新型配网储能装置的研究与应用

杭州华辰电力控制工程有限公司 斯元海 袁建平 徐军杨 斯林军 杨俊杰

城乡配电网作为城乡地区供电线路的最后一公里，与广大人民群众的生产生活息息相关，因此保障城乡配网稳定运行既是“稳增长、防风险”的重要举措，又是推进新型城镇化建设的重要动力与保障，还是推动能源技术革命、带动产业升级、实现创新发展的战略选择[1]。《国家电网有限公司城市配电网供电可靠性提升工程工作方案》等政策文件中都对保障城乡配电网供电可靠性提出了相应要求，同时也要求加大配电网改造投入，然而目前社会用电负荷的快速增长，负荷类型不断增加，昼夜平均电力需求峰谷差不断增加，特别是在一些地区，特定时段出现的尖峰负荷导致配电变压器过载现象时有发生，特定时段出现的尖峰负荷容易造成线损增大问题，给配电网的安全运行带来隐患，配电网供电质量低、线损率不达标现象较为突出，这无法满足国网公司关于保障城乡配电网供电可靠性的相关要求[2]。为解决供电质量不达标问题，供电企业近年来不断加大配电网改造成本投入，虽然在一定程度上解决了地区供电质量不达标问题，但是由于单个台区改造费用逐年攀升、需改造台区数量庞大，因此给供电企业配电网改造成本带来了极大压力[3]。

面对目前存在的问题，本文旨在研制一种成本低、便携性强的新型配网储能装置应用于配电变压器，解决季节性或突发性负荷增大、局部地区电压越限等问题，同时兼顾应急保障、削峰填谷、快速响应、促进可再生能源消纳等应用，在做到保障配电台区供电质量、降低改造成本的同时，解决应急保障供电、新能源消纳等多种配电网问题。

1 研究现状

配网储能装置的控制是本文的关键内容，现有配网储能装置控制的研究，主要为利用蓄电池储能治理配网电压暂降，即搭建“并联型模块化”电压暂降治理拓扑结构，建立了该拓扑结构的数学模型，在网侧电压发生暂降时，利用电压前馈PI 跟踪等控制策略实现储能充放电控制，实现治理电压暂降低的目的。

但是该方法未考虑集中蓄电池充电装置的设计，首先集中蓄电池由于容量较大，所以该充电装置须承受较大充电电流；其次该电压暂降补偿策略中多绕组变压器由于绕组较多，磁通相互耦合，所以变压器绕组去耦合问题、滤波电容与变压器阻抗谐振这些问题需要深入研究。最后电压暂降补偿策略蓄电池容量设计时，未考虑到实际工程各种电力器件的功率损耗，在进行控制器设计时也还需要根据实际电路参数结合本文推导的数学模型进一步优化PI参数。

2 新型配网储能装置的结构

本文提出的新型配网储能装置由储能模块、能量转换模块、控制模块、通信模块4部分组成，如图1所示。

图1 新型配网储能装置结构

2.1 储能模块

储能模块的要求为安全可靠、便携性高、充电转换效率高、经济性好。本文利用退役电动汽车电池组装电池簇，设计电池簇高压控制盒，配置总正接触器、总负接触器、预充回路、熔断器、塑壳断路器等，所有接触器应能接受电池管理系统控制，高压控制盒内置双路继电器、断路器、快速熔断器。在电池簇总正和总负回路各装备一个继电器，确保电池管理系统BMS 紧急切断指令下，充电时或放电时都可安全快速地切断电池簇的带电回路，保证电池簇安全；断路器在紧急情况下及后期维护时，可直接手动将其断开，起到开关回路的作用，拥有较好的简便性和安全性；快速熔断器可确保电池簇回路发生短路或大电流时快速切断地回路，保证电池簇安全。

为检查电源模块效果，对新型配网储能装置电源模块性能进行测试：进行60次测试，记录电源模块转换效率、电源模块单簇最大放电电流试验结果记录，发现电池模块转换效率大于90%，单簇最大放电电流稳定在100A，充放电能力充分。

2.2 能量转换模块

能量转换模块的要求为抗不平衡负载能力强、输出谐波小、稳定性强。选用储能变流器作为能量转换器，储能变流器（PCS）模式默认并网，即只需设定功率、选择充放电模式、点开机即可，正值为放电，负值为充电。与电池管理系统通讯，充满或者放空就停下，充满放空SOC 可设置。如果需要离网，则选择离网模式，然后开机，默认三相380V，单相220V/50Hz 输出，但是电压和频率开放可调，调节范围分别为±5%。

2.3 控制模块

控制模块的要求为覆盖主要调控指标、控制策略响应具备实时性、具备控制策略安全性。本文提出的控制方式考虑三种情形。

第一，固定功率充/放电策略。本策略通过移动储能电源车以恒定功率向电网放电，验证储能设备对线路负荷的削峰作用。同时通过在负荷低谷期，对储能设备进行充电，验证其对配变负荷曲线的填谷作用。具体实施方法：移动储能电源车以75kW的恒定功率向电网放电，直至储能设备放空自动停止运行。移动储能电源车以50kW 的恒定功率从电网充电，直至储能设备充满自动停止运行。

第二，计划曲线充/放电策略。结合对配变的历史负荷曲线的分析，以小时为单位，通过控制装置，在不同时间段以不同的恒定功率进行充/放电控制，具体充/放功率和充/放时长结合该配变的历史负荷曲线进行自动控制。具体实施方法：对储能电源车设备不同的充电功率，具体设置如图2所示。

图2 计划曲线充/放电设置图（负值充电，正值放电）

图3 负荷跟随平抑配变功率曲线设置定制图（远程、本地）

第三，负荷跟随实时控制策略。本策略根据所采集到的支路电压、电流，通过对配变负荷曲线的分析计算，自动调整自身输出功率，从而实现对配电变负荷曲线的调整，实现对台区负荷曲线的实时追踪，验证储能设备的负荷跟随控制增容（平抑配变功率曲线）作用。具体实施方法：通过对配变的负荷曲线分析，制订以秒级为单位的控制策略，对该配变以不同功率进行实时放电，达到平抑配变功率曲线的目的。根据近一周的负荷曲线分析，综合台区配变的经济负载率，设定台区功率控制目标值280kW，死区±5kW，储能电源车输出功率调节步长2kW。

3 应用效果

3.1 装置构建

将制作完成的各部件正确组装，装置系统拓扑图和实物应用图如图4、图5所示。

图4 新型配网储能装置系统拓扑图

图5 新型配网储能装置系统实物和现场应用图

3.2 有效性验证

在杭州市开展应用，应用前，该市854个台区在“迎峰度夏”期间出现台区配变重过载现象，很多配变日常供电负荷在20%以下，到“迎峰度夏”期间配变负荷会达到80%以上。

自2023年5月起，在杭州市推广应用，以该市王村台区为例，应用后，移动式储能系统放电可达60kWh，最大功率补偿30kVA，能够把并网点无功率控制在100kW 以内。图6所示为2023年8月10日该台区变压器功率运行曲线，上午9点至傍晚6点储能车处于工作状态，从图中可以看出，在此期间功率曲线更加平稳，并且将台区变压器的有功输出功率控制在110kW 以内，解决了台区配变时段性重过载问题，大幅提升了居民生活生产用电的可靠性。

图6 功率运行曲线图

4 结语

针对目前台区储能装置存在的不足，本文研制了一套新型配网储能装置，利用退役的新能源汽车动力蓄电池构建的一套“台区一体化储能装置”应用于配电变压器，可以降低线损，提升电压合格率。解决季节性或突发性负荷增大问题，兼顾削峰填谷、快速响应、促进可再生能源消纳等应用，装置不仅降低了台区改造成本，也保证了台区能够稳定运行。