储能系统在微电网中扮演什么角色?

作者: | 发布日期: 2018 年 04 月 17 日 9:41 | 分类: 新能源知识

如今,微电网和储能行业的发展前景日益广阔。日益增长的网络安全威胁和频繁的自然灾害给电力系统带来了更大的风险,这使得微电网解决方案成为客户和公用事业公司改进电力供应的理想基础设施。

然而有时候,“微电网”与“储能”的术语可以互换使用。这意味着储能系统可以提供备用电能,而人们认识到微电网和储能不是同一件事是很重要的。

储能系统对微电网来说无疑是必不可少的因素。储能系统是一种灵活的多功能分布式能源,可为微电网提供显著的效益。然而,单独部署储能系统并不会构成微电网,并且在很多情况下,微电网也可以在没有部署储能系统的情况下进行设计和实施。

由于增加储能资源会为微电网项目带来额外的资本投资,因此客户必须确定其弹性和能源安全目标,并与能源解决方案合作伙伴开展合作以实现这些目标。其合作伙伴应该是独立运营的,能够提供最好的解决方案组合,拥有丰富的节能经验,并最大程度地提高成本效益,并具有发电、控制和储能方面的专业知识,可以有效地开发、设计和实施成功的能源安全解决方案。

微电网的弹性范围

重要的是要定义什么样的微电网,这对于回答储能系统对其设计的重要性的问题很重要。

在电网中断时,微电网为用户提供备用电源,并以安全可靠的方式独立服务于现场的电力负荷。这种断开状态通常被称为“孤岛”,因为它实际上是一个小型动力系统,可以满足用户的需求,而无需将电力传入或传出孤岛。如果一个站点的负载不能由现场发电服务,那么需要优先考虑为那些被认为对站点运营至关重要的负载提供电源。

Ameresco公司推出的一种微电网有效设计方法的核心功能包括:节能、分布式发电、微电网控制,并在一定程度上储存电能。这种以效率为中心的方法确保了微电网系统针对效率进行优化,以最大限度地减少能源的浪费,并将大部分成本有效地投资于新一代储能和控制设备。

三个主要问题有助于对微电网的弹性进行说明,这些弹性开始确定这些核心功能在多大程度上都是必需的。首先,用户需要多久才能完成从并网状态到孤岛状态的转变?其次,站点总负载中有多少是关键负载?第三,客户期望服务于这些关键负载(例如几分钟或几周)时间有多长?

图中所示的微电网弹性范围从没有弹性到完全具有弹性,并且可以实现从连接到电网的实际无缝过渡。没有部署微电网的客户(例如住宅用户)在电网中断期间将会完全中断。一旦电力公司诊断并解决了电网中断或故障,其电力才会恢复正常。

其次,配备现场紧急备用发电和转换开关的客户可以部分恢复电力,因为他们的一些或全部负载可以根据发电机功率的大小来提供服务。其电力供应将会暂时中断,直到备用发电机可以为负载提供持续的电力。在这种情况下,一些特别关键的负载(例如计算机或数据服务器)可能将采用不间断电源(UPS)提供的备用电源,以在有限的时间内为特定关键负载提供电能。许多办公楼就是这种场景的例子。

对于某些客户来说,电力供应的中断对企业关键运营构成重大风险,或者生产力下降,产品的产量下降,大学或实验室环境下的研究中断,或其他价值损失等形式造成显著的经济损失。这就需要在电网受到干扰的期间不间断地过渡到独立的孤岛运行,这意味着客户设施内的某些负载的电力根本不会中断。

虽然具有不间断电源的过渡(图中右半部分所示)对许多客户来说可能是需要的,但这种能力会增加微电网的复杂性和成本。为了实现不间断地向孤岛运行的过渡,并且不会影响供电的连续性,保护性电气控制设备必须安全,并且立即将现场发电设备与不稳定的电力设施之间的连接进行隔离,并且紧急发电设备必须立即为负载提供服务,在电网发生干扰和中断时,可以提供现场发电,例如热电联供为负荷提供电力,并且采用微电网控制措施,能够识别并迅速对电力干扰和中断做出反应,则可以实现这一目标。

关于成功不间断地过渡到孤岛运营的关键决定是,是否有足够的发电量来为该场地的关键负荷提供服务,或者是否需要减少(关闭)较少的关键负荷以匹配可用的发电量。微电网控制措施可能需要迅速进行,以维持现场柴油发电机的稳定性,并维持电力供应的连续性。

为了实现在电网和现场发电设备之间不间断转换,具有完全弹性的微电网,如最右端的弹性范围,需要有足够的柴油发电机来满足所有现场负载要求。在发生停电时以及连续数小时或数天时间之前,这必须实施,直到电网恢复正常。即使在这种情况下,也可考虑使用微电网控制,以便响应意外情况,如柴油发电机故障或负载水平发生意外变化。

微电网为电力用户提供安全断开电网的能力

如果有足够的发电量或计划实施,并且适当的微电网控制和适当的微电网控制基础设施,则可以实现不间断的过渡而不需要储能。然而,向混合电网添加储能系统可以显著增强上述微电网场景。而对于没有连续供电的备用电源的客户而言,储能系统成为微电网架构的一个非常重要的方面。

微电网解决方案中储能系统的作用

现代储能系统的独特之处在于它们的响应速度非常快,既可以产生电能,又可以吸收电能,并且在某些情况下可以调节配电系统中的实际和无功电源质量。这些功能使储能系统能够服务于微电网内的各种角色,例如客户需要不间断的孤岛电源,不需要现场发电,或需要补充其配电系统中存在的现场发电。以下了解一下储能系统在微电网的两个截然不同的运行阶段中扮演的角色:同时进行从并网运行到孤岛运行的转变,或者继续孤岛运行。

有效地实现向孤岛运作的过渡需要大量的协调和非常快速的控制行动,以毫秒为单位。在此期间,经过商业验证的电池储能系统(如锂离子电池)的高功率和快速响应能力,可用于在有限的时间内为微电网提供有效的瞬时功率,提供电网中断期间的电力,直到现场发电设备能够在长时间为大部分负荷提供服务。如果没有配备备用柴油发电机,微电网只能维持到储能容量耗尽,其维持时间通常为15分钟到几个小时。在电网供应转变为独立孤岛供电的过程中,一些储能逆变器能够调节孤岛供电系统内的电压和频率,维持孤岛电力系统的电能质量。这个功能通常在电网正常运行时或通过柴油发电机来满足,但如果设计得当,则可以通过储能系统来实现。

一旦转换到孤岛运行完成后,储能系统的作用就会从短时间响应转变为最大限度地延长微电网的工作持续时间。储能系统的充放电能力创造了一种可调度的资源,可以遵循微电网控制系统的指令来提供额外的发电量,或者通过电力需求来平衡现场发电的供应。同样,由于当的商用储能系统的容量通常只能提供四个小时的后备电源,所以储能系统连续支持微电网的能力是有限的,除非通过现场发电设备充电。因此采用没有发电设备的储能系统会对需要长时间关键电源的设备运营连续性带来风险。

来自现场发电的观点

以Ameresco公司的微电网和储能项目为例,用于说明微电网中储能系统的不同作用。 Ameresco公司的能源安全方法主要建立在开发、设计和实施适合客户特定场地需求和条件的解决方案上。这对于为客户提供具有成本效益和技术能力的解决方案至关重要,因为微电网和储能系统并非是一种万能的概念。

Ameresco展示了其在英国朴茨茅斯海军造船厂实施微电网解决方案而无需储能的案例。该项目通过英国国防部ESTCP计划资助,通过使用新的微电网控制对现有的热电联产和柴油发电(DG)设备进行补充,使该项目从电网向孤岛运营过渡。

在实施之前,该现场的现有发电资产包括两台燃气轮机和两台应急柴油发电机组。然而,该地点的电力需求常常高于这些备用电源的容量。在正常运行期间,这个站点从电力公司购买电力以服务其现场发电所支持的负载。而在项目实施前,电网中断或负荷超载时的电力中断导致现场发生全面停电,而现场发电设备不能承担全部负荷,备用柴油发电机通常并不能立即恢复供电。

该项目专注于采用先进的微电网控制系统。这个系统可以检测即将发生的电力中断何时到来,并且非常迅速(大约几十毫秒)关闭整个基地的非关键负载,以防止更广泛的停电。虽然大型储能系统肯定会加强解决方案,但该项目显示了储能系统的部署对于有效的微电网并不总是一个严格的要求。

另一方面,Ameresco公司为美国中部地区的客户提供了一个微电网解决方案。当地电网供电不稳,迫使其采用备用柴油发电机为其100%的电力负载提供服务。

Ameresco公司提供的方案中,采用了一个大型太阳能光伏发电阵列和一个大型电池储能系统,以及一个先进的微电网控制系统,从而降低这个站点的传统柴油发电机的备份容量。

这些发电组合可以让这个客户采用电网的电力,因为所提供的解决方案可以缓解原有的电网可靠性问题。当电网的电力供应中断时,该站点部署的储能系统将承担控制系统电压和频率的重要责任,并在太阳能发电系统工作的同时稳定电源,直到备用分布式电源可以联机供电。由于没有电池储能系统作为此解决方案的一部分,该站点无法实现微电网的不间断过渡。

Ameresco公司已经实施并正在开发众多微电网和储能项目,其中电池储能系统为客户提供重要的并网能力。其中一个例子就是在加利福尼亚州联邦法院的项目。 Ameresco公司最近为其提供了一个750kW/ 1425Kwh的锂离子电池储能系统,以及屋顶太阳能发电系统和建筑节能措施。电池储能系统显著降低了对电厂的电力需求费用和公用事业公司的峰值能耗。电力成本驱动因素促进了该解决方案的开发,而不是能源安全。

结论

部署储能系统并不会构成微电网,因为需要考虑产生和控制以满足客户从电网服务向孤岛运营的转变,并在现场维持预期的停电持续时间。

储能系统应被视为一种可为微电网带来显著附加效益的有价值资产。通过提供瞬时发电、引入吸收和释放电力的能力,维持孤岛发电系统的电力质量。储能系统可以作为一种粘合剂将微电网结合在一起,同时在正常并网运行期间产生价值。电力需求响应速度允许储能系统提供一些客户的备用发电设备无法提供的优势。总之对于客户来说,并没有“一刀切”的解决方案。考虑到电力弹性解决方案的用户应该寻求具有丰富经验的合作伙伴来帮助评估、设计、实施和运行一个成功的解决方案,以整合其现有资产、风险承受能力、使命,以及成本目标。(文章来源:中国储能网)

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