大容量儲能移動并網(wǎng)測試裝置設(shè)計及試驗

李佳曼，萬文軍，蘇偉，羅嘉，鐘國彬

(廣東電科院能源技術(shù)有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510080)

隨著儲能支持政策的逐步出臺以及儲能成本的逐漸降低，儲能電站接入電網(wǎng)的規(guī)模日益增大[1-5]。大規(guī)模儲能設(shè)備并網(wǎng)后能否安全穩(wěn)定運行將對電力系統(tǒng)運行產(chǎn)生很多新的不確定影響[6-7]；因此，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生擾動時，并網(wǎng)運行的大規(guī)模儲能系統(tǒng)必須具備良好的電網(wǎng)適應(yīng)能力及故障穿越能力。

2018年頒布的GB/T 36547—2018《電化學(xué)儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》及GB/T 36458—2018《電化學(xué)儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)測試規(guī)范》，針對電化學(xué)儲能系統(tǒng)的電網(wǎng)適應(yīng)性能力和高、低電壓穿越能力提出了較高的要求。我國儲能產(chǎn)業(yè)近幾年才高速發(fā)展起來，絕大部分儲能系統(tǒng)的并網(wǎng)性能沒有經(jīng)過現(xiàn)場檢測，部分儲能電站未進行系統(tǒng)調(diào)試就直接并網(wǎng)，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行埋下隱患。當(dāng)前儲能系統(tǒng)并網(wǎng)檢測的需求量較大，而作為儲能并網(wǎng)檢測的必要工具，儲能移動并網(wǎng)檢測裝置在國內(nèi)還較為欠缺。

國內(nèi)對新能源并網(wǎng)檢測裝置已開展了一系列研究，主要集中在對風(fēng)電及光伏電站的低電壓穿越檢測裝置及電網(wǎng)適應(yīng)性檢測裝置上。文獻[8-13]對用于低電壓穿越測試的電壓跌落發(fā)生器或電壓故障發(fā)生器開展了研究；文獻[14-17]對可用于低電壓穿越測試及電壓、頻率適應(yīng)性的電網(wǎng)模擬器開展了研究；文獻[18-20]對電網(wǎng)模擬器的阻抗特性、控制策略、仿真等開展了研究。文獻[21]對儲能系統(tǒng)并網(wǎng)測試技術(shù)開展了研究，但文獻中提出的測試指標無法滿足GB/T 36458—2018的要求。目前，國內(nèi)對儲能系統(tǒng)并網(wǎng)測試的需求較大，現(xiàn)有測試僅能使用風(fēng)電或光伏并網(wǎng)檢測裝置。風(fēng)電或光伏并網(wǎng)檢測裝置參照的標準不同，不具備電能質(zhì)量適應(yīng)性測試功能，并不能完全滿足GB/T 36458—2018的要求。本文針對上述國家標準提出的電網(wǎng)適應(yīng)性及高、低電壓穿越測試要求，設(shè)計了適用于大容量儲能系統(tǒng)并網(wǎng)的移動測試裝置，并開展現(xiàn)場試驗，驗證所提方案的有效性及實用性。

1 儲能并網(wǎng)測試裝置要求

根據(jù)GB/T 36458—2018 ，儲能系統(tǒng)并網(wǎng)測試裝置應(yīng)能模擬電網(wǎng)正常運行時的電壓波動與頻率波動，同時還能模擬電網(wǎng)故障時的電壓跌落與電壓抬升[22]。測試裝置模擬電網(wǎng)的各項參數(shù)的正常波動時(工作在模擬電網(wǎng)正常運行狀態(tài))，應(yīng)達到以下性能：

a)與儲能變流器連接側(cè)的電壓諧波畸變率應(yīng)小于電壓諧波畸變率允許值的50%。

b)與電網(wǎng)連接側(cè)的電流諧波幅值應(yīng)小于電流諧波幅值允許值的50%。

c)在測試過程中，穩(wěn)態(tài)電壓幅值變化幅度不得超過標稱電壓幅值的1%。

d)電壓幅值偏差應(yīng)小于標稱電壓幅值的0.2%。

e) 頻率偏差應(yīng)小于0.01 Hz。

f) 三相電壓不平衡度應(yīng)小于1%，相位偏差應(yīng)小于5°。

g)對于中性點不接地的模擬電網(wǎng)裝置，中性點電壓偏移應(yīng)小于相電壓的1%。

h)額定功率應(yīng)大于被測儲能系統(tǒng)輸出的額定功率。

i)具有在1個周波內(nèi)進行±0.1%額定頻率的調(diào)節(jié)能力。

j)具有在1個周波內(nèi)進行±1%額定電壓幅值的調(diào)節(jié)能力。

k)階躍響應(yīng)調(diào)節(jié)時間應(yīng)小于20 ms。

測試裝置工作在模擬電網(wǎng)故障狀態(tài)(電壓跌落或電壓抬升)時，應(yīng)達到以下性能：

a)應(yīng)能模擬三相對稱電壓跌落、相間電壓跌落和單相電壓跌落，跌落幅值應(yīng)在0～90%之間。

b)應(yīng)能模擬三相對稱電壓抬升，電壓抬升幅值應(yīng)在110%～130%之間。

c)電壓階躍響應(yīng)調(diào)節(jié)時間應(yīng)小于20 ms。

2 儲能移動并網(wǎng)測試裝置設(shè)計方案

2.1 總體設(shè)計方案

對于兆瓦級的儲能系統(tǒng)，配置的儲能變流器單機容量主要有500 kW、630 kW、1.2 MW、5 MW幾種規(guī)格。為適應(yīng)各種儲能系統(tǒng)的測試需求，將儲能移動并網(wǎng)測試裝置的總?cè)萘吭O(shè)計為6 MVA，電壓等級為6 kV、10 kV，可切換。

測試裝置工作時需串聯(lián)在電網(wǎng)與儲能系統(tǒng)之間，模擬電網(wǎng)擾動，并需要適應(yīng)能量雙向流動。根據(jù)裝置功能需求，設(shè)計的系統(tǒng)包括輸入斷路器、四象限變流器、10 kV/10 kV隔離變壓器、輸出斷路器和旁路斷路器等，如圖1所示。

圖1 整體方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of overall scheme

四象限變流器是測試裝置的核心部件，通過控制四象限變流器可以輸出幅值、頻率和相位可變的電壓來實現(xiàn)輸出功能需求。并網(wǎng)檢測裝置的四象限變流器設(shè)計難點在于輸出側(cè)的電壓諧波及輸入側(cè)的電流諧波均應(yīng)控制在電能質(zhì)量相應(yīng)的諧波允許值的50%。同時隨著儲能變流器的單機容量的不斷增大，并網(wǎng)檢測裝置的四象限變流器容量應(yīng)不小于5 MW。

四象限變流器采用多模塊級聯(lián)結(jié)構(gòu)，每相由10個功率單元級聯(lián)后輸出，單元直流電壓目標值設(shè)定為960 V。采用10級串聯(lián)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于可以提供更高的輸出電壓和降低輸出諧波，具有電壓輸出能力強、輸出電壓正弦度高等優(yōu)點。主回路拓撲如圖2所示。圖2中A、B、C為系統(tǒng)三相輸出，a1、b1、c1 ……a10、b10、c10分別為多繞組變壓器三相輸出。

圖2 四象限變流器H橋級聯(lián)式拓撲Fig.2 H-bridge cascade topology of four quadrant converter

四象限變流器輸出端配置10 kV/10 kV單相隔離變壓器，隔離變壓器的輸出端有2個抽頭，裝置可實現(xiàn)10 kV和6 kV 2個電壓等級的輸出；裝置的輸入端和輸出端都設(shè)有斷路器，旁路開關(guān)用于測試前后變流器停止運行時，儲能系統(tǒng)可通過旁路進行充放電調(diào)試。

測試裝置體積較大，且需長時間在儲能電站現(xiàn)場進行檢測，故需要采用標準集裝箱形式對測試裝置進行封裝，并配置標準集裝箱平板掛車，以便增強檢測裝置的移動性和便利性，為檢測裝置提供安全、便捷、可靠的現(xiàn)場檢測能力。測試裝置的整體布局如圖3所示。

圖3 總體布局圖Fig.3 General layout

2.2 功率單元整流控制策略

功率單元拓撲如圖4所示。功率單元輸入采用可控整流橋，通過電感與多繞組變壓器二次側(cè)并網(wǎng)進行控制。輸出為H橋，采用載波移相多重化調(diào)制。根據(jù)容量要求，整流側(cè)采用2個400 A (80 ℃)絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)模塊并聯(lián)組成1個單相橋，輸出側(cè)采用3個300 A(80 ℃)IGBT模塊并聯(lián)組成1個單相橋；整流側(cè)在溫度為25 ℃時額定電流可達1 200 A，逆變側(cè)在溫度為25 ℃時額定電流可達1 350 A，可充分滿足系統(tǒng)高低電壓穿越測試時儲能變流器可能產(chǎn)生的并網(wǎng)大電流。圖4中S1—S6為IGBT。

圖4 功率單元拓撲圖Fig.4 Power unit topology diagram

PLL—鎖相環(huán)，phase locked loop的縮寫。圖5 整流側(cè)控制框圖Fig.5 Rectifier side control block diagram

2.3 輸出電壓控制

輸出電壓目標值由基準電壓、電壓差值、諧波指令電壓三者合成，頻率另外獨立設(shè)置，實現(xiàn)電壓幅值與頻率解耦控制。電壓控制示意如圖6所示。給定基準電壓值后，分別獨立檢測和計算A、B、C三相電壓的實際偏差量后，再與基準電壓值疊加得到A、B、C三相輸出電壓基準值。若需要進行諧波補償，則在計算基準電壓與三相電壓的實際偏差量疊加的同時，再疊加需要補償次數(shù)諧波的調(diào)制量以輸出三相電壓基準值。輸出電壓閉環(huán)控制，電壓環(huán)以合成的輸入電壓基準值為目標指令進行PI變換調(diào)節(jié)，輸出電壓指令補償值與輸出電壓基準相加作為輸出電壓指令。

圖6 輸出電壓控制示意圖Fig.6 Schematic diagram of output voltage control

2.4 電網(wǎng)電壓相位的檢測

單元體直流電壓的自適應(yīng)控制要求每個單元體都準確檢測到電網(wǎng)電壓相位。電網(wǎng)電壓相位檢測的精確與否，直接關(guān)系到系統(tǒng)運行的功率因數(shù)和直流母線電壓的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。

本裝置采用的電網(wǎng)電壓相位檢測示意如圖7所示。圖7中：在變壓器原邊，采用電壓互感器測量移相變壓器輸入電壓，測量信號經(jīng)過隔離變壓器后變成低壓正弦信號，然后輸送至各個功率單元；功率單元的同步整流電路對輸入的低壓正弦信號進行整流，輸出只有正半波的電壓波形，再經(jīng)過過零比較器后，輸出與移相變壓器原邊電壓相同相位的方波信號至鎖相環(huán)電路，再由鎖相環(huán)電路鎖定并輸出移相變壓器原邊電壓相位；功率單元的控制芯片接收高壓側(cè)電壓相位，計算出功率單元輸入電壓的相位。

圖7 電網(wǎng)電壓相位檢測示意圖Fig.7 Schematic diagram of grid voltage phase detection

3 現(xiàn)場試驗

試驗時將移動測試裝置電網(wǎng)模擬裝置接入電網(wǎng)，輸出側(cè)接至儲能電站，所接儲能負荷為4.50 MW/2.25 MWh。檢測依據(jù)GB/T 36458—2018的相關(guān)要求開展，所檢測的項目包括電壓諧波、電流諧波、頻率調(diào)節(jié)能力、電壓調(diào)節(jié)能力、模擬電網(wǎng)故障能力等，檢測的各項指標參數(shù)結(jié)果均符合標準要求，具體數(shù)據(jù)見表1。測試時采集的電壓為測試裝置的輸出電壓，利用圖3中的PT2采集；采集的電流為測試裝置的輸出電流，利用圖3中的CT2采集。

表1 儲能移動檢測裝置檢測結(jié)果Tab.1 Detection results of energy storage movement detection device

針對儲能移動并網(wǎng)測試裝置應(yīng)具備的測試功能開展檢測，包括電網(wǎng)適應(yīng)性測試功能、高電壓穿越測試功能、低電壓穿越測試功能。檢測涵蓋空載、輕載(500 kW)及重載(4 500 kW)多種工況，每種工況下檢測了多個測試點。因數(shù)據(jù)較多，本文僅列出典型測試波形。

電網(wǎng)適應(yīng)性測試功能包括3項子功能，分別為電壓適應(yīng)性、頻率適應(yīng)性及電能質(zhì)量適應(yīng)性測試功能。通過設(shè)置測試電壓及測試時間，電壓適應(yīng)性測試功能可以使輸出電壓從額定電壓變化至設(shè)置的測試電壓，經(jīng)過設(shè)置的測試時間后恢復(fù)額定電壓，以測試儲能系統(tǒng)能否正常充電或放電。當(dāng)設(shè)置測試電壓為86%額定電壓，測試時間為60 s，所帶儲能系統(tǒng)工作在500 kW放電時，測試波形如圖8所示，圖8中uab、ubc、uca分別為測試裝置輸出端三相電壓，P為被測儲能系統(tǒng)有功功率。

圖8 電壓適應(yīng)性功能檢測波形Fig.8 Voltage adaptability function detection waveforms

頻率適應(yīng)性測試功能與電壓適應(yīng)性功能類似，進入測試狀態(tài)后能調(diào)整輸出電壓的頻率。設(shè)置測試頻率為50.52 Hz，測試時間為4 s，所帶儲能系統(tǒng)工作在500 kW充電時，測試波形如圖9所示。

圖9 頻率適應(yīng)性功能檢測波形Fig.9 Frequency adaptive function detection waveforms

電能質(zhì)量適應(yīng)性測試功能可以調(diào)節(jié)輸出的諧波電壓及三相不平衡度，同時還可以疊加2個不同頻率的諧波或間諧波。設(shè)置輸出電壓疊加3.2%的4次諧波及3.2%的7次諧波，輸出的電壓頻譜如圖10所示。

圖10 電壓諧波含有率直方圖Fig.10 Histogram of harmonic inclusion rate

高電壓穿越測試功能可以使輸出電壓抬升，當(dāng)設(shè)置測試電壓為127%額定電壓，測試時間為100 ms，所帶儲能系統(tǒng)工作在4 500 kW充電時，測試波形如圖11所示。

圖11 高電壓穿越功能檢測波形Fig.11 Detection waveforms of high voltage ride-through function

低電壓穿越測試功能可以使輸出電壓對稱跌落或不對稱跌落。當(dāng)設(shè)置測試電壓按照低電壓穿越曲線輸出，所帶儲能系統(tǒng)工作在4 500 kW放電時，測試波形如圖12所示，圖12中ia、ib、ic為測試裝置輸出端三相電流。

圖12 低電壓穿越功能檢測波形Fig.12 Detection waveforms of low voltage ride-through function

綜上所述，儲能移動并網(wǎng)測試裝置通過檢測可知，測試裝置具備電網(wǎng)適應(yīng)性測試功能(包含電壓適應(yīng)性、頻率適應(yīng)性及電能質(zhì)量適應(yīng)性)、低電壓穿越測試功能及高電壓穿越測試功能，測試容量可達4 500 kW。

4 結(jié)束語

作為儲能并網(wǎng)檢測的必要工具，儲能移動并網(wǎng)檢測裝置在國內(nèi)還較為欠缺。本文根據(jù)GB/T 36458—2018的要求，設(shè)計了一套用于儲能并網(wǎng)測試的大容量移動式測試裝置。通過現(xiàn)場檢測，驗證了本文設(shè)計的大容量移動式測試裝置在電壓諧波、電流諧波、電壓偏差、階躍響應(yīng)時間等各項指標均符合國標相應(yīng)要求，具備電壓適應(yīng)性測試、頻率適應(yīng)性測試、電能質(zhì)量適應(yīng)性測試、高電壓穿越測試及低電壓測試功能。