一種基于電化學(xué)儲能的配電變壓器動態(tài)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(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步, 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(wǎng)公司所覆蓋的許多農(nóng)網(wǎng)地區(qū), 由于當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱, 電力供應(yīng)的保障仍是突出問題[4-6]。特別是全年用電負(fù)載率低, 峰值用電具有時段性或季節(jié)性, 特定時期內(nèi)尖峰負(fù)荷突出, 時常造成臺區(qū)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(yùn)行, 避免設(shè)備事故發(fā)生, 提高供電質(zhì)量、供電可靠率和優(yōu)質(zhì)服務(wù)水平顯得尤為重要。

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

本文立足于現(xiàn)有的電化學(xué)儲能技術(shù), 采用臺區(qū)集中補(bǔ)償方式, 研制一種滿足電力生產(chǎn)實際需求的多功能配電變壓器動態(tài)增容裝置。

1 配電變壓器過載現(xiàn)狀分析

1) 臺區(qū)長期過載

臺區(qū)負(fù)荷隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展提升, 但未實施同步改造, 導(dǎo)致臺區(qū)全年超200 天長期過載, 最大負(fù)載率超過130%, 過載期間日均負(fù)載率超120%、日均過載時間超6 h。湖南省約近200 個臺區(qū)存在此問題。

2) 配電變壓器季節(jié)性長時過載

部分臺區(qū)日常負(fù)荷已達(dá)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(dǎo)致配電變壓器長時 (4 ～6 h) 過載, 最大負(fù)載率小于130%,過載期間日均負(fù)載率接近120%, 年均過載60 ～90天。湖南省約近1 000 個臺區(qū)存在此問題。

3) 配電變壓器季節(jié)性短時過載

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

4) 配電變壓器隨機(jī)性頻繁過載

大量農(nóng)網(wǎng)配電臺區(qū)低壓線路 (或分支) 掛接隨機(jī)性大負(fù)荷用戶, 在度夏、度冬、農(nóng)忙等時期,用電激增易導(dǎo)致配電變壓器短時 (1 ～2 h) 頻繁過載, 嚴(yán)重時甚至可使配電變壓器最大負(fù)載率高達(dá)120%左右, 過載時間隨機(jī)性較強(qiáng), 同時給后端用戶帶來低電壓隱患。湖南省1 萬以上臺區(qū)存在掛接隨機(jī)性大負(fù)荷用戶問題。

針對臺區(qū)長期過載, 建議采用臺區(qū)改造方案。針對配電變壓器季節(jié)性長時過載、配電變壓器季節(jié)性短時過載、配電變壓器隨機(jī)性頻繁過載等問題,提出動態(tài)增容裝置解決方案, 避免采用臺區(qū)補(bǔ)點(diǎn)、增容、線路改造等措施導(dǎo)致大量日常輕載臺區(qū)、線路產(chǎn)生。

2 動態(tài)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(jiān)控單元為控制核心, 通過控制功率變換單元的運(yùn)行狀態(tài)與外界進(jìn)行能量交換, 包括并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種工作模式。

2.1.1 并網(wǎng)模式

如圖1 所示, 裝置以并聯(lián)方式接入配電臺區(qū)380 V 主線, 對過載配電變壓器進(jìn)行功率補(bǔ)償, 同時可緩解10 kV線路過載由配電變壓器過載引發(fā)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(wǎng)。工作時, 通過檢測臺區(qū)負(fù)荷電流, 控制裝置充放電。

圖1 裝置并網(wǎng)模式工作原理圖

2.1.2 離網(wǎng)模式

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

圖2 裝置離網(wǎng)模式工作原理圖

2.2 控制保護(hù)策略

2.2.1 動態(tài)增容策略

裝置通過開口式電流互感器采集配網(wǎng)線路負(fù)荷電流, 判斷臺區(qū)配電變壓器是否過載。當(dāng)負(fù)荷電流大于放電設(shè)定值, 中央監(jiān)控單元給功率變換單元下發(fā)放電電流指令, 以補(bǔ)償過載部分的功率, 降低配電變壓器承擔(dān)的功率。當(dāng)負(fù)荷電流小于充電設(shè)定值, 中央監(jiān)控單元給功率變換單元下發(fā)充電電流指令, 以補(bǔ)償裝置的電量。

1) 過載放電策略。當(dāng)檢測到負(fù)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(jù)計算儲能電池可以放電的有功功率P放, 下發(fā)相應(yīng)控制指令給功率變換單元, 控制儲能電池經(jīng)功率變換單元為電網(wǎng)供電。其中PL-r1·PT為需要補(bǔ)償?shù)挠泄β?P最大可放為儲能電池最大放電功率。

2) 輕載充電策略。當(dāng)檢測到負(fù)載功率PL小于r2倍變壓器容量PT, 且電池SOC 小于p2時, 根據(jù)計算儲能電池可以充電的有功功率P充, 下發(fā)相應(yīng)控制指令給功率變換單元, 控制電網(wǎng)經(jīng)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(jù)本地有功功率計劃曲線按時間段執(zhí)行有功功率的分配。當(dāng)前程序默認(rèn)有功功率計劃曲線為5 min一個有功功率值, 一天共計288 點(diǎn)。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(jù)當(dāng)前系統(tǒng)時間決定使用哪一點(diǎn)的值進(jìn)行有功功率計算。舉例說明: 如當(dāng)前時間為11∶13, 則會尋找11∶10 的計劃曲線值, 當(dāng)時間到達(dá) 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(bǔ)償策略

無功補(bǔ)償采用電壓控制模式運(yùn)行, 根據(jù)給定電壓值進(jìn)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(yōu)先滿足有功功率需求的前提下, 補(bǔ)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(yùn)行功率；Pe為裝置的額定有功功率。

2.2.4 BMS 告警保護(hù)策略

中央監(jiān)控單元對電池的電流保護(hù)、電壓保護(hù)、溫度等保護(hù)均采用了三級保護(hù)機(jī)制。根據(jù)BMS 上傳的告警信息, 對功率變換單元進(jìn)行控制, 如圖3所示。一級報警發(fā)生時, 中央監(jiān)控單元控制功率變換單元降功率運(yùn)行；二級報警發(fā)生時, 中央監(jiān)控單元控制功率變換單元停止進(jìn)行充電或放電；三級報警發(fā)生時, 中央監(jiān)控單元下發(fā)并網(wǎng)斷路器跳閘命令, BMS 延時后主動斷開繼電器。

圖3 保護(hù)策略動作流程

3 裝置設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

裝置硬件采用模塊化結(jié)構(gòu), 由一系列功能單元組成, 包括中央監(jiān)控單元、儲能運(yùn)行管理單元、功率變換單元和外輔設(shè)備。中央監(jiān)控單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、控制操作、實時告警、功率控制、畫面監(jiān)控等功能。儲能運(yùn)行管理單元實現(xiàn)電能的存儲和釋放、電池的動態(tài)監(jiān)視。功率變換單元能自動與電網(wǎng)同步, 實現(xiàn)整流與逆變。外輔設(shè)備實現(xiàn)裝置的并網(wǎng)接入、負(fù)荷電流采集、環(huán)境監(jiān)測、控制供電及系統(tǒng)防護(hù)。

中央監(jiān)控單元包括工控機(jī)、路由器。工控機(jī)采用基于ARM Cortex-A8 內(nèi)核的AM335X 微處理器,包含 RS485、RS232、以太網(wǎng)等通信接口。路由器包含高速4G 模塊, 支持信息上送遠(yuǎn)程監(jiān)控, Wi-Fi熱點(diǎn)覆蓋, 滿足就地?zé)o線調(diào)試需求。

儲能運(yùn)行管理單元包含電池及電池管理系統(tǒng),電池采用磷酸鐵鋰電池, 結(jié)構(gòu)為電芯串并聯(lián)組成電池模組, 電池模組串聯(lián)成電池簇提升系統(tǒng)電壓和容量。電池管理系統(tǒng)采用電池模組管理單元+電池簇管理單元兩級結(jié)構(gòu), 完成電池狀態(tài)監(jiān)視及管理。

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

外輔設(shè)備包括: ①并網(wǎng)斷路器、并網(wǎng)隔離開關(guān)、并網(wǎng)線纜、電表、電流互感器；②煙感、溫濕度傳感器、空調(diào)、滅火貼片、門磁鎖；③交流開關(guān)電源+變壓器、浪涌保護(hù)器、空開等。

3.2 軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)后臺選用linux 集成開發(fā)環(huán)境作為開發(fā)平臺, 前端選用B/S 架構(gòu)設(shè)計, 軟件模塊主要包括儲能設(shè)備監(jiān)測、負(fù)載監(jiān)測、告警管理、外輔設(shè)備監(jiān)測、策略管理五個功能。

儲能設(shè)備監(jiān)測模塊主要實現(xiàn)對功率變換單元和電池組狀態(tài)的實時監(jiān)測, 包括設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、電氣量、溫度等數(shù)據(jù)的實時采集和顯示。

負(fù)載監(jiān)測模塊主要實現(xiàn)對配電變壓器負(fù)荷的監(jiān)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(tǒng)、消防、門禁、環(huán)境等方面的告警信息, 可實現(xiàn)告警信息的統(tǒng)計和查詢功能。

外輔設(shè)備監(jiān)測模塊可實現(xiàn)門禁、煙感、空調(diào)的狀態(tài)顯示。

策略管理包括系統(tǒng)設(shè)置和策略管理兩部分。系統(tǒng)設(shè)置部分可設(shè)置功率變換器的并網(wǎng)/離網(wǎng)工作模式和并網(wǎng)斷路器的分合閘。策略管理部分包含調(diào)峰策略和分時功率的參數(shù)設(shè)置。

4 裝置優(yōu)勢及應(yīng)用效果分析

4.1 優(yōu)勢

4.1.1 治理重過載

利用電池儲能實現(xiàn)削峰填谷, 可以有效解決負(fù)荷高峰期特發(fā)性突增用戶負(fù)荷導(dǎo)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(dǎo)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(yùn)行狀態(tài), 提高供電可靠性。

4.1.2 改善電能質(zhì)量

通過有功補(bǔ)償和無功補(bǔ)償, 可以解決因配電變壓器過載導(dǎo)致的用戶低電壓問題、無功損耗導(dǎo)致的低電壓問題, 改善用戶用電質(zhì)量。

4.1.3 部署迅捷

可快速部署并立即解決突發(fā)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(qū)改造項目從需求提報、批復(fù)到投運(yùn), 普遍需1 年左右才能完工。

4.1.4 可重復(fù)利用

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

4.1.5 可用于應(yīng)急保供電

在非負(fù)荷高峰期, 可用于臨時供電、應(yīng)急保電、不停電作業(yè)等方面, 降低各地市公司購置應(yīng)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(shù)、梯次利用技術(shù)的不斷突破, 儲能系統(tǒng)的能量密度將進(jìn)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(xiàn)。

4.1.7 節(jié)省投資

裝置可緩解電網(wǎng)部分供電缺口, 提高設(shè)備的利用效率, 減少或延緩為滿足短時最大負(fù)荷所需的電網(wǎng)建設(shè)投資。

4.2 應(yīng)用效果

30 kW 配電變壓器動態(tài)增容裝置目前已在某公司配電臺區(qū) (容量100 kVA) 實現(xiàn)掛網(wǎng)試運(yùn)行, 設(shè)定調(diào)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(fù)荷用電高峰期, 接入動態(tài)增容裝置, 起到了削峰填谷的效果, 實現(xiàn)配電變壓器增容30%, 可改善配電變壓器過載情況, 提高電網(wǎng)供電能力。

圖4 24 h 功率曲線

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于電化學(xué)儲能的配電變壓器動態(tài)增容裝置, 介紹了配電變壓器動態(tài)增容裝置的工作原理、控制策略、軟硬件設(shè)計方案。本設(shè)計初步為當(dāng)前儲能技術(shù)在配電變壓器過載治理中的應(yīng)用提供了借鑒。該裝置推廣應(yīng)用可減少、延緩電網(wǎng)投資, 具有部署迅捷、安全環(huán)保、可重復(fù)利用等優(yōu)勢, 可用于應(yīng)急保供電。隨著電池儲能技術(shù)的發(fā)展, 未來必定會成為推進(jìn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命的重要載體, 是能源互聯(lián)網(wǎng)極具發(fā)展前景的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)。