新型配網儲能裝置的研究與應用

杭州華辰電力控制工程有限公司 斯元海 袁建平 徐軍楊 斯林軍 楊俊杰

城鄉配電網作為城鄉地區供電線路的最后一公里，與廣大人民群眾的生產生活息息相關，因此保障城鄉配網穩定運行既是“穩增長、防風險”的重要舉措，又是推進新型城鎮化建設的重要動力與保障，還是推動能源技術革命、帶動產業升級、實現創新發展的戰略選擇[1]。《國家電網有限公司城市配電網供電可靠性提升工程工作方案》等政策文件中都對保障城鄉配電網供電可靠性提出了相應要求，同時也要求加大配電網改造投入，然而目前社會用電負荷的快速增長，負荷類型不斷增加，晝夜平均電力需求峰谷差不斷增加，特別是在一些地區，特定時段出現的尖峰負荷導致配電變壓器過載現象時有發生，特定時段出現的尖峰負荷容易造成線損增大問題，給配電網的安全運行帶來隱患，配電網供電質量低、線損率不達標現象較為突出，這無法滿足國網公司關于保障城鄉配電網供電可靠性的相關要求[2]。為解決供電質量不達標問題，供電企業近年來不斷加大配電網改造成本投入，雖然在一定程度上解決了地區供電質量不達標問題，但是由于單個臺區改造費用逐年攀升、需改造臺區數量龐大，因此給供電企業配電網改造成本帶來了極大壓力[3]。

面對目前存在的問題，本文旨在研制一種成本低、便攜性強的新型配網儲能裝置應用于配電變壓器，解決季節性或突發性負荷增大、局部地區電壓越限等問題，同時兼顧應急保障、削峰填谷、快速響應、促進可再生能源消納等應用，在做到保障配電臺區供電質量、降低改造成本的同時，解決應急保障供電、新能源消納等多種配電網問題。

1 研究現狀

配網儲能裝置的控制是本文的關鍵內容，現有配網儲能裝置控制的研究，主要為利用蓄電池儲能治理配網電壓暫降，即搭建“并聯型模塊化”電壓暫降治理拓撲結構，建立了該拓撲結構的數學模型，在網側電壓發生暫降時，利用電壓前饋PI 跟蹤等控制策略實現儲能充放電控制，實現治理電壓暫降低的目的。

但是該方法未考慮集中蓄電池充電裝置的設計，首先集中蓄電池由于容量較大，所以該充電裝置須承受較大充電電流；其次該電壓暫降補償策略中多繞組變壓器由于繞組較多，磁通相互耦合，所以變壓器繞組去耦合問題、濾波電容與變壓器阻抗諧振這些問題需要深入研究。最后電壓暫降補償策略蓄電池容量設計時，未考慮到實際工程各種電力器件的功率損耗，在進行控制器設計時也還需要根據實際電路參數結合本文推導的數學模型進一步優化PI參數。

2 新型配網儲能裝置的結構

本文提出的新型配網儲能裝置由儲能模塊、能量轉換模塊、控制模塊、通信模塊4部分組成，如圖1所示。

圖1 新型配網儲能裝置結構

2.1 儲能模塊

儲能模塊的要求為安全可靠、便攜性高、充電轉換效率高、經濟性好。本文利用退役電動汽車電池組裝電池簇，設計電池簇高壓控制盒，配置總正接觸器、總負接觸器、預充回路、熔斷器、塑殼斷路器等，所有接觸器應能接受電池管理系統控制，高壓控制盒內置雙路繼電器、斷路器、快速熔斷器。在電池簇總正和總負回路各裝備一個繼電器，確保電池管理系統BMS 緊急切斷指令下，充電時或放電時都可安全快速地切斷電池簇的帶電回路，保證電池簇安全；斷路器在緊急情況下及后期維護時，可直接手動將其斷開，起到開關回路的作用，擁有較好的簡便性和安全性；快速熔斷器可確保電池簇回路發生短路或大電流時快速切斷地回路，保證電池簇安全。

為檢查電源模塊效果，對新型配網儲能裝置電源模塊性能進行測試：進行60次測試，記錄電源模塊轉換效率、電源模塊單簇最大放電電流試驗結果記錄，發現電池模塊轉換效率大于90%，單簇最大放電電流穩定在100A，充放電能力充分。

2.2 能量轉換模塊

能量轉換模塊的要求為抗不平衡負載能力強、輸出諧波小、穩定性強。選用儲能變流器作為能量轉換器，儲能變流器（PCS）模式默認并網，即只需設定功率、選擇充放電模式、點開機即可，正值為放電，負值為充電。與電池管理系統通訊，充滿或者放空就停下，充滿放空SOC 可設置。如果需要離網，則選擇離網模式，然后開機，默認三相380V，單相220V/50Hz 輸出，但是電壓和頻率開放可調，調節范圍分別為±5%。

2.3 控制模塊

控制模塊的要求為覆蓋主要調控指標、控制策略響應具備實時性、具備控制策略安全性。本文提出的控制方式考慮三種情形。

第一，固定功率充/放電策略。本策略通過移動儲能電源車以恒定功率向電網放電，驗證儲能設備對線路負荷的削峰作用。同時通過在負荷低谷期，對儲能設備進行充電，驗證其對配變負荷曲線的填谷作用。具體實施方法：移動儲能電源車以75kW的恒定功率向電網放電，直至儲能設備放空自動停止運行。移動儲能電源車以50kW 的恒定功率從電網充電，直至儲能設備充滿自動停止運行。

第二，計劃曲線充/放電策略。結合對配變的歷史負荷曲線的分析，以小時為單位，通過控制裝置，在不同時間段以不同的恒定功率進行充/放電控制，具體充/放功率和充/放時長結合該配變的歷史負荷曲線進行自動控制。具體實施方法：對儲能電源車設備不同的充電功率，具體設置如圖2所示。

圖2 計劃曲線充/放電設置圖（負值充電，正值放電）

圖3 負荷跟隨平抑配變功率曲線設置定制圖（遠程、本地）

第三，負荷跟隨實時控制策略。本策略根據所采集到的支路電壓、電流，通過對配變負荷曲線的分析計算，自動調整自身輸出功率，從而實現對配電變負荷曲線的調整，實現對臺區負荷曲線的實時追蹤，驗證儲能設備的負荷跟隨控制增容（平抑配變功率曲線）作用。具體實施方法：通過對配變的負荷曲線分析，制訂以秒級為單位的控制策略，對該配變以不同功率進行實時放電，達到平抑配變功率曲線的目的。根據近一周的負荷曲線分析，綜合臺區配變的經濟負載率，設定臺區功率控制目標值280kW，死區±5kW，儲能電源車輸出功率調節步長2kW。

3 應用效果

3.1 裝置構建

將制作完成的各部件正確組裝，裝置系統拓撲圖和實物應用圖如圖4、圖5所示。

圖4 新型配網儲能裝置系統拓撲圖

圖5 新型配網儲能裝置系統實物和現場應用圖

3.2 有效性驗證

在杭州市開展應用，應用前，該市854個臺區在“迎峰度夏”期間出現臺區配變重過載現象，很多配變日常供電負荷在20%以下，到“迎峰度夏”期間配變負荷會達到80%以上。

自2023年5月起，在杭州市推廣應用，以該市王村臺區為例，應用后，移動式儲能系統放電可達60kWh，最大功率補償30kVA，能夠把并網點無功率控制在100kW 以內。圖6所示為2023年8月10日該臺區變壓器功率運行曲線，上午9點至傍晚6點儲能車處于工作狀態，從圖中可以看出，在此期間功率曲線更加平穩，并且將臺區變壓器的有功輸出功率控制在110kW 以內，解決了臺區配變時段性重過載問題，大幅提升了居民生活生產用電的可靠性。

圖6 功率運行曲線圖

4 結語

針對目前臺區儲能裝置存在的不足，本文研制了一套新型配網儲能裝置，利用退役的新能源汽車動力蓄電池構建的一套“臺區一體化儲能裝置”應用于配電變壓器，可以降低線損，提升電壓合格率。解決季節性或突發性負荷增大問題，兼顧削峰填谷、快速響應、促進可再生能源消納等應用，裝置不僅降低了臺區改造成本，也保證了臺區能夠穩定運行。