蓄電池逆變并網對站用變電能影響分析

蔣國臻　田佳　錢濤　韓志誠　鈕月峰

摘? 要：目前，蓄電池逆變并網技術的發展蒸蒸日上，但其并網接入與放電輸出對原站用變電能質量的影響有待考究。文章對蓄電池逆變并網的安全性進行了理論分析，設計了單相蓄電池逆變并網系統并采用PSIM（Power Simulation）軟件仿真分析確定蓄電池逆變并網輸出電壓及電流的穩定性。同時，通過搭建平臺測試蓄電池逆變并網放電時站用變電能的各項技術指標，測試結果表明，各項電能指標符合國家規范的要求，蓄電池逆變并網放電的接入不會對原站用變交流電能穩定性產生影響。

關鍵詞：蓄電池;逆變并網;電能質量

中圖分類號：TM712? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）31-0050-05

Abstract： At present， the development of battery inverter grid-connected technology is booming， but the impact of grid-connected access and discharge output on the power quality of the original station needs to be studied. This paper makes a theoretical analysis on the safety of battery inverter grid connection， designs a single-phase battery inverter grid connection system， and uses PSIM （Power Simulation） software to determine the stability of battery inverter grid-connected output voltage and current. At the same time， a platform is built to test the technical indexes of the variable electric energy used in the station when the battery is connected to the grid. The test results show that each electric energy index meets the requirements of the national code. The access of inverter grid-connected discharge of storage battery will not affect the stability of AC power used in the original station.

Keywords： battery; inverter grid connection; power quality

引言

蓄電池組是直流系統的必不可少的組成部分。傳統的蓄電池組維護采用發熱材料作為負載進行核對性容量放電測試，放電過程產生大量的熱量，而蓄電池組工作的變電站，對環境的要求往往比較高，為了滿足各種設備對工作環境的要求，需要配置空調、通風系統等設備來維持變電站的環境指標;同時，蓄電池組通過發熱負載放電是電池能量變成熱量散發，浪費了大量的能源，不利于節能減排的發展[1-2]。鑒于以上缺點，近年來，許多變電站采用蓄電池放電逆變并網的方式代替傳統發熱負載放電，蓄電池逆變并網技術進入新的里程碑。蓄電池逆變并網放電通過將蓄電池組核容放電的直流電逆變成交流電回饋到電網上，全程無熱 量產生，減少了能量的損耗，改善設備運行的工作環境，消除了發熱放電的安全隱患，保障變電站工作環境的安全性，實現節能環保[3-6]。然而，蓄電池逆變并網裝置的接入對電網影響的研究卻很少，并網后是否會引起電壓電流偏差、閃動、諧波等問題，是否會影響原電網電網穩定性處于未知狀態。

本文對蓄電池逆變并網放電的安全性進行了分析，通過系統仿真設計驗證，以及搭建測試平臺，現場測試蓄電池逆變并網時的電能指標，對各項指標進行對比評估，以此說明逆變并網放電的安全性，消除用戶的疑慮，并對日后蓄電池逆變并網技術推廣提供依據和參考價值。

1 蓄電池逆變并網放電的安全性分析及其仿真

1.1 蓄電池逆變并網放電安全性分析

電網對于蓄電池放電管理有非常嚴格的管理措施，最主要的因素還是出于安全性的角度考慮。以站內使用的400Ah，110V的蓄電池組為例，按照0.1C放電電流40A，放電電壓110V計算，蓄電池放電功率達到4400W，如果通過放電負載消耗此能量，放電負載發熱將會嚴重影響機房安全。

目前，主流形式是采用通過將蓄電池核容放電電能逆變并網回饋電網的方式，解決蓄電池在線核容放電的熱量問題。對于部分逆變并網技術不了解的運維人員擔心逆變并網系統影響變電站本身交流電源的安全，為消除此種顧慮，從以下三方面進行分析：

（1）一般變電站需要損耗20-30kW以上的功率，而變電站110kV、220kV一般配置的電池組容量為300Ah至500Ah電池，按10小時放電率進行放電，功率基本都在10kW以內，蓄電池逆變并網放電輸出的電能變電站內部完全可以消化，不會對變電站站用電產生影響。

（2）逆變設并網設備與公共電網之間在物理上隔離，不會產生接地保護的現象。

（3）逆變設并網設備可以控制輸出的交流電為高質量的正弦波，與公共電網同壓、同頻、同相，不會對公共電網造成任何的影響，通過以下仿真分析可以驗證。

1.2 系統的建模與仿真分析

采用PSIM軟件建立系統仿真，運用PSIM軟件中自帶太陽能電池板模型代替變電站直流系統中的蓄電池組，并搭建并網系統[7]。通過PSIM中的Solar Module功能模塊能夠設置并讀取電池組的參數。通過對直流前級BOOST升壓模塊以及逆變器模塊的學習及研究，在PSIM中建立蓄電池組逆變單相并網系統的仿真結構圖，如圖1所示。

為了驗證110V電壓等級在整個核容放電電壓范圍內都能夠保證穩定的逆變并網功能，分別設置電池組的電壓為90V、100V及110V范圍。仿真結果如圖2-4所示。

從仿真結果可以看出，在電池組電壓變化范圍內，逆變系統輸出的電能與電網電壓同頻、同幅、同相之后進行并網，可知各個部分模塊均實現了各自功能，使得直流系統蓄電池得以并網，為直流系統蓄電池組在線核容放電采用逆變并網的方式獲得理論支持。

2 蓄電池逆變并網對站用變電能的影響

國家標準對公共電網電能有一定的規范要求，這些標準對逆變器、負荷等設備的研制水平評估起到了很重要的參考作用。蓄電池逆變并網裝置對站用變電能質量影響的評價，可通過分析供電電壓偏差、供電頻率偏差、供電電壓三相不平衡度、電壓和電流諧波等指標綜合評估獲得。針對20kV以下站用變，國家標準對以上指標的限值要求整合如下表1所示。

其中，GB/T14549-1993《電能質量 公用電網諧波》對奇次諧波電流與偶次諧波電流的含有率限值還做出了以下規定，如表2。

2.1 試驗方法

為了進一步驗證蓄電池放電的電能逆變并入電網后，不會對電網造成干擾和影響，在某供電局10kV變電站直流系統實驗室進行實際現場測試，逆變并網設備放電輸出電能至電網時，分別測試接通載和斷開載時公共電網三相交流電的各項電能指標數據。本次測試逆變并網放電設備采用HBDS-110V蓄電池逆變并網放電系統，電能分析儀采用多路電壓電流采集的PITE3561電能質量分析儀。

測試平臺搭建：將逆變并網系統接入到110V鉛酸蓄電池與直流母線之間，其220V交流輸出端分別接在B相線與零線上。交流負載連接在B相線上，通過開關可接通或斷開交流負載。電能質量分析儀的三路電流傳感器測試接口線分別鉗在相應的A、B、C三相線上，相線垂直穿過鉗口夾合孔;電能質量分析儀的五路電壓測試線接口分別連接在相應A、B、C三相線及零線、火線。

測試過程：測試的環境條件對測試結果有很大影響，測試在合適的環境條件下進行，環境溫度為22℃，環境濕度為73%。（1）閉合開關，接通交流負載，逆變并網系統啟動對220V蓄電池組放電，電能質量分析儀啟動監控測試，自動記錄監控數據，記錄時長為5min。（2）斷開開關，斷開交流負載，逆變并網系統啟動對220V蓄電池組放電，電能質量分析儀啟動監控測試，自動記錄監控數據，記錄時長為5min。

2.2 結果分析

（1）電壓偏差分析

逆變并網系統啟動蓄電池組放電，電能質量分析儀監測各相線的電壓如表3所示。從表格數據分析可知，接通負載與斷開負載兩種狀態下，A、B、C三相線上的最大電壓偏差和最小電壓偏差百分比均滿足國家標準GB/T12325-2008 《電能質量 供電電壓偏差》中20kV以下變電站配電網三相電壓偏差為標稱電壓的±7%的范圍內[8]。逆變并網系統單相接入在電網的B相線上，電壓偏差比A相與B相的高一些，但仍然在規定范圍內。因此，蓄電池放電逆變并入電網，電壓偏差符合國家標準的規定要求，不會降低三相交流電的電壓質量。

（2）供電頻率偏差分析

逆變并網系統啟動蓄電池組放電，電能質量分析儀監測供電頻率偏差如表4所示。從表格數據分析可知，接通負載與斷開負載兩種狀態下，頻率偏差均滿足國標要求：GB/T15945-2008 《電能質量電力系統頻率偏差》正常允許頻率偏差±0.2Hz，系統容量較小時可以放寬到±0.5Hz[9]。因此，蓄電池放電逆變并入電網后，不會對電網的供電頻率產生影響。

（3）三相電壓不平衡度分析

逆變并網系統啟動蓄電池組放電，電能質量分析儀監測三相電壓不平衡度如表5所示。從表格數據分析可知，接通負載與斷開負載兩種狀態下，三相電壓不平衡度均滿足國標要求，GB/T15543-2008《電能質量 三相電壓不平衡》三相電壓不平衡度不超過2%[10]。因此，蓄電池放電逆變并入電網后，不會對電網的三相電壓不平衡度產生影響。

（4）諧波分析

a.電壓諧波分析

逆變并網系統啟動蓄電池組放電，電能質量分析儀監測各相線的電壓諧波含有率如圖5、圖6所示。從圖表數據分析可知，接通負載與斷開負載兩種狀態下，A、B、C三相線上電壓諧波含有率最高不超過1.8%，均滿足國家標準：GB/T14549-1993，奇次電壓諧波含有率限值4.0%，奇次電壓諧波含有率限值2.0%[11]。因此，蓄電池放電逆變并入電網，三相電壓諧波含有率符合國家標準的規定要求，對電網三相交流電電能的電壓總諧波不會產生影響。

b.電流諧波分析

由于單相逆變并網系統輸出至B相上，同時負載也接在B相，當逆變并網系統對蓄電池組啟動放電，電能質量分析儀監測到25次B相電流諧波含有率，如圖7。根據圖表分析，各次B相電壓諧波含有率均低于相應的規定限值，符合國標要求：GB/T14549-1993《電能質量 公用電網諧波》對奇次諧波電流與偶次諧波電流的含有率限值要求[11]。因此，蓄電池放電逆變并入電網，不會對電網三相交流電流諧波產生影響。

3 結論

蓄電池逆變并網技術是當前電網對蓄電池核對性容量維護主流方式，以其節能環保、安全隱患低等優點，備受關注。本文對蓄電池逆變并網放電的安全性進行了理論分析，同時采用PSIM軟件仿真輸出蓄電池組電壓變化范圍內并網電壓電流穩定，說明了單相逆變并網系統輸出的電能與電網電壓同頻、同幅、同相之后可安全并網。為進一步驗證，在某供電局現場搭建測試平臺，監測逆變放電系統啟動蓄電池組放電時的各項電能指標，結果表明，蓄電池逆變并網放電時，各相線上的電壓偏差、頻率偏差、三相電壓不平衡度、三相電壓諧波含有率和電流諧波含有率均在國家標準規定的要求范圍內，說明蓄電池逆變并網并不會對公共電網的電能質量造成影響。本文的分析為用戶推廣應用逆變并網技術提供了量化的數據，對推動節能減排的事業發展具有非常重要的意義。

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[11]GB/T14549-1993.電能質量公用電網諧波[S].