淺談儲能電站在水泥工廠中的應用探究

任運業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：對于水泥工廠而言，儲能電站具有降低能源成本、穩(wěn)定電能供應、平衡用電負荷、優(yōu)化電能利用等突出特點，不僅提升了工廠用電的穩(wěn)定性和可靠性，而且還可以服務于電網(wǎng)的調(diào)峰及調(diào)頻。因此，本文以儲能電站為切入點，以某水泥工廠儲能電站為例，將儲能電站的項目背景、工程方案、運行模式、投資模式、效益以及建設成效進行深入探究，以期為本行業(yè)和類似行業(yè)提供參考和啟示。

關鍵字：儲能電站;水泥工廠;磷酸鐵鋰電池;峰谷套利

0.引言

在制定的碳達峰、碳中和等節(jié)能減排計劃的影響下，電力供需矛盾日益突出，電能峰谷價差不斷拉大，削峰填谷、優(yōu)化用電方式已成為工業(yè)企業(yè)降低用電成本的必然途徑，越來越多的工業(yè)企業(yè)開始將目光投向了儲能系統(tǒng)。這些企業(yè)普遍具有能源需求量較大的特點，其對電能質(zhì)量的好壞、用電成本的高低以及電力供應的穩(wěn)定有著特殊的需求。水泥企業(yè)作為傳統(tǒng)的制造企業(yè)，其工廠用電環(huán)境較為復雜，不但要求用電質(zhì)量的穩(wěn)定，還需要用電成本的低廉。特別是在工廠發(fā)生突然斷電時，可能對電機、風機、回轉(zhuǎn)窯、磨機等關鍵設備造成不同程度的損壞，這不僅影響了生產(chǎn)過程的連續(xù)進行，同時也造成巨大的經(jīng)濟損失。正是基于以上情況，儲能電站在水泥工廠中的應用不但為企業(yè)解決了諸多實際問題，還帶來了顯著的經(jīng)濟效益與社會效益。

1.項目背景

湖北省是我國擁有豐富水泥產(chǎn)能的省份之一。近年來，我國已進入以降碳為重點戰(zhàn)略方向的關鍵時期，從到地方層面已經(jīng)由傳統(tǒng)的能源消耗總量和強度調(diào)控逐步轉(zhuǎn)向碳排放總量和強度雙控制，這推動了能源結構轉(zhuǎn)型升級，促進了以儲能為代表的新能源技術蓬勃發(fā)展，使其擁有了廣闊的市場前景和巨大的市場潛力。本項目所在水泥工廠現(xiàn)擁有一條2500t/d新型干法熟料水泥生產(chǎn)線，配套建設有一座110kV變電站，采用一臺110kV/10kV主變壓器進行供電，其主變?nèi)萘繛?5MVA，主變額定負荷約為14.5MW，工廠內(nèi)設備正常運行平均負荷約為12MW。

整個工廠24h、不間斷生產(chǎn)，年生產(chǎn)天數(shù)可達310天以上，年用電量近9000kWh，電能消耗巨大。

2.項目方案

2.1總體方案

本項目從水泥工廠實際情況出發(fā)，以工廠年度用電量數(shù)據(jù)和現(xiàn)有供配電設施裝機總?cè)萘孔鳛橐罁?jù)，利用工廠內(nèi)現(xiàn)有空地，在不影響工廠正常運營的環(huán)境下，建設總規(guī)模為4MW/8MWh的儲能電站。該電站利用工廠內(nèi)峰谷、峰平時段的實際電價差進行套利產(chǎn)生效益，通過靈活調(diào)整儲能電站的充放電策略，實現(xiàn)儲能電量用于峰段生產(chǎn)，降低需量電費及綜合用電成本，同時也作為工廠重要負荷的備用電源，提高工廠整體用電的可靠性。

2.2儲能設計方案

2.2.1電池選型

電池是構建大規(guī)模儲能系統(tǒng)的基礎，因此電池的選型在儲能電站建設中具有重要意義。本項目選用近年來在新能源領域被廣泛應用的磷酸鐵鋰電池，此類電池相較于其它電化學電池，具有能量密度高，循環(huán)壽命長，放電深度大，放電電流大等突出優(yōu)點。同時隨著新能源行業(yè)的快速發(fā)展，不但為此類電池的品質(zhì)提供了良好的保障，而且電池的價格也在逐步的降低，具有較高的性價比，能很好的滿足儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性要求。本項目使用的磷酸鐵鋰電池參數(shù)見表1。

表1項目用磷酸鐵鋰電池參數(shù)

2.2.2電池系統(tǒng)

本項目電池系統(tǒng)通過用單個磷酸鐵鋰電池串聯(lián)組成基本的電池箱，再對若干個電池箱進行串聯(lián)組成一個電池簇，對若干個電池簇進行并聯(lián)，集合成所需要的電池系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，電池箱作為基本的構成模塊，處于核心地位。其外殼采用絕緣材料，上下左右均有開孔，以滿zu模塊內(nèi)部通風散熱的需求。通過在電池箱上安裝截面為橢圓形的把手，并與固定裝置間采用便于拆卸及更換的結構設計，提高了電池箱模塊安裝、更換的便捷性。同時電池箱在設計上還采取了預留膨脹間隙、采用支撐柱結構、合理設置安全間隙等一系列措施，有效的避免了內(nèi)部電池模塊鼓包和爬電短路帶來的風險，保障了電池系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。本項目電池系統(tǒng)組成和技術參數(shù)見表2。

表2項目電池系統(tǒng)組成和技術參數(shù)

2.2.3儲能集裝箱

儲能集裝箱具有保溫隔熱、防水防塵、防腐防震等特點。本項目使用的儲能集裝箱每臺額定容量為3.2MWh，額定功率為1.5MW，主要由電池倉和設備艙兩個相互獨立的部分組成。電池倉主要用于放置項目的電池系統(tǒng)，設備艙主要用于放置與電池系統(tǒng)配套的電氣設備，這樣的布局便于對儲能電站的電池和設備進行集中管理。本項目每套電池系統(tǒng)放置于一臺定制6096mm×2438mm×2591mm風冷集裝箱內(nèi)的電池倉中，采用機架式安裝，結構緊湊，布局合理。電池倉內(nèi)除電池系統(tǒng)外，還配備了電池管理系統(tǒng)、自動滅火系統(tǒng)、自動空調(diào)系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、故障報警系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)，為電池倉的安全穩(wěn)定提供了有力支持。設備艙則主要包括了儲能變流器（PCS）、能量管理系統(tǒng)（EMS）和配電系統(tǒng)。本項目使用的儲能集裝箱平面布置見圖1。

根據(jù)本項目設計儲能電站規(guī)?？芍?，項目儲能電站大功率為4MW，在大功率下，2h可以充滿8000kWh的電量。本項目在進行容量配置時，在充分考慮了電池系統(tǒng)的放電效率和放電深度的情況下，總共需要3臺儲能集裝箱在直流側(cè)分別接入各自的儲能變流器后，再在交流側(cè)并聯(lián)才能滿足設計方案的需求。儲能電站拓撲結構見圖2。

2.2.4儲能變流器（PCS）

儲能變流器作為逆變和整流的雙向換流系統(tǒng)，在整個儲能系統(tǒng)中具有重要作用，其具有高轉(zhuǎn)換效率、寬電壓輸入、快速并離網(wǎng)切換等特點，同時還提供完善的電氣保護功能。在并網(wǎng)模式下，儲能變流器能自動追蹤適配電網(wǎng)參數(shù)，實現(xiàn)雙向變流控制，在電池管理系統(tǒng)的配合下對電池系統(tǒng)進行智能化的充放電管理。在離網(wǎng)模式下，儲能變流器能進行獨立的逆變，為水泥工廠重要負荷提供后備電源，提高了工廠能源使用的安全性。本項目中摒棄了傳統(tǒng)的集中式儲能變流方式，使用組串式儲能變流架構，為每臺儲能集裝箱配備一臺額定功率為1500kW的儲能變流器，其使用模塊化設計，結構上采用了具有更高開關頻率、更高轉(zhuǎn)換效率及更低電磁干擾的三電平工作拓撲，同時儲能變流器出口與隔離變壓器連接，使儲能集裝箱電氣系統(tǒng)一次側(cè)和二次側(cè)wan全隔離，大程度保證了儲能集裝箱的電氣安全。儲能變流器電路主拓撲見圖3。

2.2.5電池管理系統(tǒng)（BMS）

本項目中的每臺儲能集裝箱都配備了獨立的電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)按管理對象劃分為3個層級。一層是位于電池箱內(nèi)部的M-BMS，主要用于收集電芯的數(shù)據(jù)，不僅可以采集單體電池電壓和溫度，還可以對電池箱中串聯(lián)電池組的電壓和電流進行采集。二層是位于每個電池架上的C-BMS，主要用于對一個電池簇中的所有M-BMS進行集中管理，同時采集電池簇的電壓、電流數(shù)據(jù)，并可以在檢測到電池箱異常時將其退出運行。三層是采集匯總整個儲能集裝箱電池系統(tǒng)數(shù)據(jù)的A-MBS，其負責管理一個儲能集裝箱內(nèi)的所有C-BMS，對整個電池系統(tǒng)的電池剩余容量狀態(tài)（SOC）、電池組健康度狀態(tài)（SOH）、電池放電深度（DOD）進行監(jiān)測，同時與能量管理系統(tǒng)進行通信，上報采集的全部電池信息，并能在電池系統(tǒng)異常時給儲能變流器發(fā)送警告，使儲能變流器轉(zhuǎn)入待機模式，保護電池系統(tǒng)安全。

2.2.6能量管理系統(tǒng)（EMS）

能量管理系統(tǒng)是儲能電站的控制核心，負責采集整個儲能系統(tǒng)內(nèi)所有設備的動靜態(tài)數(shù)據(jù)并協(xié)調(diào)控制各設備的運行，是電站安全、穩(wěn)定、高效運行的保障。在本儲能項目中，本地能量管理系統(tǒng)負責采集電網(wǎng)數(shù)據(jù)、集裝箱儲能系統(tǒng)數(shù)據(jù)和環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對集裝箱儲能系統(tǒng)的充放電、并離網(wǎng)進行有效調(diào)度，實現(xiàn)了集裝箱儲能系統(tǒng)的穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。本地能量管理系統(tǒng)還將采集到的信息通過網(wǎng)絡傳輸?shù)竭h程儲能運營管理平臺，使得電站管理人員能實時了解電站運行的各種參數(shù)，并根據(jù)儲能控制策略對電站設備進行控制，提升了儲能電站運營效率。通過對整個電站的數(shù)據(jù)資源進行匯總，實時生成數(shù)據(jù)圖形、曲線、報表，不僅實現(xiàn)了數(shù)據(jù)資源的資產(chǎn)化和價值化，而且為工廠管理者的經(jīng)營決策提供了有力支持。

2.3儲能電站運行模式

本項目儲能電站主要運行模式為“峰谷套利"，其次是作為電網(wǎng)負荷緊張或者突發(fā)情況下的應急電源。在用電尖峰時段和高峰時段，電價較高，儲能變流器接收到能量管理系統(tǒng)并網(wǎng)放電指令后，電池系統(tǒng)開始放電，通過儲能變流器，再經(jīng)過隔離變壓器，向工廠用電負荷輸送電量。當能量管理系統(tǒng)檢測到電池系統(tǒng)剩余容量狀態(tài)低于設定閾值時，能量管理系統(tǒng)向儲能變流器發(fā)送停止放電指令，電池系統(tǒng)停止放電。在用電低谷時段，電價較低，儲能變流器接受能量管理系統(tǒng)并網(wǎng)充電指令，外部電網(wǎng)通過儲能變流器對電池系統(tǒng)進行充電。當電池容量狀態(tài)達到設定閾值后，能量管理系統(tǒng)對儲能變流器發(fā)出停止充電指令，儲能變流器轉(zhuǎn)入待機模式，停止對電池系統(tǒng)充電。在實際運行過程中，通過采取合理的電池充放電策略，可以做到電池系統(tǒng)每天多次充電多次放電，提高電站運行效率。

2.4儲能電站投資模式

工商業(yè)儲能項目現(xiàn)階段有業(yè)主自投、合同能源管理、融資租賃三種投資模式。

本儲能電站項目結合水泥行業(yè)的大環(huán)境因素和企業(yè)實際情況，采取了合同能源管理這種工業(yè)用戶主流的應用模式。該模式引入有技術實力的投資方進行合作，通過EMC合同將企業(yè)能源進行外包，與投資方共同分享儲能電站帶來的收益，緩解了水泥工廠用電供需緊張、電費支出過多的局面，從而達到節(jié)約用電成本的目的。本項目電池系統(tǒng)效率首年衰減5%、此后每年2%遞減，預期使用壽命能達到15年，可以覆蓋整個項目的運行周期。在合約期內(nèi)，儲能電站的所有維護費用支出均由投資方負責，進一步減輕了水泥工廠的成本負擔。

3.儲能電站效益

根據(jù)參閱《省發(fā)改委關于湖北電網(wǎng)2020~2022年輸配電價和銷售電價有關事項的通知》（鄂發(fā)改價管〔2020〕439號），湖北省在原有峰、平、谷用電時段基礎上，增設了尖峰用電時段，進一步優(yōu)化了峰谷分時電價政策。當前湖北省用電各時段劃分見表3。

表3湖北省用電各時段劃分

同時根據(jù)《湖北新分時電價銷售電價表》顯示，2023年湖北省110kV大工業(yè)用電尖峰時段電價為1.17元/kWh，高峰時段電價為0.86元/kWh，平段電價為0.67元/kWh，低谷時段電價為0.31元/kWh，大峰谷差0.86元/kWh。特別是湖北省還是全國執(zhí)行季節(jié)性分時電價的省份之一，根據(jù)《省發(fā)改委關于進一步完善分時電價機制有關事項的通知》（鄂發(fā)改價管〔2022〕406號）顯示，對于每年夏季7~8月、冬季12月~次年1月的用電高峰月份，用電尖峰時段（每日20:00~22:00）基礎電價浮動比例由1.8調(diào)整為2，低谷時段（每日23:00~次日7:00）基礎電價浮動比例由0.48調(diào)整為0.45。調(diào)整以后，在這幾個用電高峰的月份，尖峰時段電價提高到1.3元/kWh，低谷電價降低到0.29元/kWh，峰谷電價差達1.01元/kWh。這使得在“峰谷套利"方面具有巨大的經(jīng)濟收益潛力。

本項目儲能電站規(guī)模為4MW/8MWh，充放電倍率0.5C，充放電效率92%，采用每日“兩沖兩放"的充放電策略，在低電價時段充電，在高電價時段放電，變壓器容量滿足儲能充電需求，且工廠負荷穩(wěn)定可wan全消納儲能放電。儲能電站在低谷時段23:00~次日07:00間將電池系統(tǒng)充滿電，然后在高峰時段13:00~15:00放電2h，接著在平段15:00~20:00間再次將電池充滿，再在尖峰時段20:00~22:00放電2h，實現(xiàn)了“低谷-高峰"和“平段-尖峰"相互配合的單日兩充兩放收益模式。根據(jù)分時電價數(shù)據(jù)和儲能電站效率可計算得出，正常月份單日套利收益可達11280元，用電高峰月份單日套利收益可達12640元，全年收益可達400余萬元。

4.儲能電站建設成效

本項目儲能電站建成投入運營后，帶來了以下幾方面的成效：

（1）儲能電站在電量需求低谷時將電能存儲，在電量需求高峰時進行釋放，實現(xiàn)了能源的高效利用。通過建設運營儲能電站，可以降低電能浪費，提高水泥工廠能源利用效率。（2）儲能電站可以在電能供大于求時存儲電能，在電能供應不足時釋放存儲的電能，從而平衡了電能的供需，提高了水泥工廠用能的穩(wěn)定性。（3）儲能電站提升了水泥工廠電網(wǎng)的抗風險能力。當外部電網(wǎng)發(fā)生故障或突發(fā)自然災害造成工廠電力中斷時，儲能電站可以作為應急備用電源，迅速投入使用并提供穩(wěn)定的電力供應，提高了工廠電網(wǎng)的安全性。（4）儲能電站在水泥工廠負載用電峰值時可代替變壓器部分容量，降低工廠總體容量需求，進而達到降低容量電費的目的。

5.Acrel-2000ES儲能柜能量管理系統(tǒng)

5.1系統(tǒng)概述

安科瑞儲能能量管理系統(tǒng)Acrel-2000ES，專門針對工商業(yè)儲能柜、儲能集裝箱研發(fā)的一款儲能EMS，具有完善的儲能監(jiān)控與管理功能,涵蓋了儲能系統(tǒng)設備(PCS、BMS、電表、消防、空調(diào)等)的詳細信息,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報警管理、統(tǒng)計報表等功能。在高級應用上支持能量調(diào)度,具備計劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。

5.2系統(tǒng)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(nèi)部的設備接入系統(tǒng)。系統(tǒng)結構如下：

5.3系統(tǒng)功能

5.3.1實時監(jiān)測

系統(tǒng)人機界面友好，能夠顯示儲能柜的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測PCS、BMS以及環(huán)境參數(shù)信息，如電參量、溫度、濕度等。實時顯示有關故障、告警、收益等信息。

5.3.2設備監(jiān)控

系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測PCS、BMS、電表、空調(diào)、消防、除濕機等設備的運行狀態(tài)及運行模式。

PCS監(jiān)控：滿足儲能變流器的參數(shù)與限值設置；運行模式設置；實現(xiàn)儲能變流器交直流側(cè)電壓、電流、功率及充放電量參數(shù)的采集與展示；實現(xiàn)PCS通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開關狀態(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)與限值設置；實現(xiàn)儲能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監(jiān)測；實現(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)設置的閾值進行空調(diào)溫度的聯(lián)動調(diào)節(jié)，并實時監(jiān)測空調(diào)的運行狀態(tài)及溫濕度數(shù)據(jù)，以曲線形式進行展示。

UPS監(jiān)控：滿足UPS的運行狀態(tài)及相關電參量監(jiān)測。

5.3.3曲線報表

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。

5.3.4策略配置

滿足儲能系統(tǒng)設備參數(shù)的配置、電價參數(shù)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。5.3.5實時報警

儲能能量管理系統(tǒng)具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)δ艹浞烹娫较?、溫度越限、設備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

5.3.6事件查詢統(tǒng)計

儲能能量管理系統(tǒng)能夠?qū)b信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

5.3.7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(diào)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(tài)。

5.3.8用戶權限管理

儲能能量管理系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)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(jīng)授權的操作（如遙控的操作，數(shù)據(jù)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(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

6.相關平臺部署硬件選型清單

7結語

綜上所述，本工程通過在水泥工廠建設儲能電站，采用靈活高效的運行調(diào)度模式，可以產(chǎn)生可觀的利益回報，同時降低水泥工廠的用電成本。伴隨著新能源產(chǎn)業(yè)的技術進步，電池原材料價格還會進一步下降，儲能電站的建設成本將會繼續(xù)降低，再加上扶持政策、稅收政策、補貼政策、市場準入政策的不斷完善，儲能電站作為一種靈活的資源，具有快速復制推廣的潛力。儲能電站既可以參與用戶側(cè)電力需求調(diào)節(jié)，又有效的緩解了工廠的“兩高"限電壓力，為水泥工廠的節(jié)能降碳高質(zhì)量發(fā)展之路提供了指引，開創(chuàng)了水泥工廠綠色低碳發(fā)展的嶄新局面。

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作者簡介：

任運業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。