浅谈储能电站在水泥工厂中的应用探究
安科瑞 陈聪
摘要：对于水泥工厂而言，储能电站具有降低能源成本、稳定电能供应、平衡用电负荷、优化电能利用等突出特点，不仅提升了工厂用电的稳定性和可靠性，而且还可以服务于电网的调峰及调频。因此，本文以储能电站为切入点，以某水泥工厂储能电站为例，将储能电站的项目背景、工程方案、运行模式、投资模式、效益以及建设成效进行深入探究，以期为本行业和类似行业提供参考和启示。
关键字：储能电站;水泥工厂;磷酸铁锂电池;峰谷套利
0.引言
在制定的碳达峰、碳中和等节能减排计划的影响下，电力供需矛盾日益突出，电能峰谷价差不断拉大，削峰填谷、优化用电方式已成为工业企业降低用电成本的必然途径，越来越多的工业企业开始将目光投向了储能系统。这些企业普遍具有能源需求量较大的特点，其对电能质量的好坏、用电成本的高低以及电力供应的稳定有着特殊的需求。水泥企业作为传统的制造企业，其工厂用电环境较为复杂，不但要求用电质量的稳定，还需要用电成本的低廉。特别是在工厂发生突然断电时，可能对电机、风机、回转窑、磨机等关键设备造成不同程度的损坏，这不仅影响了生产过程的连续进行，同时也造成巨大的经济损失。正是基于以上情况，储能电站在水泥工厂中的应用不但为企业解决了诸多实际问题，还带来了显著的经济效益与社会效益。
1.项目背景
湖北省是我国拥有丰富水泥产能的省份之一。近年来，我国已进入以降碳为重点战略方向的关键时期，从到地方层面已经由传统的能源消耗总量和强度调控逐步转向碳排放总量和强度双控制，这推动了能源结构转型升级，促进了以储能为代表的新能源技术蓬勃发展，使其拥有了广阔的市场前景和巨大的市场潜力。本项目所在水泥工厂现拥有一条2500t/d新型干法熟料水泥生产线，配套建设有一座110kV变电站，采用一台110kV/10kV主变压器进行供电，其主变容量为25MVA，主变额定负荷约为14.5MW，工厂内设备正常运行平均负荷约为12MW。
整个工厂24h、不间断生产，年生产天数可达310天以上，年用电量近9000kWh，电能消耗巨大。
2.项目方案
2.1总体方案
本项目从水泥工厂实际情况出发，以工厂年度用电量数据和现有供配电设施装机总容量作为依据，利用工厂内现有空地，在不影响工厂正常运营的环境下，建设总规模为4MW/8MWh的储能电站。该电站利用工厂内峰谷、峰平时段的实际电价差进行套利产生效益，通过灵活调整储能电站的充放电策略，实现储能电量用于峰段生产，降低需量电费及综合用电成本，同时也作为工厂重要负荷的备用电源，提高工厂整体用电的可靠性。
2.2储能设计方案
2.2.1电池选型
电池是构建大规模储能系统的基础，因此电池的选型在储能电站建设中具有重要意义。本项目选用近年来在新能源领域被广泛应用的磷酸铁锂电池，此类电池相较于其它电化学电池，具有能量密度高，循环寿命长，放电深度大，放电电流大等突出优点。同时随着新能源行业的快速发展，不但为此类电池的品质提供了良好的保障，而且电池的价格也在逐步的降低，具有较高的性价比，能很好的满足储能系统的经济性要求。本项目使用的磷酸铁锂电池参数见表1。
表1项目用磷酸铁锂电池参数
| 项目用磷酸铁锂电池参数 | ||
| 尺寸/(mm×mm×mm) 标称电压/V额定容量/Ah内阻/mΩ 质量/kg 额定能量/Wh能量效率/% 质量能量密度/（Wh·kg-1）体积能量密度/（Wh·L-1）电压工作范围/V | 72.3×174.6×204.6，不含极柱 3.2 280 0.25 5.4 896 96 166 363 2.5~3.65 | |
| 循环寿命 | 0.5P充放电循环8000周容量保持率≥70% | |
2.2.2电池系统
本项目电池系统通过用单个磷酸铁锂电池串联组成基本的电池箱，再对若干个电池箱进行串联组成一个电池簇，对若干个电池簇进行并联，集合成所需要的电池系统。在这个系统中，电池箱作为基本的构成模块，处于核心地位。其外壳采用绝缘材料，上下左右均有开孔，以满足*块内部通风散热的需求。通过在电池箱上安装截面为椭圆形的把手，并与固定装置间采用便于拆卸及更换的结构设计，提高了电池箱模块安装、更换的便捷性。同时电池箱在设计上还采取了预留膨胀间隙、采用支撑柱结构、合理设置安全间隙等一系列措施，有效的避免了内部电池模块鼓包和爬电短路带来的风险，保障了电池系统的安全稳定运行。本项目电池系统组成和技术参数见表2。
表2项目电池系统组成和技术参数
| 名称 | 额定电压/V | 额定容量/Ah | 存储电量/kWh | 备注 |
| 电池 | 3.2 | 280 | 0.896 | 单个磷酸铁锂电池 |
| 电池箱 | 48 | 280 | 13.44 | 15个电池串联 |
| 电池簇 | 1152 | 280 | 322.56 | 24个电池箱串联 |
| 电池系统 | 1152 | 2800 | 3225.6 | 10个电池簇并联 |
2.2.3储能集装箱
储能集装箱具有保温隔热、防水防尘、防腐防震等特点。本项目使用的储能集装箱每台额定容量为3.2MWh，额定功率为1.5MW，主要由电池仓和设备舱两个相互独立的部分组成。电池仓主要用于放置项目的电池系统，设备舱主要用于放置与电池系统配套的电气设备，这样的布局便于对储能电站的电池和设备进行集中管理。本项目每套电池系统放置于一台定制6096mm×2438mm×2591mm风冷集装箱内的电池仓中，采用机架式安装，结构紧凑，布局合理。电池仓内除电池系统外，还配备了电池管理系统、自动灭火系统、自动空调系统、环境监测系统、故障报警系统、照明系统、监控系统，为电池仓的安全稳定提供了有力支持。设备舱则主要包括了储能变流器（PCS）、能量管理系统（EMS）和配电系统。本项目使用的储能集装箱平面布置见图1。
根据本项目设计储能电站规模可知，项目储能电站大功率为4MW，在大功率下，2h可以充满8000kWh的电量。本项目在进行容量配置时，在充分考虑了电池系统的放电效率和放电深度的情况下，总共需要3台储能集装箱在直流侧分别接入各自的储能变流器后，再在交流侧并联才能满足设计方案的需求。储能电站拓扑结构见图2。
2.2.4储能变流器（PCS）
储能变流器作为逆变和整流的双向换流系统，在整个储能系统中具有重要作用，其具有高转换效率、宽电压输入、快速并离网切换等特点，同时还提供完善的电气保护功能。在并网模式下，储能变流器能自动追踪适配电网参数，实现双向变流控制，在电池管理系统的配合下对电池系统进行智能化的充放电管理。在离网模式下，储能变流器能进行独立的逆变，为水泥工厂重要负荷提供后备电源，提高了工厂能源使用的安全性。本项目中摒弃了传统的集中式储能变流方式，使用组串式储能变流架构，为每台储能集装箱配备一台额定功率为1500kW的储能变流器，其使用模块化设计，结构上采用了具有更高开关频率、更高转换效率及更低电磁干扰的三电平工作拓扑，同时储能变流器出口与隔离变压器连接，使储能集装箱电气系统一次侧和二次侧完*隔离，大程度保证了储能集装箱的电气安全。储能变流器电路主拓扑见图3。
2.2.5电池管理系统（BMS）
本项目中的每台储能集装箱都配备了独立的电池管理系统，该系统按管理对象划分为3个层级。一层是位于电池箱内部的M-BMS，主要用于收集电芯的数据，不仅可以采集单体电池电压和温度，还可以对电池箱中串联电池组的电压和电流进行采集。二层是位于每个电池架上的C-BMS，主要用于对一个电池簇中的所有M-BMS进行集中管理，同时采集电池簇的电压、电流数据，并可以在检测到电池箱异常时将其退出运行。三层是采集汇总整个储能集装箱电池系统数据的A-MBS，其负责管理一个储能集装箱内的所有C-BMS，对整个电池系统的电池剩余容量状态（SOC）、电池组健康度状态（SOH）、电池放电深度（DOD）进行监测，同时与能量管理系统进行通信，上报采集的全部电池信息，并能在电池系统异常时给储能变流器发送警告，使储能变流器转入待机模式，保护电池系统安全。
2.2.6能量管理系统（EMS）
能量管理系统是储能电站的控制核心，负责采集整个储能系统内所有设备的动静态数据并协调控制各设备的运行，是电站安全、稳定、高效运行的保障。在本储能项目中，本地能量管理系统负责采集电网数据、集装箱储能系统数据和环境监测数据，并对集装箱储能系统的充放电、并离网进行有效调度，实现了集装箱储能系统的稳定、经济运行。本地能量管理系统还将采集到的信息通过网络传输到远程储能运营管理平台，使得电站管理人员能实时了解电站运行的各种参数，并根据储能控制策略对电站设备进行控制，提升了储能电站运营效率。通过对整个电站的数据资源进行汇总，实时生成数据图形、曲线、报表，不仅实现了数据资源的资产化和价值化，而且为工厂管理者的经营决策提供了有力支持。
2.3储能电站运行模式
本项目储能电站主要运行模式为“峰谷套利”，其次是作为电网负荷紧张或者突发情况下的应急电源。在用电尖峰时段和高峰时段，电价较高，储能变流器接收到能量管理系统并网放电指令后，电池系统开始放电，通过储能变流器，再经过隔离变压器，向工厂用电负荷输送电量。当能量管理系统检测到电池系统剩余容量状态低于设定阈值时，能量管理系统向储能变流器发送停止放电指令，电池系统停止放电。在用电低谷时段，电价较低，储能变流器接受能量管理系统并网充电指令，外部电网通过储能变流器对电池系统进行充电。当电池容量状态达到设定阈值后，能量管理系统对储能变流器发出停止充电指令，储能变流器转入待机模式，停止对电池系统充电。在实际运行过程中，通过采取合理的电池充放电策略，可以做到电池系统每天多次充电多次放电，提高电站运行效率。
2.4储能电站投资模式
工商业储能项目现阶段有业主自投、合同能源管理、融资租赁三种投资模式。
本储能电站项目结合水泥行业的大环境因素和企业实际情况，采取了合同能源管理这种工业用户主流的应用模式。该模式引入有技术实力的投资方进行合作，通过EMC合同将企业能源进行外包，与投资方共同分享储能电站带来的收益，缓解了水泥工厂用电供需紧张、电费支出过多的局面，从而达到节约用电成本的目的。本项目电池系统效率首年衰减5%、此后每年2%递减，预期使用寿命能达到15年，可以覆盖整个项目的运行周期。在合约期内，储能电站的所有维护费用支出均由投资方负责，进一步减轻了水泥工厂的成本负担。
3.储能电站效益
根据参阅《省发改委关于湖北电网2020~2022年输配电价和销售电价有关事项的通知》（鄂发改价管〔2020〕439号），湖北省在原有峰、平、谷用电时段基础上，增设了尖峰用电时段，进一步优化了峰谷分时电价政策。当前湖北省用电各时段划分见表3。
表3湖北省用电各时段划分
| 时段类别 | 时段分布情况 | 时长 |
| 平段 | 7:00~9:00、15:00~20:00、22:00~23:00 | 共8h |
| 尖峰时段 | 20:00~22:00 | 共2h |
| 高峰时段 | 9:00~15:00 | 共6h |
| 低谷时段 | 23:00~次日07:00 | 共8h |
同时根据《湖北新分时电价销售电价表》显示，2023年湖北省110kV大工业用电尖峰时段电价为1.17元/kWh，高峰时段电价为0.86元/kWh，平段电价为0.67元/kWh，低谷时段电价为0.31元/kWh，大峰谷差0.86元/kWh。特别是湖北省还是全国执行季节性分时电价的省份之一，根据《省发改委关于进一步完善分时电价机制有关事项的通知》（鄂发改价管〔2022〕406号）显示，对于每年夏季7~8月、冬季12月~次年1月的用电高峰月份，用电尖峰时段（每日20:00~22:00）基础电价浮动比例由1.8调整为2，低谷时段（每日23:00~次日7:00）基础电价浮动比例由0.48调整为0.45。调整以后，在这几个用电高峰的月份，尖峰时段电价提高到1.3元/kWh，低谷电价降低到0.29元/kWh，峰谷电价差达1.01元/kWh。这使得在“峰谷套利”方面具有巨大的经济收益潜力。
本项目储能电站规模为4MW/8MWh，充放电倍率0.5C，充放电效率92%，采用每日“两冲两放”的充放电策略，在低电价时段充电，在高电价时段放电，变压器容量满足储能充电需求，且工厂负荷稳定可**消纳储能放电。储能电站在低谷时段23:00~次日07:00间将电池系统充满电，然后在高峰时段13:00~15:00放电2h，接着在平段15:00~20:00间再次将电池充满，再在尖峰时段20:00~22:00放电2h，实现了“低谷-高峰”和“平段-尖峰”相互配合的单日两充两放收益模式。根据分时电价数据和储能电站效率可计算得出，正常月份单日套利收益可达11280元，用电高峰月份单日套利收益可达12640元，全年收益可达400余万元。
4.储能电站建设成效
本项目储能电站建成投入运营后，带来了以下几方面的成效：
（1）储能电站在电量需求低谷时将电能存储，在电量需求高峰时进行释放，实现了能源的高效利用。通过建设运营储能电站，可以降低电能浪费，提高水泥工厂能源利用效率。（2）储能电站可以在电能供大于求时存储电能，在电能供应不足时释放存储的电能，从而平衡了电能的供需，提高了水泥工厂用能的稳定性。（3）储能电站提升了水泥工厂电网的抗风险能力。当外部电网发生故障或突发自然灾害造成工厂电力中断时，储能电站可以作为应急备用电源，迅速投入使用并提供稳定的电力供应，提高了工厂电网的安全性。（4）储能电站在水泥工厂负载用电峰值时可代替变压器部分容量，降低工厂总体容量需求，进而达到降低容量电费的目的。
5.Acrel-2000ES储能柜能量管理系统
5.1系统概述
安科瑞储能能量管理系统Acrel-2000ES，专门针对工商业储能柜、储能集装箱研发的一款储能EMS，具有完善的储能监控与管理功能,涵盖了储能系统设备(PCS、BMS、电表、消防、空调等)的详细信息,实现了数据采集、数据处理、数据存储、数据查询与分析、可视化监控、报警管理、统计报表等功能。在高级应用上支持能量调度,具备计划曲线、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。
5.2系统结构
Acrel-2000ES，可通过直采或者通过通讯管理或串口服务器将储能柜或者储能集装箱内部的设备接入系统。系统结构如下：
5.3系统功能
5.3.1实时监测
系统人机界面友好，能够显示储能柜的运行状态，实时监测PCS、BMS以及环境参数信息，如电参量、温度、湿度等。实时显示有关故障、告警、收益等信息。
5.3.2设备监控
系统能够实时监测PCS、BMS、电表、空调、消防、除湿机等设备的运行状态及运行模式。
PCS监控：满足储能变流器的参数与限值设置；运行模式设置；实现储能变流器交直流侧电压、电流、功率及充放电量参数的采集与展示；实现PCS通讯状态、启停状态、开关状态、异常告警等状态监测。
BMS监控：满足电池管理系统的参数与限值设置；实现储能电池的电芯、电池簇的温度、电压、电流的监测；实现电池充放电状态、电压、电流及温度异常状态的告警。
空调监控：满足环境温度的监测，可根据设置的阈值进行空调温度的联动调节，并实时监测空调的运行状态及温湿度数据，以曲线形式进行展示。
UPS监控：满足UPS的运行状态及相关电参量监测。
5.3.3曲线报表
系统能够对PCS充放电功率曲线、SOC变换曲线、及电压、电流、温度等历史曲线的查询与展示。
5.3.4策略配置
满足储能系统设备参数的配置、电价参数与时段的设置、控制策略的选择。目前支持的控制策略包含计划曲线、削峰填谷、需量控制等。
5.3.5实时报警
储能能量管理系统具有实时告警功能，系统能够对储能充放电越限、温度越限、设备故障或通信故障等事件发出告警。
5.3.6事件查询统计
储能能量管理系统能够对遥信变位，温湿度、电压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。
5.3.7遥控操作
可以通过每个设备下面的红色按钮对PCS、风机、除湿机、空调控制器、照明等设备进行相应的控制，但是当设备未通信上时，控制按钮会显示无效状态。
5.3.8用户权限管理
储能能量管理系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控的操作，数据库修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。
6.相关平台部署硬件选型清单
| 设备 | 型号 | 图片 | 说明 |
| 储能能量管理系统 | Acrel-2000ES |
| 实现储能设备的数据采集与监控，统计分析、异常告警、优化控制、数据转发等； 策略控制:计划曲线、需量控制、削峰填谷、备用电源等。 |
| 触摸屏电脑 | PPX-133L |
| 1)承接系统软件 2)可视化展示:显示系统运行信息 |
| 交流计量表计 | DTSD1352 |
| 集成电力参量及电能计量及考核管理，提供各类电能数据统计。具有谐波与总谐波含量检测，带有开关量输入和开关量输出可实现“遥信”和“遥控”功能，并具备报警输出。带有RS485 通信接口，可选用MODBUS-RTU或 DL/T645协议。 |
| 直流计量表计 | DJSF1352 |
| 表可测量直流系统中的电压、电流、功率以及正反向电能等;具有红外通讯接口和RS-485通讯接口，同时支持Modbus-RTU协议和DLT645协议;可带继电器报警输出和开关量输入功能。 |
| 温度在线监测装置 | ARTM-8 |
| 适用于多路温度的测量和控制，支持测量8通道温度;每一通道温度测量对应2段报警，继电器输出可以任意设置报警方向及报警值。 |
| 通讯管理机 | ANet-2E8S1 |
| 能够根据不同的采集规约进行水表、气表、电表、微机保护等设备终端的数据采集汇总；提供规约转换、透明转发、数据加密压缩、数据转换、边缘计算等多项功能；实时多任务并行处理数据采集和数据转发，可多链路上送平台据。 |
| 串口服务器 | Aport |
| 功能:转换“辅助系统”的状态数据，反馈到能量管理系统中。1)空调的开关，调温，及**断电(二次开关实现)；2)上传配电柜各个空开信号；3)上传UPS内部电量信息等；4)接入电表、BSMU等设备 |
| 遥信模块 | ARTU-KJ8 |
| 1)反馈各个设备状态，将相关数据到串口服务器；2)读消防1/0信号，并转发给到上层(关机、事件上报等)；3)采集水浸传感器信息，并转发给到上层(水浸信号事件上报)；4)读取门禁程传感器信息，并转发给到上层(门禁事件上报)。 |
7结语
综上所述，本工程通过在水泥工厂建设储能电站，采用灵活高效的运行调度模式，可以产生可观的利益回报，同时降低水泥工厂的用电成本。伴随着新能源产业的技术进步，电池原材料价格还会进一步下降，储能电站的建设成本将会继续降低，再加上扶持政策、税收政策、补贴政策、市场准入政策的不断完善，储能电站作为一种灵活的资源，具有快速复制推广的潜力。储能电站既可以参与用户侧电力需求调节，又有效的缓解了工厂的“两高”限电压力，为水泥工厂的节能降碳高质量发展之路提供了指引，开创了水泥工厂绿色低碳发展的崭新局面。
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