文章來源：1．國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院2．國網(wǎng)湖南省電力有限公司
0、引言
電池儲能電站接入電力系統(tǒng)涉及眾多的安全穩(wěn)定性問題，目前針對電池儲能電站的研究多集中于儲能站與風(fēng)能、太陽能等新能源的協(xié)調(diào)控制，或是電池儲能參與電網(wǎng)調(diào)頻的控制策略研究，對站內(nèi)的控制策略研究較少。
為此本文根據(jù)電網(wǎng)側(cè)電池儲能電站的實(shí)際工程建設(shè)情況，考慮儲能電站的運(yùn)行安全性和可靠性，提出站內(nèi)系統(tǒng)控制的優(yōu)化策略與系統(tǒng)通信故障的緊急策略，以期為儲能電站的建設(shè)與發(fā)展提供借鑒參考。
1、大型電池儲能電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1.1、電氣一次系統(tǒng)
當(dāng)前國內(nèi)電網(wǎng)側(cè)電池儲能電站的典型電氣一次系統(tǒng)接線方案如圖1所示。儲能單元由電池與儲能變流器（power coversion system，PCS）構(gòu)成，單個(gè)儲能單元的額定功率為1MW，額定容量為2MWh。電池作為能量的承載體，匯流后接入PCS進(jìn)行逆變，經(jīng)低壓交流斷路器接入10kV升壓變壓器的低壓側(cè)，升壓變壓器高壓側(cè)由環(huán)網(wǎng)柜并聯(lián)匯流，通過進(jìn)線斷路器并入10kV母線，再由出線斷路器接入電網(wǎng)變電站。
電池采用磷酸鐵鋰電池，與其他電池相比，其具有比能量高、循環(huán)壽命長、成本低、性價(jià)比高、可大電流充放電、耐高溫、高能量密度、無記憶、安全無污染等特點(diǎn)。電池采用電池組、電池簇、電池堆的3層分布式結(jié)構(gòu)，電池組由單體電芯串并聯(lián)組合而成，電池組串聯(lián)到高壓箱構(gòu)成電池簇，電池簇并聯(lián)到直流母排構(gòu)成電池堆，電池堆運(yùn)行功率為500kW，通過直流匯流柜送出。
儲能PCS作為儲能電池與電網(wǎng)的柔性接口，通過整流逆變一體化的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)的能量雙向流動(dòng)，即電池電能的存儲與釋放。其工作原理為通過三相橋式變換器，把儲能電池的直流電壓變換成高頻的三相斬波電壓，經(jīng)濾波器處理成正弦波電流后并入電網(wǎng)。
升壓變壓器的容量與儲能單元容量相匹配，設(shè)計(jì)容量為1250kVA，通過負(fù)荷開關(guān)接入環(huán)網(wǎng)柜，環(huán)網(wǎng)柜之間并聯(lián)匯流后通過10kV進(jìn)線斷路器接入10kV母線。10kV系統(tǒng)包括進(jìn)線開關(guān)柜、出線開關(guān)柜、計(jì)量柜、站用變開關(guān)柜、母線PT柜。10kV母線采用單母分段接線方式，不設(shè)分段開關(guān)。
1.2、電氣二次系統(tǒng)
電池儲能電站電氣二次系統(tǒng)包括電池管理系統(tǒng)（battery management system，BMS）、PCS控制保護(hù)系統(tǒng)、后臺監(jiān)控系統(tǒng)、繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置組成。
1.2.1、控制保護(hù)系統(tǒng)
BMS能夠?qū)崿F(xiàn)電池狀態(tài)監(jiān)視、運(yùn)行控制、絕緣監(jiān)測、均衡管理、保護(hù)報(bào)警及通信功能等，通過對電池的狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，保證系統(tǒng)的正常穩(wěn)定安全運(yùn)行。BMS分為總控單元、主控單元及從控單元3個(gè)層級，總控單元對儲能電池堆進(jìn)行集中管理，負(fù)責(zé)電池系統(tǒng)的策略實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)匯總和對外通信；主控單元負(fù)責(zé)電池簇的管理，包括總電壓檢測、電流檢測、絕緣檢測、充放電過程管理、故障報(bào)警處理等；從控單元具有監(jiān)測電池組內(nèi)單體電池電壓、溫度的功能，并能夠?qū)﹄姵亟M充、放電過程進(jìn)行安全管理。
PCS保護(hù)控制系統(tǒng)監(jiān)測儲能PCS的運(yùn)行工況，可以在過壓、過流、BMS保護(hù)信號等故障條件下觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作停機(jī)，具有故障錄波功能。PCS控制器接收后臺監(jiān)控系統(tǒng)指令，根據(jù)指令調(diào)節(jié)PCS工作模式，如充放電模式及有功、無功功率。
后臺監(jiān)控系統(tǒng)對站內(nèi)所有電氣運(yùn)行設(shè)備與儲能設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測與控制，除常規(guī)變電站包含的電氣監(jiān)控系統(tǒng)，還集成了能量管理系統(tǒng)（energy management system，EMS），接收調(diào)度指令，實(shí)現(xiàn)AGC和AVC等功能。
繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置包括公用測控裝置、10kV線路保護(hù)測控裝置、站用變保護(hù)測控裝置、防孤島保護(hù)裝置、頻率電壓緊急控制裝置、源網(wǎng)荷互動(dòng)終端。
1.2.2、通信系統(tǒng)
電池儲能電站二次通信結(jié)構(gòu)如圖2所示。電池儲能電站的通信系統(tǒng)可劃分為站控層、間隔層和儲能單元層。站控層設(shè)備包括監(jiān)控主機(jī)、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、Ⅰ區(qū)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)、打印機(jī)、網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測裝置等。間隔層設(shè)備包括間隔層交換機(jī)、公用測控裝置、10kV光差保護(hù)測控裝置、站用變保護(hù)測控裝置、防孤島保護(hù)裝置、頻率電壓緊急控制裝置。儲能單元層設(shè)備包括儲能單元層交換機(jī)、PCS二次系統(tǒng)、BMS、就地監(jiān)控裝置。
整站通信采用雙網(wǎng)冗余通信布置。站控層采用IEC104規(guī)約與上級調(diào)度通信。間隔層設(shè)備與監(jiān)控主機(jī)之間以雙網(wǎng)線連接，采用IEC61850通信協(xié)議；PCS二次系統(tǒng)與監(jiān)控主機(jī)、BMS與監(jiān)控主機(jī)之間以雙網(wǎng)線連接，采用IEC61850通信協(xié)議；PCS二次系統(tǒng)與BMS之間以屏蔽雙絞線連接，采用Modbus通信協(xié)議；PCS二次系統(tǒng)與就地監(jiān)控裝置之間以雙網(wǎng)線連接，采用IEC61850通信協(xié)議，BMS與就地監(jiān)控之間以網(wǎng)線連接，采用Modbus通信協(xié)議。交換機(jī)之間都以雙光纜連接，保證足夠的傳輸容量。
2、電池儲能電站系統(tǒng)控制策略及優(yōu)化
2.1、AGC控制策略
電池儲能電站AGC控制模式包含遠(yuǎn)方和就地模式。遠(yuǎn)方模式運(yùn)行時(shí)，AGC功能模塊接收遠(yuǎn)方調(diào)度控制指令，并根據(jù)調(diào)度設(shè)置的有功功率進(jìn)行有功分配，如未收到調(diào)度有功功率指令，則按當(dāng)前有功功率計(jì)劃曲線進(jìn)行有功功率分配。就地模式運(yùn)行時(shí)，AGC僅根據(jù)本地有功功率計(jì)劃曲線進(jìn)行有功功率的分配。
AGC運(yùn)行模式可采用比例分配模式或電池荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）優(yōu)化控制模式。比例分配模式按照當(dāng)前每臺正常運(yùn)行的PCS的最大可充電功率或最大可放電功率進(jìn)行比例分配，即：
式中：Pi為第i個(gè)儲能變流器的功率值；Pi,max為儲能變流器i的最大可充（放）電功率值；L為儲能變流器數(shù)量；PAGC為有功功率目標(biāo)值。
最大可充放電功率應(yīng)取PCS環(huán)境溫度過高的功率限額值和BMS傳送的功率限額值中的較小值，考慮到功率控制的實(shí)時(shí)性，為防止PCS、BMS與EMS在通信上存在延時(shí)差異，應(yīng)由PCS綜合本身及BMS的功率限額值，輸出最大可充放電功率上傳至站內(nèi)AGC模塊。SOC優(yōu)化控制模式是綜合考慮最大可充放電功率值與電池堆SOC來分配各PCS的功率目標(biāo)值，根據(jù)客觀需求確定兩種因素的權(quán)重占比。對于第i組PCS與電池，其最大可充放電功率值和電池荷電狀態(tài)先進(jìn)行歸一化再與對應(yīng)權(quán)重相乘，相加后得到該因素的綜合值。
式中：fpi為第i組的最大可充放電功率值與所有組中最大的可充放電功率的比值；當(dāng)計(jì)算充電功率目標(biāo)值時(shí)，fsi為100%與第i組的電池堆SOC百分比值的差值，當(dāng)計(jì)算放電功率目標(biāo)值時(shí)，fsi為第i組電池堆SOC的百分比值；wp、ws分別為兩種因素的權(quán)重。
2.2、AVC控制策略
AVC控制模式包含遠(yuǎn)方和就地模式。遠(yuǎn)方模式運(yùn)行時(shí)，AVC功能模塊接收遠(yuǎn)方調(diào)度指令，進(jìn)行無功功率調(diào)節(jié)，如當(dāng)前無調(diào)度指令下發(fā)時(shí)，則根據(jù)電壓計(jì)劃曲線值進(jìn)行無功調(diào)節(jié)和跟蹤。就地模式運(yùn)行時(shí)，則AVC無功調(diào)節(jié)僅根據(jù)就地電壓計(jì)劃曲線或就地輸入，進(jìn)行無功調(diào)節(jié)，而不響應(yīng)調(diào)度電壓或無功調(diào)節(jié)指令。
AVC功能模塊通常采用電壓控制模式運(yùn)行，站內(nèi)ACV功能模塊需根據(jù)電氣接線方式進(jìn)行區(qū)別化設(shè)計(jì)，若儲能站內(nèi)的各段10kV母線是分別接入電網(wǎng)側(cè)變電站的不同段母線，則調(diào)度AVC主站根據(jù)變電站內(nèi)各段10kV母線狀態(tài)，分別下發(fā)電壓目標(biāo)值至儲能電站AVC功能模塊。儲能電站優(yōu)先滿足有功功率需求，因此單個(gè)PCS最大可調(diào)無功容量Qmax根據(jù)式（3）確定：
式中：Sover為PCS長時(shí)間允許的過載運(yùn)行功率；PN為PCS的額定有功功率。
2.3、接入源網(wǎng)荷系統(tǒng)控制策略
電池儲能電站具備運(yùn)行狀態(tài)快速轉(zhuǎn)變的能力，可實(shí)現(xiàn)從負(fù)荷到電源的毫秒級轉(zhuǎn)變，從而對電網(wǎng)頻率起到緊急調(diào)節(jié)的倍增作用。在站內(nèi)安裝一個(gè)源網(wǎng)荷互動(dòng)終端，將其通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)光纖通道接入源網(wǎng)荷精準(zhǔn)切負(fù)荷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)上級精準(zhǔn)切負(fù)荷指令，同時(shí)與EMS系統(tǒng)通信及控制PCS動(dòng)作。終端與EMS采用IEC104規(guī)約通信，與PCS之間采用干接點(diǎn)連接，使PCS可靠快速實(shí)現(xiàn)功率反轉(zhuǎn)。
儲能站內(nèi)源網(wǎng)荷系統(tǒng)具體控制策略為：源網(wǎng)荷互動(dòng)終端接收到切負(fù)荷指令后，同時(shí)向PCS和EMS發(fā)送指令，PCS接收到硬接點(diǎn)信號后以短時(shí)允許過載功率進(jìn)行最大功率放電1s，1s后由EMS根據(jù)PCS與電池狀態(tài)，以最大可放電功率運(yùn)行，直至達(dá)到SOC下限。當(dāng)人為復(fù)歸終端切負(fù)荷指令時(shí)，終端向EMS發(fā)負(fù)荷恢復(fù)指令，EMS由一次調(diào)頻或AGC控制儲能電站。
3、電池儲能電站系統(tǒng)通信故障應(yīng)急策略
電池儲能電站中后臺監(jiān)控系統(tǒng)EMS對電池的監(jiān)測、對PCS的監(jiān)控都是通過通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，EMS與BMS之間、EMS與PCS之間都采用的IEC61850雙網(wǎng)冗余通信，BMS與PCS之間采用了Modbus通信協(xié)議，儲能電站的運(yùn)行控制對通信系統(tǒng)依賴度高。
為了防止在通信鏈路發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)不失控，應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定及可控性，制定通信故障時(shí)的響應(yīng)策略。當(dāng)PCS檢測到與EMS通信中斷時(shí)，PCS應(yīng)立即采取停機(jī)措施，否則該P(yáng)CS繼續(xù)運(yùn)行，而AGC會對剩下的PCS重新進(jìn)行功率分配，此時(shí)實(shí)際的總功率值將大于目標(biāo)功率值。當(dāng)BMS與EMS通信中斷時(shí)，EMS檢測到通信中斷則在一定延時(shí)后向該BMS對應(yīng)的PCS發(fā)停機(jī)命令。當(dāng)PCS檢測到與BMS通信中斷時(shí)，立即控制PCS轉(zhuǎn)為停機(jī)。
此外從通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上分析，站內(nèi)所有BMS和PCS數(shù)據(jù)都接入到間隔層交換機(jī)，是一種集中布置方式，數(shù)據(jù)負(fù)荷大，若間隔層交換機(jī)發(fā)生故障，將導(dǎo)致站內(nèi)所有儲能設(shè)備通信中斷。由于每個(gè)儲能單元都配置了就地監(jiān)控裝置，目前承擔(dān)著儲能單元通信匯集和就地監(jiān)控的功能。因此考慮利用就地監(jiān)控裝置與儲能單元層交換機(jī)在整站儲能設(shè)備通信中斷時(shí)，構(gòu)建應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，承擔(dān)緊急情況下的就地控制作用。
通過在就地監(jiān)控裝置中安裝AGC和AVC等功能模塊，使其具備與后臺監(jiān)控系統(tǒng)相同的功率控制功能。電池儲能電站應(yīng)急通信方案如圖3所示，各儲能單元采用環(huán)網(wǎng)型交換機(jī)組成局域環(huán)網(wǎng)。在系統(tǒng)通信正常時(shí)，儲能設(shè)備通過正常網(wǎng)絡(luò)與后臺監(jiān)控系統(tǒng)通信，就地監(jiān)控裝置存儲整站的控制命令。一旦所有的儲能單元都判斷通信中斷，則指定地址編號最小的就地監(jiān)控裝置為主控裝置，通過局域環(huán)網(wǎng)控制儲能設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行。
4、結(jié)語
國內(nèi)電網(wǎng)側(cè)儲能電站建設(shè)正處于起步階段，數(shù)量及規(guī)模逐年增大，但在規(guī)劃建設(shè)、運(yùn)行控制、狀態(tài)評價(jià)等方面都缺乏實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。本文介紹了當(dāng)前大型電池儲能電站的典型電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，依據(jù)電池儲能電站調(diào)試情況，對站內(nèi)系統(tǒng)運(yùn)行控制策略提出了優(yōu)化改進(jìn)方案，并提出通信故障下的應(yīng)急策略，以提高儲能電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行水平，相關(guān)研究可為電池儲能站建設(shè)提供借鑒參考。
