大容量電化學(xué)儲(chǔ)能電站儲(chǔ)能評(píng)價(jià)平臺(tái)設(shè)計(jì)

趙博超，李明，張文煜，劉宏勇，宋振宇，戴嘉庚

（國網(wǎng)冀北張家口風(fēng)光儲(chǔ)輸新能源有限公司，河北省 張家口市 075000）

0 引言

儲(chǔ)能在構(gòu)建安全、高效、清潔的現(xiàn)代能源電力體系，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著重要作用。儲(chǔ)能按技術(shù)類別可以分為電磁儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能和熱儲(chǔ)能等，其中電化學(xué)儲(chǔ)能因其效率高、受地理和資源條件限制小等特點(diǎn)在電力系統(tǒng)中廣泛使用[1]。

隨著電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展與成本的降低，中國儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，儲(chǔ)能電站的容量和規(guī)模不斷增加，并且開始陸續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行，使電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行受到了影響，因此儲(chǔ)能電站的并網(wǎng)運(yùn)行需要進(jìn)一步規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。中國頒布的GB/T 36549—2018《電化學(xué)儲(chǔ)能電站運(yùn)行指標(biāo)及評(píng)價(jià)》提出了儲(chǔ)能電站運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)的統(tǒng)一規(guī)范。文獻(xiàn)[2]利用層次分析法-熵權(quán)修正法與模糊評(píng)分理論，將指標(biāo)權(quán)重與指標(biāo)評(píng)分相結(jié)合得出儲(chǔ)能式充電站的評(píng)價(jià)方法。文獻(xiàn)[3]采用層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重和關(guān)系矩陣，從而獲得評(píng)價(jià)結(jié)果。文獻(xiàn)[4]分析了儲(chǔ)能系統(tǒng)的價(jià)值構(gòu)成，提出綜合評(píng)價(jià)三級(jí)指標(biāo)體系，最后給出了電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)方法。文獻(xiàn)[5]基于改進(jìn)層次分析法，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理，建立數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)矩陣，構(gòu)建模糊矩陣評(píng)價(jià)模型，最后提出風(fēng)光儲(chǔ)能電站數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)模型。文獻(xiàn)[6]首先構(gòu)建系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過層次分析法和反熵權(quán)法取得最優(yōu)組合權(quán)重，最后建立基于組合權(quán)重的儲(chǔ)能電站調(diào)峰調(diào)頻性能綜合評(píng)價(jià)模型。目前針對(duì)儲(chǔ)能電站運(yùn)行評(píng)價(jià)的相關(guān)研究較少，無法有效支撐未來大規(guī)模儲(chǔ)能電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

與此同時(shí)，由于大容量的電化學(xué)儲(chǔ)能電站規(guī)模大、站內(nèi)協(xié)同控制方式復(fù)雜，運(yùn)行過程中影響因素較多，在并入電網(wǎng)后難免會(huì)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成一定沖擊，因此必須在并網(wǎng)前對(duì)大容量電化學(xué)儲(chǔ)能電站進(jìn)行性能檢測，在并網(wǎng)后進(jìn)行跟蹤運(yùn)行評(píng)價(jià)，以滿足電網(wǎng)穩(wěn)定安全運(yùn)行的需求。但目前的檢測和評(píng)價(jià)方法是基于儲(chǔ)能電站中的某一個(gè)系統(tǒng)且普遍基于設(shè)備級(jí)，根據(jù)某一個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的檢測結(jié)果歸納整個(gè)儲(chǔ)能電站的性能和運(yùn)行效果，該方法不僅存在較大的安全隱患，還會(huì)占用大量的人力物力，降低工作效率。中國2018年頒布的GB/T 36547—2018《電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》、GB/T 36548—2018《電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電網(wǎng)測試規(guī)程》、GB/T 36558—2018《電力系統(tǒng)電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)通用技術(shù)條件》等對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的電網(wǎng)適應(yīng)性和故障電壓穿越能力做出了統(tǒng)一規(guī)范，奠定了儲(chǔ)能行業(yè)的國家標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)?，F(xiàn)有研究中，文獻(xiàn)[7]針對(duì)鋰離子電池檢測，研究電池系統(tǒng)的全面檢測評(píng)價(jià)技術(shù)，建立了電力儲(chǔ)能綜合評(píng)估平臺(tái)。文獻(xiàn)[8]根據(jù)儲(chǔ)能電站的構(gòu)成，研發(fā)了儲(chǔ)能電站并網(wǎng)一體化測試平臺(tái)，并基于測試平臺(tái)工程應(yīng)用場景，提出了儲(chǔ)能電站并網(wǎng)測試實(shí)施方案，但其所提指標(biāo)不能滿足GB/T 36548—2018的要求。文獻(xiàn)[9-10]研究了可以測試電壓、頻率適應(yīng)性和低電壓穿越的電網(wǎng)模擬器。

本文針對(duì)上述問題，選取儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)的電網(wǎng)適應(yīng)性及故障穿越等指標(biāo)，建立儲(chǔ)能電站等值模型，構(gòu)建儲(chǔ)能電站評(píng)價(jià)平臺(tái)，通過測試儲(chǔ)能電站并網(wǎng)的適應(yīng)性及高低壓穿越能力，驗(yàn)證測試平臺(tái)的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能電站運(yùn)行的評(píng)價(jià)和檢測，以提高儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)的安全性和可靠性。

1 儲(chǔ)能電站評(píng)價(jià)指標(biāo)

儲(chǔ)能系統(tǒng)的并網(wǎng)特性主要包括電能質(zhì)量、功率控制能力、電網(wǎng)適應(yīng)性、充放電轉(zhuǎn)換、低電壓穿越能力、保護(hù)功能等。并網(wǎng)運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)包括儲(chǔ)能電站響應(yīng)能力、安全性、電網(wǎng)適應(yīng)性、故障穿越等關(guān)鍵指標(biāo)，其中安全性包括電氣安全、電池安全、功能安全、電磁兼容、環(huán)保、并網(wǎng)接口保護(hù)等，是儲(chǔ)能系統(tǒng)的評(píng)價(jià)基礎(chǔ)。除安全性之外，儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能評(píng)估也是其重要指標(biāo)，包括額定容量、充放電效率、自放電率、高低溫特性、循環(huán)次數(shù)、響應(yīng)時(shí)間等。

根據(jù)GB/T 36548—2018，儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)測試裝置應(yīng)滿足以下2種要求[11]：能夠模擬電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)的電壓跌落與頻率波動(dòng)；能夠模擬電網(wǎng)故障時(shí)的電壓降落和升高。因此本文選取電網(wǎng)適應(yīng)性和故障電壓穿越指標(biāo)作為儲(chǔ)能電站評(píng)價(jià)指標(biāo)并進(jìn)行仿真測試，各指標(biāo)的計(jì)算方法按照GB/T 36548—2018規(guī)定公式計(jì)算，指標(biāo)及其測試標(biāo)準(zhǔn)如下。

1）適應(yīng)性。

電網(wǎng)適應(yīng)性包括頻率適應(yīng)性、電壓適應(yīng)性、電能質(zhì)量適應(yīng)性。電能質(zhì)量適應(yīng)性包括三相電壓不平衡適應(yīng)性、閃變適應(yīng)性、諧波電壓適應(yīng)性。

測試裝置模擬電網(wǎng)正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)應(yīng)達(dá)到以下要求[11]：①頻率偏差應(yīng)小于0.01 Hz；②測試過程中電壓幅值變化量不能小于標(biāo)準(zhǔn)電壓幅值的1%；③三相電壓不平衡度應(yīng)小于1%，相位偏差應(yīng)小于5°；④儲(chǔ)能變流器連接側(cè)的電壓諧波畸變率小于允許值的50%。

2）故障電壓穿越。

電壓穿越指系統(tǒng)在確定時(shí)間內(nèi)承受某一電網(wǎng)高電壓或低電壓而不退出運(yùn)行的能力[11]。

故障電壓穿越包括低電壓穿越和高電壓穿越，根據(jù)GB/T 36995—2018規(guī)定，低電壓穿越要求為自電壓跌落時(shí)刻起電壓處在0.2Pu（基準(zhǔn)電壓）及以上，0.625 s內(nèi)及電壓恢復(fù)時(shí)系統(tǒng)不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行的能力；高電壓穿越要求為自電壓升高時(shí)刻起，電壓處在1.3Pu及以下0.5 s內(nèi)，1.2Pu及以下1 s內(nèi)系統(tǒng)不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行的能力。

測試裝置模擬電網(wǎng)故障運(yùn)行狀態(tài)時(shí)應(yīng)達(dá)到以下要求[12]：①能模擬三相對(duì)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；②能模擬三相對(duì)稱電壓抬升，電壓抬升幅值應(yīng)在110%～130%之間；③電壓階躍響應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間小于20 ms。

2 儲(chǔ)能電站評(píng)價(jià)平臺(tái)

本文結(jié)合儲(chǔ)能電站等值模型和并網(wǎng)檢測與運(yùn)行評(píng)價(jià)關(guān)鍵指標(biāo)，基于現(xiàn)有儲(chǔ)能并網(wǎng)運(yùn)行架構(gòu)，以四象限變流器為核心構(gòu)建儲(chǔ)能電站評(píng)價(jià)平臺(tái)。

等值建模就是將建立的物理模型按照其內(nèi)在特征及參數(shù)劃分幾個(gè)相類似的群組，再將相應(yīng)參數(shù)聚合，將數(shù)個(gè)詳細(xì)模型等值為一個(gè)等值模型，從而簡化計(jì)算過程，縮短仿真計(jì)算時(shí)間，提高仿真效率。由于儲(chǔ)能電站中存在眾多特性不同的儲(chǔ)能子系統(tǒng)，因此在進(jìn)行等值建模時(shí)，需要對(duì)站內(nèi)的儲(chǔ)能子系統(tǒng)進(jìn)行分類和聚合等值，可以有效解決包含儲(chǔ)能系統(tǒng)的電力系統(tǒng)仿真時(shí)間過長的問題。平臺(tái)構(gòu)建流程如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)能電站評(píng)價(jià)平臺(tái)構(gòu)建流程Fig. 1 Flow chart of evaluation platform construction for energy storage power station

2.1 儲(chǔ)能電站等值模型

2.1.1 等值原則

儲(chǔ)能電站等值模型應(yīng)遵循的規(guī)律為[13]

式中：Ueq為等值后交流系統(tǒng)的電壓；Ieq為等值后儲(chǔ)能電站的輸出電流；U為等值前交流系統(tǒng)電壓；I為等值前儲(chǔ)能電站的輸出電流；m為需等值電站的集電線數(shù)目。

2.1.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)模型

儲(chǔ)能系統(tǒng)模型主要包含電池組模型和變流器模型2部分。

1）儲(chǔ)能電池組模型。

儲(chǔ)能電池組由多個(gè)電池單體串并聯(lián)形成整體。電池組模型主要有戴維南模型、Rint模型、PNGV模型等，實(shí)際應(yīng)用中戴維南模型結(jié)構(gòu)更清晰，仿真結(jié)果具有足夠精度，計(jì)算上較為簡便，應(yīng)用也相對(duì)廣泛。儲(chǔ)能電池組的戴維南模型如圖2所示，其結(jié)構(gòu)主要包含電池SOC（state of charge）、極化電壓Uc、單體電壓Ub、單體電流等。

圖2 蓄電池戴維南模型Fig. 2 Davinen model of battery

2）變流器模型。

儲(chǔ)能變流器（power conversion system，PCS）均為雙向變流器，能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)與電池的連接，使電能在電網(wǎng)與電池之間雙向流動(dòng)。儲(chǔ)能變流器的性能對(duì)整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用[14]。儲(chǔ)能變流器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。儲(chǔ)能變流器模型控制方式包括恒功率（PQ）控制、電壓-頻率（VF）控制、下垂控制、電流內(nèi)環(huán)控制等[15]。

圖3 儲(chǔ)能變流器結(jié)構(gòu)Fig. 3 Structure of PCS

儲(chǔ)能變流器通常采用單級(jí)型和多級(jí)型（或雙級(jí)型）2種配置方式，在等值模型中多級(jí)型變流器可以認(rèn)為是多個(gè)單級(jí)型變流器合并而成[14]。雙級(jí)型變流器的前級(jí)為DC/DC直流變換器，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)直流側(cè)充放電電流并通過直流母線與后級(jí)相連。后級(jí)為DC/AC逆變整流器，采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式。圖4為雙級(jí)式變流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[16]。

圖4 雙級(jí)式變流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 4 Main circuit topology of two-stage converter

四象限變流器為可編程交流電源，可以實(shí)時(shí)控制輸出交流電壓的幅值和頻率，從而測試儲(chǔ)能裝置的電網(wǎng)適應(yīng)和故障電壓穿越能力，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 四象限變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 5 Four-quadrant converter topology

四象限變流器不僅能夠降低對(duì)電感、電容的容量要求，還能使電網(wǎng)電流接近正弦波，降低諧波含量，控制功率因數(shù)大小，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)[17]。四象限變流器有兩電平和三電平兩種結(jié)構(gòu)，其兩電平主電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 四象限變流器主電路圖Fig. 6 Four-quadrant converter main circuit diagram

3）等值模型。

本系統(tǒng)從單電池的等效電路模型入手，依據(jù)電池串并聯(lián)的電氣連接關(guān)系，建立電池模組的等效控制模型。通過數(shù)據(jù)擬合及對(duì)等效控制模型的降階處理，得到電池組的等值模型，同時(shí)從單機(jī)儲(chǔ)能變流器仿真模型入手，考慮儲(chǔ)能變流器的電氣聯(lián)接方式/運(yùn)行模式和控制策略，得到儲(chǔ)能變流器的多機(jī)并聯(lián)仿真模型。將儲(chǔ)能電池組和儲(chǔ)能變流器模型融合，考慮到儲(chǔ)能單元在實(shí)際運(yùn)行過程中會(huì)因控制作用使某一時(shí)刻某幾個(gè)儲(chǔ)能單元產(chǎn)生近似的仿真結(jié)果，對(duì)運(yùn)行狀態(tài)相似的儲(chǔ)能單元參數(shù)進(jìn)行整合，采用聚類算法并結(jié)合儲(chǔ)能電站的運(yùn)行特性，從而合并為一個(gè)儲(chǔ)能子系統(tǒng)[15]，得到電化學(xué)儲(chǔ)能電站的等值模型。

聚類算法可以分為k-means、模糊聚類、層次聚類、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的聚類方法等。由于k-means算法響應(yīng)速度快、計(jì)算結(jié)果較準(zhǔn)確，本文采用k-means聚類算法[18]。本文以儲(chǔ)能單元輸出的有功功率相似度作為分群依據(jù)，以有功功率之間的距離作為相似度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，將樣本劃分為K個(gè)簇，然后通過迭代計(jì)算使樣本點(diǎn)到聚類中心的誤差平方和（sum of the squared errors, SSE）達(dá)到最小，以對(duì)運(yùn)行狀態(tài)相似的儲(chǔ)能單元進(jìn)行分類。

建立等值模型所選擇的參數(shù)主要有電池組模型中的荷電狀態(tài)SOC，端口電壓電流，變流器中控制有功功率、無功功率、電壓、頻率的控制參數(shù)等。儲(chǔ)能單元參數(shù)與等值模型整合參數(shù)建立如下聯(lián)系：

式中：Pref為等值后的儲(chǔ)能有功功率參考值，kW；i表示第i個(gè)儲(chǔ)能單元；n為等值的儲(chǔ)能單元個(gè)數(shù)；為等值后的電池組SOC；C為等值后的儲(chǔ)能容量，kWh；Pmax為等值后的儲(chǔ)能最大充放電功率，kW；為等值后的電壓，V；I為等值后的電流，A。

等值后變流器功率參考值、最大充放電功率和等值后電池組SOC的關(guān)系不會(huì)發(fā)生變化，儲(chǔ)能變流器濾波電路采用電感電容并聯(lián)的形式，其功率等級(jí)為500 kW，變流器側(cè)濾波電感為0.25 mH，電網(wǎng)側(cè)濾波電感為0.08 mH，濾波電容為220 μF，并網(wǎng)電感為0.03 mH。等值模型給定電池組SOC的初值，以式（2）計(jì)算得到有功功率參考值作為輸入數(shù)據(jù)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電功率作為輸出結(jié)果，所得結(jié)果如圖7所示。

圖7 儲(chǔ)能電站等值模型充放電測試Fig. 7 Charging and discharging test of equivalent model ofenergy storage station

由測試結(jié)果可知，儲(chǔ)能電站等值模型的充放電有功功率平均絕對(duì)誤差為0.416 kW，最大絕對(duì)誤差為1.166 kW；實(shí)際充放電有功功率的平均絕對(duì)誤差為0.251 kW，最大絕對(duì)誤差為0.737 kW；等值模型的仿真時(shí)間為2 s，而實(shí)際儲(chǔ)能電站的仿真時(shí)間為7 min。故本文所建立的儲(chǔ)能電站等值模型的有功功率充放電結(jié)果與實(shí)際測量的儲(chǔ)能電站有功功率充電結(jié)果相差不大，但仿真時(shí)間遠(yuǎn)小于實(shí)際儲(chǔ)能系統(tǒng)的仿真時(shí)間。等值后儲(chǔ)能電站的模型較為簡化，且儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)外充放電功率幾乎不發(fā)生變化，即儲(chǔ)能電站的外特性不變，所以該模型應(yīng)用于電力系統(tǒng)仿真時(shí)可以快速得到仿真結(jié)果，能夠極大縮短儲(chǔ)能電站評(píng)價(jià)平臺(tái)的仿真時(shí)間。

2.2 儲(chǔ)能電站評(píng)價(jià)平臺(tái)的搭建

平臺(tái)整體方案示意圖如圖8所示。整個(gè)平臺(tái)包括10 kV/6 kV輸入斷路器、10 kV 四象限變流器、10 kV/（10 kV/6 kV）變壓器、輸出斷路器和旁路斷路器。通過控制10 kV四象限變流器輸出幅值、頻率和相位可變的電壓來實(shí)現(xiàn)輸出功能需求，單元可實(shí)現(xiàn)的測試功能包括：高低電壓故障穿越能力測試、電網(wǎng)適應(yīng)性[頻率適應(yīng)性、電壓適應(yīng)性和電能質(zhì)量（諧波、簡諧波、波動(dòng)及閃變和三相不平衡）適應(yīng)性]測試和一次調(diào)頻等測試。

圖8 整體方案示意圖Fig. 8 Schematic diagram of the overall scheme

變流器功率單元整流端采用可控整流設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)檢測單元直流量，進(jìn)行恒壓控制；四象限變流器輸出端配置10 kV/（10 kV/6 kV）變壓器，實(shí)現(xiàn)輸出10 kV/6 kV；擾動(dòng)單元的輸入端和輸出端都設(shè)有斷路器，旁路開關(guān)用于變流器停止運(yùn)行后可旁路至電網(wǎng)輸出。為了實(shí)現(xiàn)單相或兩相不對(duì)稱跌落，單元輸出采用3臺(tái)單相變壓器，避免采用三相變壓器由于磁路耦合造成的電壓不能跌落至0的問題。

測試平臺(tái)接入10 kV/6 kV電網(wǎng)，模擬10 kV/6 kV電網(wǎng)適應(yīng)性擾動(dòng)，電網(wǎng)電壓適應(yīng)能量雙向流動(dòng)能力，具備主回路旁路功能。測試平臺(tái)工作時(shí)需串聯(lián)在電網(wǎng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)之間，模擬電網(wǎng)擾動(dòng)，并需要適應(yīng)能量雙向流動(dòng)。根據(jù)裝置功能需求，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)包括輸入斷路器、四象限變流器、10 kV/6 kV隔離變壓器、輸出斷路器和旁路斷路器等。

3 評(píng)價(jià)平臺(tái)測試與結(jié)果分析

儲(chǔ)能電站的并網(wǎng)檢測大多通過抽取一個(gè)儲(chǔ)能子系統(tǒng)進(jìn)行，本文對(duì)35 kV/3 MVA的系統(tǒng)進(jìn)行測試。35 kV電網(wǎng)通過開關(guān)柜、35 kV/10 kV降壓變后，接入系統(tǒng)的10 kV內(nèi)核，其輸出經(jīng)過10 kV/35 kV升壓變和35 kV開關(guān)柜后接被測35 kV裝置。裝置的主回路結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 35 kV/3 MVA裝置主回路結(jié)構(gòu)Fig. 9 Main loop structure of 35 kV/3 MVA device

3.1 故障電壓穿越

高電壓穿越電壓給定指令在0.1 s時(shí)由低電壓變?yōu)楦唠妷?，持續(xù)0.1 s后經(jīng)過2次階躍減小。給定測試電壓為1.3Pu，測試時(shí)間為2 s，測試波形如圖10所示。

圖10 高電壓穿越輸出電壓仿真波形Fig. 10 Simulation waveforms of high voltage across output voltage

低電壓穿越電壓給定指令在0.1 s時(shí)由高電壓變?yōu)榈碗妷海掷m(xù)0.2 s后經(jīng)過1次階躍增大，再經(jīng)過大約0.6 s后以一定斜率緩慢增大。電壓跌落至0.2Pu，測試時(shí)間為2 s，測試波形如圖11所示。

圖11 低電壓穿越輸出電壓仿真波形Fig. 11 Simulation waveforms of low voltage across output voltage

3.2 電網(wǎng)適應(yīng)性

三相電壓不平衡仿真試驗(yàn)分別設(shè)置每相基準(zhǔn)差值為： A、C相設(shè)置為100%基準(zhǔn)值，B相設(shè)置為在0.06 s跌落30%基準(zhǔn)電壓，持續(xù)時(shí)間為0.01 s，仿真波形如圖12所示。

圖12 三相輸出電壓不平衡仿真波形Fig. 12 Simulation waveforms of three-phase output voltage imbalance

設(shè)定輸出電壓幅值按照正弦規(guī)律波動(dòng)，波動(dòng)的頻率為40 Hz，波動(dòng)幅度為±25%，測試波形如圖13所示。

圖13 輸出電壓波動(dòng)以及閃變仿真波形Fig. 13 Simulation waveforms of output voltage fluctuation and flicker

對(duì)系統(tǒng)裝置分別進(jìn)行5次、7次諧波擾動(dòng)輸出仿真，結(jié)果如圖14所示。

圖14 含5次、7次諧波輸出電壓仿真波形Fig. 14 Simulation waveforms of harmonic output voltage of 5 and 7 times

由以上仿真結(jié)果得出平臺(tái)所測試系統(tǒng)的故障電壓穿越能力、三相電壓不平衡適應(yīng)性、諧波擾動(dòng)適應(yīng)性、輸出電壓波動(dòng)以及閃變適應(yīng)性具體參數(shù)如表1所示。

表1 平臺(tái)仿真結(jié)果Table 1 Simulation results

從表1可以看出，在故障電壓穿越能力上，當(dāng)系統(tǒng)承受高電壓穿越時(shí)，在0.1 s給定1.3Pu測試電壓時(shí)，系統(tǒng)承受該電壓0.1 s且正常運(yùn)行；在0.2 s發(fā)生第一次階躍電壓減少至1.2Pu時(shí)，系統(tǒng)承受該電壓0.9 s正常運(yùn)行，自第二次階躍發(fā)生至2 s時(shí)，系統(tǒng)仍能繼續(xù)正常運(yùn)行。低電壓穿越過程中，在0.1 s時(shí)系統(tǒng)電壓將為0，在0.3 s發(fā)生第一次階躍電壓升高至0.2Pu時(shí)，系統(tǒng)承受該電壓0.6 s正常運(yùn)行，在0.9 s時(shí)電壓以一定斜率緩慢增大，系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。電壓階躍響應(yīng)時(shí)間為15 ms，說明系統(tǒng)靈敏性較強(qiáng)；反之，電壓階躍響應(yīng)時(shí)間越長，說明系統(tǒng)反應(yīng)越遲鈍。因此，無論三相故障電壓抬升至1.3Pu還是跌落至0.2Pu，系統(tǒng)都能迅速反應(yīng)且在規(guī)定時(shí)間內(nèi)不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行，即故障承受能力強(qiáng)，有利于提高電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行能力。

在電網(wǎng)適應(yīng)性能力上，系統(tǒng)三相電壓及相位不平衡度均能滿足GB/T 36458—2018的要求，三相電壓的平衡可以降低線路的電能損耗，有效防止繼電器誤動(dòng)和電機(jī)發(fā)熱，提高電動(dòng)機(jī)效率，保證電網(wǎng)電能質(zhì)量。同時(shí)，電壓諧波畸變率為0.48%，小于GB/T 36458—2018中1.6%的要求，由于電網(wǎng)諧波可能會(huì)使局部電網(wǎng)發(fā)生諧振從而產(chǎn)生過電流和過電壓，這將對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重影響，也會(huì)對(duì)相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行造成影響，因此較小的電壓諧波畸變率將有利于電網(wǎng)和相關(guān)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。電網(wǎng)電壓偏差可分為電壓偏高和偏低2種情況，電壓偏高會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)、變壓器等相關(guān)設(shè)備的鐵損增加；而電壓偏低會(huì)嚴(yán)重降低系統(tǒng)有功功率，縮短設(shè)備使用年限，降低工作效率。電壓波動(dòng)造成的閃變也會(huì)給電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行造成隱患，該系統(tǒng)測得穩(wěn)態(tài)電壓變化最大幅值為0.66%，即天氣變化等原因引起的電氣量波動(dòng)較小，有利于系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)頻率偏差為0.01 Hz，滿足GB/T 36458—2018中的要求，能夠有效防止由于系統(tǒng)頻率偏差過大引發(fā)的電網(wǎng)大面積停電事故。

通過上述分析可知，該平臺(tái)可以較為準(zhǔn)確地測量出系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能電站并網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測及運(yùn)行效果的實(shí)時(shí)評(píng)估，符合儲(chǔ)能電站的行業(yè)規(guī)范，進(jìn)而獲得權(quán)威部門的運(yùn)行認(rèn)證許可，最終實(shí)現(xiàn)與國外儲(chǔ)能電站的互聯(lián)互通。同時(shí)，利用該平臺(tái)對(duì)大容量電化學(xué)儲(chǔ)能電站的并網(wǎng)運(yùn)行進(jìn)行檢測與評(píng)價(jià)能夠節(jié)省大量人力和設(shè)備，也將極大提高電力設(shè)備的運(yùn)行安全性，具有很好的經(jīng)濟(jì)和實(shí)用價(jià)值。

4 結(jié)論

目前對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能電站在電網(wǎng)運(yùn)行過程中的異常和故障狀態(tài)分析等運(yùn)行特性評(píng)價(jià)研究較少且大多基于設(shè)備級(jí)，本文利用等值原則和聚類算法，結(jié)合儲(chǔ)能電池組和儲(chǔ)能變流器模型，得到電化學(xué)儲(chǔ)能電站的等值模型，極大縮短了系統(tǒng)仿真時(shí)間?；诂F(xiàn)有儲(chǔ)能并網(wǎng)的運(yùn)行架構(gòu)，開發(fā)了大容量儲(chǔ)能電站評(píng)價(jià)平臺(tái)，選取電網(wǎng)適應(yīng)性及故障穿越等指標(biāo)，驗(yàn)證了測試平臺(tái)的準(zhǔn)確性。通過系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)倉儲(chǔ)式儲(chǔ)能系統(tǒng)的電網(wǎng)適應(yīng)性和故障電壓穿越測試。該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能電站并網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，提高儲(chǔ)能并網(wǎng)的安全性和可靠性，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電站檢測運(yùn)行評(píng)價(jià)的智能化升級(jí)。