论基于虚拟电厂的储能电站设计研究

摘要：随着能源危机和环境问题凸显，我国积极推进能源结构转型与新型电力系统构建。虚拟电厂能整合调控分布式能源和可控负荷，是实现 “源 - 网 - 荷 - 储” 一体化及多能互补的关键手段，储能因其特性成为虚拟电厂重要组成部分，对新能源消纳等有积极意义。已有学者研究虚拟电厂运行机制和调度优化及储能容量配置优化。本文先介绍以集中型储能为主的虚拟电厂模型，包括结构和调度模型，再以实际工程为例研究其储能电站集成设计，为其他储能工程提供参考。

关键词：虚拟电厂；储能电站；集成设计

0引言

全球能源资源紧张与环境问题突出，各国寻求可持续能源发展道路。我国政策支持下，风电、光伏等清洁能源发展迅速，但其间歇性和波动性影响电网安全稳定运行，出现弃风弃光现象。虚拟电厂是推进可再生能源发展的重要举措，我国 “十四五” 规划指出要建立相关协调运营和利益共享机制，其可聚合多种分布式能源，通过控制策略实现协调优化运行，利于资源配置利用。能源局文件明确其并网主体地位，鼓励其参与电力辅助服务。储能因功率双向流动等特点，通过虚拟电厂优化配置和协同控制，可在系统多方面发挥作用，对支撑新型电力系统等有积极意义。已有学者对虚拟电厂运行机制等进行研究，本文针对以集中式储能为主体的虚拟电厂，分析其组成结构和调度模型，以实际工程为例研究集中式储能设计，以满足虚拟电厂运行要求，发挥其在保障供电、提升电网性能、促进新能源消纳等方面的作用。

1以集中式储能为主体的虚拟电厂模型

1.1虚拟电厂结构

虚拟电厂将分布式能源、可控负荷和储能设备结合，通过技术手段对区域内资源进行调控，可多点接入电网参与电力市场。以集中式储能电站为主体构建虚拟电厂，能发挥其宏观作用，辐射周边资源，提升运行模式的确定性等，实现对分散资源有效控制，兼顾电网运行与电力市场。

1.2虚拟电厂调度模型

虚拟电厂控制可接入多种资源参与电力交易市场。储能有两种运行模式：单独参与电网调度，调整充放电，参与调峰、调频、现货等市场；与分布式电源、负荷联合参与调度运行，通过控制策略协调功率流动，储能目标是弥补风光发电出力偏差，实现计划跟踪和削峰填谷等功能。

1.3以集中式储能为主体的虚拟电厂的作用

提升调峰能力，保障用电：社会用电需求增长，峰谷差增大，传统机组调峰能力有限，储能为主体的虚拟电厂可调节负荷和储能充放电，保障重要负荷供电，如平湖市和平广州市的案例。

提升调频能力，保障电网安全运行：新能源渗透率提高导致系统转动惯量和调频能力降低，传统调频电源有局限，储能系统响应快、调节速率高，可降低电网频率失稳风险，提供紧急调频支撑。

促进新能源消纳：新能源出力具有随机性，储能可结合预测进行充放，解决其波动性问题。某示范工程表明，风储系统在 VPP 模式下运行可提高经济收益，缓解并网问题。

提升电网运行灵活性：电力体制改革推进，电网向智能化和柔性化发展，储能电站运行灵活，可提供无功电压调节等，对优化电网结构等有重要作用。

2储能系统设计

2.1 储能技术路线选择

储能技术路线多样，适用于不同场景。以集中式储能为主体的虚拟电厂要求储能满足不同调节需求，从技术特性、经济性、安全性三个维度综合考虑，锂离子电池系统转换效率高、响应速度快、成本合理、安全风险可控制，符合虚拟电厂需求，可采用锂离子电池储能系统。

2.2 储能系统集成设计要点

交直流电压等级：储能电站集成方式有低压集成、高压集成和级联直挂。低压集成方案成熟度高、可靠性强，但能量密度与转换效率偏低；高压集成方案功率密度提升，占地少，成本降低，但一致性问题突出；级联高压直挂方案具备优势，但尚不具备规模化推广条件。综合考虑，高压集成在虚拟电厂集中式储能中有技术优势。

电池系统热管理方式：电池系统热管理技术通过设计调节电池温度等，冷却方式有风冷、液冷和相变材料冷却。风冷应用广泛但效率低、噪声大；液冷冷却效率高，能改善电池温度一致性，但成本高、功耗大；相变材料冷却处于实验室验证阶段。综合考虑，液冷方案在电池一致性等方面有优势，是储能未来发展趋势之一，具有一定技术优势。

厂站结构：电化学储能电站建设主要采用厂房式或预制舱式。厂房式建设周期长等问题应用减少，预制舱式分为步入式和非步入式。步入式预留人员通道，防水防腐性能好但能量密度低；非步入式人员在箱体外部维护，舱体密闭性不好，空间利用率降低。本项目集中式储能采用非步入式预制舱方案有优势。

小结：储能系统集成设计关乎安全稳定运行，虚拟电厂中的集中式储能具有特点，应根据项目情况对相关方面进行技术分析，综合考虑本项目条件，建议选择高压液冷系统非步入式预制舱集成。

3安科瑞Acrel-2000MG微电网能量管理系统

3.1概述

Acrel-2000MG储能能量管理系统是安科瑞专门针对工商业储能电站研制的本地化能量管理系统，可实现了储能电站的数据采集、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、策略管理、历史曲线等功能。其中策略管理，支持多种控制策略选择，包含计划曲线、削峰填谷、需量控制、防逆流等。该系统不仅可以实现下级各储能单元的统一监控和管理，还可以实现与上级调度系统和云平台的数据通讯与交互，既能接受上级调度指令，又可以满足远程监控与运维，确保储能系统安全、稳定、可靠、经济运行。

3.2应用场景

适用于工商业储能电站、新能源配储电站。

3.3系统结构

3.4系统功能

3.4.1实时监管

对微电网的运行进行实时监管，包含市电、光伏、风电、储能、充电桩及用电负荷，同时也包括收益数据、天气状况、节能减排等信息。

3.4.2优化控制

通过分析历史用电数据、天气条件对负荷进行功率预测，并结合分布式电源出力与储能状态，实现经济优化调度，以降低尖峰或者高峰时刻的用电量，降低企业综合用电成本。

3.4.3收益分析

用户可以查看光伏、储能、充电桩三部分的每天电量和收益数据，同时可以切换年报查看每个月的电量和收益。

3.4.4能源分析

通过分析光伏、风电、储能设备的发电效率、转化效率，用于评估设备性能与状态。

3.4.5策略配置

微电网配置主要对微电网系统组成、基础参数、运行策略及统计值进行设置。其中策略包含计划曲线、削峰填谷、需量控制、新能源消纳、逆功率控制等。

4硬件及其配套产品

序号	设备	型号	图片	说明
1	能量管理系统	Acrel-2000MG		内部设备的数据采集与监控，由通信管理机、工业平板电脑、串口服务器、遥信模块及相关通信辅件组成。 数据采集、上传及转发至服务器及协同控制装置 策略控制:计划曲线、需量控制、削峰填谷、备用电源等
2	显示器	25.1英寸液晶显示器		系统软件显示载体
3	UPS电源	UPS2000-A-2-KTTS		为监控主机提供后备电源
4	打印机	HP108AA4		用以打印操作记录，参数修改记录、参数越限、复限，系统事故，设备故障，保护运行等记录，以召唤打印为主要方式
5	音箱	R19U		播放报警事件信息
6	工业网络交换机	D-LINKDES-1016A16		提供16口百兆工业网络交换机解决了通信实时性、网络安全性、本质安全与安全防爆技术等技术问题
7	GPS时钟	ATS1200GB		利用gps同步卫星信号，接收1pps和串口时间信息，将本地的时钟和gps卫星上面的时间进行同步
8	交流计量电表	AMC96L-E4/KC		电力参数测量(如单相或者三相的电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率,频率、功率因数等)、复费率电能计量、 四象限电能计量、谐波分析以及电能监测和考核管理。多种外围接口功能:带有RS485/MODBUS-RTU协议:带开关量输入和继电器输出可实现断路器开关的"遜信“和“遥控”的功能
9	直流计量电表	PZ96L-DE		可测量直流系统中的电压、电流、功率、正向与反向电能。可带RS485通讯接口、模拟量数据转换、开关量输入/输出等功能
10	电能质量监测	APView500		实时监测电压偏差、频率俯差、三相电压不平衡、电压波动和闪变、诺波等电能质量，记录各类电能质量事件,定位扰动源。
11	防孤岛装置	AM5SE-IS		防孤岛保护装置，当外部电网停电后断开和电网连接
12	箱变测控装置	AM6-PWC		置针对光伏、风能、储能升压变不同要求研发的集保护，测控，通讯一体化装置，具备保护、通信管理机功能、环网交换机功能的测控装置
13	通信管理机	ANet-2E851		能够根据不同的采集规的进行水表、气表、电表、微机保护等设备终端的数据果集汇总: 提供规约转换、透明转发、数据加密压缩、数据转换、边缘计算等多项功能:实时多任务并行处理数据采集和数据转发，可多链路上送平台据:
14	串口服务器	Aport		功能:转换“辅助系统"的状态数据，反馈到能量管理系统中。 1)空调的开关，调温，及完全断电(二次开关实现) 2)上传配电柜各个空开信号 3)上传UPS内部电量信息等 4)接入电表、BSMU等设备
15	遥信模块	ARTU-K16		1)反馈各个设备状态，将相关数据到串口服务器: 读消防VO信号，并转发给到上层(关机、事件上报等) 2）采集水浸传感器信息，并转发 3)给到上层(水浸信号事件上报) 4)读取门禁程传感器信息，并转发

5结语

以集中式储能为主体,聚合周边分布式资源形成的虚拟电厂,通过资源的整合和调控,促进电网从“源随荷动”转化为“源荷互动”。以集中式储能为主体的虚拟电厂可以直接接收电网调度或者作为三方独立主体参与辅助服务。大规模储能可以提供大量实时可调的平稳出力,有效缓解电力供应短缺问题,提供电网调峰、调频、紧急功率支撑等服务,并增强新能源消纳能力,为高比例新能源的接入提供安全保障,为实现“碳达峰·碳中和”战略目标提供支撑。针对虚拟电厂集中式储能电站的集成设计,可以通过综合分析,选择交直流电压等级、电池系统热管理方式和厂站结构,使得储能系统集成设计满足项目定位和应用场景要求。

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[10]安科瑞光储充微电网系统解决方案.2024年04版

审核编辑 黄宇