電力儲能技術在智能充換電站的應用

0引言

隨著電動汽車和可再生能源的快速普及，傳統充電站和電力系統面臨著諸多挑戰，如電能質量不穩定、用電高峰時段電網負荷過重等問題。這些問題不僅影響電力系統的穩定運行，也限制電動汽車的廣泛應用。傳統技術無法有效應對這些挑戰，迫切需要新的解決方案。基于電力儲能柜的智能充換電場站作為一種創新技術，通過儲能與需求側響應相結合，不僅能夠實現削峰填谷，降低電力成本，還能提高電能利用效率，提供穩定的應急電源，優化電能質量。此外，該技術還具備靈活性和擴展性，能夠更好地適應電網的動態需求，為電力系統

的智能化和可持續發展提供強有力的支持。這些優勢使得智能充換電場站成為未來電力系統發展的重要方向。

1換電站需求側響應現狀

傳統換電站通常采用固定電池儲能系統，這種系統在容量和功率方面難以靈活調整，導致其在高峰負荷時段無法有效參與需求側響應。儲能系統的固定配置限制換電站在不同負荷需求下的調度能力，難以應對電網的動態變化。當前換電站的改造和運營成本較高，單站改造費用高達78萬元，而年參與需求側響應的時間僅為15天左右。這種情況下，換電站在需求側響應中的收益無法覆蓋其高昂的改造和運營成本，導致其經濟性和可行性較差。在參與需求響應期間，換電站需停止正常的充換電服務，這不僅降低換電站的利用率，還對用戶造成 的不便，甚至可能引發用戶的不滿和輿情事件。現有換電站的能源管理系統（EMS）功能單一，數據采集和處理能力有限，難以實現對多種電力資源的優化調度和實時控制，EMS缺乏智能化和靈活性的調度能力，導致換電站在需求側響應中的響應速度和調度效率較低，難以滿足電網快速變化的需求。

針對以上問題，研究和應用新型電力儲能柜可以實現容量和功率的靈活調節，還能通過一體化直流母線結構優化電力傳輸效率。基于虛擬電廠架構的智能充換電場站，能夠實現對分布式能源、儲能設備和負荷資源的統一調度和智能控制，顯著提高換電站的需求側響應能力，降低用電成本，提升系統的整體經濟性和可靠性。

2基于電力儲能柜的智能充換電場站能效控制方法

2.1儲能系統優化

儲能系統的拓撲結構設計選用一體化直流母線結構，相比傳統的外掛式交流母線設計，具有電能傳輸效率高、系統穩定性強等優勢。該系統通過集成電池管理系統（BMS）、能量管理系統（EMS）和電力變流器（PCS），實現對儲能單元的 控制和實時監測，確保系統運行的安全性和可靠性。電池系統作為儲能系統的核心組件，選用高能量密度、長壽命的鋰離子電池，結合智能BMS，能夠有效管理電池的充放電過程，延長電池使用壽命，提升系統的經濟性。變流器的設計側重于提高電能轉換效率，采用雙向變流技術，使儲能系統既能從電網充電，又能在需要時向電網放電，滿足多樣化的需求側響應需求。EMS軟件模塊使用時間序列分析和線性規劃算法對系統進行預測和優化，確保在不同負荷和電價條件下，儲能系統始終處于*佳運行狀態。時間序列分析用于預測未來的電力需求和電價，首先對歷史電力負荷和電價數據進行預處理，采用自回歸積分滑動平均模型（ARIMA）對預處理后的數據進行建模，利用訓練好的模型對未來的電力需求和電價進行預測。即

(1)式中，P為預測的負荷值；α為常數項；φi和θj分別為ARIMA模型的參數；∈(t)為隨機誤差項。

式（1）通過考慮前期負荷值和隨機誤差項的綜合影響，預測未來的電力需求和電價。線性規劃算法用于優化充放電策略，先建立目標函數為*大化儲能系統的經濟效益，設置約束條件包括電池容量限制、充放電功率限制以及電價波動限制，之后求得*優解為

(2)式中，MaximizeZ為*大化總收益；Psell(t)和Pbuy(t)分別為放電和充電時的電價；Edischarge(t)和Echarge(t)分別為放電和充電的電量。式（2）說明需要在放電和充電過程中盡量獲取電價差的收益，從而*大化經濟效益。

2.2充換電策略優化

基于電力負荷規律對充放電策略進行深入分析。首先需要對乘用車換電站的典型負荷曲線進行研究，明確電站在不同時間段的電力需求特點。結合所在區域的峰谷電價機制，合理制定充放電計劃，以削峰填谷為主要目標，充分利用電價差異實現經濟收益。

充換電策略通過安裝在儲能系統和負荷側的傳感器，實時采集電壓、電流和溫度等參數，確保系統在安全范圍內運行。數據處理系統對采集的數據進行分析，針對不同的運行場景，生成靈活優化的充放電策略，在普通負荷運行期間，系統主要采用恒流充電、恒壓充電和恒功率充電模式，以確保電池的安全 充電。在高負荷需求響應期間，系統則需要快速響應電網指令，采用恒流放電和恒功率放電模式，及時提供或吸收電能，以穩定電網運行。

儲能系統與電網之間需建立可靠的通信通道，通過104規約點表實現數據的雙向傳輸和遠程控制。這種通信接口不僅能確保電網與儲能系統之間的實時信息交互，還能在電力市場信號變化時，快速調整儲能系統的運行狀態，提升系統的響應速度和靈活性。如圖1所示。

2.3可移動可拓展的儲能柜

儲能柜的模塊化設計使其具備高度的可移動性和可擴展性。模塊化設計不僅簡化儲能柜的安裝和維護過程，還能夠根據實際需求靈活調整儲能容量和功率輸出。每個模塊均配備獨立的控制和保護系統，確保在故障情況下能夠快速定位和隔離問題，避免對整體系統造成影響。模塊化設計還便于儲能柜在不同場景下的部署，如應急電源、峰谷調節和需求側響應等。

儲能柜采用高強度的機柜材料和先進的防震技術，確保在運輸和運行過程中能夠抵御外部沖擊和振動。儲能柜內部配備 的空氣過濾和冷卻系統，防止灰塵和高溫對系統組件的損害，保證系統在各種惡劣環境下的穩定運行。

可移動可拓展儲能柜具備較高的性價比和環境友好性。儲能柜利用優化系統設計和選用 組件，來降低儲能柜的制造和維護成本。儲能柜采用環保材料和 能量管理技術，減少儲能柜的碳足跡和環境影響，推動新能源產業的可持續發展。

3項目能效提升分析

3.1項目介紹

本研究項目依托湖北省電動乘用車換電站，項目設計了可移動、可拓展的共享式模塊化儲能柜，采用一體化直流母線結構，集成電池管理系統（BMS）、能量管理系統（EMS）和電力變流器（PCS）等關鍵設備。通過虛擬電廠平臺，對分布式能源、儲能設備和負荷資源進行統一調度和智能控制，提高儲能系統的靈活性和響應速度。

本項目設計在換電站內建設模塊化儲能柜系統，在特殊時段根據電網需求提供需求側響應服務；在非特殊時段，利用谷電時段低價電力充電，在峰電或平電時段向換電站供電或與市電聯合供電。通過合理優化充放電策略，在確保換電站本體安全可靠用電的前提下，利用峰谷電價差獲取收益，提升項目經濟性。

通過本項目的實施，預計在換電站內部署的儲能系統總容量將達到8～16MW·h，顯著提高換電站在需求側響應中的參與度和經濟效益。項目的成功應用不僅能夠為換電站提供穩定的應急電源，解決增容難點，還能優化電能質量，減少電網負荷波動，推動智能電網和新能源產業的可持續發展。

3.2經濟效益分析

根據湖北區域峰谷電價政策，在“兩充兩放"模式下，并考慮電池年衰減的條件，200kW·h儲能柜在10年內的削峰填谷收益可達37.61萬元。儲能柜在谷電時段充電，利用低電價儲備電能；在峰電時段放電，利用高電價將電能釋放給負荷或電網，獲取電價差收益。具體計算如下。

谷值充電電費：每年約為6.58萬元（ 年），逐年遞減至5.26萬元（ 0年）。

高峰放電收入：每年約為10.79萬元（ 年），逐年遞減至8.63萬元（ 0年）。

綜合以上，項目在運營期內的總削峰填谷收益為37.61萬元，投資額約為22萬元，項目總體收益率達137%。

在需求側響應方面，假設每年有20天參與需求側響應，每天放電2h，總放電量為4000kW·h，以4元/kW·h計算，年收益為1.6萬元。見表1，考慮電池余能每年衰減2%，在10年內的累計需求側響應收益為14.56萬元。

結合削峰填谷和需求側響應的收益，儲能柜在10年內的總收益為52.17萬元。在快充和超充場站進一步推廣本設備的情況下，每年削峰填谷和需求側響應的總收益預計將達到60億元，凈收益可達25億元。

3.3社會效益分析

本項目通過智能充換電場站的建設，顯著提升了電動汽車的充電效率和用戶體驗。隨著電動汽車的普及，充電基礎設施的完善成為關鍵因素。項目的實施不僅能夠滿足當前電動汽車快速增長的充電需求，還能夠通過儲能技術的應用，緩解充電高峰對電網的壓力，推動電動汽車產業的可持續發展。

儲能系統的應用能夠顯著減少傳統發電方式的依賴，降低化石燃料的消耗，從而減少溫室氣體和其他有害物質的排放。

特別是在需求側響應和削峰填谷過程中，通過優化電力使用，提高可再生能源的利用率，減少火電廠在高峰時段的運行時間，進而減少CO2、SO2等污染物的排放，助力實現碳達峰、碳中和目標。

4.安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統概述

4.1概述

安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統，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接入設備

Acrel-2000ES，具備多種接口，多種協議對接的能力，支持多種設備接入。

4.4系統功能

4.4.1實時監測

系統人機界面友好，能夠顯示儲能柜的運行狀態，實時監測PCS、BMS以及環境參數信息，如電參量、溫度、濕度等。實時顯示有關故障、告警、收益等信息。

4.4.2設備監控

系統能夠實時監測PCS、BMS、電表、空調、消防、除濕機等設備的運行狀態及運行模式。

PCS監控：滿足儲能變流器的參數與限值設置；運行模式設置；實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；實現PCS通訊狀態、啟停狀態、開關狀態、異常告警等狀態監測。BMS監控：滿足電池管理系統的參數與限值設置；實現儲能電池的電芯、電池簇的溫度、

電壓、電流的監測；實現電池充放電狀態、電壓、電流及溫度異常狀態的告警。

空調監控：滿足環境溫度的監測，可根據設置的閾值進行空調溫度的聯動調節，并實時監測空調的運行狀態及溫濕度數據，以曲線形式進行展示。

UPS監控：滿足UPS的運行狀態及相關電參量監測。

4.4.3曲線報表

系統能夠對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。

4.4.4策略配置

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

4.4.5實時報警

儲能能量管理系統具有實時告警功能，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出告警。

4.4.6事件查詢統計

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行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

4.4.7遙控操作

可以通過每個設備下面的紅色按鈕對PCS、風機、除濕機、空調控制器、照明等設備進行相應的控制，但是當設備未通信上時，控制按鈕會顯示無效狀態。

4.4.8用戶權限管理

儲能能量管理系統為保障系統安全穩定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（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。

4.4.9安科瑞配套產品

5結語

在配電網的現代管理中，配電系統的穩定運行至關重要。傳統的單一通信方法在應對復雜多變的線損異常時表現出了一定的局限性。多通信信道監測技術整合光纖通信、無線傳感網絡和電力載波通信，提高了數據傳輸的實時性和可靠性，確保了異常信息的快速傳輸和準確識別。應用多通信信道監測技術，配電網能夠實現更 、更可靠的線損異常檢測和處理，從而提升整體電能質量，減少因異常引起的停電時間和經濟損失。未來的研究可以進一步優化多通信信道網絡的架構和協議，結合先進的深度學習算法和大數據分析技術，進一步提高線損異常預測和診斷的準確度和響應速度。

參考文獻

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