一種基于電化學儲能的配電變壓器動態增容裝置研制

余斌，黎剛，朱光明，萬代，歐陽帆，朱維鈞，梁文武

(國網湖南省電力有限公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

0 引言

隨著我國經濟發展和社會進步, 工農業生產以及民生用電量也在逐年攀升, 且用電需求呈多元化趨勢, 對電力部門的供電要求也越來越高[1-3]。在國家電網公司所覆蓋的許多農網地區, 由于當地網架結構薄弱, 電力供應的保障仍是突出問題[4-6]。特別是全年用電負載率低, 峰值用電具有時段性或季節性, 特定時期內尖峰負荷突出, 時常造成臺區配電變壓器、線路過載和用戶低電壓, 供電能力無法保障[7-9]。如何解決配電變壓器重過載運行, 避免設備事故發生, 提高供電質量、供電可靠率和優質服務水平顯得尤為重要。

基于電化學儲能的動態增容裝置本身既可作為電源, 又可作為負荷。根據用戶在不同時段用電需求及用電特征, 動態增容裝置在用電低谷期時充電, 在日間根據用戶負荷的實時需求放電, 就地增大供電能力[10-12]。動態增容裝置可緩解配電網季節性配電變壓器過載及低電壓問題, 同時滿足配電網不停電作業、應急保電、臨時供電等電源要求,具有 “可移動、大容量、低噪音、節能減排、綠色環?！?的特點[13-16]。

本文立足于現有的電化學儲能技術, 采用臺區集中補償方式, 研制一種滿足電力生產實際需求的多功能配電變壓器動態增容裝置。

1 配電變壓器過載現狀分析

1) 臺區長期過載

臺區負荷隨著經濟發展提升, 但未實施同步改造, 導致臺區全年超200 天長期過載, 最大負載率超過130%, 過載期間日均負載率超120%、日均過載時間超6 h。湖南省約近200 個臺區存在此問題。

2) 配電變壓器季節性長時過載

部分臺區日常負荷已達到或接近重過載的較高水平, 度夏、度冬期間用戶集中用電導致配電變壓器長時 (4 ～6 h) 過載, 最大負載率小于130%,過載期間日均負載率接近120%, 年均過載60 ～90天。湖南省約近1 000 個臺區存在此問題。

3) 配電變壓器季節性短時過載

部分臺區日常負荷水平不高, 度夏、度冬期間用戶集中用電導致配電變壓器短時 (1 ～2.5 h) 過載, 最大負載率小于120%, 過載期間日均負載率在110%左右, 年均過載 20 ～30 天。湖南省約近2 000個臺區存在此問題。

4) 配電變壓器隨機性頻繁過載

大量農網配電臺區低壓線路 (或分支) 掛接隨機性大負荷用戶, 在度夏、度冬、農忙等時期,用電激增易導致配電變壓器短時 (1 ～2 h) 頻繁過載, 嚴重時甚至可使配電變壓器最大負載率高達120%左右, 過載時間隨機性較強, 同時給后端用戶帶來低電壓隱患。湖南省1 萬以上臺區存在掛接隨機性大負荷用戶問題。

針對臺區長期過載, 建議采用臺區改造方案。針對配電變壓器季節性長時過載、配電變壓器季節性短時過載、配電變壓器隨機性頻繁過載等問題,提出動態增容裝置解決方案, 避免采用臺區補點、增容、線路改造等措施導致大量日常輕載臺區、線路產生。

2 動態增容裝置工作原理及控制策略

2.1 工作原理

裝置以電池為電能載體, 以中央監控單元為控制核心, 通過控制功率變換單元的運行狀態與外界進行能量交換, 包括并網和離網兩種工作模式。

2.1.1 并網模式

如圖1 所示, 裝置以并聯方式接入配電臺區380 V 主線, 對過載配電變壓器進行功率補償, 同時可緩解10 kV線路過載由配電變壓器過載引發的低電壓問題。裝置采用落地式或架桿式安裝方式,可不停電接入電網。工作時, 通過檢測臺區負荷電流, 控制裝置充放電。

圖1 裝置并網模式工作原理圖

2.1.2 離網模式

在非負荷用電高峰期, 裝置還可用于臨時供電、應急保電、不停電作業等方面。離網模式下,功率變換單元工作在獨立逆變模式, 負荷接到功率變換單元的交流側, 裝置等效于一個電壓源, 如圖2 所示。

圖2 裝置離網模式工作原理圖

2.2 控制保護策略

2.2.1 動態增容策略

裝置通過開口式電流互感器采集配網線路負荷電流, 判斷臺區配電變壓器是否過載。當負荷電流大于放電設定值, 中央監控單元給功率變換單元下發放電電流指令, 以補償過載部分的功率, 降低配電變壓器承擔的功率。當負荷電流小于充電設定值, 中央監控單元給功率變換單元下發充電電流指令, 以補償裝置的電量。

1) 過載放電策略。當檢測到負載功率PL大于r1倍變壓器容量PT, 且儲能電池SOC 大于p1時,根據計算儲能電池可以放電的有功功率P放, 下發相應控制指令給功率變換單元, 控制儲能電池經功率變換單元為電網供電。其中PL-r1·PT為需要補償的有功功率,P最大可放為儲能電池最大放電功率。

2) 輕載充電策略。當檢測到負載功率PL小于r2倍變壓器容量PT, 且電池SOC 小于p2時, 根據計算儲能電池可以充電的有功功率P充, 下發相應控制指令給功率變換單元, 控制電網經功率變換單元為儲能電池充電；其中P最大可充為儲能電池最大充電功率。

2.2.2 分時充放電策略

根據本地有功功率計劃曲線按時間段執行有功功率的分配。當前程序默認有功功率計劃曲線為5 min一個有功功率值, 一天共計288 點。程序間隔1 s 讀取一次歷史庫中有功功率計劃曲線值, 根據當前系統時間決定使用哪一點的值進行有功功率計算。舉例說明: 如當前時間為11∶13, 則會尋找11∶10 的計劃曲線值, 當時間到達 11∶15 后, 則會尋找11∶15 的計劃曲線值, 依此類推。

2.2.3 無功補償策略

無功補償采用電壓控制模式運行, 根據給定電壓值進行無功缺額計算。裝置的最大可用無功功率隨有功功率變化, 在優先滿足有功功率需求的前提下, 補償所需無功。裝置的最大可用無功功率計算方法如下:

式中,Smax為裝置長時間允許的最大運行功率；Pe為裝置的額定有功功率。

2.2.4 BMS 告警保護策略

中央監控單元對電池的電流保護、電壓保護、溫度等保護均采用了三級保護機制。根據BMS 上傳的告警信息, 對功率變換單元進行控制, 如圖3所示。一級報警發生時, 中央監控單元控制功率變換單元降功率運行；二級報警發生時, 中央監控單元控制功率變換單元停止進行充電或放電；三級報警發生時, 中央監控單元下發并網斷路器跳閘命令, BMS 延時后主動斷開繼電器。

圖3 保護策略動作流程

3 裝置設計

3.1 硬件設計

裝置硬件采用模塊化結構, 由一系列功能單元組成, 包括中央監控單元、儲能運行管理單元、功率變換單元和外輔設備。中央監控單元實現數據處理、控制操作、實時告警、功率控制、畫面監控等功能。儲能運行管理單元實現電能的存儲和釋放、電池的動態監視。功率變換單元能自動與電網同步, 實現整流與逆變。外輔設備實現裝置的并網接入、負荷電流采集、環境監測、控制供電及系統防護。

中央監控單元包括工控機、路由器。工控機采用基于ARM Cortex-A8 內核的AM335X 微處理器,包含 RS485、RS232、以太網等通信接口。路由器包含高速4G 模塊, 支持信息上送遠程監控, Wi-Fi熱點覆蓋, 滿足就地無線調試需求。

儲能運行管理單元包含電池及電池管理系統,電池采用磷酸鐵鋰電池, 結構為電芯串并聯組成電池模組, 電池模組串聯成電池簇提升系統電壓和容量。電池管理系統采用電池模組管理單元+電池簇管理單元兩級結構, 完成電池狀態監視及管理。

功率變換單元采用DC/DC 和AC/DC 兩級架構, 功率 30 kW, 直流側輸入范圍滿足 350 ～750 V, 輸出交流電380 V、50 Hz, 具備并網與離網工作模式。

外輔設備包括: ①并網斷路器、并網隔離開關、并網線纜、電表、電流互感器；②煙感、溫濕度傳感器、空調、滅火貼片、門磁鎖；③交流開關電源+變壓器、浪涌保護器、空開等。

3.2 軟件設計

軟件系統后臺選用linux 集成開發環境作為開發平臺, 前端選用B/S 架構設計, 軟件模塊主要包括儲能設備監測、負載監測、告警管理、外輔設備監測、策略管理五個功能。

儲能設備監測模塊主要實現對功率變換單元和電池組狀態的實時監測, 包括設備運行狀態、電氣量、溫度等數據的實時采集和顯示。

負載監測模塊主要實現對配電變壓器負荷的監測, 包括電壓、電流、功率等信息。

告警管理模塊管理功率變換單元、電池系統、消防、門禁、環境等方面的告警信息, 可實現告警信息的統計和查詢功能。

外輔設備監測模塊可實現門禁、煙感、空調的狀態顯示。

策略管理包括系統設置和策略管理兩部分。系統設置部分可設置功率變換器的并網/離網工作模式和并網斷路器的分合閘。策略管理部分包含調峰策略和分時功率的參數設置。

4 裝置優勢及應用效果分析

4.1 優勢

4.1.1 治理重過載

利用電池儲能實現削峰填谷, 可以有效解決負荷高峰期特發性突增用戶負荷導致的配電變壓器重過載問題、中壓線路重過載問題, 和由此導致的其后端用戶供電能力不足等問題。改善配電變壓器、線路運行狀態, 提高供電可靠性。

4.1.2 改善電能質量

通過有功補償和無功補償, 可以解決因配電變壓器過載導致的用戶低電壓問題、無功損耗導致的低電壓問題, 改善用戶用電質量。

4.1.3 部署迅捷

可快速部署并立即解決突發性的配電變壓器過載問題, 提升供電水平與客戶用電滿意度。與之相比, 配電變壓器增容等臺區改造項目從需求提報、批復到投運, 普遍需1 年左右才能完工。

4.1.4 可重復利用

不同于配電變壓器增容改造方案僅針對固定臺區, 配電變壓器動態增容裝置可根據需求靈活部署至有需要的臺區, 裝置重復利用度高。

4.1.5 可用于應急保供電

在非負荷高峰期, 可用于臨時供電、應急保電、不停電作業等方面, 降低各地市公司購置應急電源車的成本 (約100 萬元/臺)。

4.1.6 前景廣闊

隨著電池技術、梯次利用技術的不斷突破, 儲能系統的能量密度將進一步提升, 成本也會大幅度下降, 裝置的實際價值將不斷體現。

4.1.7 節省投資

裝置可緩解電網部分供電缺口, 提高設備的利用效率, 減少或延緩為滿足短時最大負荷所需的電網建設投資。

4.2 應用效果

30 kW 配電變壓器動態增容裝置目前已在某公司配電臺區 (容量100 kVA) 實現掛網試運行, 設定調峰模式下, 過載放電定值為98%的配電變壓器容量, 輕載充電定值為70%的配電變壓器容量, 得到的功率曲線如圖4 所示。從圖4 可以看出, 在迎峰度夏負荷用電高峰期, 接入動態增容裝置, 起到了削峰填谷的效果, 實現配電變壓器增容30%, 可改善配電變壓器過載情況, 提高電網供電能力。

圖4 24 h 功率曲線

5 結論

本文設計了一種基于電化學儲能的配電變壓器動態增容裝置, 介紹了配電變壓器動態增容裝置的工作原理、控制策略、軟硬件設計方案。本設計初步為當前儲能技術在配電變壓器過載治理中的應用提供了借鑒。該裝置推廣應用可減少、延緩電網投資, 具有部署迅捷、安全環保、可重復利用等優勢, 可用于應急保供電。隨著電池儲能技術的發展, 未來必定會成為推進能源生產和消費革命的重要載體, 是能源互聯網極具發展前景的技術和產業。