趙博超，李明，張文煜，劉宏勇，宋振宇，戴嘉庚

（國網(wǎng)冀北張家口風光儲輸新能源有限公司，河北省 張家口市 075000）

0 引言

儲能在構(gòu)建安全、高效、清潔的現(xiàn)代能源電力體系，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著重要作用。儲能按技術(shù)類別可以分為電磁儲能、電化學儲能和熱儲能等，其中電化學儲能因其效率高、受地理和資源條件限制小等特點在電力系統(tǒng)中廣泛使用[1]。

隨著電化學儲能技術(shù)的發(fā)展與成本的降低，中國儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，儲能電站的容量和規(guī)模不斷增加，并且開始陸續(xù)并網(wǎng)運行，使電網(wǎng)的穩(wěn)定運行受到了影響，因此儲能電站的并網(wǎng)運行需要進一步規(guī)范化、標準化。中國頒布的GB/T 36549—2018《電化學儲能電站運行指標及評價》提出了儲能電站運行評價指標的統(tǒng)一規(guī)范。文獻[2]利用層次分析法-熵權(quán)修正法與模糊評分理論，將指標權(quán)重與指標評分相結(jié)合得出儲能式充電站的評價方法。文獻[3]采用層次分析法和模糊綜合評價法計算指標權(quán)重和關(guān)系矩陣，從而獲得評價結(jié)果。文獻[4]分析了儲能系統(tǒng)的價值構(gòu)成，提出綜合評價三級指標體系，最后給出了電網(wǎng)側(cè)儲能系統(tǒng)的綜合評價方法。文獻[5]基于改進層次分析法，通過數(shù)據(jù)預處理，建立數(shù)據(jù)評價矩陣，構(gòu)建模糊矩陣評價模型，最后提出風光儲能電站數(shù)據(jù)評價模型。文獻[6]首先構(gòu)建系統(tǒng)的評價指標體系，通過層次分析法和反熵權(quán)法取得最優(yōu)組合權(quán)重，最后建立基于組合權(quán)重的儲能電站調(diào)峰調(diào)頻性能綜合評價模型。目前針對儲能電站運行評價的相關(guān)研究較少，無法有效支撐未來大規(guī)模儲能電站的安全穩(wěn)定運行。

與此同時，由于大容量的電化學儲能電站規(guī)模大、站內(nèi)協(xié)同控制方式復雜，運行過程中影響因素較多，在并入電網(wǎng)后難免會對電網(wǎng)的穩(wěn)定運行造成一定沖擊，因此必須在并網(wǎng)前對大容量電化學儲能電站進行性能檢測，在并網(wǎng)后進行跟蹤運行評價，以滿足電網(wǎng)穩(wěn)定安全運行的需求。但目前的檢測和評價方法是基于儲能電站中的某一個系統(tǒng)且普遍基于設備級，根據(jù)某一個儲能系統(tǒng)的檢測結(jié)果歸納整個儲能電站的性能和運行效果，該方法不僅存在較大的安全隱患，還會占用大量的人力物力，降低工作效率。中國2018年頒布的GB/T 36547—2018《電化學儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》、GB/T 36548—2018《電化學儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)測試規(guī)程》、GB/T 36558—2018《電力系統(tǒng)電化學儲能系統(tǒng)通用技術(shù)條件》等對儲能系統(tǒng)的電網(wǎng)適應性和故障電壓穿越能力做出了統(tǒng)一規(guī)范，奠定了儲能行業(yè)的國家標準基礎?，F(xiàn)有研究中，文獻[7]針對鋰離子電池檢測，研究電池系統(tǒng)的全面檢測評價技術(shù)，建立了電力儲能綜合評估平臺。文獻[8]根據(jù)儲能電站的構(gòu)成，研發(fā)了儲能電站并網(wǎng)一體化測試平臺，并基于測試平臺工程應用場景，提出了儲能電站并網(wǎng)測試實施方案，但其所提指標不能滿足GB/T 36548—2018的要求。文獻[9-10]研究了可以測試電壓、頻率適應性和低電壓穿越的電網(wǎng)模擬器。

本文針對上述問題，選取儲能系統(tǒng)并網(wǎng)的電網(wǎng)適應性及故障穿越等指標，建立儲能電站等值模型，構(gòu)建儲能電站評價平臺，通過測試儲能電站并網(wǎng)的適應性及高低壓穿越能力，驗證測試平臺的準確性，實現(xiàn)對儲能電站運行的評價和檢測，以提高儲能系統(tǒng)并網(wǎng)的安全性和可靠性。

1 儲能電站評價指標

儲能系統(tǒng)的并網(wǎng)特性主要包括電能質(zhì)量、功率控制能力、電網(wǎng)適應性、充放電轉(zhuǎn)換、低電壓穿越能力、保護功能等。并網(wǎng)運行評價指標包括儲能電站響應能力、安全性、電網(wǎng)適應性、故障穿越等關(guān)鍵指標，其中安全性包括電氣安全、電池安全、功能安全、電磁兼容、環(huán)保、并網(wǎng)接口保護等，是儲能系統(tǒng)的評價基礎。除安全性之外，儲能系統(tǒng)的性能評估也是其重要指標，包括額定容量、充放電效率、自放電率、高低溫特性、循環(huán)次數(shù)、響應時間等。

根據(jù)GB/T 36548—2018，儲能系統(tǒng)并網(wǎng)測試裝置應滿足以下2種要求[11]：能夠模擬電網(wǎng)正常運行時的電壓跌落與頻率波動；能夠模擬電網(wǎng)故障時的電壓降落和升高。因此本文選取電網(wǎng)適應性和故障電壓穿越指標作為儲能電站評價指標并進行仿真測試，各指標的計算方法按照GB/T 36548—2018規(guī)定公式計算，指標及其測試標準如下。

1）適應性。

電網(wǎng)適應性包括頻率適應性、電壓適應性、電能質(zhì)量適應性。電能質(zhì)量適應性包括三相電壓不平衡適應性、閃變適應性、諧波電壓適應性。

測試裝置模擬電網(wǎng)正常運行狀態(tài)時應達到以下要求[11]：①頻率偏差應小于0.01 Hz；②測試過程中電壓幅值變化量不能小于標準電壓幅值的1%；③三相電壓不平衡度應小于1%，相位偏差應小于5°；④儲能變流器連接側(cè)的電壓諧波畸變率小于允許值的50%。

2）故障電壓穿越。

電壓穿越指系統(tǒng)在確定時間內(nèi)承受某一電網(wǎng)高電壓或低電壓而不退出運行的能力[11]。

故障電壓穿越包括低電壓穿越和高電壓穿越，根據(jù)GB/T 36995—2018規(guī)定，低電壓穿越要求為自電壓跌落時刻起電壓處在0.2Pu（基準電壓）及以上，0.625 s內(nèi)及電壓恢復時系統(tǒng)不脫網(wǎng)連續(xù)運行的能力；高電壓穿越要求為自電壓升高時刻起，電壓處在1.3Pu及以下0.5 s內(nèi)，1.2Pu及以下1 s內(nèi)系統(tǒng)不脫網(wǎng)連續(xù)運行的能力。

測試裝置模擬電網(wǎng)故障運行狀態(tài)時應達到以下要求[12]：①能模擬三相對稱電壓跌落、相間電壓跌落和單相電壓跌落，跌落幅值應在0～90%之間；②能模擬三相對稱電壓抬升，電壓抬升幅值應在110%～130%之間；③電壓階躍響應調(diào)節(jié)時間小于20 ms。

2 儲能電站評價平臺

本文結(jié)合儲能電站等值模型和并網(wǎng)檢測與運行評價關(guān)鍵指標，基于現(xiàn)有儲能并網(wǎng)運行架構(gòu)，以四象限變流器為核心構(gòu)建儲能電站評價平臺。

等值建模就是將建立的物理模型按照其內(nèi)在特征及參數(shù)劃分幾個相類似的群組，再將相應參數(shù)聚合，將數(shù)個詳細模型等值為一個等值模型，從而簡化計算過程，縮短仿真計算時間，提高仿真效率。由于儲能電站中存在眾多特性不同的儲能子系統(tǒng)，因此在進行等值建模時，需要對站內(nèi)的儲能子系統(tǒng)進行分類和聚合等值，可以有效解決包含儲能系統(tǒng)的電力系統(tǒng)仿真時間過長的問題。平臺構(gòu)建流程如圖1所示。

圖1 儲能電站評價平臺構(gòu)建流程Fig. 1 Flow chart of evaluation platform construction for energy storage power station

2.1 儲能電站等值模型

2.1.1 等值原則

儲能電站等值模型應遵循的規(guī)律為[13]

式中：Ueq為等值后交流系統(tǒng)的電壓；Ieq為等值后儲能電站的輸出電流；U為等值前交流系統(tǒng)電壓；I為等值前儲能電站的輸出電流；m為需等值電站的集電線數(shù)目。

2.1.2 儲能系統(tǒng)模型

儲能系統(tǒng)模型主要包含電池組模型和變流器模型2部分。

1）儲能電池組模型。

儲能電池組由多個電池單體串并聯(lián)形成整體。電池組模型主要有戴維南模型、Rint模型、PNGV模型等，實際應用中戴維南模型結(jié)構(gòu)更清晰，仿真結(jié)果具有足夠精度，計算上較為簡便，應用也相對廣泛。儲能電池組的戴維南模型如圖2所示，其結(jié)構(gòu)主要包含電池SOC（state of charge）、極化電壓Uc、單體電壓Ub、單體電流等。

圖2 蓄電池戴維南模型Fig. 2 Davinen model of battery

2）變流器模型。

儲能變流器（power conversion system，PCS）均為雙向變流器，能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)與電池的連接，使電能在電網(wǎng)與電池之間雙向流動。儲能變流器的性能對整個儲能系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行起著至關(guān)重要的作用[14]。儲能變流器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。儲能變流器模型控制方式包括恒功率（PQ）控制、電壓-頻率（VF）控制、下垂控制、電流內(nèi)環(huán)控制等[15]。

圖3 儲能變流器結(jié)構(gòu)Fig. 3 Structure of PCS

儲能變流器通常采用單級型和多級型（或雙級型）2種配置方式，在等值模型中多級型變流器可以認為是多個單級型變流器合并而成[14]。雙級型變流器的前級為DC/DC直流變換器，負責調(diào)節(jié)直流側(cè)充放電電流并通過直流母線與后級相連。后級為DC/AC逆變整流器，采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式。圖4為雙級式變流器的主電路拓撲結(jié)構(gòu)[16]。

圖4 雙級式變流器主電路拓撲結(jié)構(gòu)Fig. 4 Main circuit topology of two-stage converter

四象限變流器為可編程交流電源，可以實時控制輸出交流電壓的幅值和頻率，從而測試儲能裝置的電網(wǎng)適應和故障電壓穿越能力，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 四象限變流器拓撲結(jié)構(gòu)Fig. 5 Four-quadrant converter topology

四象限變流器不僅能夠降低對電感、電容的容量要求，還能使電網(wǎng)電流接近正弦波，降低諧波含量，控制功率因數(shù)大小，實現(xiàn)能量的雙向流動[17]。四象限變流器有兩電平和三電平兩種結(jié)構(gòu)，其兩電平主電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 四象限變流器主電路圖Fig. 6 Four-quadrant converter main circuit diagram

3）等值模型。

本系統(tǒng)從單電池的等效電路模型入手，依據(jù)電池串并聯(lián)的電氣連接關(guān)系，建立電池模組的等效控制模型。通過數(shù)據(jù)擬合及對等效控制模型的降階處理，得到電池組的等值模型，同時從單機儲能變流器仿真模型入手，考慮儲能變流器的電氣聯(lián)接方式/運行模式和控制策略，得到儲能變流器的多機并聯(lián)仿真模型。將儲能電池組和儲能變流器模型融合，考慮到儲能單元在實際運行過程中會因控制作用使某一時刻某幾個儲能單元產(chǎn)生近似的仿真結(jié)果，對運行狀態(tài)相似的儲能單元參數(shù)進行整合，采用聚類算法并結(jié)合儲能電站的運行特性，從而合并為一個儲能子系統(tǒng)[15]，得到電化學儲能電站的等值模型。

聚類算法可以分為k-means、模糊聚類、層次聚類、基于神經(jīng)網(wǎng)絡的聚類方法等。由于k-means算法響應速度快、計算結(jié)果較準確，本文采用k-means聚類算法[18]。本文以儲能單元輸出的有功功率相似度作為分群依據(jù)，以有功功率之間的距離作為相似度的評價指標，將樣本劃分為K個簇，然后通過迭代計算使樣本點到聚類中心的誤差平方和（sum of the squared errors, SSE）達到最小，以對運行狀態(tài)相似的儲能單元進行分類。

建立等值模型所選擇的參數(shù)主要有電池組模型中的荷電狀態(tài)SOC，端口電壓電流，變流器中控制有功功率、無功功率、電壓、頻率的控制參數(shù)等。儲能單元參數(shù)與等值模型整合參數(shù)建立如下聯(lián)系：

式中：Pref為等值后的儲能有功功率參考值，kW；i表示第i個儲能單元；n為等值的儲能單元個數(shù)；為等值后的電池組SOC；C為等值后的儲能容量，kWh；Pmax為等值后的儲能最大充放電功率，kW；為等值后的電壓，V；I為等值后的電流，A。

等值后變流器功率參考值、最大充放電功率和等值后電池組SOC的關(guān)系不會發(fā)生變化，儲能變流器濾波電路采用電感電容并聯(lián)的形式，其功率等級為500 kW，變流器側(cè)濾波電感為0.25 mH，電網(wǎng)側(cè)濾波電感為0.08 mH，濾波電容為220 μF，并網(wǎng)電感為0.03 mH。等值模型給定電池組SOC的初值，以式（2）計算得到有功功率參考值作為輸入數(shù)據(jù)，儲能系統(tǒng)的充放電功率作為輸出結(jié)果，所得結(jié)果如圖7所示。

圖7 儲能電站等值模型充放電測試Fig. 7 Charging and discharging test of equivalent model ofenergy storage station

由測試結(jié)果可知，儲能電站等值模型的充放電有功功率平均絕對誤差為0.416 kW，最大絕對誤差為1.166 kW；實際充放電有功功率的平均絕對誤差為0.251 kW，最大絕對誤差為0.737 kW；等值模型的仿真時間為2 s，而實際儲能電站的仿真時間為7 min。故本文所建立的儲能電站等值模型的有功功率充放電結(jié)果與實際測量的儲能電站有功功率充電結(jié)果相差不大，但仿真時間遠小于實際儲能系統(tǒng)的仿真時間。等值后儲能電站的模型較為簡化，且儲能系統(tǒng)對外充放電功率幾乎不發(fā)生變化，即儲能電站的外特性不變，所以該模型應用于電力系統(tǒng)仿真時可以快速得到仿真結(jié)果，能夠極大縮短儲能電站評價平臺的仿真時間。

2.2 儲能電站評價平臺的搭建

平臺整體方案示意圖如圖8所示。整個平臺包括10 kV/6 kV輸入斷路器、10 kV 四象限變流器、10 kV/（10 kV/6 kV）變壓器、輸出斷路器和旁路斷路器。通過控制10 kV四象限變流器輸出幅值、頻率和相位可變的電壓來實現(xiàn)輸出功能需求，單元可實現(xiàn)的測試功能包括：高低電壓故障穿越能力測試、電網(wǎng)適應性[頻率適應性、電壓適應性和電能質(zhì)量（諧波、簡諧波、波動及閃變和三相不平衡）適應性]測試和一次調(diào)頻等測試。

圖8 整體方案示意圖Fig. 8 Schematic diagram of the overall scheme

變流器功率單元整流端采用可控整流設計，實時檢測單元直流量，進行恒壓控制；四象限變流器輸出端配置10 kV/（10 kV/6 kV）變壓器，實現(xiàn)輸出10 kV/6 kV；擾動單元的輸入端和輸出端都設有斷路器，旁路開關(guān)用于變流器停止運行后可旁路至電網(wǎng)輸出。為了實現(xiàn)單相或兩相不對稱跌落，單元輸出采用3臺單相變壓器，避免采用三相變壓器由于磁路耦合造成的電壓不能跌落至0的問題。

測試平臺接入10 kV/6 kV電網(wǎng)，模擬10 kV/6 kV電網(wǎng)適應性擾動，電網(wǎng)電壓適應能量雙向流動能力，具備主回路旁路功能。測試平臺工作時需串聯(lián)在電網(wǎng)與儲能系統(tǒng)之間，模擬電網(wǎng)擾動，并需要適應能量雙向流動。根據(jù)裝置功能需求，設計的系統(tǒng)包括輸入斷路器、四象限變流器、10 kV/6 kV隔離變壓器、輸出斷路器和旁路斷路器等。

3 評價平臺測試與結(jié)果分析

儲能電站的并網(wǎng)檢測大多通過抽取一個儲能子系統(tǒng)進行，本文對35 kV/3 MVA的系統(tǒng)進行測試。35 kV電網(wǎng)通過開關(guān)柜、35 kV/10 kV降壓變后，接入系統(tǒng)的10 kV內(nèi)核，其輸出經(jīng)過10 kV/35 kV升壓變和35 kV開關(guān)柜后接被測35 kV裝置。裝置的主回路結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 35 kV/3 MVA裝置主回路結(jié)構(gòu)Fig. 9 Main loop structure of 35 kV/3 MVA device

3.1 故障電壓穿越

高電壓穿越電壓給定指令在0.1 s時由低電壓變?yōu)楦唠妷海掷m(xù)0.1 s后經(jīng)過2次階躍減小。給定測試電壓為1.3Pu，測試時間為2 s，測試波形如圖10所示。

圖10 高電壓穿越輸出電壓仿真波形Fig. 10 Simulation waveforms of high voltage across output voltage

低電壓穿越電壓給定指令在0.1 s時由高電壓變?yōu)榈碗妷?，持續(xù)0.2 s后經(jīng)過1次階躍增大，再經(jīng)過大約0.6 s后以一定斜率緩慢增大。電壓跌落至0.2Pu，測試時間為2 s，測試波形如圖11所示。

圖11 低電壓穿越輸出電壓仿真波形Fig. 11 Simulation waveforms of low voltage across output voltage

3.2 電網(wǎng)適應性

三相電壓不平衡仿真試驗分別設置每相基準差值為： A、C相設置為100%基準值，B相設置為在0.06 s跌落30%基準電壓，持續(xù)時間為0.01 s，仿真波形如圖12所示。

圖12 三相輸出電壓不平衡仿真波形Fig. 12 Simulation waveforms of three-phase output voltage imbalance

設定輸出電壓幅值按照正弦規(guī)律波動，波動的頻率為40 Hz，波動幅度為±25%，測試波形如圖13所示。

圖13 輸出電壓波動以及閃變仿真波形Fig. 13 Simulation waveforms of output voltage fluctuation and flicker

對系統(tǒng)裝置分別進行5次、7次諧波擾動輸出仿真，結(jié)果如圖14所示。

圖14 含5次、7次諧波輸出電壓仿真波形Fig. 14 Simulation waveforms of harmonic output voltage of 5 and 7 times

由以上仿真結(jié)果得出平臺所測試系統(tǒng)的故障電壓穿越能力、三相電壓不平衡適應性、諧波擾動適應性、輸出電壓波動以及閃變適應性具體參數(shù)如表1所示。

表1 平臺仿真結(jié)果Table 1 Simulation results

從表1可以看出，在故障電壓穿越能力上，當系統(tǒng)承受高電壓穿越時，在0.1 s給定1.3Pu測試電壓時，系統(tǒng)承受該電壓0.1 s且正常運行；在0.2 s發(fā)生第一次階躍電壓減少至1.2Pu時，系統(tǒng)承受該電壓0.9 s正常運行，自第二次階躍發(fā)生至2 s時，系統(tǒng)仍能繼續(xù)正常運行。低電壓穿越過程中，在0.1 s時系統(tǒng)電壓將為0，在0.3 s發(fā)生第一次階躍電壓升高至0.2Pu時，系統(tǒng)承受該電壓0.6 s正常運行，在0.9 s時電壓以一定斜率緩慢增大，系統(tǒng)仍能正常運行。電壓階躍響應時間為15 ms，說明系統(tǒng)靈敏性較強；反之，電壓階躍響應時間越長，說明系統(tǒng)反應越遲鈍。因此，無論三相故障電壓抬升至1.3Pu還是跌落至0.2Pu，系統(tǒng)都能迅速反應且在規(guī)定時間內(nèi)不脫網(wǎng)連續(xù)運行，即故障承受能力強，有利于提高電網(wǎng)的穩(wěn)定運行能力。

在電網(wǎng)適應性能力上，系統(tǒng)三相電壓及相位不平衡度均能滿足GB/T 36458—2018的要求，三相電壓的平衡可以降低線路的電能損耗，有效防止繼電器誤動和電機發(fā)熱，提高電動機效率，保證電網(wǎng)電能質(zhì)量。同時，電壓諧波畸變率為0.48%，小于GB/T 36458—2018中1.6%的要求，由于電網(wǎng)諧波可能會使局部電網(wǎng)發(fā)生諧振從而產(chǎn)生過電流和過電壓，這將對電網(wǎng)的穩(wěn)定運行造成嚴重影響，也會對相關(guān)設備的運行造成影響，因此較小的電壓諧波畸變率將有利于電網(wǎng)和相關(guān)設備的穩(wěn)定運行。電網(wǎng)電壓偏差可分為電壓偏高和偏低2種情況，電壓偏高會導致電動機、變壓器等相關(guān)設備的鐵損增加；而電壓偏低會嚴重降低系統(tǒng)有功功率，縮短設備使用年限，降低工作效率。電壓波動造成的閃變也會給電網(wǎng)穩(wěn)定運行造成隱患，該系統(tǒng)測得穩(wěn)態(tài)電壓變化最大幅值為0.66%，即天氣變化等原因引起的電氣量波動較小，有利于系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行。系統(tǒng)頻率偏差為0.01 Hz，滿足GB/T 36458—2018中的要求，能夠有效防止由于系統(tǒng)頻率偏差過大引發(fā)的電網(wǎng)大面積停電事故。

通過上述分析可知，該平臺可以較為準確地測量出系統(tǒng)的運行狀態(tài)，實現(xiàn)對儲能電站并網(wǎng)的實時監(jiān)測及運行效果的實時評估，符合儲能電站的行業(yè)規(guī)范，進而獲得權(quán)威部門的運行認證許可，最終實現(xiàn)與國外儲能電站的互聯(lián)互通。同時，利用該平臺對大容量電化學儲能電站的并網(wǎng)運行進行檢測與評價能夠節(jié)省大量人力和設備，也將極大提高電力設備的運行安全性，具有很好的經(jīng)濟和實用價值。

4 結(jié)論

目前對電化學儲能電站在電網(wǎng)運行過程中的異常和故障狀態(tài)分析等運行特性評價研究較少且大多基于設備級，本文利用等值原則和聚類算法，結(jié)合儲能電池組和儲能變流器模型，得到電化學儲能電站的等值模型，極大縮短了系統(tǒng)仿真時間。基于現(xiàn)有儲能并網(wǎng)的運行架構(gòu)，開發(fā)了大容量儲能電站評價平臺，選取電網(wǎng)適應性及故障穿越等指標，驗證了測試平臺的準確性。通過系統(tǒng)仿真實驗結(jié)果可知，該平臺可以實現(xiàn)對倉儲式儲能系統(tǒng)的電網(wǎng)適應性和故障電壓穿越測試。該平臺可實現(xiàn)對儲能電站并網(wǎng)的實時監(jiān)測，提高儲能并網(wǎng)的安全性和可靠性，實現(xiàn)儲能電站檢測運行評價的智能化升級。