蓄電池逆變并網(wǎng)對站用變電能影響分析

蔣國臻　田佳　錢濤　韓志誠　鈕月峰

摘? 要：目前，蓄電池逆變并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展蒸蒸日上，但其并網(wǎng)接入與放電輸出對原站用變電能質(zhì)量的影響有待考究。文章對蓄電池逆變并網(wǎng)的安全性進行了理論分析，設(shè)計了單相蓄電池逆變并網(wǎng)系統(tǒng)并采用PSIM（Power Simulation）軟件仿真分析確定蓄電池逆變并網(wǎng)輸出電壓及電流的穩(wěn)定性。同時，通過搭建平臺測試蓄電池逆變并網(wǎng)放電時站用變電能的各項技術(shù)指標，測試結(jié)果表明，各項電能指標符合國家規(guī)范的要求，蓄電池逆變并網(wǎng)放電的接入不會對原站用變交流電能穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

關(guān)鍵詞：蓄電池;逆變并網(wǎng);電能質(zhì)量

中圖分類號：TM712? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）31-0050-05

Abstract： At present， the development of battery inverter grid-connected technology is booming， but the impact of grid-connected access and discharge output on the power quality of the original station needs to be studied. This paper makes a theoretical analysis on the safety of battery inverter grid connection， designs a single-phase battery inverter grid connection system， and uses PSIM （Power Simulation） software to determine the stability of battery inverter grid-connected output voltage and current. At the same time， a platform is built to test the technical indexes of the variable electric energy used in the station when the battery is connected to the grid. The test results show that each electric energy index meets the requirements of the national code. The access of inverter grid-connected discharge of storage battery will not affect the stability of AC power used in the original station.

Keywords： battery; inverter grid connection; power quality

引言

蓄電池組是直流系統(tǒng)的必不可少的組成部分。傳統(tǒng)的蓄電池組維護采用發(fā)熱材料作為負載進行核對性容量放電測試，放電過程產(chǎn)生大量的熱量，而蓄電池組工作的變電站，對環(huán)境的要求往往比較高，為了滿足各種設(shè)備對工作環(huán)境的要求，需要配置空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)等設(shè)備來維持變電站的環(huán)境指標;同時，蓄電池組通過發(fā)熱負載放電是電池能量變成熱量散發(fā)，浪費了大量的能源，不利于節(jié)能減排的發(fā)展[1-2]。鑒于以上缺點，近年來，許多變電站采用蓄電池放電逆變并網(wǎng)的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)發(fā)熱負載放電，蓄電池逆變并網(wǎng)技術(shù)進入新的里程碑。蓄電池逆變并網(wǎng)放電通過將蓄電池組核容放電的直流電逆變成交流電回饋到電網(wǎng)上，全程無熱 量產(chǎn)生，減少了能量的損耗，改善設(shè)備運行的工作環(huán)境，消除了發(fā)熱放電的安全隱患，保障變電站工作環(huán)境的安全性，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保[3-6]。然而，蓄電池逆變并網(wǎng)裝置的接入對電網(wǎng)影響的研究卻很少，并網(wǎng)后是否會引起電壓電流偏差、閃動、諧波等問題，是否會影響原電網(wǎng)電網(wǎng)穩(wěn)定性處于未知狀態(tài)。

本文對蓄電池逆變并網(wǎng)放電的安全性進行了分析，通過系統(tǒng)仿真設(shè)計驗證，以及搭建測試平臺，現(xiàn)場測試蓄電池逆變并網(wǎng)時的電能指標，對各項指標進行對比評估，以此說明逆變并網(wǎng)放電的安全性，消除用戶的疑慮，并對日后蓄電池逆變并網(wǎng)技術(shù)推廣提供依據(jù)和參考價值。

1 蓄電池逆變并網(wǎng)放電的安全性分析及其仿真

1.1 蓄電池逆變并網(wǎng)放電安全性分析

電網(wǎng)對于蓄電池放電管理有非常嚴格的管理措施，最主要的因素還是出于安全性的角度考慮。以站內(nèi)使用的400Ah，110V的蓄電池組為例，按照0.1C放電電流40A，放電電壓110V計算，蓄電池放電功率達到4400W，如果通過放電負載消耗此能量，放電負載發(fā)熱將會嚴重影響機房安全。

目前，主流形式是采用通過將蓄電池核容放電電能逆變并網(wǎng)回饋電網(wǎng)的方式，解決蓄電池在線核容放電的熱量問題。對于部分逆變并網(wǎng)技術(shù)不了解的運維人員擔(dān)心逆變并網(wǎng)系統(tǒng)影響變電站本身交流電源的安全，為消除此種顧慮，從以下三方面進行分析：

（1）一般變電站需要損耗20-30kW以上的功率，而變電站110kV、220kV一般配置的電池組容量為300Ah至500Ah電池，按10小時放電率進行放電，功率基本都在10kW以內(nèi)，蓄電池逆變并網(wǎng)放電輸出的電能變電站內(nèi)部完全可以消化，不會對變電站站用電產(chǎn)生影響。

（2）逆變設(shè)并網(wǎng)設(shè)備與公共電網(wǎng)之間在物理上隔離，不會產(chǎn)生接地保護的現(xiàn)象。

（3）逆變設(shè)并網(wǎng)設(shè)備可以控制輸出的交流電為高質(zhì)量的正弦波，與公共電網(wǎng)同壓、同頻、同相，不會對公共電網(wǎng)造成任何的影響，通過以下仿真分析可以驗證。

1.2 系統(tǒng)的建模與仿真分析

采用PSIM軟件建立系統(tǒng)仿真，運用PSIM軟件中自帶太陽能電池板模型代替變電站直流系統(tǒng)中的蓄電池組，并搭建并網(wǎng)系統(tǒng)[7]。通過PSIM中的Solar Module功能模塊能夠設(shè)置并讀取電池組的參數(shù)。通過對直流前級BOOST升壓模塊以及逆變器模塊的學(xué)習(xí)及研究，在PSIM中建立蓄電池組逆變單相并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

為了驗證110V電壓等級在整個核容放電電壓范圍內(nèi)都能夠保證穩(wěn)定的逆變并網(wǎng)功能，分別設(shè)置電池組的電壓為90V、100V及110V范圍。仿真結(jié)果如圖2-4所示。

從仿真結(jié)果可以看出，在電池組電壓變化范圍內(nèi)，逆變系統(tǒng)輸出的電能與電網(wǎng)電壓同頻、同幅、同相之后進行并網(wǎng)，可知各個部分模塊均實現(xiàn)了各自功能，使得直流系統(tǒng)蓄電池得以并網(wǎng)，為直流系統(tǒng)蓄電池組在線核容放電采用逆變并網(wǎng)的方式獲得理論支持。

2 蓄電池逆變并網(wǎng)對站用變電能的影響

國家標準對公共電網(wǎng)電能有一定的規(guī)范要求，這些標準對逆變器、負荷等設(shè)備的研制水平評估起到了很重要的參考作用。蓄電池逆變并網(wǎng)裝置對站用變電能質(zhì)量影響的評價，可通過分析供電電壓偏差、供電頻率偏差、供電電壓三相不平衡度、電壓和電流諧波等指標綜合評估獲得。針對20kV以下站用變，國家標準對以上指標的限值要求整合如下表1所示。

其中，GB/T14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》對奇次諧波電流與偶次諧波電流的含有率限值還做出了以下規(guī)定，如表2。

2.1 試驗方法

為了進一步驗證蓄電池放電的電能逆變并入電網(wǎng)后，不會對電網(wǎng)造成干擾和影響，在某供電局10kV變電站直流系統(tǒng)實驗室進行實際現(xiàn)場測試，逆變并網(wǎng)設(shè)備放電輸出電能至電網(wǎng)時，分別測試接通載和斷開載時公共電網(wǎng)三相交流電的各項電能指標數(shù)據(jù)。本次測試逆變并網(wǎng)放電設(shè)備采用HBDS-110V蓄電池逆變并網(wǎng)放電系統(tǒng)，電能分析儀采用多路電壓電流采集的PITE3561電能質(zhì)量分析儀。

測試平臺搭建：將逆變并網(wǎng)系統(tǒng)接入到110V鉛酸蓄電池與直流母線之間，其220V交流輸出端分別接在B相線與零線上。交流負載連接在B相線上，通過開關(guān)可接通或斷開交流負載。電能質(zhì)量分析儀的三路電流傳感器測試接口線分別鉗在相應(yīng)的A、B、C三相線上，相線垂直穿過鉗口夾合孔;電能質(zhì)量分析儀的五路電壓測試線接口分別連接在相應(yīng)A、B、C三相線及零線、火線。

測試過程：測試的環(huán)境條件對測試結(jié)果有很大影響，測試在合適的環(huán)境條件下進行，環(huán)境溫度為22℃，環(huán)境濕度為73%。（1）閉合開關(guān)，接通交流負載，逆變并網(wǎng)系統(tǒng)啟動對220V蓄電池組放電，電能質(zhì)量分析儀啟動監(jiān)控測試，自動記錄監(jiān)控數(shù)據(jù)，記錄時長為5min。（2）斷開開關(guān)，斷開交流負載，逆變并網(wǎng)系統(tǒng)啟動對220V蓄電池組放電，電能質(zhì)量分析儀啟動監(jiān)控測試，自動記錄監(jiān)控數(shù)據(jù)，記錄時長為5min。

2.2 結(jié)果分析

（1）電壓偏差分析

逆變并網(wǎng)系統(tǒng)啟動蓄電池組放電，電能質(zhì)量分析儀監(jiān)測各相線的電壓如表3所示。從表格數(shù)據(jù)分析可知，接通負載與斷開負載兩種狀態(tài)下，A、B、C三相線上的最大電壓偏差和最小電壓偏差百分比均滿足國家標準GB/T12325-2008 《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》中20kV以下變電站配電網(wǎng)三相電壓偏差為標稱電壓的±7%的范圍內(nèi)[8]。逆變并網(wǎng)系統(tǒng)單相接入在電網(wǎng)的B相線上，電壓偏差比A相與B相的高一些，但仍然在規(guī)定范圍內(nèi)。因此，蓄電池放電逆變并入電網(wǎng)，電壓偏差符合國家標準的規(guī)定要求，不會降低三相交流電的電壓質(zhì)量。

（2）供電頻率偏差分析

逆變并網(wǎng)系統(tǒng)啟動蓄電池組放電，電能質(zhì)量分析儀監(jiān)測供電頻率偏差如表4所示。從表格數(shù)據(jù)分析可知，接通負載與斷開負載兩種狀態(tài)下，頻率偏差均滿足國標要求：GB/T15945-2008 《電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率偏差》正常允許頻率偏差±0.2Hz，系統(tǒng)容量較小時可以放寬到±0.5Hz[9]。因此，蓄電池放電逆變并入電網(wǎng)后，不會對電網(wǎng)的供電頻率產(chǎn)生影響。

（3）三相電壓不平衡度分析

逆變并網(wǎng)系統(tǒng)啟動蓄電池組放電，電能質(zhì)量分析儀監(jiān)測三相電壓不平衡度如表5所示。從表格數(shù)據(jù)分析可知，接通負載與斷開負載兩種狀態(tài)下，三相電壓不平衡度均滿足國標要求，GB/T15543-2008《電能質(zhì)量 三相電壓不平衡》三相電壓不平衡度不超過2%[10]。因此，蓄電池放電逆變并入電網(wǎng)后，不會對電網(wǎng)的三相電壓不平衡度產(chǎn)生影響。

（4）諧波分析

a.電壓諧波分析

逆變并網(wǎng)系統(tǒng)啟動蓄電池組放電，電能質(zhì)量分析儀監(jiān)測各相線的電壓諧波含有率如圖5、圖6所示。從圖表數(shù)據(jù)分析可知，接通負載與斷開負載兩種狀態(tài)下，A、B、C三相線上電壓諧波含有率最高不超過1.8%，均滿足國家標準：GB/T14549-1993，奇次電壓諧波含有率限值4.0%，奇次電壓諧波含有率限值2.0%[11]。因此，蓄電池放電逆變并入電網(wǎng)，三相電壓諧波含有率符合國家標準的規(guī)定要求，對電網(wǎng)三相交流電電能的電壓總諧波不會產(chǎn)生影響。

b.電流諧波分析

由于單相逆變并網(wǎng)系統(tǒng)輸出至B相上，同時負載也接在B相，當逆變并網(wǎng)系統(tǒng)對蓄電池組啟動放電，電能質(zhì)量分析儀監(jiān)測到25次B相電流諧波含有率，如圖7。根據(jù)圖表分析，各次B相電壓諧波含有率均低于相應(yīng)的規(guī)定限值，符合國標要求：GB/T14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》對奇次諧波電流與偶次諧波電流的含有率限值要求[11]。因此，蓄電池放電逆變并入電網(wǎng)，不會對電網(wǎng)三相交流電流諧波產(chǎn)生影響。

3 結(jié)論

蓄電池逆變并網(wǎng)技術(shù)是當前電網(wǎng)對蓄電池核對性容量維護主流方式，以其節(jié)能環(huán)保、安全隱患低等優(yōu)點，備受關(guān)注。本文對蓄電池逆變并網(wǎng)放電的安全性進行了理論分析，同時采用PSIM軟件仿真輸出蓄電池組電壓變化范圍內(nèi)并網(wǎng)電壓電流穩(wěn)定，說明了單相逆變并網(wǎng)系統(tǒng)輸出的電能與電網(wǎng)電壓同頻、同幅、同相之后可安全并網(wǎng)。為進一步驗證，在某供電局現(xiàn)場搭建測試平臺，監(jiān)測逆變放電系統(tǒng)啟動蓄電池組放電時的各項電能指標，結(jié)果表明，蓄電池逆變并網(wǎng)放電時，各相線上的電壓偏差、頻率偏差、三相電壓不平衡度、三相電壓諧波含有率和電流諧波含有率均在國家標準規(guī)定的要求范圍內(nèi)，說明蓄電池逆變并網(wǎng)并不會對公共電網(wǎng)的電能質(zhì)量造成影響。本文的分析為用戶推廣應(yīng)用逆變并網(wǎng)技術(shù)提供了量化的數(shù)據(jù)，對推動節(jié)能減排的事業(yè)發(fā)展具有非常重要的意義。

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