储能系统在安全稳定控制装置中的应用

作者：吴骏

来源：《江苏科技信息》 2018年第30期

摘要：安全稳定控制装置是为了保障电网稳定性、安全性的第二道防线和第三道防线，储能技术现已被视为电网运行过程中的重要组成部分。文章对储能系统在安全稳定控制装置中的应用进行了研究，认为稳定控制装置和储能技术相结合则可以有效地利用电力设备，降低供电成本，保护联络线，实现“以调代切”和“升降双向”等控制技术，增强了电网运行手段和系统运行稳定性。

关键词：稳定控制；储能；联络线；以调代切

中图分类号：TM7 文献标识码：A

0 引言

长期以来电力系统中安设的安全稳定紧急控制装置，是提高电力系统安全稳定性、防范电网稳定事故、防止发生大面积停电事故的有效措施，是维持电力系统安全稳定和可靠运行必不可少的第二道防线和第三道防线［1-2］，是当系统出现紧急状态后，通过执行各种紧急控制措施，使系统恢复到正常运行状态下的控制系统；而储能技术则已被视为电网运行过程中“采―发―输―配―用―储”六大环节中的重要组成部分，储能系统的容量范围宽，从几十千瓦到几百兆瓦；放电时间跨度大，从毫秒级到小时级［3］，可以用做应急能源，也可以用于在电网负荷低的时候储能，在电网高负荷的时候输出能量，用于削峰填谷，减轻电网波动，实现高渗透率新能源发电的可控消纳，电网侧的削峰填谷，降低系统备用容量，保障负荷侧电能质量，提高电力资产利用率和能源效率，增强电力系统的经济性。在电力系统中引入储能环节和稳定控制装置后，可以有效地保护地方电网的弱联络线，实现电网稳定控制系统对能源的“以调代切”和“升降双向”等控制技术，减少了切负荷动作频次，进而有效地保护了发电机组和电网负荷，在提高电网对能源消纳能力的同时，提高了电网安全稳定运行水平。

1 背景

贵州兴义地方电网目前以220 kV骨干网架为主线，包含火电、水电以及光伏等多类型电源，外部通过110 kV联络线与南网连接，近期通过220 kV龙广变与百色电网220 kV者保变连接，实现地方电网的区域融合，负荷以冲击性工业负荷为主，给电网的安全稳定运行带来隐患。如图1所示，兴义电网稳定控制系统包含220 kV郑屯、清水河、巴铃、万峰湖、龙广、110 kV城南、黄角树、乌沙、东贡、下五屯、光辉、闽黔、冶金、清水河电厂、底电站、普坪、兴仁电解铝、白碗窑、马化19个厂站，除光辉、闽黔、冶金、底、白碗窑、马化、城南外各厂站均为双套配置，主要解决联络线上网或下网越限等问题。为了保护与南网的联络线以及平抑兴义地方电网负荷波动，同时设计了磷酸铁锂电池储能系统。清水河电厂负责接收储能系统的可增/减有功信息并上送至清水河变，同时接收清水河变稳控系统的充放电指令并向储能系统转发，使储能系统吸收或者释放能量，达到在稳控系统动作之前最大程度平抑电网波动，减少动作次数从而保护联络线保护电网的作用。

2 储能和稳控的通道搭建

如图2所示为系统通道联系图，储能稳控作为稳定控制装置接收来自清水河电厂转发的充放电指令，并将指令转发给普瑞特高压负责的功率分配器，功率分配器负责功率协调并将协调后的指令发给储能变流器PCS从而实现充放电功能。储能系统的PCS共有40台，可控制蓄电池的充电和放电过程，进行交直流的变换，在无电网情况下可以直接为交流负荷供电，PCS 控制器通过通讯接收后台控制指令，根据功率指令的符号及大小控制变流器对电池进行充电或放电，实现对电网有功功率及无功功率的调节。

PCS 控制器通过CAN 接口与BMS 通讯，获取电池组状态信息，可实现对电池的保护性充放电，确保电池运行安全，PCS分别由阳光电源、太阳能以及索英电气3个厂家组成，普瑞特高压通过UDP的通信方式跟40台PCS之间通信。

3 储能和稳控的通道时间要求

如图3所示，为保障电网安全，快速切除电网故障，电网切除联络线异常冗余等待时间为500 ms，清水河变稳定控制装置在100 ms内监测到联络点异常时，等待300 ms，如果异常仍未恢复，将执行相应的切机切负荷动作，以保护联络点安全。而引入储能系统后，储能系统将在清水河变稳控异常等待的300 ms内主动介入，接受清水河变安稳系统的充发电指令，排除联络点异常，避免稳控装置动作。联络线保护功能实现的关键是响应时间，其次是过载能力，以期取得更大的平抑联络点越限幅度，储能系统从功率分配器接到指令，到完成能量反馈电网，所需的时间在200 ms以内，满足系统支撑联络点的需求。由于时间要求严格，因此，通道时间要求储能稳控从清水河变稳定装置的上位机判出联络点异常并发出遥调指令到普瑞特（功率协调）收到指令要求100 ms左右，才能保证储能系统能够发挥应有的作用。

4 通道时间测试

储能稳控与储能系统功率分配器之间的指令传输是由基于多任务调度的实时操作系统Vxworks开发的PC104板件负责通信和调度的，负责联络点异常逻辑判断的称之为上位机。为了保证时效性，将之前上位机判出异常后需要下发遥调命令采用消息队列的传输方式，改为在上位机和PC104交互数据的任务中直接下发遥调命令，并将该任务上调为最高优先级，通过打印的日志发现效性不够。

经过多次测试方法的调整，综合分析并判断最后采用了高精度辅助时钟来提高任务调度的延时精度，并在上位机和PC104交互数据的任务中增加遥调命令的发送次数，并改变时间测试方法：在稳控开入板的24 V负端和第一个开入位置（上位机触发遥调命令试验用）处接一个示波器探头；在24 V负端和第2个开入位置（PCS通讯收到遥调报文确认后做电平翻转）处再接一个示波器探头；PCS 输出端（交流输出端）通过电流圈测试工具接入示波器，这样测试时间。其中一组测试结果如图4所示。

如图4所示，红色为稳控上位机触发遥调命令的电平跳变；蓝色为PCS收到遥调命令的电平跳变；绿色为PCS由0充电至70 kW的电流波形；从稳控上位机判出异常到功率分配器收到指令为95.6 ms 满足100 ms要求，判出异常到PCS响应至目标值的整组时间大约135 ms，整组时间也满足200 ms的要求。

5 工程应用

为测试实际的储能稳控系统是否能够达到设计要求，2018年3月南瑞稳定控制技术分公司、武汉普瑞特高压、安徽合肥阳光电源、国电南瑞太阳能等厂家在贵州兴义清水河对清水河储能-稳控系统进行了实际工程应用试验。按照设计要求，储能项目为新建的20 MW/10 MWh磷酸铁锂电池储能系统，新建500kW储能双向变流器（PCS）40台，分别由阳光电源、太阳能、索英电气3家组成，新建变压器10台，容量为2500 kVA/台，电压等级35 kV/0.315 kV/0.315 kV；每4台PCS通过1台变压器汇集到35 kV母线上，最终系统通过35 kV线路接入清水河220变低压侧。

清水河变监测电网运行状态并向清水河电厂发送命令，储能系统接收来自清水河电厂转发自清水河变的充放电命令，并根据该命令进行实际的充电、放电容量调节，储能稳控通过监测35 kV并网线路的有功来判断是否满足要求，达到保护110 kV联络线的作用。这里选取其中的一组充电实验，其充放电时间和频率响应关系如图5所示。

903 ms为稳控装置接收到清水河变发出的充电命令起始时间，到储能系统开始实际的充电，其响应时间为60 ms 左右，到满足充电2 MW 的要求为102 ms，满足储能系统要求。

6 结语

目前由几个厂家组建的清水河储能稳控系统主要是通过安稳系统监控，在100 ms内监测到联络点异常，在稳控执行机构等待的300 ms内储能系统主动介入，排除联络点异常。而目前实际试验中储能系统能够达到整组响应时间200 ms的要求，能够实现电网稳定控制系统对能源的“以调代切”和“升降双向”等控制技术，减少了稳控系统的切负荷动作频次，进而有效地保护了发电机组和电网负荷，并可以拓展负荷大用户，增强了电网运行手段，在提高电网对能源消纳能力的同时，提高了电网安全稳定运行水平。

参考文献

［1］薛禹胜.时空协调的大停电防御框架：（一）从孤立防线到综合防御［J］.电力系统自动化，2006（1）：8-16.

［2］宋锦海，李雪明，姬长安，等.安全稳定控制装置的发展现状及展望［J］.电力系统自动化，2005（23）：91-96.

［3］腾咏哮，韩静.储能技术的发展及分析［J］.科技视界，2015（24）：153.

（责任编辑傅金睿）