裝置與電網(wǎng)之間的功率交換。飛輪儲能的突出優(yōu)點(diǎn)是幾乎不需要運行維護，設備壽命長(cháng)（可完成20a或者數萬(wàn)次深度充放能量過(guò)程），對環(huán)境沒(méi)有不良的影響。飛輪具有優(yōu)秀的循環(huán)使用以及負荷跟蹤性能，它可以用于那些在時(shí)間和容量方面介于短時(shí)儲能應用和長(cháng)時(shí)間儲能應用之間的應用場(chǎng)合。

（7）導磁儲能

超導磁儲能（SuperconductiveMagneticEnergyStorage，SMES）由于具有快速電磁響應特性和很高的儲能效率（充/放電效率超過(guò)95%），很快吸引了電力工業(yè)的注意。SMES在電力系統中的應用包括：負荷均衡、動(dòng)態(tài)穩定、暫態(tài)穩定、電壓穩定、頻率調整、輸電能力提高以及電能質(zhì)量改善等方面。和其他的儲能技術(shù)相比，目前SMES仍很昂貴，除了超導體本身的費用外，維持低溫所需要的費用也相當可觀(guān)。如果將SMES線(xiàn)圈與有的柔性交流輸電裝置（FACTS）相結合，可以降低變流單元的費用，這部分費用一般在整個(gè)SMES成本中占大份額。已有的研究結果表明，對輸配電應用而言，微型（<0.1MW·h）和中型（0.1～100.0MW·h）SMES系統可能更為經(jīng)濟。使用高溫超導體可以降低儲能系統對于低溫和制冷條件的要求，從而使SMES的成本進(jìn)一步降低。目前，在世界范圍內有許多SMES工程正在進(jìn)行或者處于研制階段。

（8）超級電容器儲能

超級電容器使用碳或其他高表面積密度材質(zhì)為導體，電極間的距離非常小，可儲存較高的電能。它是介于傳統電容器和電池之間的一種儲能元件，一般應用于高功率短時(shí)間放電的儲能系統。充放電速度遠快于傳統的化學(xué)電池。另外，它幾乎沒(méi)有充放電次數以及大放電量的限制，平均壽命可高達25年以上。目前，超級電容大多用于高峰值功率、低容量的場(chǎng)合?？梢栽陔妷旱浜退矐B(tài)干擾期間提高供電水平。

（9）壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能常用于調峰用燃氣輪機發(fā)電廠(chǎng)，對于同樣的電力輸出，采用CAES的機組所消耗的燃氣要比常規燃氣輪機少40%。這是因為，常規燃氣輪機在發(fā)電時(shí)大約需要消耗輸入燃料的2/3進(jìn)行空氣壓縮，而CAES則可利用電網(wǎng)負荷低谷時(shí)的廉價(jià)電能預先壓縮空氣，然后根據需要釋放儲存的能量加上一些燃氣進(jìn)行發(fā)電。壓縮空氣常常儲存在合適的地下礦井或者溶巖下的洞穴中。一個(gè)投入商業(yè)運行的CAES是1978年建于德國Hundorf的一臺290MW機組。目前美國GE公司正在開(kāi)發(fā)容量為829MW的更為的壓縮空氣儲能電站，此外，俄、法、意、盧森堡、以色列等國也在積極開(kāi)發(fā)和建設這種電站。

（10）制氫儲能

由于氫氣具有很高的熱值，1m3氫的使用效果相當于1L汽油，而我國具有很豐富的資源。制氫儲能是指利用多余的電能來(lái)制取氫氣作為能源。目前主要的制氫方式有如下幾種：1）從含烴的化石燃料中制氫；2）電解水制氫；3）生物制氫。氫氣的存儲技術(shù)主要是加壓壓縮儲氫技術(shù)、液化儲氫技術(shù)、金屬氧化物儲氫技術(shù)和有機化合物儲氫激技術(shù)。作為生活用氫，經(jīng)濟效益十分可觀(guān)。關(guān)于制氫國內開(kāi)展的比較多的主要是太陽(yáng)能光伏制氫儲能與燃料電池相結合，當日照情況良好時(shí)，通過(guò)電解水制氫將多余的電能儲存起來(lái)；在陽(yáng)光條件下不能使光伏發(fā)電系統正常工作時(shí)，將儲存的氫通過(guò)燃料電池轉換為電能，繼續向負載送電，從而保證了系統供電的連續性。

2.不同電壓等級配電網(wǎng)中儲能系統的應用

在配電網(wǎng)規劃規劃階段，儲能系統的配置策略應與電壓等級一起考慮。

2.1高壓配電系統中的儲能

在高壓配電系統中，儲能系統主要用于削峰填谷。儲能系統的容量和安裝位置，應根據負荷特征和優(yōu)化目標進(jìn)行優(yōu)化計算。圖1給出了一條典型的負荷持續時(shí)間曲線(xiàn)。在這條曲線(xiàn)中，5%的時(shí)間里負荷水平比平均負荷水平（負荷峰值的56%）高。為了保障電力系統的安運行和用戶(hù)的供電可靠性，電力系統應提供足夠的備用容量，以滿(mǎn)足持續時(shí)間不超過(guò)5%的高峰負荷的供電需求。在這種情況下，為了滿(mǎn)足高峰負荷需求的備用容量將大大降低電力系統的運行效率，導致高投資和資源浪費。如果在高壓配電系統采用儲能裝置，可以有效地減少所需的系統備用容量，節省電力設備投資。但另一方面，儲能裝置用于電力調峰，需要裝置較大容量的儲能容量，顯然，容量越大，其制造和控制就越困難。目前儲能系統的造價(jià)仍較高，其投資有可能會(huì )超過(guò)了系統備用的投資。高壓配電網(wǎng)中儲能系統的容量配置應和采用系統備用的方法進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟比較，其過(guò)程如圖2所示。

2.2中壓配電系統中的儲能

在中壓配電系統中，儲能系統的應用往往是為了平抑間歇性DG的出力波動(dòng)和提高中壓配電網(wǎng)的能量調度能力，從而提高中壓配電網(wǎng)對DG的接納能力。對于風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等新能源DG，其出力受到自然條件的限制，呈現顯著(zhù)的間歇性特征。DG出力的波動(dòng)會(huì )導致配電網(wǎng)電能質(zhì)量的下降，特別當DG滲透率達到一定程度時(shí)，其對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響將不能忽略。應用儲能裝置是改善分布式發(fā)電輸出電壓和頻率質(zhì)量的有效途徑，同時(shí)增加了DG與電網(wǎng)并網(wǎng)運行時(shí)的可靠性。DG單元與儲能裝置的聯(lián)合運行與協(xié)調控制是解決諸如電壓跌落、涌流和瞬時(shí)供電中斷等動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題的有效手段之一。儲能系統使得不可調度的DG發(fā)電單元能夠作為可調度機組單元運行，實(shí)現與大電網(wǎng)的并網(wǎng)運行，在必要時(shí)向電力公司賣(mài)電，提供削峰、緊急功率支持等服務(wù)。例如太陽(yáng)能、風(fēng)力等間歇性DG，DG單元擁有者不能制定發(fā)電計劃，但有了儲能系統，他們就可以在特定的時(shí)間提供所需的電能，而不必考慮此事DG單元能夠發(fā)出多少電能，通過(guò)儲能的調節作用就可按照預先制定的各種不同發(fā)電規劃進(jìn)行發(fā)電。此時(shí)儲能的量配置涉及到經(jīng)濟平衡問(wèn)題：儲能的容量越大，系統調度的靈活性就越高，DG單元擁有者就可以獲取更多的經(jīng)濟利益；但儲能容量越大，其投資也越大。通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟分析，在兩者之間找到佳經(jīng)濟平衡點(diǎn)。

2.3低壓配電系統中的儲能

在低電壓配電系統中，儲能系統主要用于用戶(hù)側，成為電力系統進(jìn)行需求側管理的有效技術(shù)手段，例如微網(wǎng)中的電池系統。低壓配電系統中的儲能系統還能用作緊急電源、提高電能質(zhì)量和供電可靠性。另外，電動(dòng)車(chē)往往接于用戶(hù)側，在有效管理的情況下，其電池也可以參與電力系統的削峰填谷。

（1）需求側管理

電力系統的需求側管理會(huì )采用合適的手段引導終用戶(hù)改變能源使用模式。儲能作為一種能量存儲設備，改變了用電需求和發(fā)電的同時(shí)性要求，成為輔助需求側管理的有效技術(shù)手段。另一方面，需求側管理也可降低用于改善電能質(zhì)量所需的儲能系統容量。

（2）緊急備用

緊急備用的典型應用是不間斷電源。當電網(wǎng)發(fā)生故障且分布式發(fā)電裝置不能正常供電時(shí)（例如，利用太陽(yáng)能發(fā)電的夜間，風(fēng)力發(fā)電在無(wú)風(fēng)時(shí)，或者其他類(lèi)型DG處于檢修期間等），儲能系統可作為向用戶(hù)提供電力。儲能系統的容量配置主要取決于負荷的需求?？紤]到儲能系統的造價(jià)目前尚較高，作為應急電源的儲能系統主要配置于一些重要用戶(hù)（如醫院、數據等）

（3）提高電能質(zhì)量

將儲能系統用于用戶(hù)側，可以提高電能質(zhì)量，增強系統的供電可靠性。從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，現在已經(jīng)可以利用儲能裝置為用戶(hù)（家庭用戶(hù)、商業(yè)或工業(yè)用戶(hù)）提供不簡(jiǎn)短的高質(zhì)量供電電源，而且可以讓用戶(hù)自主選擇合適通過(guò)配電回路從電網(wǎng)獲取電能或向電網(wǎng)回饋電能。

（4）電動(dòng)汽車(chē)

電池電動(dòng)汽車(chē)（BatteryElectricalVehicle）中的電池采用電網(wǎng)進(jìn)行充電，對電網(wǎng)而言就是一種電能存儲系統。智能電動(dòng)汽車(chē)充放電管理系統有實(shí)現對電動(dòng)汽車(chē)的有序充放電，從而充分利用儲能系統的削峰填谷能力。例如，在風(fēng)力或太陽(yáng)能DG發(fā)電高峰時(shí)期，可對電動(dòng)汽車(chē)的電池進(jìn)行充電，從而吸納多余的風(fēng)電電能。在風(fēng)力或太陽(yáng)能DG發(fā)電低谷且負荷用電高峰時(shí)期，應避免電動(dòng)汽車(chē)充電，通過(guò)電價(jià)等措施引導電動(dòng)汽車(chē)的充電延遲到稍后非負荷高峰時(shí)期。電動(dòng)汽車(chē)回饋電網(wǎng)（VehicletoGrid，V2G）模式允許電動(dòng)車(chē)的電池向電網(wǎng)回饋電能。這種模式大大增加了電力系統運行的靈活性和可調度性。

3.Acrel-2000ES儲能柜能量管理系統

3.1系統概述

安科瑞儲能能量管理系統Acrel-2000ES，專(zhuān)門(mén)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(shí)現了數據采集、數據處理、數據存儲、數據查詢(xún)與分析、可視化監控、報警管理、統計報表等功能。在高級應用上支持能量調度,具備計劃曲線(xiàn)、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。

3.2系統結構

Acrel-2000ES，可通過(guò)直采或者通過(guò)通訊管理或串口服務(wù)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：

3.3系統功能

3.3.1實(shí)時(shí)監測

系統人機界面友好，能夠顯示儲能柜的運行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監測PCS、BMS以及環(huán)境參數信息，如電參量、溫度、濕度等。實(shí)時(shí)顯示有關(guān)故障、告警、收益等信息。

3.3.2設備監控

系統能夠實(shí)時(shí)監測PCS、BMS、電表、空調、消防、除濕機等設備的運行狀態(tài)及運行模式。

PCS監控：滿(mǎn)足儲能變流器的參數與限值設置；運行模式設置；實(shí)現儲能變流器交直流側電壓、電流、功率及充放電量參數的采集與展示；實(shí)現PCS通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、異常告警等狀態(tài)監測。

BMS監控：滿(mǎn)足電池管理系統的參數與限值設置；實(shí)現儲能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監測；實(shí)現電池充放電狀態(tài)、電壓、電流及溫度異常狀態(tài)的告警。

空調監控：滿(mǎn)足環(huán)境溫度的監測，可根據設置的閾值進(jìn)行空調溫度的聯(lián)動(dòng)調節，并實(shí)時(shí)監測空調的運行狀態(tài)及溫濕度數據，以曲線(xiàn)形式進(jìn)行展示。

UPS監控：滿(mǎn)足UPS的運行狀態(tài)及相關(guān)電參量監測。

3.3.3曲線(xiàn)報表

系統能夠對PCS充放電功率曲線(xiàn)、SOC變換曲線(xiàn)、及電壓、電流、溫度等歷史曲線(xiàn)的查詢(xún)與展示。

3.3.4策略配置

滿(mǎn)足儲能系統設備參數的配置、電價(jià)參數與時(shí)段的設置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計劃曲線(xiàn)、削峰填谷、需量控制等。

3.3.5實(shí)時(shí)報警

儲能能量管理系統具有實(shí)時(shí)告警功能，系統能夠對儲能充放電越限、溫度越限、設備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

3.3.6事件查詢(xún)統計

儲能能量管理系統能夠對遙信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶(hù)對系統事件和報警進(jìn)行歷史追溯，查詢(xún)統計、事故分析。

3.3.7遙控操作

可以通過(guò)每個(gè)設備下面的紅色按鈕對PCS、風(fēng)機、除濕機、空調控制器、照明等設備進(jìn)行相應的控制，但是當設備未通信上時(shí)，控制按鈕會(huì )顯示無(wú)效狀態(tài)。

3.3.8用戶(hù)權限管理

儲能能量管理系統為保障系統安全穩定運行，設置了用戶(hù)權限管理功能。通過(guò)用戶(hù)權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作（如遙控的操作，數據庫修改等）?？梢远x不同級別用戶(hù)的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

4.相關(guān)平臺部署硬件選型清單

5.結束語(yǔ)

本文分析了儲能系統在不同電壓等級配電系統中的應用。在未來(lái)配電系統的規劃中，應考慮儲能系統對負荷特性、DG 滲透率、需求側管理等各方面的影響。在高壓配電系統中，抽水蓄能電站能有效地進(jìn)行峰谷調節，從而提高電力系統的運行效率。在中壓配電網(wǎng)中，儲能系統往往與 DG 一起應用，用于提高配電系統對 DG 的接納能力。在低壓配電系統中，儲能系統主要用于用戶(hù)側，成為電力系統進(jìn)行需求側管理和緊急備用的有效技術(shù)手段。另外在有效管理的情況下，電動(dòng)汽車(chē)的電池也可以參與電力系統的削峰填谷。

參考文獻

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