杜芳 肖蕾

摘要：目前，儲(chǔ)能電站在實(shí)際運(yùn)行中離不開非線性儲(chǔ)能變流器來完成電能的釋放和儲(chǔ)存。儲(chǔ)能電站接入電網(wǎng)會(huì)在一定程度上發(fā)生能源質(zhì)量問題，如何更好地保障大容量儲(chǔ)能接入，提升實(shí)際的系統(tǒng)安全穩(wěn)定性，評(píng)估區(qū)域電網(wǎng)儲(chǔ)能的承載能力，是當(dāng)前亟需思考的問題?；诖耍疚囊阅炒笮蛢?chǔ)能電站接入電網(wǎng)工程作為案例，進(jìn)一步探討儲(chǔ)能電站接入電網(wǎng)電能的綜合評(píng)估分析模式，希望能為我國儲(chǔ)能電站接入電網(wǎng)電能質(zhì)量評(píng)估工作提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)能電站；接入電網(wǎng)；電能質(zhì)量評(píng)估

當(dāng)前，多數(shù)儲(chǔ)能電站在發(fā)展過程中，會(huì)采用電化學(xué)儲(chǔ)能模式。通過儲(chǔ)能變流器，實(shí)現(xiàn)能量釋放儲(chǔ)存。在實(shí)際應(yīng)用過程中，儲(chǔ)能電流器屬于相對(duì)典型的非線性電力電子裝置，能進(jìn)一步為電力系統(tǒng)有效引入各次諧波。由于整體儲(chǔ)能電站及實(shí)際功率相對(duì)較大，供電母線存在相對(duì)明顯的電壓偏差與實(shí)際波動(dòng)。因此，儲(chǔ)能電站在接入系統(tǒng)時(shí)，要根據(jù)接入實(shí)際的設(shè)計(jì)方案以及區(qū)域電網(wǎng)的綜合參數(shù)。根據(jù)變電站綜合運(yùn)行情況以及電能質(zhì)量存在的背景測試數(shù)據(jù)，進(jìn)一步預(yù)測儲(chǔ)能電站接入，探究是否會(huì)導(dǎo)致變電站公共連接點(diǎn)存在電能質(zhì)量超標(biāo)情況，并對(duì)評(píng)估結(jié)果提出有針對(duì)性的治理要求。本文以某儲(chǔ)能電站工程為案例，將其接入系統(tǒng)進(jìn)行探究，將實(shí)際的儲(chǔ)能變流器作為對(duì)電腦系統(tǒng)職務(wù)的干擾源，從坡電壓變動(dòng)等角度出發(fā)，進(jìn)一步探究實(shí)際儲(chǔ)能電站接入實(shí)際電網(wǎng)存在的電能質(zhì)量影響，旨在提升電網(wǎng)電能質(zhì)量，改善用電環(huán)境。

一、工程概況

本研究以某大型儲(chǔ)能電站工程作為例，根據(jù)儲(chǔ)能電站建設(shè)單位提供的材料進(jìn)行研究。該實(shí)際工程計(jì)劃建設(shè)一個(gè)容量為100～200MWh的儲(chǔ)能電站，并采用磷酸鐵鋰電池作為儲(chǔ)能設(shè)備。該儲(chǔ)能電站還配備匯流柜、電池控制柜、暖通系統(tǒng)和消防系統(tǒng)，形成了一個(gè)綜合儲(chǔ)能系統(tǒng)，電池容量為1.26～2.52MWh。在實(shí)際運(yùn)行中，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)應(yīng)一個(gè)儲(chǔ)能單元系統(tǒng)，每個(gè)儲(chǔ)能單元系統(tǒng)在實(shí)際建設(shè)過程中標(biāo)稱容量達(dá)到2.56～5.12MWh。系統(tǒng)內(nèi)還配置了4臺(tái)630kW的儲(chǔ)能變流器，1臺(tái)200kVA的10kV/0.4kV升壓變壓器連接到相應(yīng)的升壓站，用于配電母線。具體而言，儲(chǔ)能單元系統(tǒng)及實(shí)際的方案配置如圖1所示。

在100～200MWh的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中，包括80套儲(chǔ)能變流器。在實(shí)際的系統(tǒng)構(gòu)建過程中，每4套儲(chǔ)能變流器配備一臺(tái)10kV的雙繞組變壓器用于升壓。儲(chǔ)能單元的輸出通過相應(yīng)的戰(zhàn)略電纜集中引導(dǎo)至110kV的升壓變電站。該變電站配備2臺(tái)63MWh的主變壓器，進(jìn)一步將電壓升至110kV。整個(gè)升壓站的規(guī)劃中，110kV電纜的使用被考慮，通常使用360mm2的電纜。升壓站將110kV的電壓接入到220kV變電站的110kV側(cè)，再通過實(shí)際接入將其連接到電網(wǎng)中。

二、背景測試以及現(xiàn)值計(jì)算

（一）背景測試

為了準(zhǔn)確分析儲(chǔ)能電站接入系統(tǒng)在應(yīng)用過程中存在的電能質(zhì)量問題，需要探究儲(chǔ)能電站上級(jí)變電站的公共母線背景情況，并綜合研究電能質(zhì)量。為此，需要使用專業(yè)儀器進(jìn)行電能質(zhì)量的綜合背景測試，以獲取更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。在測試過程中，要確保有足夠的時(shí)間，要涵蓋包括完整的生產(chǎn)周期。在實(shí)際的電能質(zhì)量測試中，主要關(guān)注的指標(biāo)包括電壓總畸變率、諧波電壓以及三相不平衡度，還要考慮劫波電流、電壓偏差和波動(dòng)等多個(gè)方面。為確保整體測試的準(zhǔn)確性，可以采用95%概率值作為參數(shù)參考。在本研究中，針對(duì)變電站公共接入點(diǎn)的電能質(zhì)量背景進(jìn)行實(shí)際測試，測試結(jié)果如表1所示。

（二）現(xiàn)值計(jì)算

依照整體儲(chǔ)能電站具有的接入系統(tǒng)方案，在實(shí)際研究過程中，選取接入變電站的110kV側(cè)母線作為整體公共的連接點(diǎn)，則實(shí)際儲(chǔ)能電站具有的接入公共連接點(diǎn)的總機(jī)變率、斜坡含量、電壓偏差與三相不平衡等各項(xiàng)指標(biāo)的限制包括：

第一，諧波電壓值。根據(jù)電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波的規(guī)定可以發(fā)現(xiàn)，110kV電壓等級(jí)斜坡電壓的標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)值達(dá)到整體電壓總級(jí)別率小于2%，具有的基數(shù)次諧波的限制達(dá)到1.67%，偶數(shù)次的現(xiàn)貨現(xiàn)值達(dá)到0.8%。

第二，電壓偏差現(xiàn)值。根據(jù)電能質(zhì)量供電電壓偏差的相關(guān)規(guī)定，對(duì)于110kV以及以上的電壓等級(jí)而言，具備正負(fù)電壓偏差絕對(duì)值。在實(shí)際相加過程中，要低于整體額定電壓的10%。

第三，三相不平衡限值。根據(jù)電能質(zhì)量三相電壓不平衡的實(shí)際規(guī)定，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)用戶接入的公共連接點(diǎn)導(dǎo)致的三相電壓不平衡問題。一般情況下，允許值需要達(dá)到1.3%，短時(shí)要低于2.6%。

第四，電壓波動(dòng)。根據(jù)依照電能質(zhì)量電壓波動(dòng)以及閃變的實(shí)際規(guī)定，電壓波動(dòng)具有的限制、電壓、變動(dòng)頻率與電壓等級(jí)具有密切關(guān)聯(lián)。儲(chǔ)能電站具有儲(chǔ)能以及逆變的綜合影響狀態(tài)，每日要低于10次，對(duì)于110kV的高壓等級(jí)用戶具有的實(shí)際電壓波動(dòng)要達(dá)到3%。

第五，諧波電流。根據(jù)電能質(zhì)量的規(guī)定，公共連接點(diǎn)允許的諧波電流注入限制與用戶協(xié)議容量、供電設(shè)備容量以及短路容量密切相關(guān)。根據(jù)GB/T 14549附錄C的規(guī)定，需要進(jìn)行相應(yīng)的整定計(jì)算。綜合考慮實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)營情況，變電站110kV側(cè)母線的短路容量為2453.38MkV，實(shí)際總供電量對(duì)應(yīng)主變?nèi)萘繛?80MWh，企業(yè)用戶協(xié)議容量為100MWh。

三、仿真評(píng)估

（一）仿真模型搭建

在研究過程中，可以使用電能質(zhì)量仿真軟件，并根據(jù)實(shí)際的儲(chǔ)能電站和供電電網(wǎng)的資料以及其他相關(guān)資料，構(gòu)建儲(chǔ)能電站接入系統(tǒng)的綜合仿真模型，評(píng)估和分析儲(chǔ)能電站項(xiàng)目的接入電能質(zhì)量情況。使用電能質(zhì)量仿真軟件，可以模擬儲(chǔ)能電站接入電網(wǎng)的各種運(yùn)行情況，并評(píng)估對(duì)電能質(zhì)量的影響?？梢曰趯?shí)際資料設(shè)置模型的參數(shù)和條件，例如，儲(chǔ)能電站的技術(shù)規(guī)格、電網(wǎng)的電壓等級(jí)、負(fù)荷情況等。通過建立綜合的仿真模型，分析儲(chǔ)能電站接入系統(tǒng)在不同工作狀態(tài)下的電能質(zhì)量表現(xiàn)，包括電壓總畸變率、諧波電壓、三相不平衡度、電壓波動(dòng)等，可以更好地了解儲(chǔ)能電站在實(shí)際運(yùn)行中對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，并評(píng)估系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。儲(chǔ)能電站接入系統(tǒng)的綜合仿真模型，如圖2所示，可以顯示儲(chǔ)能電站的各個(gè)組成部分、電能質(zhì)量參數(shù)的評(píng)估結(jié)果以及模型中的其他相關(guān)信息。

圖2 ?仿真模型展示

在研究中，將220kV變電站的220kV側(cè)母線作為整體系統(tǒng)的等效接入點(diǎn)，并將其與實(shí)際連接進(jìn)行等效電網(wǎng)分析。在嚴(yán)重的情況下，等效電網(wǎng)的短路容量的最小值可能達(dá)到12307.59MkV。將在模型中設(shè)置儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部的儲(chǔ)能電流器、儲(chǔ)能電流器和諧波發(fā)生的實(shí)際特性作為主要干擾源。根據(jù)用戶提供的逆變器型號(hào)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告，建立逆變器模型并進(jìn)行性能調(diào)試。儲(chǔ)能單元匯將配備40套2.8MkV變壓器，2臺(tái)63MkV升壓變壓器和1臺(tái)180MkV的主變壓器的實(shí)際工作區(qū)間默認(rèn)為線性區(qū)間。整體變壓器本身沒有諧波存在，但會(huì)進(jìn)行無功功率消耗的有效計(jì)算。儲(chǔ)能電站的典型運(yùn)行工況可以分為儲(chǔ)能運(yùn)行和逆變運(yùn)行兩種類型。在儲(chǔ)能運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能電站作為負(fù)載從電網(wǎng)中吸取能量；在逆變運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能電站作為電源向電網(wǎng)釋放能量，儲(chǔ)能運(yùn)行和逆變運(yùn)行具有高度差異性。為了進(jìn)行具體的儲(chǔ)能電站電能質(zhì)量綜合預(yù)測和評(píng)估，需要進(jìn)行仿真計(jì)算，詳細(xì)分析儲(chǔ)能電站接入整體系統(tǒng)后供電變電站母線的諧波電流、諧波電壓、電壓變動(dòng)、電壓波動(dòng)和三相不平衡等電能質(zhì)量指標(biāo)的變化情況，以此評(píng)估儲(chǔ)能電站對(duì)整體電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，并提出相應(yīng)的改進(jìn)和優(yōu)化措施，確保接入系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

（二）諧波電流

在儲(chǔ)能電站的運(yùn)行過程中，根據(jù)儲(chǔ)能和逆變運(yùn)行，儲(chǔ)能電站對(duì)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一定程度的諧波污染。儲(chǔ)能電站注入系統(tǒng)的實(shí)際諧波電流通常具有6K±1次的特征頻率。其中，儲(chǔ)能運(yùn)行時(shí)的5次諧波電流的最大含量為4.08A；在逆變運(yùn)行時(shí)，5次諧波電流的最大含量為3.64A，其他相關(guān)諧波電流隨著諧波次數(shù)的增加而逐漸降低。然而，實(shí)際注入公共連接點(diǎn)的諧波電流應(yīng)符合規(guī)定，諧波電流的含量和頻譜特性對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，可能引起電壓失真、設(shè)備過熱、通信干擾等問題。為了滿足電能質(zhì)量的要求，可以采取一些措施，例如，使用諧波濾波器、優(yōu)化儲(chǔ)能電站的運(yùn)行策略、選擇適當(dāng)?shù)哪孀兤餍吞?hào)等，以減少諧波污染并提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。與實(shí)際規(guī)定相符，可以確保儲(chǔ)能電站在接入公共連接點(diǎn)時(shí)的諧波電流符合規(guī)范要求，并有效控制諧波。

（三）不三相不平衡度

此變電站采用集中式三相逆變器，并通過輸出實(shí)現(xiàn)基本的平衡。在應(yīng)用過程中，可以進(jìn)一步忽略儲(chǔ)能電站接入對(duì)整體電網(wǎng)的三相不平衡產(chǎn)生的實(shí)際影響。三相不平衡測試結(jié)果顯示，短時(shí)不平衡值為0.14，最大值為0.17，與國家標(biāo)準(zhǔn)相符，意味著該變電站在儲(chǔ)能電站接入過程中能保持較小的三相不平衡，不會(huì)對(duì)整體電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響。

（四）電壓偏差及電壓波動(dòng)

變電站公共連接點(diǎn)進(jìn)行的電壓偏差測試中，最小值為3.60%。在實(shí)際的儲(chǔ)能運(yùn)行過程中，系統(tǒng)電壓會(huì)隨著實(shí)際功率的吸收而進(jìn)一步下降。因此，選擇最小偏差作為整體系統(tǒng)的電壓基準(zhǔn)。在具體的逆變運(yùn)行過程中，系統(tǒng)電壓會(huì)隨著實(shí)際功率的釋放而進(jìn)一步升高，因此，選擇最大偏差作為整體電壓的實(shí)際基準(zhǔn)。針對(duì)儲(chǔ)能電站的儲(chǔ)能運(yùn)行，變電站的公共連接點(diǎn)的電壓偏差達(dá)到2.48%，實(shí)際電壓的波動(dòng)達(dá)到0.73%。在儲(chǔ)能電站及逆變運(yùn)行過程中，實(shí)際變電站公共連接點(diǎn)的電壓偏差達(dá)到4.22%，電壓波動(dòng)達(dá)到0.62%。根據(jù)對(duì)電壓波動(dòng)和電壓偏差的研究，相關(guān)數(shù)據(jù)與國家標(biāo)準(zhǔn)要求相符。結(jié)果表明，在儲(chǔ)能電站的運(yùn)行過程中，變電站公共連接點(diǎn)的電壓波動(dòng)和偏差均處于符合國家標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)，意味著儲(chǔ)能電站能維持穩(wěn)定的電壓供應(yīng)，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響。

四、結(jié)語

綜上所述，儲(chǔ)能電站在一定程度上能有效提升電網(wǎng)調(diào)頻以及控制能力，進(jìn)一步提升電網(wǎng)可再生能源的消納能力，提高綜合效能。儲(chǔ)能電站在實(shí)際構(gòu)建過程中，會(huì)將實(shí)際儲(chǔ)能變流器作為電能量變換的重要環(huán)節(jié)。由此，需要接入儲(chǔ)能電站，有效評(píng)估實(shí)際電網(wǎng)電能質(zhì)量中產(chǎn)生的影響。在此次研究中可以發(fā)現(xiàn)，通過應(yīng)用軟件完成評(píng)估模型分析，儲(chǔ)能電站的電注入電流諧波各自電流與最小限值相比較小，系統(tǒng)諧波電壓總畸變率等諸多參數(shù)與國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求相符。在此情況下，儲(chǔ)能電網(wǎng)儲(chǔ)能進(jìn)入實(shí)際電網(wǎng)，并不會(huì)影響整體電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定。

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