電池儲(chǔ)能技術(shù)在孤網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用與分析

王成龍，王振華，王 淼，張 晨

(陜西鼓風(fēng)機(jī)(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710611)

0 引言

孤網(wǎng)是孤立電網(wǎng)的簡稱，一般泛指脫離大電網(wǎng)的小容量電網(wǎng)。簡單的說，就是自發(fā)自用，自成體系，完全與大網(wǎng)脫開。孤網(wǎng)系統(tǒng)控制核心內(nèi)容就是電壓控制和頻率控制，以保證在用戶負(fù)荷變化的情況下保持電網(wǎng)頻率和電壓的穩(wěn)定。

電池儲(chǔ)能技術(shù)是以電化學(xué)電池為儲(chǔ)能載體,通過儲(chǔ)能變流器進(jìn)行可循環(huán)電能存儲(chǔ)、釋放的系統(tǒng)技術(shù)。電池儲(chǔ)能技術(shù)主要應(yīng)用場(chǎng)景分為電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和負(fù)荷側(cè)，主要作用有：(1)調(diào)頻調(diào)峰、電壓穩(wěn)定、黑啟動(dòng)等電力市場(chǎng)輔助服務(wù)；(2)促進(jìn)新能源消納，提升新能源容量可信度，平衡電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)的功率波動(dòng)，并提高電網(wǎng)穩(wěn)定性；(3)提升電網(wǎng)利用效率，通過調(diào)節(jié)電網(wǎng)峰谷差，延緩配電擴(kuò)容；(4)在電網(wǎng)發(fā)生停電故障時(shí)，儲(chǔ)能為用戶提供應(yīng)急用電，避免故障修復(fù)時(shí)電力中斷，保證供電可靠性等。

1 電池儲(chǔ)能技術(shù)在孤網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

以某公司為例，此公司電網(wǎng)系統(tǒng)處于孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，每當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)電量或用電負(fù)荷發(fā)生較大變化時(shí)，電網(wǎng)系統(tǒng)的頻率和電壓就會(huì)劇烈波動(dòng)，從而導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰，全廠停產(chǎn)，損失非常大。

1.1 某公司電網(wǎng)現(xiàn)狀

(1)廠內(nèi)電網(wǎng)共分為5段母線(PCC1～5)，系統(tǒng)電壓等級(jí)為10 kV，變壓器數(shù)量60臺(tái)，系統(tǒng)總?cè)萘?0 MVA，接線圖見圖1、圖2、圖3、圖4、圖5(虛線框內(nèi)為改造方案)。

圖1 PCC1段接線圖

圖2 PCC2段接線圖

圖3 PCC3段接線圖

圖4 PCC4段接線圖

圖5 PCC5段接線圖

(2)廠內(nèi)發(fā)電機(jī)組裝機(jī)有70.7 MW,包含沼氣發(fā)電機(jī)組7×1.1 MW和4×1.5 MW，燃汽輪發(fā)電機(jī)組1×18 MW、1×15 MW和4×6 MW。

(3)廠內(nèi)負(fù)荷分為重要負(fù)荷和一般負(fù)荷：①重要負(fù)荷17 MW，包含廠用電負(fù)荷、西大井負(fù)荷和合成氨車間負(fù)荷等；②一般負(fù)荷有12 MW，包含照明及其他輔助系統(tǒng)等。

根據(jù)運(yùn)行情況，日用電負(fù)荷17 MW～27 MW，日總耗電量約為43.2萬kWh，典型日負(fù)荷見表1。

表1 典型日負(fù)荷

1.2 故障分析

通過對(duì)以前出現(xiàn)故障進(jìn)行調(diào)查及數(shù)據(jù)分析，得出出現(xiàn)最多的故障有兩種：

(1)電氣設(shè)備故障，用電負(fù)荷突然降低，電網(wǎng)不能及時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)電量，造成電網(wǎng)負(fù)荷不平衡，電網(wǎng)系統(tǒng)崩潰;

(2)發(fā)電機(jī)組故障，負(fù)荷切除太慢導(dǎo)致系統(tǒng)電壓過低引起電網(wǎng)不穩(wěn)定，造成電網(wǎng)崩潰。

1.3 技術(shù)方案

根據(jù)電力系統(tǒng)孤網(wǎng)運(yùn)行特點(diǎn)及故障分析結(jié)果，擬采用電池儲(chǔ)能技術(shù)來調(diào)節(jié)電網(wǎng)系統(tǒng)的電能，動(dòng)態(tài)維持電網(wǎng)發(fā)電與負(fù)荷的平衡，實(shí)現(xiàn)無縫切換，最大程度的保證了電網(wǎng)系統(tǒng)的供電可靠性和穩(wěn)定性。同時(shí)，各段母線之間聯(lián)絡(luò)斷路器選用高速斷路器，高速斷路器分?jǐn)鄷r(shí)間不大于30 ms，確保在故障時(shí)能夠及時(shí)切除故障而不影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

結(jié)合日負(fù)荷變化情況，極限工況下負(fù)荷支撐時(shí)間為2小時(shí)，計(jì)算得到電池儲(chǔ)能系統(tǒng)所需配置的容量為10 MW/20 MWh，用以滿足孤網(wǎng)系統(tǒng)在嚴(yán)重故障或異常運(yùn)行工況下的故障切除和負(fù)荷轉(zhuǎn)移。同時(shí)，當(dāng)電網(wǎng)電壓頻率發(fā)生波動(dòng)時(shí)可由電池儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出無功功率，來提高電網(wǎng)系統(tǒng)的功率因數(shù)，改善電能質(zhì)量。

(1)系統(tǒng)方案

在5段母線分別加裝一套2 MW/2 MWh的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，母線之間的母聯(lián)斷路器由常規(guī)斷路器改為高速斷路器，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)故障的快速隔離。通過PCC母線(PCC1～PCC5)將電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和相應(yīng)的重要負(fù)荷和電源連接在一起，之后通過PCC斷路器連接到相應(yīng)的10 kV母線，2 MWh電池儲(chǔ)能系統(tǒng)通過一臺(tái)2500 kVA的雙繞組變壓器并入相應(yīng)的PCC母線。各段母線改造后的一次系統(tǒng)圖具體如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5虛線框內(nèi)所示。

(2)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成及選型配置

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)主要有儲(chǔ)能變流器、能量管理系統(tǒng)、協(xié)調(diào)控制器和電池系統(tǒng)等構(gòu)成。

儲(chǔ)能變流器：儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心設(shè)備，實(shí)現(xiàn)能量在電池和電網(wǎng)的雙向流動(dòng)，方案選用500 kW集中式變流器，其直流側(cè)工作電壓范圍0～1000 V，交流輸出315 V/360 V。整套系統(tǒng)共設(shè)有5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)集裝箱組成，每個(gè)集裝箱為2 MWh的子單元。

能量管理系統(tǒng)：監(jiān)控管理整套儲(chǔ)能系統(tǒng)，包含電氣監(jiān)控子系統(tǒng)，能量管理子系統(tǒng)和智能輔助控制子系統(tǒng)，保障系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

協(xié)調(diào)控制器：高級(jí)功能控制裝置，能夠根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景，制定相應(yīng)的控制策略，并下發(fā)指令給儲(chǔ)能變流器執(zhí)行。

電池系統(tǒng)：儲(chǔ)能系統(tǒng)能量儲(chǔ)存介質(zhì)，選用磷酸鐵鋰電池。

(3)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具備P/Q、V/f、VSG等功能，滿足孤網(wǎng)系統(tǒng)電網(wǎng)支撐的功能，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)計(jì)劃性與非計(jì)劃性并離網(wǎng)工作模式。并網(wǎng)模式下，支持參與電網(wǎng)一次調(diào)頻和慣量響應(yīng)等功能。同時(shí)具備電池快速維護(hù)、黑啟動(dòng)等功能。

儲(chǔ)能變流器在并網(wǎng)運(yùn)行模式下，接受功率調(diào)度；當(dāng)處于離網(wǎng)運(yùn)行模式時(shí)，主要用于穩(wěn)定交流母線電壓、頻率。通過外部電壓電流采集信號(hào)和設(shè)置相應(yīng)的并網(wǎng)點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)并離網(wǎng)運(yùn)行模式。在額定功率范圍內(nèi)，并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)無縫切換。

PCS儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要功能有：

充放電功能：在電網(wǎng)電源供能富裕時(shí)，向電池儲(chǔ)能系統(tǒng)充電，當(dāng)電網(wǎng)電源供能不足或者電源故障時(shí)，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供負(fù)載所需電能，并支撐交流電網(wǎng)正常工作。

有功、無功控制功能：電網(wǎng)電源和負(fù)載正常工作時(shí)，采用并網(wǎng)運(yùn)行的P/Q(恒功率控制)控制策略，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電網(wǎng)電壓和頻率的功能；當(dāng)電網(wǎng)電源故障或供能不足時(shí)，采用孤網(wǎng)V/f(恒壓恒頻控制)控制策略，起到電網(wǎng)支撐的作用。

多機(jī)并聯(lián)功能：通過電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的多機(jī)并聯(lián)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)靈活可靠、容量可變、易維護(hù)、工作安全可靠的PCS系統(tǒng)解決方案。

黑啟動(dòng)功能：當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)因故障停運(yùn)后，電網(wǎng)系統(tǒng)崩潰，處于全“黑”狀態(tài)。此時(shí)，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)不依賴于電網(wǎng)其他設(shè)備，通過自身控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟動(dòng)，逐步投入運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)故障自恢復(fù)運(yùn)行。

虛擬同步機(jī)功能：虛擬同步機(jī)(Virtual Synchronous Generator, VSG)技術(shù)使得電池儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠模擬同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理、有功調(diào)頻以及無功調(diào)壓等特性。因此電池儲(chǔ)能系統(tǒng)從內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制和外部運(yùn)行特性上可與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)一樣，可有效確保電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，防止孤網(wǎng)系統(tǒng)崩潰。

2 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行方式

2.1 運(yùn)行模式

(1)離網(wǎng)模式：是指在自有電網(wǎng)系統(tǒng)電源側(cè)出現(xiàn)嚴(yán)重故障、發(fā)電系統(tǒng)不能正常工作的工況下，需要由電池儲(chǔ)能系統(tǒng)短時(shí)內(nèi)支撐起整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的工作模式，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)起到穩(wěn)定輸出電壓、頻率，給負(fù)荷供電、穩(wěn)定交流電網(wǎng)作用。

(2)沼氣發(fā)電機(jī)組和燃?xì)馄啺l(fā)電機(jī)組均正常工作工況下電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作模式，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)接收功率調(diào)節(jié)指令，對(duì)電池進(jìn)行充放電。

2.2 運(yùn)行模式切換控制

(1)離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)：離網(wǎng)模式下，接收到并網(wǎng)指令或者檢測(cè)到電網(wǎng)恢復(fù)供電時(shí)，進(jìn)行電網(wǎng)預(yù)同步，輸出相位、幅值滿足要求時(shí)控制PCC開關(guān)合閘。

(2)并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)：并網(wǎng)模式下，檢測(cè)到電網(wǎng)失電或者接收到離網(wǎng)指令時(shí)，進(jìn)行切換控制，快速斷開PCC開關(guān)。

2.3 仿真試驗(yàn)

通過對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在孤網(wǎng)中運(yùn)行進(jìn)行一次調(diào)頻、調(diào)頻和調(diào)壓仿真試驗(yàn)，結(jié)果如圖6、圖7和圖8所示。

圖6 一次調(diào)頻響應(yīng)曲線

圖7 調(diào)頻運(yùn)行

圖8 調(diào)壓運(yùn)行

為實(shí)現(xiàn)計(jì)劃性或非計(jì)劃性并離網(wǎng)功能，可在交流電網(wǎng)電源側(cè)設(shè)置反饋觸點(diǎn)和公共連接點(diǎn)(PCC點(diǎn))，實(shí)現(xiàn)并轉(zhuǎn)離快速負(fù)荷轉(zhuǎn)移和同期并網(wǎng)，仿真曲線如圖9和圖10所示。

圖9 同期并網(wǎng)

圖10 零閃斷并轉(zhuǎn)離

為滿足電池快速維護(hù)以及黑啟動(dòng)功能，設(shè)備控制取電采用外部交流以及自身交流側(cè)取電相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)黑啟動(dòng)和電網(wǎng)故障穿越，仿真結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖11 黑啟動(dòng)

圖12 電網(wǎng)故障穿越

通過上述仿真實(shí)驗(yàn)得出，此方案完全滿足孤網(wǎng)安全運(yùn)行的要求，并在現(xiàn)場(chǎng)得到驗(yàn)證。

3 結(jié)論

隨著國家節(jié)能環(huán)保政策及電力售電政策的推進(jìn)，越來越多的園區(qū)或工礦企業(yè)將采用孤網(wǎng)運(yùn)行，一方面能夠降低企業(yè)的運(yùn)營成本，另一方面能夠靈活用電，提高能源使用效率。但是，由于孤網(wǎng)系統(tǒng)容量比較小，受發(fā)電和用電系統(tǒng)限制，穩(wěn)定性和安全性相對(duì)較弱，需要采用一些先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行調(diào)節(jié)，來滿足企業(yè)用電可靠性、安全性的要求。