【摘要】虛擬電廠利用*進(jìn)的通信技術(shù),將分布式電源、儲(chǔ)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(dòng)的能力。在虛擬電廠的運(yùn)作中,儲(chǔ)能設(shè)備不僅可以有效儲(chǔ)存可再生能源的過剩電力,還能在需要時(shí)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(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用展開研究,對虛擬電廠中儲(chǔ)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。
【關(guān)鍵詞】虛擬電廠;儲(chǔ)能技術(shù);應(yīng)用
0.引言
在當(dāng)今社會(huì)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(huì)的可持續(xù)發(fā)展。近年來,可再生能源成為了一個(gè)備受關(guān)注的話題,與此同時(shí)分布式能源也逐漸嶄露頭角??稍偕茉慈缣柲芎惋L(fēng)能等具有巨大的潛力,它們可以為社會(huì)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(dòng)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(gè)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(chǔ)能裝置。這些裝置可以儲(chǔ)存多余的能源,以便在需要時(shí)釋放,從而彌補(bǔ)可再生能源的波動(dòng)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(chǔ)能裝置還可以提高電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性,因?yàn)樗鼈兛梢栽诟叻鍟r(shí)段釋放儲(chǔ)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(chǔ)能裝置等資源,形成一個(gè)龐大的虛擬性可控制信息集合體。這個(gè)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(dòng)汽車充電樁和分布式儲(chǔ)能設(shè)備等),有效地匯聚成一個(gè)統(tǒng)一的實(shí)體。這個(gè)實(shí)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(chǔ)能技術(shù)
2.1儲(chǔ)能技術(shù)的內(nèi)涵
電能儲(chǔ)存是儲(chǔ)能技術(shù)的核心概念,它使得能量可以在不同時(shí)刻之間進(jìn)行轉(zhuǎn)化和利用。這個(gè)過程涉及到將能量以不同形式儲(chǔ)存,這可以通過介質(zhì)或特定設(shè)備實(shí)現(xiàn)。儲(chǔ)能介質(zhì)可以是電池、*級(jí)電容器、壓縮空氣儲(chǔ)能、重力儲(chǔ)能等多種形式,
這種能量存儲(chǔ)的靈活性使得儲(chǔ)能技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。首先,儲(chǔ)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(shí)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(chǔ)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(huì)出現(xiàn)波動(dòng),而儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在負(fù)荷較低時(shí)存儲(chǔ)多余的能量,然后在高負(fù)荷時(shí)釋放,以平衡電力供需,減輕電網(wǎng)波動(dòng)。這一過程有時(shí)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(shí)也促進(jìn)可再生能源的大規(guī)模集成。
2.2儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用方向
(1)電化學(xué)儲(chǔ)能
電化學(xué)儲(chǔ)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(chǔ)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(gè)領(lǐng)域都表現(xiàn)出*越的性能。首先,電化學(xué)儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能技術(shù)以其*效的能量轉(zhuǎn)化效率而聞名,當(dāng)電能儲(chǔ)存在儲(chǔ)能系統(tǒng)中時(shí),其損失非常小,從而確保了電能的有效利用。同時(shí),電化學(xué)儲(chǔ)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(shí)間的運(yùn)行,而且其性能不會(huì)明顯下降。此外,電化學(xué)儲(chǔ)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(chǔ)存電能供日后使用。
(2)機(jī)械儲(chǔ)能
機(jī)械儲(chǔ)能是一項(xiàng)關(guān)鍵的電力儲(chǔ)能技術(shù),旨在將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,以便在需要時(shí)將其重新轉(zhuǎn)化為電能。其中一種主要的機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)是抽水蓄能,它利用了勢能和動(dòng)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(shí)現(xiàn)。這個(gè)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(chǔ)器。當(dāng)電力資源供過于求時(shí),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(chǔ)存為潛在的勢能。而當(dāng)電力資源需求增加時(shí),可以釋放存儲(chǔ)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。這一技術(shù)的它可以迅速響應(yīng)電力需求的波動(dòng),有助于維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性。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(gè)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(cái)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(chǔ)能
電磁儲(chǔ)能是一種重要的能源儲(chǔ)存方式,它包括兩種主要形式:超導(dǎo)磁儲(chǔ)能和*級(jí)電容器儲(chǔ)能。這些技術(shù)在能源儲(chǔ)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(chǔ)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?shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)。這個(gè)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(chǔ)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(shí)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(chǔ)能周期內(nèi)能夠*效地保留能量。*重要的是,超導(dǎo)磁儲(chǔ)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(chǔ)能不同,*級(jí)電容器儲(chǔ)能是另一種重要的電磁儲(chǔ)能技術(shù)。它分為兩種類型:雙電層電容器儲(chǔ)能和*級(jí)電容器儲(chǔ)能。這兩種技術(shù)。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(chǔ)或釋放大量電能。其次,*級(jí)電容器儲(chǔ)能具有高功率密度,這使它們能夠在短時(shí)間內(nèi)提供大量電能。此外,*級(jí)電容器儲(chǔ)能效率非常高,幾乎沒有能量損失。*后,*級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)非常安全穩(wěn)定,不容易發(fā)生過熱或其他危險(xiǎn)情況。
3儲(chǔ)能技術(shù)在虛擬電廠中的應(yīng)用
3.1在儲(chǔ)能技術(shù)的作用下提高可再生能源利用率
儲(chǔ)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(dòng)性和不確定性常常是一個(gè)挑戰(zhàn)。例如,風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的能源產(chǎn)量會(huì)受到天氣條件、季節(jié)和時(shí)間的影響,導(dǎo)致能源生產(chǎn)的波動(dòng)。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(chǔ)能技術(shù)可以充分發(fā)揮其作用來解決這些挑戰(zhàn),實(shí)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(chǔ)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(dòng)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(shí),多余的能量可以存儲(chǔ)在儲(chǔ)能設(shè)備中,從而不被浪費(fèi);同時(shí),存儲(chǔ)的能量可以在需要時(shí)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(xiàng)關(guān)鍵的能源創(chuàng)新,儲(chǔ)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(chǔ)能設(shè)備中的能量存儲(chǔ),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(shí)時(shí)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(chǔ)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(huì)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(huì)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(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保和系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用成為了一個(gè)關(guān)鍵的解決方案。儲(chǔ)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(chǔ)起來,并在需要時(shí)釋放。其中的逆變器是儲(chǔ)能系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵組件,它能夠?qū)?chǔ)存的電能轉(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(chǔ)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(shí),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(chǔ)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(shí),可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)頻率偏差。此時(shí)儲(chǔ)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(dòng)。
3.3在儲(chǔ)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(huì)受到天氣條件的限制。此外,電網(wǎng)故障也是一個(gè)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(chǔ)能技術(shù)可以解決這些問題,確保虛擬電廠能夠?yàn)橛脩籼峁┏掷m(xù)的供電支持,從而顯著提升供電可靠性。在虛擬電廠中,儲(chǔ)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(shí),儲(chǔ)能技術(shù)可以存儲(chǔ)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(chǔ)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(shí),虛擬電廠可以通過儲(chǔ)能技術(shù)提供備用電力,以確保用戶不會(huì)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(chǔ)能柜能量管理系統(tǒng)
4.1系統(tǒng)概述
安科瑞儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)Acrel-2000ES,專門針對工商業(yè)儲(chǔ)能柜、儲(chǔ)能集裝箱研發(fā)的一款儲(chǔ)能EMS,具有完善的儲(chǔ)能監(jiān)控與管理功能,涵蓋了儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備(PCS、BMS、電表、消防、空調(diào)等)的詳細(xì)信息,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報(bào)警管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等功能。在*級(jí)應(yīng)用上支持能量調(diào)度,具備計(jì)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(chǔ)能柜或者儲(chǔ)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:
4.3.1實(shí)時(shí)監(jiān)測
系統(tǒng)人機(jī)界面友好,能夠顯示儲(chǔ)能柜的運(yùn)行狀態(tài),實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)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(chǔ)能變流器的參數(shù)與限值設(shè)置;運(yùn)行模式設(shè)置;實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)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(shí)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(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監(jiān)測;實(shí)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(dòng)調(diào)節(jié),并實(shí)時(shí)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(bào)表
系統(tǒng)能夠?qū)CS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。
滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)的配置、電價(jià)參數(shù)與時(shí)段的設(shè)置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制等。
儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)告警功能,系統(tǒng)能夠?qū)?chǔ)能充放電越限、溫度越限、設(shè)備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。
儲(chǔ)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(chǔ)和管理,方便用戶對系統(tǒng)事件和報(bào)警進(jìn)行歷史追溯,查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。
可以通過每個(gè)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(shí),控制按鈕會(huì)顯示無效狀態(tài)。
儲(chǔ)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(jí)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。
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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(shí)現(xiàn)這一潛力,需要克服波動(dòng)性和不確定性等挑戰(zhàn)。通過儲(chǔ)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(dòng)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(dòng)清潔能源的廣泛應(yīng)用,促進(jìn)可持續(xù)能源發(fā)展。