高海拔嚴(yán)寒地區(qū)站用電儲能系統(tǒng)的控制策略研究

湖北省電力規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司 張云龍 康 慨 鄭開琦 龔 琪 王玉輝

1 引言

變電站站用電系統(tǒng)是基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)最重要的供應(yīng)單元，是變電站設(shè)備可靠運(yùn)行的重要一環(huán)，合理設(shè)計站用電系統(tǒng)，保證站用電系統(tǒng)高效穩(wěn)定工作，對變電站乃至電網(wǎng)安全運(yùn)行有著重要意義。隨著我國西部大開發(fā)建設(shè)，西藏、甘肅、青海等省電力需求逐年增加，變電站數(shù)量也在不斷增加，西北部分區(qū)域?qū)儆诟吆０蔚貐^(qū)、嚴(yán)寒地區(qū)，在此區(qū)域建設(shè)變電站對設(shè)備運(yùn)行、檢修維護(hù)提出了巨大挑戰(zhàn)，站用電系統(tǒng)重要性不言而喻。高海拔地區(qū)、嚴(yán)寒地區(qū)變電站站用電系統(tǒng)在缺少站外引接電源條件下，一般采用柴油發(fā)電機(jī)組作為站用電系統(tǒng)自備電源，而采用柴油發(fā)電機(jī)需要考慮成品油供應(yīng)及儲存問題，購買散裝油審批流程耗時長，并且在變電站內(nèi)部設(shè)置儲油設(shè)施具有極大的安全隱患，同時柴油發(fā)電機(jī)在高海拔地區(qū)、嚴(yán)寒地區(qū)運(yùn)行也存在排放酸化物影響生態(tài)環(huán)境、故障率較高、啟動時間慢、在低溫時油耗大、部件磨損大，無法滿足設(shè)備瞬時切換需求等問題[1]。

在“雙碳”轉(zhuǎn)型目標(biāo)下，以壓縮空氣儲能、電化學(xué)儲能等日內(nèi)調(diào)節(jié)為主的多種新型儲能技術(shù)得到了迅速發(fā)展，特別電化學(xué)儲能裝置作為后備電源應(yīng)用，具有自動響應(yīng)、穩(wěn)定可靠、便捷維護(hù)、綠色環(huán)保等特點，一旦供電中斷，儲能裝置快速響應(yīng)，提供緊急容量支撐，為電力用戶提供高品質(zhì)電能。針對高海拔地區(qū)、嚴(yán)寒地區(qū)末端電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱，新型儲能應(yīng)用于站用電系統(tǒng)，為變電站應(yīng)急和異地備用等擴(kuò)展性地提供更加完善的解決方案。

2 新型儲能技術(shù)選型

當(dāng)前儲能方式主要分為兩類：一類是物理儲能，一類是化學(xué)儲能。物理儲能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、蓄冷蓄熱和飛輪儲能等，化學(xué)儲能主要包括鋰電池、鉛酸電池、液流電池、鈉離子電池以及超級電容等。除抽水蓄能，其余方式又統(tǒng)稱為新型儲能系統(tǒng)[2]。新型儲能系統(tǒng)中電化學(xué)儲能由于能量密度高，響應(yīng)時間快，靈活方便，使用廣泛，建設(shè)周期短，隨著“雙碳”轉(zhuǎn)型、新型電力系統(tǒng)建設(shè)，包括鋰離子電池、鉛炭等電化學(xué)儲能成本持續(xù)下降。重點對三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池及鉛炭電池基本性能對比見表1。

表1 各種類型電池性能比較

綜合考慮場址區(qū)環(huán)境特性和建設(shè)條件，在高海拔和低溫情況下選擇采用鉛炭電池，鉛炭電池具有較好的安全性及耐低溫特性。

3 采用儲能裝置的站用電系統(tǒng)設(shè)計

3.1 儲能系統(tǒng)設(shè)計

鉛炭電池配置容量需要考慮放電深度和系統(tǒng)效率，配置原則：

電池計算容量（kWh）＝負(fù)荷（kW）×?xí)r間（h）/放電深度/系統(tǒng)效率

負(fù)荷：考慮變電站站用電接入負(fù)荷；時間：變電站主變故障后，站用電系統(tǒng)需要的供電時間；放電深度擬取0.7。

系統(tǒng)效率＝鉛炭電池效率×PCS效率×變壓器及線損效率。儲能系統(tǒng)效率見表2。

表2 儲能系統(tǒng)效率

根據(jù)GB/T 36280 電力儲能用鉛炭電池5.1.2.4小節(jié)，電池簇的能量效率不應(yīng)小于86%，本方案鉛炭電池效率按0.86考慮。

按照變電站站用應(yīng)急負(fù)荷容量180kW計算，儲能系統(tǒng)選型需要滿足計算容量及設(shè)備選型需求，儲能電池通常采用模塊化設(shè)計，電池模塊額定電壓主要以2V及12V系統(tǒng)為主，本項目儲能系統(tǒng)容量為3160kWh，采用2V系列模塊化設(shè)計，儲能系統(tǒng)電池并聯(lián)組數(shù)會減少，對電池的一致性會較好，采用12V系列，儲能系統(tǒng)電池并聯(lián)組數(shù)會增加，根據(jù)GB 51048 電化學(xué)儲能電站設(shè)計規(guī)范5.2.4節(jié)，電池組的成組方式及其連接拓?fù)鋺?yīng)與功率變換器系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相匹配，并應(yīng)減少電池并聯(lián)個數(shù)，結(jié)合市場主流廠家及應(yīng)用情況，本項目鉛炭電池建議選用2V 1000Ah鉛炭電池。

本儲能系統(tǒng)由1580只2V 1000Ah鉛炭電池串并聯(lián)組成，其中316只2V 1000Ah電池串聯(lián)組成一個基本并聯(lián)單元，形成一個電池簇。單個電池簇容量為：316×2×1000＝632kWh，輸出電壓為：316×2＝632V。全站共包含5個電池簇，通過2臺3匯1直流匯流柜匯流后送入1臺500kW儲能變流器（PCS）進(jìn)行雙向逆變，再經(jīng)1臺500kVA隔離變壓器并入站用電系統(tǒng)。儲能系統(tǒng)接線如圖1所示。

圖1 儲能系統(tǒng)接線

3.2 站用電系統(tǒng)設(shè)計

變電站站用工作變壓器通常從主變壓器低壓側(cè)分別引接，兩臺站用變?nèi)萘肯嗤?、可互為備用、分列運(yùn)行。針對高海拔地區(qū)、嚴(yán)寒地區(qū)特別在末端電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)域，站用變一般僅有一路電源可供接入，站用電系統(tǒng)的第二路電源需配置柴油發(fā)電機(jī)，考慮柴油發(fā)電機(jī)在高海拔地區(qū)、嚴(yán)寒地區(qū)運(yùn)行缺陷，可替換為電化學(xué)儲能系統(tǒng)，儲能系統(tǒng)通過儲能變流器PCS后，輸出穩(wěn)定的交流電源，并通過饋線接入站用電主接線[3]。

參考某個高海拔、嚴(yán)寒地區(qū)變電站，根據(jù)負(fù)荷級別及重要性，兼顧經(jīng)濟(jì)性和可靠性要求，站用電主接線共設(shè)置四段母線，分別設(shè)工作I母和工作II母，應(yīng)急I母和應(yīng)急II母，工作I母通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)與工作II母相連，應(yīng)急I母通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)與工作I母相連，應(yīng)急II母通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)與工作II母相連。考慮每段應(yīng)急母線預(yù)留一路饋線開關(guān)作為儲能系統(tǒng)接入，系統(tǒng)接線如圖2所示。

圖2 站用電系統(tǒng)接線

4 站用電儲能系統(tǒng)運(yùn)行策略研究

儲能系統(tǒng)需要根據(jù)站用電系統(tǒng)運(yùn)行方式設(shè)置相應(yīng)的控制策略，站用電母線發(fā)生故障或故障排除時，儲能系統(tǒng)可以滿足在并網(wǎng)和孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)間靈活切換。儲能系統(tǒng)要求快速從充電模式切換到放電模式，且同時需要具備快速控制站用電與儲能系統(tǒng)間的并網(wǎng)開關(guān)的能力。儲能控制系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能。

一是檢測母線及開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)；二是監(jiān)測儲能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；三是儲能與站用母線的并網(wǎng)控制接口；四是管理儲能功率分配和控制策略；五是儲能系統(tǒng)具備有效通信功能，從而保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[4]。

儲能系統(tǒng)設(shè)置單獨控制管理平臺，根據(jù)站用電系統(tǒng)運(yùn)行方式及保護(hù)靈活調(diào)整儲能系統(tǒng)控制策略?？刂乒芾砥脚_可以實現(xiàn)調(diào)整保護(hù)裝置策略，改變裝置定值，

根據(jù)并網(wǎng)和離網(wǎng)運(yùn)行需求實現(xiàn)儲能變流器PCS運(yùn)行在P/Q或者V/f模式，控制站用電母線功率流動，并網(wǎng)時存儲電能，孤網(wǎng)運(yùn)行時釋放電能，提供穩(wěn)定電壓、頻率電源[5]。根據(jù)站用電系統(tǒng)運(yùn)行方式，設(shè)置控制策略如下。

4.1 站用電供電

站用電正常運(yùn)行，應(yīng)急I母供電正常，QF3、QF4、QF5合閘狀態(tài)。為避免兩個不同電源合環(huán)運(yùn)行，儲能系統(tǒng)充電時，系統(tǒng)開環(huán)運(yùn)行；默認(rèn)斷開QF2，優(yōu)先由QF1為儲能系統(tǒng)充電。當(dāng)儲能電池組荷電狀態(tài)SOC＜SOCmax時，PCS控制儲能電池處于充電狀態(tài)，調(diào)節(jié)儲能以計劃充電功率0.1C充電；當(dāng)SOCmax≤SOC，調(diào)節(jié)PCS限制有功功率，處于恒壓浮充狀態(tài)。

4.2 站用電失電

當(dāng)檢測到應(yīng)急I段失電，應(yīng)急II段失電，控制器將發(fā)跳閘命令跳開QF3、QF4。此時全站應(yīng)急段上重要負(fù)荷將由儲能系統(tǒng)提供電源。閉合QF1、QF2。當(dāng)儲能SOC＞SOCmin，PCS控制儲能電池處于VF運(yùn)行狀態(tài)，儲能系統(tǒng)處于放電狀態(tài)。當(dāng)SOC≤SOCmin時，儲能系統(tǒng)停止放電。

4.3 站用電失電后重合閘

站用電失電后，由儲能系統(tǒng)給負(fù)荷供電；控制器實時檢測站用電母線I、II的電壓，當(dāng)母線I（II）的電壓恢復(fù)時，控制器發(fā)命令跳開QF1（QF2），閉合QF3（QF4），QF5；當(dāng)應(yīng)急電源母線I、II電壓均恢復(fù)時，發(fā)同期命令給PCS，由PCS執(zhí)行同期操作并合上QF1。

5 結(jié)語

本文結(jié)合高海拔地區(qū)、嚴(yán)寒地區(qū)站用電系統(tǒng)設(shè)計特點，提出了站用電系統(tǒng)儲能接入的方案，并從主接線的選擇，儲能設(shè)備布置，控制策略等方面進(jìn)行了研究，正常運(yùn)行時站用電為儲能系統(tǒng)進(jìn)行充電，電池充滿后采用浮充備用，站用電失電時，儲能系統(tǒng)放電支撐站用電系統(tǒng)，為站用電系統(tǒng)提供高可靠電源，為高海拔地區(qū)、嚴(yán)寒地區(qū)站用電系統(tǒng)設(shè)計、運(yùn)行的提出可供借鑒的技術(shù)方案，建議結(jié)合項目特點開展項目試點，通過應(yīng)用經(jīng)驗的積累為后續(xù)大規(guī)模儲能裝置應(yīng)用提供條件。