蓄电池逆变并网对站用变电能影响分析

蒋国臻　田佳　钱涛　韩志诚　钮月峰

摘  要：目前，蓄电池逆变并网技术的发展蒸蒸日上，但其并网接入与放电输出对原站用变电能质量的影响有待考究。文章对蓄电池逆变并网的安全性进行了理论分析，设计了单相蓄电池逆变并网系统并采用PSIM（Power Simulation）软件仿真分析确定蓄电池逆变并网输出电压及电流的稳定性。同时，通过搭建平台测试蓄电池逆变并网放电时站用变电能的各项技术指标，测试结果表明，各项电能指标符合国家规范的要求，蓄电池逆变并网放电的接入不会对原站用变交流电能稳定性产生影响。

关键词：蓄电池;逆变并网;电能质量

中图分类号：TM712         文献标志码：A         文章编号：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

蓄電池组是直流系统的必不可少的组成部分。传统的蓄电池组维护采用发热材料作为负载进行核对性容量放电测试，放电过程产生大量的热量，而蓄电池组工作的变电站，对环境的要求往往比较高，为了满足各种设备对工作环境的要求，需要配置空调、通风系统等设备来维持变电站的环境指标;同时，蓄电池组通过发热负载放电是电池能量变成热量散发，浪费了大量的能源，不利于节能减排的发展[1-2]。鉴于以上缺点，近年来，许多变电站采用蓄电池放电逆变并网的方式代替传统发热负载放电，蓄电池逆变并网技术进入新的里程碑。蓄电池逆变并网放电通过将蓄电池组核容放电的直流电逆变成交流电回馈到电网上，全程无热 量产生，减少了能量的损耗，改善设备运行的工作环境，消除了发热放电的安全隐患，保障变电站工作环境的安全性，实现节能环保[3-6]。然而，蓄电池逆变并网装置的接入对电网影响的研究却很少，并网后是否会引起电压电流偏差、闪动、谐波等问题，是否会影响原电网电网稳定性处于未知状态。

本文对蓄电池逆变并网放电的安全性进行了分析，通过系统仿真设计验证，以及搭建测试平台，现场测试蓄电池逆变并网时的电能指标，对各项指标进行对比评估，以此说明逆变并网放电的安全性，消除用户的疑虑，并对日后蓄电池逆变并网技术推广提供依据和参考价值。

1 蓄电池逆变并网放电的安全性分析及其仿真

1.1 蓄电池逆变并网放电安全性分析

电网对于蓄电池放电管理有非常严格的管理措施，最主要的因素还是出于安全性的角度考虑。以站内使用的400Ah，110V的蓄电池组为例，按照0.1C放电电流40A，放电电压110V计算，蓄电池放电功率达到4400W，如果通过放电负载消耗此能量，放电负载发热将会严重影响机房安全。

目前，主流形式是采用通过将蓄电池核容放电电能逆变并网回馈电网的方式，解决蓄电池在线核容放电的热量问题。对于部分逆变并网技术不了解的运维人员担心逆变并网系统影响变电站本身交流电源的安全，为消除此种顾虑，从以下三方面进行分析：

（1）一般变电站需要损耗20-30kW以上的功率，而变电站110kV、220kV一般配置的电池组容量为300Ah至500Ah电池，按10小时放电率进行放电，功率基本都在10kW以内，蓄电池逆变并网放电输出的电能变电站内部完全可以消化，不会对变电站站用电产生影响。

（2）逆变设并网设备与公共电网之间在物理上隔离，不会产生接地保护的现象。

（3）逆变设并网设备可以控制输出的交流电为高质量的正弦波，与公共电网同压、同频、同相，不会对公共电网造成任何的影响，通过以下仿真分析可以验证。

1.2 系统的建模与仿真分析

采用PSIM软件建立系统仿真，运用PSIM软件中自带太阳能电池板模型代替变电站直流系统中的蓄电池组，并搭建并网系统[7]。通过PSIM中的Solar Module功能模块能够设置并读取电池组的参数。通过对直流前级BOOST升压模块以及逆变器模块的学习及研究，在PSIM中建立蓄电池组逆变单相并网系统的仿真结构图，如图1所示。

为了验证110V电压等级在整个核容放电电压范围内都能够保证稳定的逆变并网功能，分别设置电池组的电压为90V、100V及110V范围。仿真结果如图2-4所示。

从仿真结果可以看出，在电池组电压变化范围内，逆变系统输出的电能与电网电压同频、同幅、同相之后进行并网，可知各个部分模块均实现了各自功能，使得直流系统蓄电池得以并网，为直流系统蓄电池组在线核容放电采用逆变并网的方式获得理论支持。

2 蓄电池逆变并网对站用变电能的影响

国家标准对公共电网电能有一定的规范要求，这些标准对逆变器、负荷等设备的研制水平评估起到了很重要的参考作用。蓄电池逆变并网装置对站用变电能质量影响的评价，可通过分析供电电压偏差、供电频率偏差、供电电压三相不平衡度、电压和电流谐波等指标综合评估获得。针对20kV以下站用变，国家标准对以上指标的限值要求整合如下表1所示。

其中，GB/T14549-1993《电能质量 公用电网谐波》对奇次谐波电流与偶次谐波电流的含有率限值还做出了以下规定，如表2。

2.1 试验方法

为了进一步验证蓄电池放电的电能逆变并入电网后，不会对电网造成干扰和影响，在某供电局10kV变电站直流系统实验室进行实际现场测试，逆变并网设备放电输出电能至电网时，分别测试接通载和断开载时公共电网三相交流电的各项电能指标数据。本次测试逆变并网放电设备采用HBDS-110V蓄电池逆变并网放电系统，电能分析仪采用多路电压电流采集的PITE3561电能质量分析仪。

测试平台搭建：将逆变并网系统接入到110V铅酸蓄电池与直流母线之间，其220V交流输出端分别接在B相线与零线上。交流负载连接在B相线上，通过开关可接通或断开交流负载。电能质量分析仪的三路电流传感器测试接口线分别钳在相应的A、B、C三相线上，相线垂直穿过钳口夹合孔;电能质量分析仪的五路电压测试线接口分别连接在相应A、B、C三相线及零线、火线。

测试过程：测试的环境条件对测试结果有很大影响，测试在合适的环境条件下进行，环境温度为22℃，环境湿度为73%。（1）闭合开关，接通交流负载，逆变并网系统启动对220V蓄电池组放电，电能质量分析仪启动监控测试，自动记录监控数据，记录时长为5min。（2）断开开关，斷开交流负载，逆变并网系统启动对220V蓄电池组放电，电能质量分析仪启动监控测试，自动记录监控数据，记录时长为5min。

2.2 结果分析

（1）电压偏差分析

逆变并网系统启动蓄电池组放电，电能质量分析仪监测各相线的电压如表3所示。从表格数据分析可知，接通负载与断开负载两种状态下，A、B、C三相线上的最大电压偏差和最小电压偏差百分比均满足国家标准GB/T12325-2008 《电能质量 供电电压偏差》中20kV以下变电站配电网三相电压偏差为标称电压的±7%的范围内[8]。逆变并网系统单相接入在电网的B相线上，电压偏差比A相与B相的高一些，但仍然在规定范围内。因此，蓄电池放电逆变并入电网，电压偏差符合国家标准的规定要求，不会降低三相交流电的电压质量。

（2）供电频率偏差分析

逆变并网系统启动蓄电池组放电，电能质量分析仪监测供电频率偏差如表4所示。从表格数据分析可知，接通负载与断开负载两种状态下，频率偏差均满足国标要求：GB/T15945-2008 《电能质量电力系统频率偏差》正常允许频率偏差±0.2Hz，系统容量较小时可以放宽到±0.5Hz[9]。因此，蓄电池放电逆变并入电网后，不会对电网的供电频率产生影响。

（3）三相电压不平衡度分析

逆变并网系统启动蓄电池组放电，电能质量分析仪监测三相电压不平衡度如表5所示。从表格数据分析可知，接通负载与断开负载两种状态下，三相电压不平衡度均满足国标要求，GB/T15543-2008《电能质量 三相电压不平衡》三相电压不平衡度不超过2%[10]。因此，蓄电池放电逆变并入电网后，不会对电网的三相电压不平衡度产生影响。

（4）谐波分析

a.电压谐波分析

逆变并网系统启动蓄电池组放电，电能质量分析仪监测各相线的电压谐波含有率如图5、图6所示。从图表数据分析可知，接通负载与断开负载两种状态下，A、B、C三相线上电压谐波含有率最高不超过1.8%，均满足国家标准：GB/T14549-1993，奇次电压谐波含有率限值4.0%，奇次电压谐波含有率限值2.0%[11]。因此，蓄电池放电逆变并入电网，三相电压谐波含有率符合国家标准的规定要求，对电网三相交流电电能的电压总谐波不会产生影响。

b.电流谐波分析

由于单相逆变并网系统输出至B相上，同时负载也接在B相，当逆变并网系统对蓄电池组启动放电，电能质量分析仪监测到25次B相电流谐波含有率，如图7。根据图表分析，各次B相电压谐波含有率均低于相应的规定限值，符合国标要求：GB/T14549-1993《电能质量 公用电网谐波》对奇次谐波电流与偶次谐波电流的含有率限值要求[11]。因此，蓄电池放电逆变并入电网，不会对电网三相交流电流谐波产生影响。

3 结论

蓄电池逆变并网技术是当前电网对蓄电池核对性容量维护主流方式，以其节能环保、安全隐患低等优点，备受关注。本文对蓄电池逆变并网放电的安全性进行了理论分析，同时采用PSIM软件仿真输出蓄电池组电压变化范围内并网电压电流稳定，说明了单相逆变并网系统输出的电能与电网电压同频、同幅、同相之后可安全并网。为进一步验证，在某供电局现场搭建测试平台，监测逆变放电系统启动蓄电池组放电时的各项电能指标，结果表明，蓄电池逆变并网放电时，各相线上的电压偏差、频率偏差、三相电压不平衡度、三相电压谐波含有率和电流谐波含有率均在国家标准规定的要求范围内，说明蓄电池逆变并网并不会对公共电网的电能质量造成影响。本文的分析为用户推广应用逆变并网技术提供了量化的数据，对推动节能减排的事业发展具有非常重要的意义。

参考文献：

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[7]鲍建宇，鲍卫兵，李玉玲.光伏并网三相电流型多电平变流器拓扑与控制[J].电工技术学报，2016，31（8）：70-75.

[8]GB/T12325-2008.电能质量供电电压偏差[S].

[9]GB/T15945-2008.电能质量电力系统频率偏差[S].

[10]GB/T15543-2008.电能质量三相电压不平衡[S].

[11]GB/T14549-1993.电能质量公用电网谐波[S].