移動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)在配電網(wǎng)的應(yīng)用探討

張 浩，黃 瑋

（國(guó)網(wǎng)黃山供電公司，安徽 黃山 245000）

0 引言

與常規(guī)能源相比，儲(chǔ)能系統(tǒng)在能源綜合利用與轉(zhuǎn)換效率上具有較為突出的優(yōu)點(diǎn)。近年來國(guó)家能源政策密集出臺(tái)，作為安全、清潔、高效的現(xiàn)代能源技術(shù)，儲(chǔ)能在多項(xiàng)政策中被提及，成為規(guī)劃布局的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。能源互聯(lián)網(wǎng)、微電網(wǎng)、多能互補(bǔ)等技術(shù)的發(fā)展為儲(chǔ)能市場(chǎng)的拓展注入強(qiáng)心劑。近年來儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，隨著電池能量密度不斷提高，移動(dòng)式儲(chǔ)能系統(tǒng)在配網(wǎng)臨時(shí)增容、應(yīng)急供電和配網(wǎng)優(yōu)質(zhì)供電等方面得到進(jìn)一步推廣應(yīng)用，具有較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。

1 移動(dòng)儲(chǔ)能的相關(guān)技術(shù)

1.1 移動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)概述

目前移動(dòng)式儲(chǔ)能系統(tǒng)研究的電壓等級(jí)范圍主要是10 kV及以下電壓等級(jí)［1］。采用的技術(shù)主要包括中壓移動(dòng)式儲(chǔ)能模塊化的集成設(shè)計(jì)、儲(chǔ)能系統(tǒng)的物理接口和信息接口鏈接、儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)自適應(yīng)控制啟動(dòng)、多臺(tái)移動(dòng)式儲(chǔ)能并聯(lián)運(yùn)行等。在硬件基礎(chǔ)上通過開發(fā)移動(dòng)式儲(chǔ)能的在線監(jiān)測(cè)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊化移動(dòng)式儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行控制。

1.2 移動(dòng)儲(chǔ)能模塊化技術(shù)

一是針對(duì)移動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能變流器、電池模塊、變壓器以及開關(guān)柜進(jìn)行電氣設(shè)計(jì)和關(guān)鍵設(shè)備選型，確定適當(dāng)?shù)捏w積、重量。二是采用熱仿真軟件研究中壓移動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部散熱、通風(fēng)循環(huán)、消防、照明、防潮等輔助管理技術(shù)，提高系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性。三是對(duì)中壓移動(dòng)儲(chǔ)能的集裝箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)備布局，采取防振動(dòng)、防傾斜及靈活擴(kuò)展等技術(shù)，使系統(tǒng)能夠滿足不同路況運(yùn)輸、不同使用環(huán)境下的安全運(yùn)行要求。

1.3 移動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的快速接入技術(shù)

著重考慮現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)的接入難點(diǎn)，對(duì)移動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)物理接口和信息接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一，采用適用于不同類型、不同容量、不同功率的移動(dòng)儲(chǔ)能電池接入的可擴(kuò)展性接口設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)物理接口的快速接入。通過采用信息交互規(guī)約，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速接入以及運(yùn)行狀態(tài)的快速識(shí)別，簡(jiǎn)化設(shè)備接入的流程，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自描述和互操作，做到在并網(wǎng)條件下不同運(yùn)行工況的自適應(yīng)識(shí)別以及不同工況下對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓和頻率的主動(dòng)支撐。

2 移動(dòng)儲(chǔ)能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和模型分析

2.1 移動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型

儲(chǔ)能變流器是移動(dòng)式儲(chǔ)能裝置的核心設(shè)備，按儲(chǔ)能變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為不同類型［2］。

對(duì)儲(chǔ)能變流器功率轉(zhuǎn)換單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)按照級(jí)別進(jìn)行分類，可以分為兩類：一是單級(jí)變換器DC／AC結(jié)構(gòu)，二是多級(jí)變換器 DC／DC＋DC／AC結(jié)構(gòu)。選擇何種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具體由儲(chǔ)能電池電壓運(yùn)行范圍和實(shí)際狀況來決定。對(duì)于單級(jí)變換的DC／AC結(jié)構(gòu)，儲(chǔ)能裝置與電網(wǎng)之間的聯(lián)系主要通過DC／AC變流器來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于多級(jí)變換的 DC／DC＋DC／AC結(jié)構(gòu)，儲(chǔ)能電池在DC／DC環(huán)節(jié)中，主要通過變流器來實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)之間的直接聯(lián)系。由于DC／DC變換器在直流側(cè)電壓控制上具有獨(dú)立性，因此多級(jí)結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能系統(tǒng)比單級(jí)結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能系統(tǒng)靈活，但其損耗增加，需要提升資源利用效率。

對(duì)儲(chǔ)能變流器功率轉(zhuǎn)換單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)按系統(tǒng)容量進(jìn)行分類，又可分為兩類：一是簡(jiǎn)單變換單元結(jié)構(gòu)，主要用于中小容量系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換，可細(xì)分為兩電平單元結(jié)構(gòu)、三電平單元結(jié)構(gòu)等；二是復(fù)合變換單元結(jié)構(gòu)，主要用于大容量系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換，可細(xì)分為并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)、級(jí)聯(lián)單元結(jié)構(gòu)等，如圖1所示。為了降低耐受力對(duì)單管器件的影響，并聯(lián)結(jié)構(gòu)、級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)等復(fù)合變換結(jié)構(gòu)被廣泛運(yùn)用于大容量系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換中。在并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，所有變流器的直流側(cè)都是獨(dú)立的，交流側(cè)則通過匯集變流器輸出的能量來提升系統(tǒng)容量。在級(jí)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，變流器的交流側(cè)通過串聯(lián)對(duì)系統(tǒng)能量進(jìn)行匯集，從而保障了輸出電壓的穩(wěn)定性［3］。

2.2 移動(dòng)儲(chǔ)能的基本模型

移動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)交流側(cè)簡(jiǎn)化模型的等效電路如圖2所示。

圖1 儲(chǔ)能變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 移動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)交流側(cè)簡(jiǎn)化模型的等效電路

基于變流器同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的控制模型如圖3所示。

圖3 變流器控制模型

多電平變流器的調(diào)制主要通過級(jí)聯(lián) H橋型變流器來實(shí)現(xiàn)，具體包括空間矢量調(diào)制（SVPWM）、載波移相調(diào)制 （PS－PWM）以及特定諧波消除 （SHEPWM）。SVPWM與其他調(diào)制法相比，具有輸出波形諧波含量低、電壓利用效率高等優(yōu)點(diǎn)，但如果系統(tǒng)超過了五電平，SVPWM將變得非常復(fù)雜，此時(shí)應(yīng)選擇更為簡(jiǎn)便的PS－PWM。采用PS－PWM進(jìn)行調(diào)制時(shí)，事先假設(shè)每一相的級(jí)聯(lián)數(shù)值為N，那么其電平數(shù)m則等于2N＋1，也就意味著系統(tǒng)中需要具有頻率與幅值相等的2N個(gè)三角載波，并且兩個(gè)相鄰載波之間的相移 θ＝2π／（m－1）， 通過不同調(diào)制波之間的相互比較，最終產(chǎn)生系統(tǒng)所需的門極開關(guān)信號(hào)。

3 移動(dòng)儲(chǔ)能的控制方法

3.1 移動(dòng)儲(chǔ)能的變流控制方法

處于并網(wǎng)狀態(tài)的儲(chǔ)能變流器，在正常工作時(shí)采用P／Q控制策略實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功調(diào)節(jié)［4］。當(dāng)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)采用V／f控制策略，為用電負(fù)荷提供穩(wěn)定的電壓和頻率。

P／Q控制框圖如圖4所示。圖中Pref、P分別為有功功率的參考值和實(shí)際值；Qref、Q分別為無(wú)功功率的參考值和實(shí)際值；idref、id分別交流側(cè)電流d軸分量的參考值及實(shí)際值；iqref、iq分別為交流側(cè)電流q軸分量的參考值及實(shí)際值；udl、uql分別為輸出電壓d軸和q軸分量的參考值。

圖4 P／Q控制框圖

V／f控制主要通過電壓電流雙閉環(huán)來實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。圖中uref為給定電壓參考值；udref、uqref分別為電壓d軸和q軸分量的參考值；idref、iqref分別為電流d軸和q軸分量的參考值；ud、uq分別為電壓d軸和q軸分量的實(shí)際值；id、iq分別為電流d軸和q軸分量的實(shí)際值。

圖5 V／f控制框圖

3.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行控制方法

多機(jī)并聯(lián)協(xié)調(diào)控制的主要技術(shù)手段之一是下垂控制。通過下垂控制，能夠?qū)?chǔ)能系統(tǒng)當(dāng)中的輸出電壓以及輸出頻率進(jìn)行科學(xué)檢測(cè)，并給出較為合理的參考值，從而對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出有功與無(wú)功進(jìn)行適時(shí)調(diào)節(jié)。

當(dāng)前逆變器下垂控制法運(yùn)用較多的有兩種：一是傳統(tǒng)控制法，主要通過有功－頻率和無(wú)功－電壓的調(diào)差率來進(jìn)行控制，與同步發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)控制的方法較為相似；二是反調(diào)差率控制法，主要通過有功－電壓和無(wú)功－頻率來進(jìn)行控制。這兩種下垂控制法所依據(jù)的原理基本相同，只是在表現(xiàn)形式上有所區(qū)別，在實(shí)際運(yùn)用過程中，可按照線路參數(shù)的具體需求來選擇合適的下垂控制策略。

下垂控制主要以本地電網(wǎng)的狀態(tài)變量作為調(diào)節(jié)參數(shù)，盡可能地降低對(duì)通信的依賴程度，不但具有模塊化、靈活等特點(diǎn)，還有以下優(yōu)點(diǎn)：一是在任意一個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí)，其他儲(chǔ)能系統(tǒng)仍然能夠正常運(yùn)行，具有很高的穩(wěn)定性；二是當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量需要擴(kuò)展時(shí)，只要對(duì)新加的儲(chǔ)能系統(tǒng)輸入相同的策略，就能夠與原有的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接，有利于系統(tǒng)的維護(hù)，擁有良好的擴(kuò)展性和運(yùn)行可靠性。

在實(shí)際運(yùn)用中下垂控制法也存在一些不足之處。首先，由于不同逆變器在負(fù)載總線與輸出側(cè)之間存在線路阻抗不匹配等問題，使測(cè)量值存在一定誤差，從而導(dǎo)致不同逆變器之間會(huì)出現(xiàn)環(huán)流。其次，與高壓輸電網(wǎng)不同的是，低壓配電網(wǎng)中的電阻值要遠(yuǎn)高于電抗值，所以在系統(tǒng)設(shè)置中必須要對(duì)線路阻抗的影響重點(diǎn)考慮。最后，在三相微網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)變化時(shí)，需同步對(duì)控制模式進(jìn)行調(diào)整，而當(dāng)系統(tǒng)中既有線性又有非線性負(fù)載時(shí)，下垂控制策略就無(wú)法發(fā)揮效用。

3.3 移動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)集成方案

完整的模塊化移動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)由集裝箱、開關(guān)柜、電池、就地監(jiān)控柜、空調(diào)、照明等部分組成，集成方案如圖6所示。便于開展移動(dòng)儲(chǔ)能實(shí)際工程應(yīng)用。

圖6 移動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)集成示意圖

4 移動(dòng)儲(chǔ)能應(yīng)用具體案例

2019年4月24日，容量為57.2 kVA的移動(dòng)儲(chǔ)能設(shè)備在某臺(tái)區(qū)D02線004號(hào)桿附近安裝成功。該臺(tái)區(qū)共44戶，主要以茶葉加工和居民生活負(fù)荷為主，在制茶高峰季節(jié)，常出現(xiàn)臺(tái)區(qū)變壓器重載甚至過載以及低電壓等問題。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)配置，儲(chǔ)能設(shè)備并網(wǎng)通電后采取功率補(bǔ)償模式并網(wǎng)運(yùn)行。該套儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行后，從8∶20至18∶20每隔30 min連續(xù)記錄下輸出的負(fù)荷功率，最大為64.5 kW，如圖7所示。由圖可見，在負(fù)荷功率大于40 kW時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備饋出功率，從而減小電網(wǎng)的輸出功率，負(fù)荷功率小于40 kW時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備處于待機(jī)狀態(tài)。

圖7 某臺(tái)區(qū)移動(dòng)式儲(chǔ)能設(shè)備功率補(bǔ)償曲線圖

通過電流互感器和智能電表檢測(cè)臺(tái)區(qū)負(fù)荷PT，對(duì)系統(tǒng)控制器分別預(yù)設(shè)參數(shù)值PS1和PS2，當(dāng)負(fù)荷超過預(yù)設(shè)值PS1時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)有功功率（優(yōu)先）和無(wú)功率的補(bǔ)償，使臺(tái)區(qū)變壓器輸出功率穩(wěn)定在PS1。電池放電輸出功率Pf＝PT-PS1。當(dāng)負(fù)荷處于預(yù)設(shè)值PS1和PS2之間時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備處于待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)負(fù)荷低于預(yù)設(shè)值PS2時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備開始對(duì)電池進(jìn)行充電?？梢妰?chǔ)能設(shè)備工作在功率補(bǔ)償模式下，可以達(dá)到削峰填谷的效果，從而解決臺(tái)區(qū)峰值功率時(shí)臺(tái)區(qū)變壓器過載的問題。

從儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)后，測(cè)量配電變壓器的各相電壓如表1所示，電網(wǎng)側(cè)或負(fù)載側(cè)有三相不平衡負(fù)荷存在，但從A相、B相、C相補(bǔ)償電壓分析結(jié)果可以看出，儲(chǔ)能設(shè)備安裝在用戶側(cè)，對(duì)線路末端電壓抬升作用明顯。

表1 某臺(tái)區(qū)移動(dòng)式儲(chǔ)能設(shè)備實(shí)際電壓抬升情況

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)目前的移動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行較為全面的分析與探討，并用一個(gè)具體案例論證了移動(dòng)儲(chǔ)能設(shè)備在配電網(wǎng)中的特有功效。由于儲(chǔ)能設(shè)備體積緊湊，占地面積較小，在配電網(wǎng)局部區(qū)域臨時(shí)增容困難時(shí)，可以利用現(xiàn)有變電站或空置場(chǎng)所就地部署，無(wú)需長(zhǎng)距離架設(shè)線路或敷設(shè)電纜，不僅可減少大量的增容投資費(fèi)用，還降低了線損，保障配電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。