一种基于电化学储能的配电变压器动态增容装置研制

余斌，黎刚，朱光明，万代，欧阳帆，朱维钧，梁文武

(国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

0 引言

随着我国经济发展和社会进步, 工农业生产以及民生用电量也在逐年攀升, 且用电需求呈多元化趋势, 对电力部门的供电要求也越来越高[1-3]。在国家电网公司所覆盖的许多农网地区, 由于当地网架结构薄弱, 电力供应的保障仍是突出问题[4-6]。特别是全年用电负载率低, 峰值用电具有时段性或季节性, 特定时期内尖峰负荷突出, 时常造成台区配电变压器、线路过载和用户低电压, 供电能力无法保障[7-9]。如何解决配电变压器重过载运行, 避免设备事故发生, 提高供电质量、供电可靠率和优质服务水平显得尤为重要。

基于电化学储能的动态增容装置本身既可作为电源, 又可作为负荷。根据用户在不同时段用电需求及用电特征, 动态增容装置在用电低谷期时充电, 在日间根据用户负荷的实时需求放电, 就地增大供电能力[10-12]。动态增容装置可缓解配电网季节性配电变压器过载及低电压问题, 同时满足配电网不停电作业、应急保电、临时供电等电源要求,具有 “可移动、大容量、低噪音、节能减排、绿色环保” 的特点[13-16]。

本文立足于现有的电化学储能技术, 采用台区集中补偿方式, 研制一种满足电力生产实际需求的多功能配电变压器动态增容装置。

1 配电变压器过载现状分析

1) 台区长期过载

台区负荷随着经济发展提升, 但未实施同步改造, 导致台区全年超200 天长期过载, 最大负载率超过130%, 过载期间日均负载率超120%、日均过载时间超6 h。湖南省约近200 个台区存在此问题。

2) 配电变压器季节性长时过载

部分台区日常负荷已达到或接近重过载的较高水平, 度夏、度冬期间用户集中用电导致配电变压器长时 (4 ～6 h) 过载, 最大负载率小于130%,过载期间日均负载率接近120%, 年均过载60 ～90天。湖南省约近1 000 个台区存在此问题。

3) 配电变压器季节性短时过载

部分台区日常负荷水平不高, 度夏、度冬期间用户集中用电导致配电变压器短时 (1 ～2.5 h) 过载, 最大负载率小于120%, 过载期间日均负载率在110%左右, 年均过载 20 ～30 天。湖南省约近2 000个台区存在此问题。

4) 配电变压器随机性频繁过载

大量农网配电台区低压线路 (或分支) 挂接随机性大负荷用户, 在度夏、度冬、农忙等时期,用电激增易导致配电变压器短时 (1 ～2 h) 频繁过载, 严重时甚至可使配电变压器最大负载率高达120%左右, 过载时间随机性较强, 同时给后端用户带来低电压隐患。湖南省1 万以上台区存在挂接随机性大负荷用户问题。

针对台区长期过载, 建议采用台区改造方案。针对配电变压器季节性长时过载、配电变压器季节性短时过载、配电变压器随机性频繁过载等问题,提出动态增容装置解决方案, 避免采用台区补点、增容、线路改造等措施导致大量日常轻载台区、线路产生。

2 动态增容装置工作原理及控制策略

2.1 工作原理

装置以电池为电能载体, 以中央监控单元为控制核心, 通过控制功率变换单元的运行状态与外界进行能量交换, 包括并网和离网两种工作模式。

2.1.1 并网模式

如图1 所示, 装置以并联方式接入配电台区380 V 主线, 对过载配电变压器进行功率补偿, 同时可缓解10 kV线路过载由配电变压器过载引发的低电压问题。装置采用落地式或架杆式安装方式,可不停电接入电网。工作时, 通过检测台区负荷电流, 控制装置充放电。

图1 装置并网模式工作原理图

2.1.2 离网模式

在非负荷用电高峰期, 装置还可用于临时供电、应急保电、不停电作业等方面。离网模式下,功率变换单元工作在独立逆变模式, 负荷接到功率变换单元的交流侧, 装置等效于一个电压源, 如图2 所示。

图2 装置离网模式工作原理图

2.2 控制保护策略

2.2.1 动态增容策略

装置通过开口式电流互感器采集配网线路负荷电流, 判断台区配电变压器是否过载。当负荷电流大于放电设定值, 中央监控单元给功率变换单元下发放电电流指令, 以补偿过载部分的功率, 降低配电变压器承担的功率。当负荷电流小于充电设定值, 中央监控单元给功率变换单元下发充电电流指令, 以补偿装置的电量。

1) 过载放电策略。当检测到负载功率PL大于r1倍变压器容量PT, 且储能电池SOC 大于p1时,根据计算储能电池可以放电的有功功率P放, 下发相应控制指令给功率变换单元, 控制储能电池经功率变换单元为电网供电。其中PL-r1·PT为需要补偿的有功功率,P最大可放为储能电池最大放电功率。

2) 轻载充电策略。当检测到负载功率PL小于r2倍变压器容量PT, 且电池SOC 小于p2时, 根据计算储能电池可以充电的有功功率P充, 下发相应控制指令给功率变换单元, 控制电网经功率变换单元为储能电池充电；其中P最大可充为储能电池最大充电功率。

2.2.2 分时充放电策略

根据本地有功功率计划曲线按时间段执行有功功率的分配。当前程序默认有功功率计划曲线为5 min一个有功功率值, 一天共计288 点。程序间隔1 s 读取一次历史库中有功功率计划曲线值, 根据当前系统时间决定使用哪一点的值进行有功功率计算。举例说明: 如当前时间为11∶13, 则会寻找11∶10 的计划曲线值, 当时间到达 11∶15 后, 则会寻找11∶15 的计划曲线值, 依此类推。

2.2.3 无功补偿策略

无功补偿采用电压控制模式运行, 根据给定电压值进行无功缺额计算。装置的最大可用无功功率随有功功率变化, 在优先满足有功功率需求的前提下, 补偿所需无功。装置的最大可用无功功率计算方法如下:

式中,Smax为装置长时间允许的最大运行功率；Pe为装置的额定有功功率。

2.2.4 BMS 告警保护策略

中央监控单元对电池的电流保护、电压保护、温度等保护均采用了三级保护机制。根据BMS 上传的告警信息, 对功率变换单元进行控制, 如图3所示。一级报警发生时, 中央监控单元控制功率变换单元降功率运行；二级报警发生时, 中央监控单元控制功率变换单元停止进行充电或放电；三级报警发生时, 中央监控单元下发并网断路器跳闸命令, BMS 延时后主动断开继电器。

图3 保护策略动作流程

3 装置设计

3.1 硬件设计

装置硬件采用模块化结构, 由一系列功能单元组成, 包括中央监控单元、储能运行管理单元、功率变换单元和外辅设备。中央监控单元实现数据处理、控制操作、实时告警、功率控制、画面监控等功能。储能运行管理单元实现电能的存储和释放、电池的动态监视。功率变换单元能自动与电网同步, 实现整流与逆变。外辅设备实现装置的并网接入、负荷电流采集、环境监测、控制供电及系统防护。

中央监控单元包括工控机、路由器。工控机采用基于ARM Cortex-A8 内核的AM335X 微处理器,包含 RS485、RS232、以太网等通信接口。路由器包含高速4G 模块, 支持信息上送远程监控, Wi-Fi热点覆盖, 满足就地无线调试需求。

储能运行管理单元包含电池及电池管理系统,电池采用磷酸铁锂电池, 结构为电芯串并联组成电池模组, 电池模组串联成电池簇提升系统电压和容量。电池管理系统采用电池模组管理单元+电池簇管理单元两级结构, 完成电池状态监视及管理。

功率变换单元采用DC/DC 和AC/DC 两级架构, 功率 30 kW, 直流侧输入范围满足 350 ～750 V, 输出交流电380 V、50 Hz, 具备并网与离网工作模式。

外辅设备包括: ①并网断路器、并网隔离开关、并网线缆、电表、电流互感器；②烟感、温湿度传感器、空调、灭火贴片、门磁锁；③交流开关电源+变压器、浪涌保护器、空开等。

3.2 软件设计

软件系统后台选用linux 集成开发环境作为开发平台, 前端选用B/S 架构设计, 软件模块主要包括储能设备监测、负载监测、告警管理、外辅设备监测、策略管理五个功能。

储能设备监测模块主要实现对功率变换单元和电池组状态的实时监测, 包括设备运行状态、电气量、温度等数据的实时采集和显示。

负载监测模块主要实现对配电变压器负荷的监测, 包括电压、电流、功率等信息。

告警管理模块管理功率变换单元、电池系统、消防、门禁、环境等方面的告警信息, 可实现告警信息的统计和查询功能。

外辅设备监测模块可实现门禁、烟感、空调的状态显示。

策略管理包括系统设置和策略管理两部分。系统设置部分可设置功率变换器的并网/离网工作模式和并网断路器的分合闸。策略管理部分包含调峰策略和分时功率的参数设置。

4 装置优势及应用效果分析

4.1 优势

4.1.1 治理重过载

利用电池储能实现削峰填谷, 可以有效解决负荷高峰期特发性突增用户负荷导致的配电变压器重过载问题、中压线路重过载问题, 和由此导致的其后端用户供电能力不足等问题。改善配电变压器、线路运行状态, 提高供电可靠性。

4.1.2 改善电能质量

通过有功补偿和无功补偿, 可以解决因配电变压器过载导致的用户低电压问题、无功损耗导致的低电压问题, 改善用户用电质量。

4.1.3 部署迅捷

可快速部署并立即解决突发性的配电变压器过载问题, 提升供电水平与客户用电满意度。与之相比, 配电变压器增容等台区改造项目从需求提报、批复到投运, 普遍需1 年左右才能完工。

4.1.4 可重复利用

不同于配电变压器增容改造方案仅针对固定台区, 配电变压器动态增容装置可根据需求灵活部署至有需要的台区, 装置重复利用度高。

4.1.5 可用于应急保供电

在非负荷高峰期, 可用于临时供电、应急保电、不停电作业等方面, 降低各地市公司购置应急电源车的成本 (约100 万元/台)。

4.1.6 前景广阔

随着电池技术、梯次利用技术的不断突破, 储能系统的能量密度将进一步提升, 成本也会大幅度下降, 装置的实际价值将不断体现。

4.1.7 节省投资

装置可缓解电网部分供电缺口, 提高设备的利用效率, 减少或延缓为满足短时最大负荷所需的电网建设投资。

4.2 应用效果

30 kW 配电变压器动态增容装置目前已在某公司配电台区 (容量100 kVA) 实现挂网试运行, 设定调峰模式下, 过载放电定值为98%的配电变压器容量, 轻载充电定值为70%的配电变压器容量, 得到的功率曲线如图4 所示。从图4 可以看出, 在迎峰度夏负荷用电高峰期, 接入动态增容装置, 起到了削峰填谷的效果, 实现配电变压器增容30%, 可改善配电变压器过载情况, 提高电网供电能力。

图4 24 h 功率曲线

5 结论

本文设计了一种基于电化学储能的配电变压器动态增容装置, 介绍了配电变压器动态增容装置的工作原理、控制策略、软硬件设计方案。本设计初步为当前储能技术在配电变压器过载治理中的应用提供了借鉴。该装置推广应用可减少、延缓电网投资, 具有部署迅捷、安全环保、可重复利用等优势, 可用于应急保供电。随着电池储能技术的发展, 未来必定会成为推进能源生产和消费革命的重要载体, 是能源互联网极具发展前景的技术和产业。