光储充微电网运维平台的运用与展望

发布时间：2024-09-14

摘要：探索“双碳”目标下民用建筑用户侧储能应用前景和应用策略，分析建筑用户侧储能安全性等问题，探讨建筑光储直柔、储能创新技术的推广应用，并提出利用用户侧储能构建多样性自备电源的策略。

关键词：“双碳”目标；用户侧储能；应用前景；应用策略；储能安全；光储直柔；自备电源；能源耦合

0引言

2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和，是中国为应对全球气候变化而作出的庄严承诺，也是2035远景目标纲要和“十四五”时期经济社会发展的主要目标之一。我国碳排放主要来源于电力、建筑、工业生产等领域，其中电力占比大，约2/5左右，其次是建筑领域，占比超1/5。建筑领域大的碳排放源是建筑用电和用热产生的间接碳排放，约占我国碳排放总量的17%。因此，探索和研究建筑领域的降碳理念及实施路径，是非常重要的。

近些年，围绕“双碳”目标，地方相关政策频出，相关行业从业人员也致力于不断创新和研发，从理念、技术等各方面，积极推动绿色低碳生产生活方式的转变和变革。其中，用户侧储能作为一种新兴的能源技术，其理念已被广泛接受和认可，正在成为未来能源系统的重要组成部分，在平滑电网负荷和调峰填谷、节约能源成本、提高供电可靠性、可持续能源利用和碳减排等方面发挥重要作用，具有广阔的应用前景和发展潜力。

1民用建筑用户侧储能的应用前景展望

未来的供配电系统中，储能是智能电网、可再生能源高占比能源系统、“互联网+”智慧能源的重要组成部分和关键支撑技术。储能技术主要有物理储能（包括抽水蓄能、压缩空气蓄能和飞轮储能等）和电化学储能（主要包括锂电池储能、铅蓄电池储能和液流电池储能）。物理储能建设需要一定的自然条件，受地理条件制约，建设周期较长。目前，大规模储能技术中只有抽水蓄能技术相对成熟，用于电网侧。电化学储能技术相对成熟，应用空间广泛，未来有可能成为具发展前景的储能技术路线。其中电池储能技术具有响应速度快、效率高及对安装维护要求低等优点。从技术特点考虑，锂电池具有存储密度高、循环特性好、响应速度快等优点，是电化学储能中的主力和发展方向，适合于用户侧储能。

目前，用户侧储能进一步发展和推广应用尚缺少标准体系的支撑，以及政策方面的支持等，在具体实践应用中，还存在诸多问题和不确定性，主要体现在以下几个方面：

a.标准问题。目前还未出台针对用户侧储能建设统一认定的相关规范，储能系统建设规模没有确定的经济量化指标。一段时间以来，民用建筑用户侧储能项目基本都是在试点过程，若要大规模推广储能，还须出台新的政策和标准去指导用户侧储能项目的落地实施。

b.政策问题。相关政策对鼓励发展用户侧储能提供了有利条件，如发展改革委、能源局印发的发改能源〔2022〕209号《“十四五”新型储能发展实施方案》指出，要“聚焦新型储能在电源侧、电网侧、用户侧各类应用场景；实现用户侧新型储能灵活多样发展”；在发改能源规〔2021〕1051号《加快推动新型储能发展的指导意见》指出，要“积极支持用户侧储能多元化发展”。然而，当前用户侧储能的成本还比较高，激励用户侧储能发展政策性支持和补贴力度还不够。世界范围内，发展清洁能源的在经过了装机容量爆炸式增长后，均制定了一系列激励储能发展的政策。如美国的自发电激励计划（自2011年9月起，以2美元/W对独立的储能系统进行补贴）、德国的小型户用光伏储能投资补贴计划（自2013年政策发布起，为功率30kW以下、与户用光伏配套的储能系统提供30%的安装补贴）等。

c.管理问题。用户侧储能容量的增大，将会对电网的调度带来新的变革和挑战，其发展离不开电网的支持和参与，面对以低碳、新能源发展为特征的能源电力转型，电力体制改革需创新突破，尤其是对电网作用和功能的认识。运用电力需求响应技术，充分整合和调配用户侧储能，可以在保证电网稳定运行的同时，实现经济效益优化。

d.安全问题。电化学储能系统存在火灾、爆炸、化学风险、电气风险等安全隐患，安全性问题是制约其发展的一个重要因素，尤其是应用在建筑室内场所。现阶段针对储能系统已有部分消防措施，且认为锂电池的安全性在技术上是可以解决的，技术发展的空间仍存在。目前规模较大的用户侧储能以采用集装箱式锂电池储能装置设置于建筑室外场地的做法为主，鲜有设置在建筑内部的场景。据了解，上海招商银行大厦于大楼地下一层库房设置了1MW/2.56MWh磷酸铁锂电池储能系统，该项目是上海市商业化应用楼宇用户侧储能项目；北京朝阳区姚家园华润商业项目于大楼地下一层库房设置了500kW/2000kWh磷酸铁锂电池储能系统，储能电池仓靠外墙和汽车坡道侧放置。

2建筑储能的安全性

上述几个方面中，建筑储能的安全性是尤为需要关注的，它也是制约用户侧储能在民用建筑中推广应用的主要因素之一，尤其是在建筑物内部的应用。从锂电池大规模产业化伊始，安全性便成了与之相伴的焦点话题。由于锂电池的电极材料以及电解质均较为易燃，当内部反应积聚的热量不能及时散失时，热失控现象的出现便容易引发电池安全事故。北京丰台区“4·16”较大火灾事故直接原因就是电池间内的磷酸铁锂电池发生内短路故障引发电池热失控起火。近些年韩国发生的30多起电池储能电站着火事件，也给我国储能行业安全发展敲响了警钟。虽然我国储能装机容量在近些年得到了大幅增长，但目前仍缺乏相关的安全标准文件，因此，亟待相关规划、设计、施工、检测、产品、运维等标准尽快出台。

纵观世界范围内储能相关安全标准，由美国消防协会制定的NFPA855-2023《StandardfortheInstallationofStationaryEnergyStorageSystems》相对系统和全面，该标准早发布于2019年秋季，据称是全面的储能系统安装防火标准。该标准明确了基于储能系统所使用的储能技术，储能系统安装、尺寸、隔离及灭火和控制系统的要求。对不同类型储能的大储能容量值也有明确要求（锂电池大安装容量不得超过600kWh，如表1所示）。同时该标准还规定：储能系统每组储能容量大为50kWh，每组之间间距以及与墙的距离均不得小于0.9m；包含储能系统的房间应具有至少2h耐火等级的防火屏障并与建筑物的其他区域分隔开等措施。另外，还重点对储能系统的排气通风、火灾探测、火灾控制、爆炸控制以及喷淋系统、扑救措施等作了细致规定。国内已经发布的储能安全标准还较少，该标准也许可提供一些参考借鉴。

根据锂电池特点，结合建筑安全，以及参考相关标准要求，建筑设置储能系统建议重点做好以下几个方面：

a.慎选设置位置场所。如参考NFPA855-2023

表1储能系统大储存容量

Tab.1Maximumstoredenergyofenergystorage

systems（ESS）

要求：室内储能装置所在楼层高度不得高于22.8m、不得低于安全出口场地完成面以下9.14m；室外距离建筑、公共通道等不得少于1.524m，离安全出口不得小于3.048m等。这些都是基于美国消防车通道救援和安全疏散角度来要求的，具体可结合我国建筑防火要求来规定。

b.做好建筑空间防火。如参考NFPA855-2023要求：防火墙至少2h防火性能、与其他机房分隔等。

c.合理设置储能装置。如参考NFPA855-2023要求：单个防火区域内大安装容量不超过600kWh、单个机柜容量不超过50kWh、机柜间距不小于0.9m等。

d.储能单元智能监控。监测及分析电池工作状态和工作环境，主动对电池系统进行保护，及时停止充放电动作，以保证系统安全。

e.配备完善消防措施。排气通风、火灾探测、火灾控制、爆炸控制以及喷淋系统、扑救措施等。

f.严格把控产品选型。通过高规格检测测试，如UL9540、UL9540A、TÜVSÜD南德认证等。

关于检测标准，UL9540《能量储存系统和组件的安全标准》和UL9540A《电池储能系统热失控扩散评估测试方法》是两个极具行业影响力的电池能量储存系统安全性标准。UL9540是全球储能系统和设备安全标准，也是当下储能系统的高安全标准。测试类目繁多，条件苛刻，被北美多个授权为级安全标准。适用于包括电化学、机械和热能的各种类型能量储存系统，评估集成到储能系统中不同组件的兼容性和安全性，不针对构成储能系统的单个部件/组件。UL9540A是储能电池具的热失控防护测试之一，侧重于系统组件的安全性能评估和应对故障情况的要求，其测试报告主要从电芯（电芯是否热失控）、模块（热失控在模块内部扩散的倾向，并可能蔓延到其他相邻机柜的情况）、机柜（热失控是否在整个机柜内蔓延）、安装（消防系统的有效性）4个层级测试对储能系统热失控蔓延的情况进行评估。

3 积极推动建筑光储直柔应用落地

，光储直柔（Photovoltaics，Energystorage，DirectcurrentandFlexibility，PEDF）已不是一个陌生的概念，它是指通过光伏等可再生能源发电、储能、直流配电和柔性用能来构建适应碳中和目标需求的新型建筑配电系统（或称建筑能源系统），如图1所示。国发〔2021〕23号《国务院关于印发2030年前碳达峰行动

图1建筑光储直柔配电系统图

方案的通知》明确提出：提高建筑终端电气化水平，建设集光伏发电、储能、直流配电、柔性用电于一体的“光储直柔”建筑。可以说，光储直柔是“双碳”目标、能源政策的必然产物，也是重要的技术支撑。光储直柔系统的终目的是柔性用电，使建筑用电由刚性负载转变为柔性负载，其中用户侧储能系统用于终端用户侧（如商业楼宇、工业园区等）存储和管理电力，是其重要组成部分，发挥着关键作用。

目前，已有一些建筑中开展了“光储直柔”系统的应用探索，如金砖新开发银行总部（系统配置容量为86kW的光伏发电，126kWh的铅酸电池储能系统，应用直流配电系统供重要楼层照明）、深圳建科院未来大厦（系统配置容量为150kW的光伏发电，300kWh电池储能系统，应用直流配电系统，直流负载容量达到388kW）、清华大学建筑节能楼（系统配置容量为20kW的光伏发电，3组6.6kWh的钛酸锂电池储能，应用直流配电系统）等。然而，目前的这些应用案例中，储能规模还较小，应用场景相对单一，未来对于如何在大体量、多场景建筑中构建合理的光储直柔系统还需进一步探索和研究。

4 应用用户侧储能构建多样性自备电源之策略

随着对储能的政策支持，以及制约其大规模应用的储能安全性、经济性等问题得到逐步解决后，应用用户侧储能可以在建筑内打造更多应用场景，如作为建筑自备电源。当前，建筑中常见的自备电源有：独立于正常电源的发电机组、蓄电池组（EPS、UPS）、干电池等，具体根据用电负荷的容量、允许中断供电的时间以及要求的电源为交流或直流等条件来确定。在储能技术发展的，构建建筑自备电源就有了多种选择，可以是传统的柴油发电机，也可以是“柴油发电机+储能”多能混合的模式，还可以是纯储能的模式，具体结合工程实际情况进行经济性、合理性分析而定。

4.1储能装置与柴油发电机组合模式

储能与柴油发电机组合的方式在建筑领域应用中很常见（如UPS+柴油发电机的组合），但这种模式下，UPS储能装置主要承担的任务是柴油发电机启动阶段的过渡，一般在柴油发电机启动成功后退出供电。这里要探讨的是利用锂电池等装机容量较大、持续供电时间较长的新型用户侧储能装置。

实际上，这种方式已经被广泛应用于一些地区的离网和独立微网系统（指与大电网隔离、独立运行的小型电力系统）中，如供电条件较差的偏远地区或者海岛等。系统充分利用可再生能源发电，如风力发电、光伏发电等。为了有效提高独立微网系统的供电可靠性，需要在系统中配置柴油发电机，可再生能源不能提供足够的电能以及储能容量过低无法满足负荷的情况下，启动柴油发电机为系统提供额外的电能支持。当然，当储能系统容量在正常运行范围内时，也可以与风力发电、光伏发电一起为负荷供电。当柴油发电机开启时，可以选择将储能系统退出运行，也可以尽量将柴油发电机运行在额定功率下，多余功率给电池充电。为了实现一定的经济效益，独立微网系统中的柴油发电机可采用多台相对小容量的机组，根据负荷实际需求，协调控制开启一台或者多台柴油发电机组，使单台柴油发电机处在佳经济运行状态。

对于多能混合一体的供电系统，需要结合实际情况选择合适的储能设备和发电机组，并进行科学合理的系统设计和运行管理。

4.2储能装置替代柴油发电机的可行性

在安全性、可靠性、经济性等得到保障的前提下，民用建筑采用大规模储能装置用以替代柴油发电机将成为一种可能。在储能替代柴油发电机的应用中，基于储能技术的运用，通过将电能储存起来并在需要时释放出来以替代传统的柴油发电机发电时间长等问题。据报道，2023年高考期间江苏通州中学等高考保点就采用了储能设备作为临时后备电源保障的方式，以保障考场内照明、英语听力等用电设备的不间断供电。

5 Acrel-2000MG微电网能量管理系统

5.1概述

Acrel-2000MG微电网能量管理系统，是我司根据新型电力系统下微电网监控系统与微电网能量管理系统的要求，总结国内外的研究和生产的经验，专门研制出的企业微电网能量管理系统。本系统满足光伏系统、风力发电、储能系统以及充电桩的接入，全天候进行数据采集分析，直接监视光伏、风能、储能系统、充电桩运行状态及健康状况，是一个集监控系统、能量管理为一体的管理系统。该系统在安全稳定的基础上以经济优化运行为目标，促进可再生能源应用，提高电网运行稳定性、补偿负荷波动；有效实现用户侧的需求管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷，提高电力设备运行效率、降低供电成本。为企业微电网能量管理提供安全、可靠、经济运行提供了全新的解决方案。

微电网能量管理系统应采用分层分布式结构，整个能量管理系统在物理上分为三个层：设备层、网络通信层和站控层。站级通信网络采用标准以太网及TCP/IP通信协议，物理媒介可以为光纤、网线、屏蔽双绞线等。系统支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

5.2技术标准

本方案遵循的标准有：

本技术规范书提供的设备应满足以下规定、法规和行业标准：

GB/T26802.1-2011工业控制计算机系统通用规范1部分：通用要求

GB/T26806.2-2011工业控制计算机系统工业控制计算机基本平台2部分：性能评定方法

GB/T26802.5-2011工业控制计算机系统通用规范5部分：场地安全要求

GB/T26802.6-2011工业控制计算机系统通用规范6部分：验收大纲

GB/T2887-2011计算机场地通用规范

GB/T20270-2006信息安全技术网络基础安全技术要求

GB50174-2018电子信息系统机房设计规范

DL/T634.5101远动设备及系统5-101部分:传输规约基本远动任务配套标准

DL/T634.5104远动设备及系统5-104部分:传输规约采用标准传输协议子集的IEC60870-5-网络访问101

GB/T33589-2017微电网接入电力系统技术规定

GB/T36274-2018微电网能量管理系统技术规范

GB/T51341-2018微电网工程设计标准

GB/T36270-2018微电网监控系统技术规范

DL/T1864-2018独立型微电网监控系统技术规范

T/CEC182-2018微电网并网调度运行规范

T/CEC150-2018低压微电网并网一体化装置技术规范

T/CEC151-2018并网型交直流混合微电网运行与控制技术规范

T/CEC152-2018并网型微电网需求响应技术要求

T/CEC153-2018并网型微电网负荷管理技术导则

T/CEC182-2018微电网并网调度运行规范

T/CEC5005-2018微电网工程设计规范

NB/T10148-2019微电网1部分：微电网规划设计导则

NB/T10149-2019微电网2部分：微电网运行导则

5.3适用场合

系统可应用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。

5.4型号说明

3.5.5系统配置

5.5.1系统架构

本平台采用分层分布式结构进行设计，即站控层、网络层和设备层，详细拓扑结构如下：

图1典型微电网能量管理系统组网方式

5.6系统功能

5.6.1实时监测

微电网能量管理系统人机界面友好，应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中，各子系统回路电参量主要有：三相电流、三相电压、总有功功率、总无功功率、总功率因数、频率和正向有功电能累计值；状态参数主要有：开关状态、断路器故障脱扣告警等。

系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理，使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态]及发电单元与储能单元运行功率设置等。

系统应可以对储能系统进行状态管理，能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警，并支持定期的电池维护。

微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电桩及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求，也可将充电，储能及光伏系统信息进行显示。

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图2系统主界面

子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电桩信息、通讯状况及一些统计列表等。

5.6.1.1光伏界面

图3光伏系统界面

本界面用来展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。4.6.1.2储能界面