电池储能技术在孤网系统中的应用与分析

王成龙，王振华，王 淼，张 晨

(陕西鼓风机(集团)有限公司，陕西 西安 710611)

0 引言

孤网是孤立电网的简称，一般泛指脱离大电网的小容量电网。简单的说，就是自发自用，自成体系，完全与大网脱开。孤网系统控制核心内容就是电压控制和频率控制，以保证在用户负荷变化的情况下保持电网频率和电压的稳定。

电池储能技术是以电化学电池为储能载体,通过储能变流器进行可循环电能存储、释放的系统技术。电池储能技术主要应用场景分为电源侧、电网侧和负荷侧，主要作用有：(1)调频调峰、电压稳定、黑启动等电力市场辅助服务；(2)促进新能源消纳，提升新能源容量可信度，平衡电源侧和负荷侧的功率波动，并提高电网稳定性；(3)提升电网利用效率，通过调节电网峰谷差，延缓配电扩容；(4)在电网发生停电故障时，储能为用户提供应急用电，避免故障修复时电力中断，保证供电可靠性等。

1 电池储能技术在孤网系统中的应用

以某公司为例，此公司电网系统处于孤网运行状态，每当发电机发电量或用电负荷发生较大变化时，电网系统的频率和电压就会剧烈波动，从而导致电网崩溃，全厂停产，损失非常大。

1.1 某公司电网现状

(1)厂内电网共分为5段母线(PCC1～5)，系统电压等级为10 kV，变压器数量60台，系统总容量80 MVA，接线图见图1、图2、图3、图4、图5(虚线框内为改造方案)。

图1 PCC1段接线图

图2 PCC2段接线图

图3 PCC3段接线图

图4 PCC4段接线图

图5 PCC5段接线图

(2)厂内发电机组装机有70.7 MW,包含沼气发电机组7×1.1 MW和4×1.5 MW，燃汽轮发电机组1×18 MW、1×15 MW和4×6 MW。

(3)厂内负荷分为重要负荷和一般负荷：①重要负荷17 MW，包含厂用电负荷、西大井负荷和合成氨车间负荷等；②一般负荷有12 MW，包含照明及其他辅助系统等。

根据运行情况，日用电负荷17 MW～27 MW，日总耗电量约为43.2万kWh，典型日负荷见表1。

表1 典型日负荷

1.2 故障分析

通过对以前出现故障进行调查及数据分析，得出出现最多的故障有两种：

(1)电气设备故障，用电负荷突然降低，电网不能及时调节发电量，造成电网负荷不平衡，电网系统崩溃;

(2)发电机组故障，负荷切除太慢导致系统电压过低引起电网不稳定，造成电网崩溃。

1.3 技术方案

根据电力系统孤网运行特点及故障分析结果，拟采用电池储能技术来调节电网系统的电能，动态维持电网发电与负荷的平衡，实现无缝切换，最大程度的保证了电网系统的供电可靠性和稳定性。同时，各段母线之间联络断路器选用高速断路器，高速断路器分断时间不大于30 ms，确保在故障时能够及时切除故障而不影响电网的正常运行。

结合日负荷变化情况，极限工况下负荷支撑时间为2小时，计算得到电池储能系统所需配置的容量为10 MW/20 MWh，用以满足孤网系统在严重故障或异常运行工况下的故障切除和负荷转移。同时，当电网电压频率发生波动时可由电池储能系统输出无功功率，来提高电网系统的功率因数，改善电能质量。

(1)系统方案

在5段母线分别加装一套2 MW/2 MWh的电池储能系统，母线之间的母联断路器由常规断路器改为高速断路器，实现电网故障的快速隔离。通过PCC母线(PCC1～PCC5)将电池储能系统和相应的重要负荷和电源连接在一起，之后通过PCC断路器连接到相应的10 kV母线，2 MWh电池储能系统通过一台2500 kVA的双绕组变压器并入相应的PCC母线。各段母线改造后的一次系统图具体如图1、图2、图3、图4、图5虚线框内所示。

(2)电池储能系统构成及选型配置

电池储能系统主要有储能变流器、能量管理系统、协调控制器和电池系统等构成。

储能变流器：储能系统的核心设备，实现能量在电池和电网的双向流动，方案选用500 kW集中式变流器，其直流侧工作电压范围0～1000 V，交流输出315 V/360 V。整套系统共设有5个标准集装箱组成，每个集装箱为2 MWh的子单元。

能量管理系统：监控管理整套储能系统，包含电气监控子系统，能量管理子系统和智能辅助控制子系统，保障系统安全可靠运行。

协调控制器：高级功能控制装置，能够根据不同应用场景，制定相应的控制策略，并下发指令给储能变流器执行。

电池系统：储能系统能量储存介质，选用磷酸铁锂电池。

(3)电池储能系统实现功能

电池储能系统具备P/Q、V/f、VSG等功能，满足孤网系统电网支撑的功能，同时可实现计划性与非计划性并离网工作模式。并网模式下，支持参与电网一次调频和惯量响应等功能。同时具备电池快速维护、黑启动等功能。

储能变流器在并网运行模式下，接受功率调度；当处于离网运行模式时，主要用于稳定交流母线电压、频率。通过外部电压电流采集信号和设置相应的并网点即可实现并离网运行模式。在额定功率范围内，并网转离网可实现无缝切换。

PCS储能系统的主要功能有：

充放电功能：在电网电源供能富裕时，向电池储能系统充电，当电网电源供能不足或者电源故障时，电池储能系统负责提供负载所需电能，并支撑交流电网正常工作。

有功、无功控制功能：电网电源和负载正常工作时，采用并网运行的P/Q(恒功率控制)控制策略，实现稳定电网电压和频率的功能；当电网电源故障或供能不足时，采用孤网V/f(恒压恒频控制)控制策略，起到电网支撑的作用。

多机并联功能：通过电池储能系统的多机并联实现组网灵活可靠、容量可变、易维护、工作安全可靠的PCS系统解决方案。

黑启动功能：当电网系统因故障停运后，电网系统崩溃，处于全“黑”状态。此时，电池储能系统不依赖于电网其他设备，通过自身控制系统实现自动启动，逐步投入运行，实现电网系统故障自恢复运行。

虚拟同步机功能：虚拟同步机(Virtual Synchronous Generator, VSG)技术使得电池储能系统能够模拟同步发电机的运行机理、有功调频以及无功调压等特性。因此电池储能系统从内部运行机制和外部运行特性上可与传统同步发电机一样，可有效确保电网系统的稳定性和安全性，防止孤网系统崩溃。

2 电池储能系统运行方式

2.1 运行模式

(1)离网模式：是指在自有电网系统电源侧出现严重故障、发电系统不能正常工作的工况下，需要由电池储能系统短时内支撑起整个电网系统的工作模式，电池储能系统起到稳定输出电压、频率，给负荷供电、稳定交流电网作用。

(2)沼气发电机组和燃气汽轮发电机组均正常工作工况下电池储能系统的工作模式，电池储能系统接收功率调节指令，对电池进行充放电。

2.2 运行模式切换控制

(1)离网转并网：离网模式下，接收到并网指令或者检测到电网恢复供电时，进行电网预同步，输出相位、幅值满足要求时控制PCC开关合闸。

(2)并网转离网：并网模式下，检测到电网失电或者接收到离网指令时，进行切换控制，快速断开PCC开关。

2.3 仿真试验

通过对电池储能系统在孤网中运行进行一次调频、调频和调压仿真试验，结果如图6、图7和图8所示。

图6 一次调频响应曲线

图7 调频运行

图8 调压运行

为实现计划性或非计划性并离网功能，可在交流电网电源侧设置反馈触点和公共连接点(PCC点)，实现并转离快速负荷转移和同期并网，仿真曲线如图9和图10所示。

图9 同期并网

图10 零闪断并转离

为满足电池快速维护以及黑启动功能，设备控制取电采用外部交流以及自身交流侧取电相结合的方式，实现黑启动和电网故障穿越，仿真结果如图11和图12所示。

图11 黑启动

图12 电网故障穿越

通过上述仿真实验得出，此方案完全满足孤网安全运行的要求，并在现场得到验证。

3 结论

随着国家节能环保政策及电力售电政策的推进，越来越多的园区或工矿企业将采用孤网运行，一方面能够降低企业的运营成本，另一方面能够灵活用电，提高能源使用效率。但是，由于孤网系统容量比较小，受发电和用电系统限制，稳定性和安全性相对较弱，需要采用一些先进的技术设备对电网稳定性进行调节，来满足企业用电可靠性、安全性的要求。