新型配網(wǎng)儲能裝置的研究與應(yīng)用

杭州華辰電力控制工程有限公司 斯元海 袁建平 徐軍楊 斯林軍 楊俊杰

城鄉(xiāng)配電網(wǎng)作為城鄉(xiāng)地區(qū)供電線路的最后一公里，與廣大人民群眾的生產(chǎn)生活息息相關(guān)，因此保障城鄉(xiāng)配網(wǎng)穩(wěn)定運行既是“穩(wěn)增長、防風(fēng)險”的重要舉措，又是推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的重要動力與保障，還是推動能源技術(shù)革命、帶動產(chǎn)業(yè)升級、實現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的戰(zhàn)略選擇[1]。《國家電網(wǎng)有限公司城市配電網(wǎng)供電可靠性提升工程工作方案》等政策文件中都對保障城鄉(xiāng)配電網(wǎng)供電可靠性提出了相應(yīng)要求，同時也要求加大配電網(wǎng)改造投入，然而目前社會用電負(fù)荷的快速增長，負(fù)荷類型不斷增加，晝夜平均電力需求峰谷差不斷增加，特別是在一些地區(qū)，特定時段出現(xiàn)的尖峰負(fù)荷導(dǎo)致配電變壓器過載現(xiàn)象時有發(fā)生，特定時段出現(xiàn)的尖峰負(fù)荷容易造成線損增大問題，給配電網(wǎng)的安全運行帶來隱患，配電網(wǎng)供電質(zhì)量低、線損率不達(dá)標(biāo)現(xiàn)象較為突出，這無法滿足國網(wǎng)公司關(guān)于保障城鄉(xiāng)配電網(wǎng)供電可靠性的相關(guān)要求[2]。為解決供電質(zhì)量不達(dá)標(biāo)問題，供電企業(yè)近年來不斷加大配電網(wǎng)改造成本投入，雖然在一定程度上解決了地區(qū)供電質(zhì)量不達(dá)標(biāo)問題，但是由于單個臺區(qū)改造費用逐年攀升、需改造臺區(qū)數(shù)量龐大，因此給供電企業(yè)配電網(wǎng)改造成本帶來了極大壓力[3]。

面對目前存在的問題，本文旨在研制一種成本低、便攜性強的新型配網(wǎng)儲能裝置應(yīng)用于配電變壓器，解決季節(jié)性或突發(fā)性負(fù)荷增大、局部地區(qū)電壓越限等問題，同時兼顧應(yīng)急保障、削峰填谷、快速響應(yīng)、促進(jìn)可再生能源消納等應(yīng)用，在做到保障配電臺區(qū)供電質(zhì)量、降低改造成本的同時，解決應(yīng)急保障供電、新能源消納等多種配電網(wǎng)問題。

1 研究現(xiàn)狀

配網(wǎng)儲能裝置的控制是本文的關(guān)鍵內(nèi)容，現(xiàn)有配網(wǎng)儲能裝置控制的研究，主要為利用蓄電池儲能治理配網(wǎng)電壓暫降，即搭建“并聯(lián)型模塊化”電壓暫降治理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，在網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生暫降時，利用電壓前饋PI 跟蹤等控制策略實現(xiàn)儲能充放電控制，實現(xiàn)治理電壓暫降低的目的。

但是該方法未考慮集中蓄電池充電裝置的設(shè)計，首先集中蓄電池由于容量較大，所以該充電裝置須承受較大充電電流；其次該電壓暫降補償策略中多繞組變壓器由于繞組較多，磁通相互耦合，所以變壓器繞組去耦合問題、濾波電容與變壓器阻抗諧振這些問題需要深入研究。最后電壓暫降補償策略蓄電池容量設(shè)計時，未考慮到實際工程各種電力器件的功率損耗，在進(jìn)行控制器設(shè)計時也還需要根據(jù)實際電路參數(shù)結(jié)合本文推導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)一步優(yōu)化PI參數(shù)。

2 新型配網(wǎng)儲能裝置的結(jié)構(gòu)

本文提出的新型配網(wǎng)儲能裝置由儲能模塊、能量轉(zhuǎn)換模塊、控制模塊、通信模塊4部分組成，如圖1所示。

圖1 新型配網(wǎng)儲能裝置結(jié)構(gòu)

2.1 儲能模塊

儲能模塊的要求為安全可靠、便攜性高、充電轉(zhuǎn)換效率高、經(jīng)濟性好。本文利用退役電動汽車電池組裝電池簇，設(shè)計電池簇高壓控制盒，配置總正接觸器、總負(fù)接觸器、預(yù)充回路、熔斷器、塑殼斷路器等，所有接觸器應(yīng)能接受電池管理系統(tǒng)控制，高壓控制盒內(nèi)置雙路繼電器、斷路器、快速熔斷器。在電池簇總正和總負(fù)回路各裝備一個繼電器，確保電池管理系統(tǒng)BMS 緊急切斷指令下，充電時或放電時都可安全快速地切斷電池簇的帶電回路，保證電池簇安全；斷路器在緊急情況下及后期維護(hù)時，可直接手動將其斷開，起到開關(guān)回路的作用，擁有較好的簡便性和安全性；快速熔斷器可確保電池簇回路發(fā)生短路或大電流時快速切斷地回路，保證電池簇安全。

為檢查電源模塊效果，對新型配網(wǎng)儲能裝置電源模塊性能進(jìn)行測試：進(jìn)行60次測試，記錄電源模塊轉(zhuǎn)換效率、電源模塊單簇最大放電電流試驗結(jié)果記錄，發(fā)現(xiàn)電池模塊轉(zhuǎn)換效率大于90%，單簇最大放電電流穩(wěn)定在100A，充放電能力充分。

2.2 能量轉(zhuǎn)換模塊

能量轉(zhuǎn)換模塊的要求為抗不平衡負(fù)載能力強、輸出諧波小、穩(wěn)定性強。選用儲能變流器作為能量轉(zhuǎn)換器，儲能變流器（PCS）模式默認(rèn)并網(wǎng)，即只需設(shè)定功率、選擇充放電模式、點開機即可，正值為放電，負(fù)值為充電。與電池管理系統(tǒng)通訊，充滿或者放空就停下，充滿放空SOC 可設(shè)置。如果需要離網(wǎng)，則選擇離網(wǎng)模式，然后開機，默認(rèn)三相380V，單相220V/50Hz 輸出，但是電壓和頻率開放可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍分別為±5%。

2.3 控制模塊

控制模塊的要求為覆蓋主要調(diào)控指標(biāo)、控制策略響應(yīng)具備實時性、具備控制策略安全性。本文提出的控制方式考慮三種情形。

第一，固定功率充/放電策略。本策略通過移動儲能電源車以恒定功率向電網(wǎng)放電，驗證儲能設(shè)備對線路負(fù)荷的削峰作用。同時通過在負(fù)荷低谷期，對儲能設(shè)備進(jìn)行充電，驗證其對配變負(fù)荷曲線的填谷作用。具體實施方法：移動儲能電源車以75kW的恒定功率向電網(wǎng)放電，直至儲能設(shè)備放空自動停止運行。移動儲能電源車以50kW 的恒定功率從電網(wǎng)充電，直至儲能設(shè)備充滿自動停止運行。

第二，計劃曲線充/放電策略。結(jié)合對配變的歷史負(fù)荷曲線的分析，以小時為單位，通過控制裝置，在不同時間段以不同的恒定功率進(jìn)行充/放電控制，具體充/放功率和充/放時長結(jié)合該配變的歷史負(fù)荷曲線進(jìn)行自動控制。具體實施方法：對儲能電源車設(shè)備不同的充電功率，具體設(shè)置如圖2所示。

圖2 計劃曲線充/放電設(shè)置圖（負(fù)值充電，正值放電）

圖3 負(fù)荷跟隨平抑配變功率曲線設(shè)置定制圖（遠(yuǎn)程、本地）

第三，負(fù)荷跟隨實時控制策略。本策略根據(jù)所采集到的支路電壓、電流，通過對配變負(fù)荷曲線的分析計算，自動調(diào)整自身輸出功率，從而實現(xiàn)對配電變負(fù)荷曲線的調(diào)整，實現(xiàn)對臺區(qū)負(fù)荷曲線的實時追蹤，驗證儲能設(shè)備的負(fù)荷跟隨控制增容（平抑配變功率曲線）作用。具體實施方法：通過對配變的負(fù)荷曲線分析，制訂以秒級為單位的控制策略，對該配變以不同功率進(jìn)行實時放電，達(dá)到平抑配變功率曲線的目的。根據(jù)近一周的負(fù)荷曲線分析，綜合臺區(qū)配變的經(jīng)濟負(fù)載率，設(shè)定臺區(qū)功率控制目標(biāo)值280kW，死區(qū)±5kW，儲能電源車輸出功率調(diào)節(jié)步長2kW。

3 應(yīng)用效果

3.1 裝置構(gòu)建

將制作完成的各部件正確組裝，裝置系統(tǒng)拓?fù)鋱D和實物應(yīng)用圖如圖4、圖5所示。

圖4 新型配網(wǎng)儲能裝置系統(tǒng)拓?fù)鋱D

圖5 新型配網(wǎng)儲能裝置系統(tǒng)實物和現(xiàn)場應(yīng)用圖

3.2 有效性驗證

在杭州市開展應(yīng)用，應(yīng)用前，該市854個臺區(qū)在“迎峰度夏”期間出現(xiàn)臺區(qū)配變重過載現(xiàn)象，很多配變?nèi)粘９╇娯?fù)荷在20%以下，到“迎峰度夏”期間配變負(fù)荷會達(dá)到80%以上。

自2023年5月起，在杭州市推廣應(yīng)用，以該市王村臺區(qū)為例，應(yīng)用后，移動式儲能系統(tǒng)放電可達(dá)60kWh，最大功率補償30kVA，能夠把并網(wǎng)點無功率控制在100kW 以內(nèi)。圖6所示為2023年8月10日該臺區(qū)變壓器功率運行曲線，上午9點至傍晚6點儲能車處于工作狀態(tài)，從圖中可以看出，在此期間功率曲線更加平穩(wěn)，并且將臺區(qū)變壓器的有功輸出功率控制在110kW 以內(nèi)，解決了臺區(qū)配變時段性重過載問題，大幅提升了居民生活生產(chǎn)用電的可靠性。

圖6 功率運行曲線圖

4 結(jié)語

針對目前臺區(qū)儲能裝置存在的不足，本文研制了一套新型配網(wǎng)儲能裝置，利用退役的新能源汽車動力蓄電池構(gòu)建的一套“臺區(qū)一體化儲能裝置”應(yīng)用于配電變壓器，可以降低線損，提升電壓合格率。解決季節(jié)性或突發(fā)性負(fù)荷增大問題，兼顧削峰填谷、快速響應(yīng)、促進(jìn)可再生能源消納等應(yīng)用，裝置不僅降低了臺區(qū)改造成本，也保證了臺區(qū)能夠穩(wěn)定運行。