储能行业入门

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合集 – 储能(2)

1.储能行业入门04-212.能源管理系统EMS与IEC6185004-26

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过年回家，亲朋好友问起现在在做什么。
答：储能。
又问：储能是什么？
沉思半晌，表达能力本就欠佳的我难以用几句话来概括。偶然进入储能行业工作半年，对其仍是不甚了解，遂决定继续在秋招时就停下的写博客的习惯，记录自己的工作总结和对行业、岗位的理解。

一、储能释义

打开chatgpt，问什么是储能？答：将能量存储在某种形式的设备或系统中，以备将来使用的过程。
目前主流的储能技术是电池储能：利用化学反应将电能储存起来，包括锂离子电池、磷酸铁锂电池和三元锂电池等。
主要应用：在电力系统中，储能可以用于调节电网频率、峰谷填平、备用电力支持、电力质量改善等；在工业生产中，储能可以平滑能源需求、优化能源利用；在建筑能源管理中，储能可以用于太阳能或风能的存储和管理，提高能源利用效率。

目前国内外的储能厂商包括特斯拉、宁德时代、阳光电源与海辰储能等。

二、储能产品

1、宁德时代

作为新能源行业龙头企业，首先来看宁德时代的储能产品。打开官网catl.com，了解关于储能产品的介绍。可以看到它的储能产品分为发电侧储能、电网（输配电）侧储能及用户侧储能三部分。一个个来看。

发电侧储能，一般与新能源发电技术相结合，比如风电光电等。由于风光的不稳定，这些新能源发电产生的电能质量不可靠。储能技术可以帮助发电侧恢复电网的稳定，优化发电的出力曲线，减少弃风弃光，提供系统惯量及调频调峰等功能，提高可再生能源发电占比，优化能源结构。
50MW/100MWh的磷酸铁锂电池储能项目，鲁能集团海西州国家级储能电站示范工程是宁德时代在发电侧储能的示范性产品，2018年12月25日顺利并网发电。项目位于格尔木市东光伏园区内，总装机容量70万千瓦，包括20万千瓦光伏项目、40万千瓦风电项目、5万千瓦光热发电项目及5万千瓦储能系统，由50个储能集装箱和25个35千伏箱变组成，每个集装箱集成1MW/2MWh。
这个工程是干什么用的？答：为电网运行提供调峰、调频、备用、黑启动、需求响应支撑等服务，使风能、光能等新能源的发电特性达到常规能源供应的电能品质，实现削峰填谷功能，友好接入电网，以及虚拟同步控制、跟踪发电计划、支持二次调频。简单来说就两字：发电。

电网侧储能，或称输配电侧储能，可根据电网负荷情况及时调峰调频。在输配电侧接纳可再生能源，保障电网安全、稳定运行。
福建晋江100MWh级储能电站试点示范项目位于福建省电力负荷中心晋江市安海镇，占地16.3亩，建设规模30MW/108.8MWh，以110kV接入省电网，2020年1月14日项目顺利并网。宁德时代负责整个储能系统的系统集成（BMS+PCS+EMS）。
在此部分，储能系统可以根据电力系统的频率和电压变化，提供快速响应的调频调压服务，帮助维持电网频率和电压在安全范围内，提高电力系统的稳定性。

用户侧储能包括工商业储能、应急储能以及智能微网等。工商业对电力需求大，稳定性要求高，储能在此的主要作用是提供备用电源以保障电力供应，通过削峰填谷以实现降本增效。而智能微网是什么含义？这里只给了一个光储充检充电站的例子。就是给电动车充电的充电站，光指光能，储指储能，充指充电站，检指检测电车电池状况。主要的电能还是从电网来，可以在某些场景下给社区、工商业供电。除了这两个例子外，用户侧还包括应急储能和UPS、基站备电等。

根据以上三个部分，我理解的储能主要作用就三个。一是存储新能源的不稳定电源，在稳定后输出；二是支撑电网，在电网出问题时支持一下；三是削峰填谷，产生经济收益。

2、阳光电源

这是1997年成立的以逆变器为主要产品的新能源公司，比宁德时代前身ATL成立的时间还早。打开官网sungrowpower.com，查看储能集成系统产品，主要有两个系列：PowerStack和PowerTitan系列。查看储能系统解决方案，包括分布式储能系统方案和大型储能系统方案。大型储能系统方案又包含了直流耦合方案和交流耦合方案。
查看系统结构体可知，直流耦合和交流耦合的区别在于新能源发电和储能系统中的电力是通过直流耦合还是交流耦合：
储能行业入门
直流耦合

交流耦合

分布式储能系统解决方案

三、储能行业的研究内容

储能系统就像成百上千个大容量充电宝聚集在一起，需要时向外供电，没电时向里充电。然而其涉及到的知识面十分广泛。一个基本的储能系统至少包括电池管理系统BMS、储能变流器PCS、能源管理系统EMS等方面。以下是进入此行业需要了解到的知识点和可能的研究方向：

1、材料、工艺方向

储能系统的核心还是电池，需要研究电池材料的特性和性能，开发新型材料以提高电池的能量密度、循环寿命和安全性。工程师从事的研究方向包括新型电池材料和电池化学组成的研究；电池充放电过程的建模和仿真；储能系统的安全性和可靠性分析等。

2、化学

化学材料开发；电化学分析、表征等。工作内容包括电池材料和化学反应的研究，选择合适的电池化学组成、电解质和电极材料，优化电池的性能和循环寿命。

3、机械、结构

储能系统的机械结构设计、开发，包括外壳设计、散热系统设计和机械连接等方面。从电芯、结构件、公夹具，电箱、集装箱，到单体建筑和厂区整体结构规划。需要机械、材料成型及汽车工程等专业方面的知识。

4、控制

设计储能系统的控制算法和控制系统，实现对电池充放电过程、电网连接和断开、系统运行状态的监测和控制。工作内容包括储能系统的智能控制和运维管理等，涉及软硬件开发、各类控制系统设计和算法开发等方向。需要电子通信、自动化及计算机等专业方面的知识。

5、电气

设计和规划储能系统的电气部分，包括电池组的选型、电力电子设备的设计和控制系统的开发，主要是储能变流器PCS。研究方向涉及储能系统与电网的集成与优化等。

四、名词解释

1、单位

安时Ah是电池的容量单位，表示电池能够在一小时内提供的电流量。例如，一个10Ah的电池可以在一小时内提供10安的电流。
瓦时Wh是功率单位瓦特（W）与时间单位小时（h）的乘积，表示在一小时内以一瓦特功率消耗的能量,1 度电就是 1000Wh（1kWh）。在电池中，瓦时常用于描述电池的能量容量，即电池能够以多少瓦的功率持续供应多长时间。

瓦时（Wh）和安时（Ah）是描述电池容量和能量的两种不同单位，瓦时=电压×安时。
P = V * I = (J/C) * (C/t) = J/t;
Wh = P * t = V * I * t = V * Ah;

2、电池

锂离子电池是一种常见的二次电池，采用锂离子在正负极之间的迁移来存储和释放能量。
磷酸铁锂电池是锂离子电池的一种类型，其正极材料采用磷酸铁锂（LiFePO4）。
三元锂电池也是锂离子电池的一种类型，其正极材料通常是镍锰钴（NMC）或镍钴铝（NCA），其中的“三元”指的是锂离子正极材料中含有三种金属元素。

磷酸铁锂电池和三元锂电池都是锂离子电池的特定类型，它们在正极材料和性能特点上略有不同，但都属于锂离子电池家族的一部分，具有类似的工作原理和应用领域。

3、黑启动

指在电力系统完全失去电源供应的情况下重新启动的过程。电力系统依赖外部电源，例如电网或备用发电机维持系统的运行。在某些情况下，整个电力系统因为灾难性事件（例如大范围停电、设备故障等）而失去电源供应，这时就需要进行黑启动来恢复电力系统的运行。
黑启动通常由备用发电机、储能系统或其他备用电源提供临时电力，以重新启动电力系统的关键设备，例如发电机、变压器和控制系统。一旦关键设备恢复运行，系统就可以逐步恢复正常运行，并重新连接到外部电网或其他电源，以维持电力系统的稳定运行。

4、虚拟同步控制

虚拟同步控制是一种用于电力系统中的控制方法，旨在提高多个分布式能源资源（DERs）的运行效率和稳定性。在传统的电力系统中，发电机通常由同步发电机组成，这些发电机通过共享电网同步运行，以维持电力系统的频率和电压稳定。然而，随着可再生能源的增加和分布式能源的普及，越来越多的非同步发电资源（如风电、太阳能等）接入电力系统，这给系统的稳定性和运行管理带来了挑战。
虚拟同步控制通过在分布式能源资源之间建立虚拟同步关系，模拟同步发电机的运行特性，从而实现对电力系统的频率和电压稳定性的控制。具体来说，虚拟同步控制通过监测电网的频率和电压变化，并根据系统需求调整分布式能源资源的运行模式，以响应电网的频率和电压变化，并提供相应的功率支持。
虚拟同步控制可以使分布式能源资源更加灵活地参与电力系统的运行和调节，提高系统的稳定性和韧性，同时最大限度地利用可再生能源资源。这种控制方法通常依赖于先进的通信和控制技术，以实现对分布式能源资源的实时监测和调节。

5、调频

一次调频主要处理短期、即时的频率变化，而二次调频则更侧重于长期、细致的频率调节。
一次调频（Primary Frequency Control）：一次调频是指电力系统中由发电机和负荷的即时调节来维持电网频率的稳定。当电网频率偏离标准值时，一次调频控制会通过调节发电机的输出功率来平衡电网的供需关系，使频率回到稳定范围内。一次调频通常由发电机的调速器和自动发电机控制器实现，它们能够在几秒钟内响应频率变化，并调整发电机的输出功率。
二次调频（Secondary Frequency Control）：二次调频是指电力系统中通过自动化控制系统来实现的更细致的频率调节，以维持电网频率的长期稳定性。二次调频控制通常由中央调度控制中心或区域调度控制中心实施，它通过调整发电机的输出功率分配和负荷的调节来对抗电网负载变化和发电机运行的不确定性，以保持电网频率在长期内接近标准值。

6、功率

有功功率（Active Power）：电路中实际转换为有用功的功率，用于产生机械功、热能或光能等形式的能量。通常用于描述电路中进行实际功率转换的能量流动，是电力系统中主要的功率形式。单位是瓦特（W），在交流电路中通常用符号 P 表示。正值表示能量的输出，负值表示能量的吸收或消耗。
无功功率（Reactive Power）：电路中因电压和电流之间的相位差而来回交换的功率，不执行有用功的转换，主要用于维持电力系统的电压稳定和电流平衡。无功功率通常用于描述电路中的电能存储和释放过程，通常用符号 Q 表示。无功功率可以是正值或负值，正值表示电路中的无功功率的产生，负值表示无功功率的吸收或消耗。

电力系统中的总功率由有功功率和无功功率的组合决定，两者共同构成了电力系统的视在功率，其单位是伏安（VA）或千伏安（kVA）。

7、功率因数

Power Factor，是描述交流电路中有用功率和视在功率之间关系的一个物理量，是有用功率与视在功率的比值。
在交流电路中，有用功率表示实际进行功率转换的功率，即有功功率（Active Power），通常用单位瓦特（W）来表示；视在功率表示电路中的总功率，即有功功率和无功功率的矢量和，通常用单位伏安（VA）或千伏安（kVA）来表示。因此，功率因数实际上是有用功率与电路总功率的比值。

功率因数的取值范围通常在0到1之间，其中1表示理想情况下的纯有功负载，即电路中只有有用功率，没有无功功率；而0表示纯无功负载，即电路中只有无功功率，没有有用功率。在实际应用中，功率因数的数值越接近1，表示电路中的有用功率占比越大，系统运行越高效。