淺談儲能電站在水泥工廠中的應(yīng)用探究

安科瑞 陳聰

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(yīng)、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(wù)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(shè)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(guān)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(yīng)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(fù)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(fēng)機、回轉(zhuǎn)窯、磨機等關(guān)鍵設(shè)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(yīng)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(guān)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(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級，促進了以儲能為代表的新能源技術(shù)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計方案

2.2.1電池選型

電池是構(gòu)建大規(guī)模儲能系統(tǒng)的基礎(chǔ)，因此電池的選型在儲能電站建設(shè)中具有重要意義。本項目選用近年來在新能源領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的磷酸鐵鋰電池，此類電池相較于其它電化學(xué)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(gòu)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，以滿足*塊內(nèi)部通風(fēng)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(jié)構(gòu)設(shè)計，提高了電池箱模塊安裝、更換的便捷性。同時電池箱在設(shè)計上還采取了預(yù)留膨脹間隙、采用支撐柱結(jié)構(gòu)、合理設(shè)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(fēng)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(shù)參數(shù)見表2。

表2項目電池系統(tǒng)組成和技術(shù)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(shè)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(shè)備艙主要用于放置與電池系統(tǒng)配套的電氣設(shè)備，這樣的布局便于對儲能電站的電池和設(shè)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(fēng)冷集裝箱內(nèi)的電池倉中，采用機架式安裝，結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)計儲能電站規(guī)模可知，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(shè)計方案的需求。儲能電站拓撲結(jié)構(gòu)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(gòu)，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(shè)計，結(jié)構(gòu)上采用了具有更高開關(guān)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)完*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(zé)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(zé)采集整個儲能系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備的動靜態(tài)數(shù)據(jù)并協(xié)調(diào)控制各設(shè)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(zé)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(luò)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(shè)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(yīng)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(dāng)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(shè)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(dāng)電池容量狀態(tài)達到設(shè)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(jié)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(yīng)用模式。該模式引入有技術(shù)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(yù)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(zé)，進一步減輕了水泥工廠的成本負擔(dān)。

3.儲能電站效益

根據(jù)參閱《省發(fā)改委關(guān)于湖北電網(wǎng)2020~2022年輸配電價和銷售電價有關(guān)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(chǔ)上，增設(shè)了尖峰用電時段，進一步優(yōu)化了峰谷分時電價政策。當(dāng)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(guān)于進一步完善分時電價機制有關(guān)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(chǔ)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(chǔ)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**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(shè)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(shè)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(yīng)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(fēng)險能力。當(dāng)外部電網(wǎng)發(fā)生故障或突發(fā)自然災(zāi)害造成工廠電力中斷時，儲能電站可以作為應(yīng)急備用電源，迅速投入使用并提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)，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(shè)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(yīng)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(jié)構(gòu)

Acrel-2000ES，可通過直采或者通過通訊管理或串口服務(wù)器將儲能柜或者儲能集裝箱內(nèi)部的設(shè)備接入系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：

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(guān)故障、告警、收益等信息。

5.3.2設(shè)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(shè)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(shè)置；運行模式設(shè)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(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(shè)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(guān)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(shè)備參數(shù)的配置、電價參數(shù)與時段的設(shè)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(shè)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(shè)備下面的紅色按鈕對PCS、風(fēng)機、除濕機、空調(diào)控制器、照明等設(shè)備進行相應(yīng)的控制，但是當(dāng)設(shè)備未通信上時，控制按鈕會顯示無效狀態(tài)。

5.3.8用戶權(quán)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(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不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

6.相關(guān)平臺部署硬件選型清單

7結(jié)語

綜上所述，本工程通過在水泥工廠建設(shè)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(shù)進步，電池原材料價格還會進一步下降，儲能電站的建設(shè)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(zhǔn)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(fù)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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