儲能電站接入電網電能質量評估研究

杜芳 肖蕾

摘要：目前，儲能電站在實際運行中離不開非線性儲能變流器來完成電能的釋放和儲存。儲能電站接入電網會在一定程度上發生能源質量問題，如何更好地保障大容量儲能接入，提升實際的系統安全穩定性，評估區域電網儲能的承載能力，是當前亟需思考的問題。基于此，本文以某大型儲能電站接入電網工程作為案例，進一步探討儲能電站接入電網電能的綜合評估分析模式，希望能為我國儲能電站接入電網電能質量評估工作提供一定的參考。

關鍵詞：儲能電站；接入電網；電能質量評估

當前，多數儲能電站在發展過程中，會采用電化學儲能模式。通過儲能變流器，實現能量釋放儲存。在實際應用過程中，儲能電流器屬于相對典型的非線性電力電子裝置，能進一步為電力系統有效引入各次諧波。由于整體儲能電站及實際功率相對較大，供電母線存在相對明顯的電壓偏差與實際波動。因此，儲能電站在接入系統時，要根據接入實際的設計方案以及區域電網的綜合參數。根據變電站綜合運行情況以及電能質量存在的背景測試數據，進一步預測儲能電站接入，探究是否會導致變電站公共連接點存在電能質量超標情況，并對評估結果提出有針對性的治理要求。本文以某儲能電站工程為案例，將其接入系統進行探究，將實際的儲能變流器作為對電腦系統職務的干擾源，從坡電壓變動等角度出發，進一步探究實際儲能電站接入實際電網存在的電能質量影響，旨在提升電網電能質量，改善用電環境。

一、工程概況

本研究以某大型儲能電站工程作為例，根據儲能電站建設單位提供的材料進行研究。該實際工程計劃建設一個容量為100～200MWh的儲能電站，并采用磷酸鐵鋰電池作為儲能設備。該儲能電站還配備匯流柜、電池控制柜、暖通系統和消防系統，形成了一個綜合儲能系統，電池容量為1.26～2.52MWh。在實際運行中，電池儲能系統對應一個儲能單元系統，每個儲能單元系統在實際建設過程中標稱容量達到2.56～5.12MWh。系統內還配置了4臺630kW的儲能變流器，1臺200kVA的10kV/0.4kV升壓變壓器連接到相應的升壓站，用于配電母線。具體而言，儲能單元系統及實際的方案配置如圖1所示。

在100～200MWh的電化學儲能系統中，包括80套儲能變流器。在實際的系統構建過程中，每4套儲能變流器配備一臺10kV的雙繞組變壓器用于升壓。儲能單元的輸出通過相應的戰略電纜集中引導至110kV的升壓變電站。該變電站配備2臺63MWh的主變壓器，進一步將電壓升至110kV。整個升壓站的規劃中，110kV電纜的使用被考慮，通常使用360mm2的電纜。升壓站將110kV的電壓接入到220kV變電站的110kV側，再通過實際接入將其連接到電網中。

二、背景測試以及現值計算

（一）背景測試

為了準確分析儲能電站接入系統在應用過程中存在的電能質量問題，需要探究儲能電站上級變電站的公共母線背景情況，并綜合研究電能質量。為此，需要使用專業儀器進行電能質量的綜合背景測試，以獲取更準確的數據。在測試過程中，要確保有足夠的時間，要涵蓋包括完整的生產周期。在實際的電能質量測試中，主要關注的指標包括電壓總畸變率、諧波電壓以及三相不平衡度，還要考慮劫波電流、電壓偏差和波動等多個方面。為確保整體測試的準確性，可以采用95%概率值作為參數參考。在本研究中，針對變電站公共接入點的電能質量背景進行實際測試，測試結果如表1所示。

（二）現值計算

依照整體儲能電站具有的接入系統方案，在實際研究過程中，選取接入變電站的110kV側母線作為整體公共的連接點，則實際儲能電站具有的接入公共連接點的總機變率、斜坡含量、電壓偏差與三相不平衡等各項指標的限制包括：

第一，諧波電壓值。根據電能質量公用電網諧波的規定可以發現，110kV電壓等級斜坡電壓的標準現值達到整體電壓總級別率小于2%，具有的基數次諧波的限制達到1.67%，偶數次的現貨現值達到0.8%。

第二，電壓偏差現值。根據電能質量供電電壓偏差的相關規定，對于110kV以及以上的電壓等級而言，具備正負電壓偏差絕對值。在實際相加過程中，要低于整體額定電壓的10%。

第三，三相不平衡限值。根據電能質量三相電壓不平衡的實際規定，可以發現對用戶接入的公共連接點導致的三相電壓不平衡問題。一般情況下，允許值需要達到1.3%，短時要低于2.6%。

第四，電壓波動。根據依照電能質量電壓波動以及閃變的實際規定，電壓波動具有的限制、電壓、變動頻率與電壓等級具有密切關聯。儲能電站具有儲能以及逆變的綜合影響狀態，每日要低于10次，對于110kV的高壓等級用戶具有的實際電壓波動要達到3%。

第五，諧波電流。根據電能質量的規定，公共連接點允許的諧波電流注入限制與用戶協議容量、供電設備容量以及短路容量密切相關。根據GB/T 14549附錄C的規定，需要進行相應的整定計算。綜合考慮實際系統運營情況，變電站110kV側母線的短路容量為2453.38MkV，實際總供電量對應主變容量為180MWh，企業用戶協議容量為100MWh。

三、仿真評估

（一）仿真模型搭建

在研究過程中，可以使用電能質量仿真軟件，并根據實際的儲能電站和供電電網的資料以及其他相關資料，構建儲能電站接入系統的綜合仿真模型，評估和分析儲能電站項目的接入電能質量情況。使用電能質量仿真軟件，可以模擬儲能電站接入電網的各種運行情況，并評估對電能質量的影響。可以基于實際資料設置模型的參數和條件，例如，儲能電站的技術規格、電網的電壓等級、負荷情況等。通過建立綜合的仿真模型，分析儲能電站接入系統在不同工作狀態下的電能質量表現，包括電壓總畸變率、諧波電壓、三相不平衡度、電壓波動等，可以更好地了解儲能電站在實際運行中對電網電能質量的影響，并評估系統的穩定性和可靠性。儲能電站接入系統的綜合仿真模型，如圖2所示，可以顯示儲能電站的各個組成部分、電能質量參數的評估結果以及模型中的其他相關信息。

圖2 ?仿真模型展示

在研究中，將220kV變電站的220kV側母線作為整體系統的等效接入點，并將其與實際連接進行等效電網分析。在嚴重的情況下，等效電網的短路容量的最小值可能達到12307.59MkV。將在模型中設置儲能系統內部的儲能電流器、儲能電流器和諧波發生的實際特性作為主要干擾源。根據用戶提供的逆變器型號和實驗報告，建立逆變器模型并進行性能調試。儲能單元匯將配備40套2.8MkV變壓器，2臺63MkV升壓變壓器和1臺180MkV的主變壓器的實際工作區間默認為線性區間。整體變壓器本身沒有諧波存在，但會進行無功功率消耗的有效計算。儲能電站的典型運行工況可以分為儲能運行和逆變運行兩種類型。在儲能運行時，儲能電站作為負載從電網中吸取能量；在逆變運行時，儲能電站作為電源向電網釋放能量，儲能運行和逆變運行具有高度差異性。為了進行具體的儲能電站電能質量綜合預測和評估，需要進行仿真計算，詳細分析儲能電站接入整體系統后供電變電站母線的諧波電流、諧波電壓、電壓變動、電壓波動和三相不平衡等電能質量指標的變化情況，以此評估儲能電站對整體電網電能質量的影響，并提出相應的改進和優化措施，確保接入系統的穩定性和可靠性。

（二）諧波電流

在儲能電站的運行過程中，根據儲能和逆變運行，儲能電站對系統會產生一定程度的諧波污染。儲能電站注入系統的實際諧波電流通常具有6K±1次的特征頻率。其中，儲能運行時的5次諧波電流的最大含量為4.08A；在逆變運行時，5次諧波電流的最大含量為3.64A，其他相關諧波電流隨著諧波次數的增加而逐漸降低。然而，實際注入公共連接點的諧波電流應符合規定，諧波電流的含量和頻譜特性對電能質量產生影響，可能引起電壓失真、設備過熱、通信干擾等問題。為了滿足電能質量的要求，可以采取一些措施，例如，使用諧波濾波器、優化儲能電站的運行策略、選擇適當的逆變器型號等，以減少諧波污染并提高系統的穩定性和可靠性。與實際規定相符，可以確保儲能電站在接入公共連接點時的諧波電流符合規范要求，并有效控制諧波。

（三）不三相不平衡度

此變電站采用集中式三相逆變器，并通過輸出實現基本的平衡。在應用過程中，可以進一步忽略儲能電站接入對整體電網的三相不平衡產生的實際影響。三相不平衡測試結果顯示，短時不平衡值為0.14，最大值為0.17，與國家標準相符，意味著該變電站在儲能電站接入過程中能保持較小的三相不平衡，不會對整體電網的電能質量產生顯著影響。

（四）電壓偏差及電壓波動

變電站公共連接點進行的電壓偏差測試中，最小值為3.60%。在實際的儲能運行過程中，系統電壓會隨著實際功率的吸收而進一步下降。因此，選擇最小偏差作為整體系統的電壓基準。在具體的逆變運行過程中，系統電壓會隨著實際功率的釋放而進一步升高，因此，選擇最大偏差作為整體電壓的實際基準。針對儲能電站的儲能運行，變電站的公共連接點的電壓偏差達到2.48%，實際電壓的波動達到0.73%。在儲能電站及逆變運行過程中，實際變電站公共連接點的電壓偏差達到4.22%，電壓波動達到0.62%。根據對電壓波動和電壓偏差的研究，相關數據與國家標準要求相符。結果表明，在儲能電站的運行過程中，變電站公共連接點的電壓波動和偏差均處于符合國家標準的范圍內，意味著儲能電站能維持穩定的電壓供應，不會對電網的電能質量產生顯著影響。

四、結語

綜上所述，儲能電站在一定程度上能有效提升電網調頻以及控制能力，進一步提升電網可再生能源的消納能力，提高綜合效能。儲能電站在實際構建過程中，會將實際儲能變流器作為電能量變換的重要環節。由此，需要接入儲能電站，有效評估實際電網電能質量中產生的影響。在此次研究中可以發現，通過應用軟件完成評估模型分析，儲能電站的電注入電流諧波各自電流與最小限值相比較小，系統諧波電壓總畸變率等諸多參數與國家相關標準要求相符。在此情況下，儲能電網儲能進入實際電網，并不會影響整體電網的安全和穩定。

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