移动储能技术在配电网的应用探讨

张 浩，黄 玮

（国网黄山供电公司，安徽 黄山 245000）

0 引言

与常规能源相比，储能系统在能源综合利用与转换效率上具有较为突出的优点。近年来国家能源政策密集出台，作为安全、清洁、高效的现代能源技术，储能在多项政策中被提及，成为规划布局的重点领域之一。能源互联网、微电网、多能互补等技术的发展为储能市场的拓展注入强心剂。近年来储能产业发展迅速，随着电池能量密度不断提高，移动式储能系统在配网临时增容、应急供电和配网优质供电等方面得到进一步推广应用，具有较好的经济和社会价值。

1 移动储能的相关技术

1.1 移动储能技术概述

目前移动式储能系统研究的电压等级范围主要是10 kV及以下电压等级［1］。采用的技术主要包括中压移动式储能模块化的集成设计、储能系统的物理接口和信息接口链接、储能系统并网自适应控制启动、多台移动式储能并联运行等。在硬件基础上通过开发移动式储能的在线监测软件，实现对模块化移动式储能系统的运行控制。

1.2 移动储能模块化技术

一是针对移动储能系统的储能变流器、电池模块、变压器以及开关柜进行电气设计和关键设备选型，确定适当的体积、重量。二是采用热仿真软件研究中压移动储能系统内部散热、通风循环、消防、照明、防潮等辅助管理技术，提高系统长期运行的可靠性。三是对中压移动储能的集装箱进行结构化设计，优化设备布局，采取防振动、防倾斜及灵活扩展等技术，使系统能够满足不同路况运输、不同使用环境下的安全运行要求。

1.3 移动储能系统的快速接入技术

着重考虑现场系统的接入难点，对移动储能系统物理接口和信息接口进行标准化统一，采用适用于不同类型、不同容量、不同功率的移动储能电池接入的可扩展性接口设计，实现系统物理接口的快速接入。通过采用信息交互规约，实现系统快速接入以及运行状态的快速识别，简化设备接入的流程，实现设备的自描述和互操作，做到在并网条件下不同运行工况的自适应识别以及不同工况下对并网点电压和频率的主动支撑。

2 移动储能的拓扑结构和模型分析

2.1 移动储能系统的结构类型

储能变流器是移动式储能装置的核心设备，按储能变流器的拓扑结构可分为不同类型［2］。

对储能变流器功率转换单元的拓扑结构按照级别进行分类，可以分为两类：一是单级变换器DC／AC结构，二是多级变换器 DC／DC＋DC／AC结构。选择何种拓扑结构，具体由储能电池电压运行范围和实际状况来决定。对于单级变换的DC／AC结构，储能装置与电网之间的联系主要通过DC／AC变流器来实现。对于多级变换的 DC／DC＋DC／AC结构，储能电池在DC／DC环节中，主要通过变流器来实现与电网之间的直接联系。由于DC／DC变换器在直流侧电压控制上具有独立性，因此多级结构的储能系统比单级结构的储能系统灵活，但其损耗增加，需要提升资源利用效率。

对储能变流器功率转换单元的拓扑结构按系统容量进行分类，又可分为两类：一是简单变换单元结构，主要用于中小容量系统的功率转换，可细分为两电平单元结构、三电平单元结构等；二是复合变换单元结构，主要用于大容量系统的功率转换，可细分为并联单元结构、级联单元结构等，如图1所示。为了降低耐受力对单管器件的影响，并联结构、级联结构等复合变换结构被广泛运用于大容量系统的功率转换中。在并联拓扑结构中，所有变流器的直流侧都是独立的，交流侧则通过汇集变流器输出的能量来提升系统容量。在级联拓扑结构中，变流器的交流侧通过串联对系统能量进行汇集，从而保障了输出电压的稳定性［3］。

2.2 移动储能的基本模型

移动储能系统交流侧简化模型的等效电路如图2所示。

图1 储能变流器拓扑结构

图2 移动储能系统交流侧简化模型的等效电路

基于变流器同步旋转坐标系下的控制模型如图3所示。

图3 变流器控制模型

多电平变流器的调制主要通过级联 H桥型变流器来实现，具体包括空间矢量调制（SVPWM）、载波移相调制 （PS－PWM）以及特定谐波消除 （SHEPWM）。SVPWM与其他调制法相比，具有输出波形谐波含量低、电压利用效率高等优点，但如果系统超过了五电平，SVPWM将变得非常复杂，此时应选择更为简便的PS－PWM。采用PS－PWM进行调制时，事先假设每一相的级联数值为N，那么其电平数m则等于2N＋1，也就意味着系统中需要具有频率与幅值相等的2N个三角载波，并且两个相邻载波之间的相移 θ＝2π／（m－1）， 通过不同调制波之间的相互比较，最终产生系统所需的门极开关信号。

3 移动储能的控制方法

3.1 移动储能的变流控制方法

处于并网状态的储能变流器，在正常工作时采用P／Q控制策略实现有功、无功调节［4］。当系统独立运行时采用V／f控制策略，为用电负荷提供稳定的电压和频率。

P／Q控制框图如图4所示。图中Pref、P分别为有功功率的参考值和实际值；Qref、Q分别为无功功率的参考值和实际值；idref、id分别交流侧电流d轴分量的参考值及实际值；iqref、iq分别为交流侧电流q轴分量的参考值及实际值；udl、uql分别为输出电压d轴和q轴分量的参考值。

图4 P／Q控制框图

V／f控制主要通过电压电流双闭环来实现，如图5所示。图中uref为给定电压参考值；udref、uqref分别为电压d轴和q轴分量的参考值；idref、iqref分别为电流d轴和q轴分量的参考值；ud、uq分别为电压d轴和q轴分量的实际值；id、iq分别为电流d轴和q轴分量的实际值。

图5 V／f控制框图

3.2 储能系统多机并联运行控制方法

多机并联协调控制的主要技术手段之一是下垂控制。通过下垂控制，能够对储能系统当中的输出电压以及输出频率进行科学检测，并给出较为合理的参考值，从而对储能系统的输出有功与无功进行适时调节。

当前逆变器下垂控制法运用较多的有两种：一是传统控制法，主要通过有功－频率和无功－电压的调差率来进行控制，与同步发电机调节控制的方法较为相似；二是反调差率控制法，主要通过有功－电压和无功－频率来进行控制。这两种下垂控制法所依据的原理基本相同，只是在表现形式上有所区别，在实际运用过程中，可按照线路参数的具体需求来选择合适的下垂控制策略。

下垂控制主要以本地电网的状态变量作为调节参数，尽可能地降低对通信的依赖程度，不但具有模块化、灵活等特点，还有以下优点：一是在任意一个储能系统出现运行故障时，其他储能系统仍然能够正常运行，具有很高的稳定性；二是当储能系统的容量需要扩展时，只要对新加的储能系统输入相同的策略，就能够与原有的系统实现无缝衔接，有利于系统的维护，拥有良好的扩展性和运行可靠性。

在实际运用中下垂控制法也存在一些不足之处。首先，由于不同逆变器在负载总线与输出侧之间存在线路阻抗不匹配等问题，使测量值存在一定误差，从而导致不同逆变器之间会出现环流。其次，与高压输电网不同的是，低压配电网中的电阻值要远高于电抗值，所以在系统设置中必须要对线路阻抗的影响重点考虑。最后，在三相微网系统出现运行状态变化时，需同步对控制模式进行调整，而当系统中既有线性又有非线性负载时，下垂控制策略就无法发挥效用。

3.3 移动储能系统集成方案

完整的模块化移动储能系统由集装箱、开关柜、电池、就地监控柜、空调、照明等部分组成，集成方案如图6所示。便于开展移动储能实际工程应用。

图6 移动储能系统集成示意图

4 移动储能应用具体案例

2019年4月24日，容量为57.2 kVA的移动储能设备在某台区D02线004号杆附近安装成功。该台区共44户，主要以茶叶加工和居民生活负荷为主，在制茶高峰季节，常出现台区变压器重载甚至过载以及低电压等问题。

经过现场配置，储能设备并网通电后采取功率补偿模式并网运行。该套储能系统并网运行后，从8∶20至18∶20每隔30 min连续记录下输出的负荷功率，最大为64.5 kW，如图7所示。由图可见，在负荷功率大于40 kW时，储能设备馈出功率，从而减小电网的输出功率，负荷功率小于40 kW时，储能设备处于待机状态。

图7 某台区移动式储能设备功率补偿曲线图

通过电流互感器和智能电表检测台区负荷PT，对系统控制器分别预设参数值PS1和PS2，当负荷超过预设值PS1时，储能设备对电网进行实时有功功率（优先）和无功率的补偿，使台区变压器输出功率稳定在PS1。电池放电输出功率Pf＝PT-PS1。当负荷处于预设值PS1和PS2之间时，储能设备处于待机状态。当负荷低于预设值PS2时，储能设备开始对电池进行充电。可见储能设备工作在功率补偿模式下，可以达到削峰填谷的效果，从而解决台区峰值功率时台区变压器过载的问题。

从储能系统并网后，测量配电变压器的各相电压如表1所示，电网侧或负载侧有三相不平衡负荷存在，但从A相、B相、C相补偿电压分析结果可以看出，储能设备安装在用户侧，对线路末端电压抬升作用明显。

表1 某台区移动式储能设备实际电压抬升情况

5 结语

本文对目前的移动储能技术进行较为全面的分析与探讨，并用一个具体案例论证了移动储能设备在配电网中的特有功效。由于储能设备体积紧凑，占地面积较小，在配电网局部区域临时增容困难时，可以利用现有变电站或空置场所就地部署，无需长距离架设线路或敷设电缆，不仅可减少大量的增容投资费用，还降低了线损，保障配电网安全经济运行。