電池儲能技術在孤網系統中的應用與分析

王成龍，王振華，王 淼，張 晨

(陜西鼓風機(集團)有限公司，陜西 西安 710611)

0 引言

孤網是孤立電網的簡稱，一般泛指脫離大電網的小容量電網。簡單的說，就是自發自用，自成體系，完全與大網脫開。孤網系統控制核心內容就是電壓控制和頻率控制，以保證在用戶負荷變化的情況下保持電網頻率和電壓的穩定。

電池儲能技術是以電化學電池為儲能載體,通過儲能變流器進行可循環電能存儲、釋放的系統技術。電池儲能技術主要應用場景分為電源側、電網側和負荷側，主要作用有：(1)調頻調峰、電壓穩定、黑啟動等電力市場輔助服務；(2)促進新能源消納，提升新能源容量可信度，平衡電源側和負荷側的功率波動，并提高電網穩定性；(3)提升電網利用效率，通過調節電網峰谷差，延緩配電擴容；(4)在電網發生停電故障時，儲能為用戶提供應急用電，避免故障修復時電力中斷，保證供電可靠性等。

1 電池儲能技術在孤網系統中的應用

以某公司為例，此公司電網系統處于孤網運行狀態，每當發電機發電量或用電負荷發生較大變化時，電網系統的頻率和電壓就會劇烈波動，從而導致電網崩潰，全廠停產，損失非常大。

1.1 某公司電網現狀

(1)廠內電網共分為5段母線(PCC1～5)，系統電壓等級為10 kV，變壓器數量60臺，系統總容量80 MVA，接線圖見圖1、圖2、圖3、圖4、圖5(虛線框內為改造方案)。

圖1 PCC1段接線圖

圖2 PCC2段接線圖

圖3 PCC3段接線圖

圖4 PCC4段接線圖

圖5 PCC5段接線圖

(2)廠內發電機組裝機有70.7 MW,包含沼氣發電機組7×1.1 MW和4×1.5 MW，燃汽輪發電機組1×18 MW、1×15 MW和4×6 MW。

(3)廠內負荷分為重要負荷和一般負荷：①重要負荷17 MW，包含廠用電負荷、西大井負荷和合成氨車間負荷等；②一般負荷有12 MW，包含照明及其他輔助系統等。

根據運行情況，日用電負荷17 MW～27 MW，日總耗電量約為43.2萬kWh，典型日負荷見表1。

表1 典型日負荷

1.2 故障分析

通過對以前出現故障進行調查及數據分析，得出出現最多的故障有兩種：

(1)電氣設備故障，用電負荷突然降低，電網不能及時調節發電量，造成電網負荷不平衡，電網系統崩潰;

(2)發電機組故障，負荷切除太慢導致系統電壓過低引起電網不穩定，造成電網崩潰。

1.3 技術方案

根據電力系統孤網運行特點及故障分析結果，擬采用電池儲能技術來調節電網系統的電能，動態維持電網發電與負荷的平衡，實現無縫切換，最大程度的保證了電網系統的供電可靠性和穩定性。同時，各段母線之間聯絡斷路器選用高速斷路器，高速斷路器分斷時間不大于30 ms，確保在故障時能夠及時切除故障而不影響電網的正常運行。

結合日負荷變化情況，極限工況下負荷支撐時間為2小時，計算得到電池儲能系統所需配置的容量為10 MW/20 MWh，用以滿足孤網系統在嚴重故障或異常運行工況下的故障切除和負荷轉移。同時，當電網電壓頻率發生波動時可由電池儲能系統輸出無功功率，來提高電網系統的功率因數，改善電能質量。

(1)系統方案

在5段母線分別加裝一套2 MW/2 MWh的電池儲能系統，母線之間的母聯斷路器由常規斷路器改為高速斷路器，實現電網故障的快速隔離。通過PCC母線(PCC1～PCC5)將電池儲能系統和相應的重要負荷和電源連接在一起，之后通過PCC斷路器連接到相應的10 kV母線，2 MWh電池儲能系統通過一臺2500 kVA的雙繞組變壓器并入相應的PCC母線。各段母線改造后的一次系統圖具體如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5虛線框內所示。

(2)電池儲能系統構成及選型配置

電池儲能系統主要有儲能變流器、能量管理系統、協調控制器和電池系統等構成。

儲能變流器：儲能系統的核心設備，實現能量在電池和電網的雙向流動，方案選用500 kW集中式變流器，其直流側工作電壓范圍0～1000 V，交流輸出315 V/360 V。整套系統共設有5個標準集裝箱組成，每個集裝箱為2 MWh的子單元。

能量管理系統：監控管理整套儲能系統，包含電氣監控子系統，能量管理子系統和智能輔助控制子系統，保障系統安全可靠運行。

協調控制器：高級功能控制裝置，能夠根據不同應用場景，制定相應的控制策略，并下發指令給儲能變流器執行。

電池系統：儲能系統能量儲存介質，選用磷酸鐵鋰電池。

(3)電池儲能系統實現功能

電池儲能系統具備P/Q、V/f、VSG等功能，滿足孤網系統電網支撐的功能，同時可實現計劃性與非計劃性并離網工作模式。并網模式下，支持參與電網一次調頻和慣量響應等功能。同時具備電池快速維護、黑啟動等功能。

儲能變流器在并網運行模式下，接受功率調度；當處于離網運行模式時，主要用于穩定交流母線電壓、頻率。通過外部電壓電流采集信號和設置相應的并網點即可實現并離網運行模式。在額定功率范圍內，并網轉離網可實現無縫切換。

PCS儲能系統的主要功能有：

充放電功能：在電網電源供能富裕時，向電池儲能系統充電，當電網電源供能不足或者電源故障時，電池儲能系統負責提供負載所需電能，并支撐交流電網正常工作。

有功、無功控制功能：電網電源和負載正常工作時，采用并網運行的P/Q(恒功率控制)控制策略，實現穩定電網電壓和頻率的功能；當電網電源故障或供能不足時，采用孤網V/f(恒壓恒頻控制)控制策略，起到電網支撐的作用。

多機并聯功能：通過電池儲能系統的多機并聯實現組網靈活可靠、容量可變、易維護、工作安全可靠的PCS系統解決方案。

黑啟動功能：當電網系統因故障停運后，電網系統崩潰，處于全“黑”狀態。此時，電池儲能系統不依賴于電網其他設備，通過自身控制系統實現自動啟動，逐步投入運行，實現電網系統故障自恢復運行。

虛擬同步機功能：虛擬同步機(Virtual Synchronous Generator, VSG)技術使得電池儲能系統能夠模擬同步發電機的運行機理、有功調頻以及無功調壓等特性。因此電池儲能系統從內部運行機制和外部運行特性上可與傳統同步發電機一樣，可有效確保電網系統的穩定性和安全性，防止孤網系統崩潰。

2 電池儲能系統運行方式

2.1 運行模式

(1)離網模式：是指在自有電網系統電源側出現嚴重故障、發電系統不能正常工作的工況下，需要由電池儲能系統短時內支撐起整個電網系統的工作模式，電池儲能系統起到穩定輸出電壓、頻率，給負荷供電、穩定交流電網作用。

(2)沼氣發電機組和燃氣汽輪發電機組均正常工作工況下電池儲能系統的工作模式，電池儲能系統接收功率調節指令，對電池進行充放電。

2.2 運行模式切換控制

(1)離網轉并網：離網模式下，接收到并網指令或者檢測到電網恢復供電時，進行電網預同步，輸出相位、幅值滿足要求時控制PCC開關合閘。

(2)并網轉離網：并網模式下，檢測到電網失電或者接收到離網指令時，進行切換控制，快速斷開PCC開關。

2.3 仿真試驗

通過對電池儲能系統在孤網中運行進行一次調頻、調頻和調壓仿真試驗，結果如圖6、圖7和圖8所示。

圖6 一次調頻響應曲線

圖7 調頻運行

圖8 調壓運行

為實現計劃性或非計劃性并離網功能，可在交流電網電源側設置反饋觸點和公共連接點(PCC點)，實現并轉離快速負荷轉移和同期并網，仿真曲線如圖9和圖10所示。

圖9 同期并網

圖10 零閃斷并轉離

為滿足電池快速維護以及黑啟動功能，設備控制取電采用外部交流以及自身交流側取電相結合的方式，實現黑啟動和電網故障穿越，仿真結果如圖11和圖12所示。

圖11 黑啟動

圖12 電網故障穿越

通過上述仿真實驗得出，此方案完全滿足孤網安全運行的要求，并在現場得到驗證。

3 結論

隨著國家節能環保政策及電力售電政策的推進，越來越多的園區或工礦企業將采用孤網運行，一方面能夠降低企業的運營成本，另一方面能夠靈活用電，提高能源使用效率。但是，由于孤網系統容量比較小，受發電和用電系統限制，穩定性和安全性相對較弱，需要采用一些先進的技術設備對電網穩定性進行調節，來滿足企業用電可靠性、安全性的要求。