中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：由于小規(guī)模和大規(guī)模可再生能源發(fā)電的迅速普及以及多家燃煤電廠的關(guān)閉，澳大利亞國(guó)家電力市場(chǎng) (NEM) 經(jīng)歷了巨大的轉(zhuǎn)變。世界各地的許多電力系統(tǒng)都在經(jīng)歷類似的轉(zhuǎn)變，因?yàn)樗鼈冋谶h(yuǎn)離化石燃料或核能發(fā)電。澳大利亞南澳大利亞州是這一轉(zhuǎn)變的縮影，該州可再生能源發(fā)電的份額從 2009 年的 14% 增長(zhǎng)到 2018 年的 51% [2]，風(fēng)電占主導(dǎo)地位。再加上有限的州際輸電容量，該州的電力系統(tǒng)經(jīng)歷了超過(guò) 140% 的風(fēng)力發(fā)電瞬時(shí)滲透率 - 是世界上所有主要電力系統(tǒng)中最高的 [3]。這種非同步發(fā)電的高比例存在降低了傳統(tǒng)上由同步發(fā)電機(jī)提供的系統(tǒng)強(qiáng)度。
Dalrymple 電池儲(chǔ)能系統(tǒng) (Dalrymple BESS)（也稱為 ESCRI-SA）是具有微電網(wǎng)自動(dòng)化功能的 30 MVA / 8 MWh 構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能系統(tǒng)。它于 2018 年安裝在約克半島下游，靠近 132 kV 長(zhǎng)單回輻射饋線的末端。Dalrymple BESS 是第一個(gè)（也是目前唯一一個(gè)）連接到 NEM 的大型構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能系統(tǒng)，它建立在虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)之上，通過(guò)復(fù)制同步電機(jī)的行為和性能來(lái)加強(qiáng)電網(wǎng)，提供合成慣量和高故障電流，以允許更高水平的可再生能源連接和運(yùn)行 [4]。該系統(tǒng)還可以提供可靠性和靈活性服務(wù)，例如快速電力注入、無(wú)縫孤島和本地配電網(wǎng)絡(luò)的黑啟動(dòng)。當(dāng)上游饋線發(fā)生故障時(shí)，該系統(tǒng)與附近的 91 MW Wattle Point 風(fēng)電場(chǎng)和分布式太陽(yáng)能光伏發(fā)電無(wú)縫對(duì)接，使得本地孤島電力系統(tǒng)得以運(yùn)行，以確保向當(dāng)?shù)乜蛻艄╇姷倪B續(xù)性。這使得 Dalrymple BESS 不僅僅是一個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)，而是世界上最大的自主微電網(wǎng)。
該項(xiàng)目的結(jié)果和運(yùn)行首次在 NEM 上證明了構(gòu)網(wǎng)型變流器與跟網(wǎng)型變流器相比，在加強(qiáng)電網(wǎng)和實(shí)現(xiàn)高可再生能源目標(biāo)方面可以發(fā)揮關(guān)鍵作用。除此之外，Dalrymple BESS 還為 NEM 提供有競(jìng)爭(zhēng)力的市場(chǎng)服務(wù)，為運(yùn)營(yíng)商提供商業(yè)回報(bào)，這是目前同步調(diào)相機(jī)等類似電力系統(tǒng)支持技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
本文概述了項(xiàng)目的商業(yè)架構(gòu)和市場(chǎng)環(huán)境，然后探討了虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)的設(shè)計(jì)和功能。然后，本文重點(diǎn)介紹了構(gòu)網(wǎng)型變流器提供的關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢(shì)，最后以基于調(diào)試數(shù)據(jù)和 Dalrymple BESS 最初幾個(gè)月運(yùn)行的經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的關(guān)鍵性能結(jié)果作為結(jié)論。
Dalrymple BESS 解決了一系列挑戰(zhàn)，強(qiáng)化了 BESS 與虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)如何為公用事業(yè)、消費(fèi)者和更廣泛的電力市場(chǎng)提供多種價(jià)值流，以及使大型電力系統(tǒng)能夠在比以前更高水平的可再生能源下運(yùn)行成為可能。
1 簡(jiǎn)介
下約克半島是一個(gè)位于132 kV長(zhǎng)輻射饋線末端的 33 kV 中壓網(wǎng)絡(luò)，由于其提供的多個(gè)價(jià)值流，因此被選為 Dalrymple 構(gòu)網(wǎng)型電池儲(chǔ)能系統(tǒng) (GF-BESS) 的主機(jī)站點(diǎn)。長(zhǎng)輻射132 kV 線路將 91 MW Wattle Point 風(fēng)電場(chǎng)與NEM連接，并為該地區(qū)的當(dāng)?shù)爻擎?zhèn)提供服務(wù)。當(dāng)雷擊中斷這一單回供電線路時(shí)，該地區(qū)將面臨停電的風(fēng)險(xiǎn)。該站點(diǎn)允許通過(guò)為該地區(qū)的城鎮(zhèn)提供備用電源來(lái)獲得受監(jiān)管的收益，通過(guò)在上游中斷發(fā)生時(shí)無(wú)縫過(guò)渡到具有風(fēng)電場(chǎng)的孤島系統(tǒng)，以減少 ElectraNet客戶的停電。雖然該電網(wǎng)系統(tǒng)與NEM互連，但在非孤島運(yùn)行模式下，系統(tǒng)可提供合成慣量和快速有功功率注入，以提高南澳大利亞電網(wǎng)的可靠性，并支持該州在風(fēng)電滲透率高時(shí)電力系統(tǒng)的運(yùn)行。該站點(diǎn)還允許管理州際聯(lián)絡(luò)線上的負(fù)載，以進(jìn)一步幫助提高該州電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。除了這些技術(shù)優(yōu)勢(shì)之外，系統(tǒng)還可以通過(guò)加入國(guó)家電力批發(fā)和頻率控制輔助服務(wù) (FCAS) 市場(chǎng)來(lái)獲取商業(yè)價(jià)值。圖 1（左）顯示了 GF-BESS 在約克半島的位置，南部有 91 MW 的 Wattle Point 風(fēng)電場(chǎng)。系統(tǒng)的單線圖如右圖所示。
圖 1：左 - Dalrymple BESS、現(xiàn)有輸電資產(chǎn)和半島頂端的 Wattle Point 風(fēng)電場(chǎng) [5]；右 – 簡(jiǎn)化的Dalrymple BESS 和微電網(wǎng)單線圖
2.商業(yè)架構(gòu)
2.1.所有權(quán)
建立了獨(dú)特的所有權(quán)結(jié)構(gòu)，市場(chǎng)在當(dāng)前監(jiān)管框架內(nèi)從 Dalrymple BESS 獲得受監(jiān)管和具有競(jìng)爭(zhēng)力的市場(chǎng)服務(wù)。系統(tǒng)歸ElectraNet所有并負(fù)責(zé)維護(hù)，BESS 運(yùn)營(yíng)租賃給發(fā)電和零售商 AGL，為期 12 年。Dalrymple BESS 項(xiàng)目的所有權(quán)和運(yùn)營(yíng)模式如圖 2 所示，右側(cè)是 BESS 建筑的照片 [5]。
圖 2：上 - ESCRI-SA 項(xiàng)目的商業(yè)模型 [7]；下 – Dalrymple BESS 的航拍照片
如圖所示，來(lái)自 ARENA 的基金為該項(xiàng)目提供了部分資金。ElectraNet 通過(guò)Dalrymple BESS的所有權(quán)向市場(chǎng)提供受監(jiān)管的服務(wù)，而AGL通過(guò)租賃合約在在競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)中運(yùn)營(yíng)BESS。 圖中的付款用紅色箭頭表示，獲益用綠色箭頭表示。
小劉：個(gè)人理解這個(gè)商業(yè)模型設(shè)計(jì)意圖：既發(fā)揮了市場(chǎng)對(duì)資源的有效配置（Market Service），同時(shí)又需要通過(guò)監(jiān)管（Regulated Service）避免資本家們通過(guò)區(qū)域的壟斷來(lái)攫取不合理的超額利潤(rùn)。ARENA居然真的能找到這么完美的小白鼠，也是有趣得緊。
2.1.收入流
Dalrymple BESS 項(xiàng)目的收入來(lái)源來(lái)自提供合成慣量、減少停電、FCAS 市場(chǎng)和能源套利。還有許多其他服務(wù)：如黑啟動(dòng)、提供故障電流、電壓調(diào)節(jié)、用于系統(tǒng)完整性保護(hù)方案 (SIPS) 的快速有功功率注入、功率因數(shù)調(diào)節(jié)和避免DER棄電。這些服務(wù)或未被選中作為收入來(lái)源或因?yàn)樵诋?dāng)前的市場(chǎng)和監(jiān)管框架下沒有可行的機(jī)制。如前所述，目前項(xiàng)目獲得的收入來(lái)源是：
GF-BESS的慣量響應(yīng)減少了對(duì)Heywood 聯(lián)絡(luò)線的限制，提高了單向州際交流聯(lián)絡(luò)線的利用率。這是通過(guò) GF-BESS 的合成慣量為南澳大利亞電力系統(tǒng)提供的 200 MW等效同步慣量來(lái)實(shí)現(xiàn)的 [5]。
在供電中斷后減少 Dalrymple 地區(qū)的能源短缺，包括將GF-BESS與當(dāng)?shù)刎?fù)荷組成孤島系統(tǒng)，同時(shí)保持與降低出力后的Wattle Point 風(fēng)電場(chǎng)和當(dāng)?shù)匚蓓敼夥l(fā)電的連接，直到與 NEM 的連接恢復(fù)。在運(yùn)行的前六個(gè)月，GF-BESS 已將供電損失從大約 8 小時(shí)減少到 30 分鐘 [5]。
通過(guò)提供 FCAS 服務(wù)和能源套利，在 NEM 中進(jìn)行電力市場(chǎng)交易。在運(yùn)營(yíng)的前六個(gè)月，GF-BESS 從 FCAS 市場(chǎng)賺取了 113 萬(wàn)澳元 [5]。
3.功能
所有 Dalrymple BESS 功能均由高功率構(gòu)網(wǎng)型變流器平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，其控制系統(tǒng)由兩個(gè)級(jí)別組成：初級(jí)和次級(jí)。初級(jí)控制在變流器上實(shí)現(xiàn)，而次級(jí)控制則安裝在分布式控制器中。
初級(jí)控制的核心是虛擬同步發(fā)電機(jī) (VSG) - 一種結(jié)合了合成慣量、合成阻抗、頻率調(diào)節(jié)器、同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁通模型和自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器 (AVR) 的大功率變流器。其控制圖如圖3所示。
圖 3：ABB 虛擬同步發(fā)電機(jī)主控制模型 [8]
這些控制組件協(xié)同工作，使 VSG 在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)條件下都表現(xiàn)得與同步發(fā)電機(jī)非常相似 [8]，與其他電壓和/或電流源并聯(lián)或與電網(wǎng)并聯(lián)時(shí)，獨(dú)立運(yùn)行中的那些先進(jìn)性能仍然保持工作。 變流器始終作為電壓源運(yùn)行，可無(wú)縫過(guò)渡到孤島運(yùn)行和退出孤島運(yùn)行，VSG層面允許調(diào)整和保證在連接點(diǎn)位置與電力系統(tǒng)有效集成的靈活性。
次級(jí)控制（圖中未顯示），即總體分布式 e-mesh? 控制，集成在主控制之上，并包含大部分項(xiàng)目特定的自動(dòng)化和功能邏輯。
與其他發(fā)電和儲(chǔ)能裝置相比，兩個(gè)控制層共同提供了以下關(guān)鍵功能和創(chuàng)新特性：
具有構(gòu)網(wǎng)能力和在極低短路比 (<<1.5) 下運(yùn)行能力的變流器，遠(yuǎn)超現(xiàn)有的基于變流器發(fā)電技術(shù)的性能表現(xiàn)；
無(wú)縫的計(jì)劃內(nèi)和計(jì)劃外過(guò)渡到孤島運(yùn)行以及隨后與電網(wǎng)實(shí)時(shí)再同步的實(shí)現(xiàn)；
響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化率 (RoCoF) 的合成慣量以及在孤島運(yùn)行中穩(wěn)定頻率，并為構(gòu)網(wǎng)變流器提供前所未有的響應(yīng)速度和帶寬。注意與第 4.1 節(jié)中討論的快速頻率響應(yīng) (FFR) 的區(qū)別；
通過(guò)短時(shí)故障電流過(guò)載（高達(dá) 2.0 pu 變流器額定值持續(xù) 2 秒），實(shí)現(xiàn)采用非同步發(fā)電技術(shù)時(shí)的系統(tǒng)故障水平/系統(tǒng)強(qiáng)度支持能力；
孤島電網(wǎng)主控制，包括風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電功率調(diào)度/棄電，在合理的風(fēng)力條件下無(wú)限期地向當(dāng)?shù)貚u嶼供電；
黑啟動(dòng)能力，為當(dāng)?shù)貚u嶼提供變壓器啟動(dòng)供電，峰值需求為8 MW；
作為南澳大利亞系統(tǒng)完整性保護(hù)計(jì)劃 (SIPS) 一部分的先發(fā)應(yīng)急響應(yīng)，在發(fā)生重大發(fā)電損失后向電網(wǎng)提供快速的有功功率注入。GF-BESS可在接收到在南澳大利亞?wèn)|南部約 400 公里外的唯一州際交流互連線路檢測(cè)到電網(wǎng)事件的命令后 250 毫秒內(nèi)滿負(fù)荷運(yùn)行，為電網(wǎng)提供有效支撐；
參與全國(guó)電力市場(chǎng)的能源套利和應(yīng)急頻率控制輔助服務(wù)（FCAS）；
電壓、功率因數(shù)、無(wú)功功率調(diào)節(jié)和外部設(shè)定點(diǎn)控制；
與 ElectraNet 的傳輸系統(tǒng)級(jí)基于拓?fù)涞墓聧u檢測(cè)方案集成；
分布式能源 (DER) 的控制：Dalrymple BESS 可以調(diào)整孤島系統(tǒng)頻率，按需實(shí)現(xiàn)表后DER的限發(fā)調(diào)度，以管理潮流并避免由于這些不受控制的本地發(fā)電設(shè)施（例如客戶屋頂太陽(yáng)能光伏）。
4. 技術(shù)性能
Dalrymple BESS 的性能在2018 年系統(tǒng)調(diào)試期間和2018 年 12 月投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)后的第一年內(nèi)得到了驗(yàn)證[5]。在本章中，我們介紹了從 Dalrymple BESS 的調(diào)試和運(yùn)行中收集到的一些結(jié)果，以討論合成慣量、故障電流、無(wú)縫孤島、黑啟動(dòng)和快速有功功率注入。
4.1.合成慣量
合成慣量采用了與第 3 節(jié)中著重提到的FFR不同實(shí)現(xiàn)機(jī)制。Dalrymple BESS 提供的合成慣量由兩個(gè)電壓源以及兩個(gè)電壓源之間的相角比例決定的基本功率傳輸方程控制，如方程 1 所示。
圖 4：左 - 電網(wǎng)和 VSG 電壓的相量圖以及由正負(fù) RoCoF 事件引起的相位差；右 - 同步電機(jī)的電氣和機(jī)械部件圖 [1]
該方案不需要與大多數(shù) FFR 機(jī)制相關(guān)的外部測(cè)量、檢測(cè)和處理。圖 4（左）顯示了 VSG 內(nèi)部電壓的相量圖，相當(dāng)于同步電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)。該電壓相量具有自己的轉(zhuǎn)速/頻率，它不跟隨電網(wǎng)頻率，而是在內(nèi)部作為獨(dú)立參考生成，作為其構(gòu)網(wǎng)功能的一部分。在GF-BESS連接端子處與電網(wǎng)的相互作用會(huì)導(dǎo)致正向的電網(wǎng)RoCoF 事件導(dǎo)致 GF-BESS 由于負(fù)相位角差從而自發(fā)從電網(wǎng)吸收有功功率，相反，負(fù)向電網(wǎng)RoCoF事件將立即發(fā)生并且由于正相角差而從而自發(fā)導(dǎo)致 GF-BESS 將有功功率注入電網(wǎng)。方程1 給出的機(jī)制與驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)的慣性響應(yīng)的機(jī)制相同，如圖 4（右）中同步電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型所示。清楚說(shuō)明了同步電機(jī)和帶 VSG 的 GF-BESS 的慣性響應(yīng)均由相同的實(shí)際功率傳輸方程驅(qū)動(dòng)。
2019 年 11 月 16 日下午 6:05，Dalrymple BESS 的放電功率約為 6 MW，并通過(guò)Heywood 聯(lián)絡(luò)線從南澳大利亞州向維多利亞州凈輸出電力。此時(shí)，如圖 5 所示，Heywood 聯(lián)絡(luò)線發(fā)生故障，導(dǎo)致各州之間發(fā)生解列事件，導(dǎo)致南澳大利亞州發(fā)生正向 RoCoF 事件，因?yàn)槠渲輧?nèi)發(fā)電量過(guò)剩。該事件如圖 5 所示。左上角（8 秒視圖）和右上角（300 毫秒視圖）圖中顯示了頻率上升，及對(duì)應(yīng)的有功功率響應(yīng)（左下角）和電流波形（右下角） . Dalrymple BESS 的慣量響應(yīng)立即降低其輸出。從電流波形中可以看出，在高速數(shù)據(jù)記錄儀檢測(cè)到頻率上升之前，Dalrymple BESS 已經(jīng)開始降低其輸出（由紅色垂直線標(biāo)記）。這是因?yàn)椋缜八?，GF-BESS 不依賴于外部頻率的測(cè)量和檢測(cè)來(lái)啟動(dòng)響應(yīng)，而是由與同步電機(jī)相同的基本原理驅(qū)動(dòng)—比較端子電壓和GF-BESS 的內(nèi)部電壓。響應(yīng)幅度和功率/電流降低的斜率由 VSG 軟件和慣量時(shí)間常數(shù)定義，可調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)所需的響應(yīng)。在慣量響應(yīng)穩(wěn)定后，從下午 6:05:21 開始，應(yīng)急FCAS 響應(yīng)被識(shí)別出來(lái)，后續(xù)可以通過(guò)市場(chǎng)導(dǎo)向的頻率支持響應(yīng)服務(wù)幫助將頻率恢復(fù)到正常工作頻段。
圖 5：正向RoCoF 事件顯示來(lái)自 Dalrymple BESS 的慣量響應(yīng)發(fā)生在高速數(shù)據(jù)記錄器檢測(cè)到頻率增加之前。左上 – 8 秒頻率視圖；左下 – 8 秒有功功率視圖；右上角 – 300 毫秒頻率視圖；右下角 – 300 ms 電流波形。
此外，作者在 DIgSILENT PowerFactory 中進(jìn)行了一項(xiàng)簡(jiǎn)短的模擬研究，以比較 GF-BESS與3臺(tái)同步發(fā)電機(jī)的對(duì)線性頻率下降的響應(yīng)。所有設(shè)備配置為具有相同的MVA額定值和慣量時(shí)間常數(shù)，以便對(duì)RoCoF事件的預(yù)期有功功率響應(yīng)具有相同的幅值。3臺(tái)同步發(fā)電機(jī)的參數(shù)有所不同，如定子阻抗、同步電抗以及次瞬態(tài)和瞬態(tài)時(shí)間常數(shù)，目的是模擬這些參數(shù)對(duì)響應(yīng)形態(tài)的影響，并將其與 GF-BESS 的響應(yīng)進(jìn)行比較。這組發(fā)電機(jī)未與原動(dòng)機(jī)連接，也沒有配備電力系統(tǒng)穩(wěn)定器。因此，它們本質(zhì)上代表同步調(diào)相機(jī)。
圖 6 在頂部圖中顯示了 1 秒內(nèi) 3 Hz/s 的頻率下降，在底部圖中顯示了 GF-BESS 和 3 臺(tái)同步電機(jī)的有功功率響應(yīng)。很明顯，GF-BESS 響應(yīng)的初始上升時(shí)間與同步電機(jī)的初始上升時(shí)間相當(dāng)。一個(gè)有趣的觀察現(xiàn)象是所有 3 臺(tái)同步電機(jī)的有功功率響應(yīng)的欠阻尼特性由其轉(zhuǎn)子振蕩引起的，而 GF-BESS 的響應(yīng)幾乎可以調(diào)整為任何行為——在這種特殊情況下輕微的欠阻尼可以以實(shí)現(xiàn)快速上升和穩(wěn)定時(shí)間。同步電機(jī)可以設(shè)計(jì)為具有更高的阻尼，以達(dá)到一定的限制，但代價(jià)是在不平衡負(fù)載條件下增加發(fā)熱量 [6]。
圖 6：模擬中的構(gòu)網(wǎng)型 BESS 與同步發(fā)電機(jī)對(duì) RoCoF 事件的響應(yīng)比較
本節(jié)中描述的慣量響應(yīng)表明 GF-BESS 可與同步發(fā)電機(jī)響應(yīng)相同。這一特性，加上超過(guò)變流器持續(xù)額定值（在第 4.2 節(jié)中討論）的故障電流注入能力，使這種 GF-BESS 系統(tǒng)成為同步發(fā)電機(jī)的可行替代方案，作為電力系統(tǒng)安全的貢獻(xiàn)者，允許更多化石燃料發(fā)電廠切換為離線并解鎖更高瞬時(shí)滲透率的可再生能源。
4.2.故障電流注入
大多數(shù)連接到電網(wǎng)的可再生能源電站都通過(guò)電流控制的變流器實(shí)現(xiàn)。不斷增長(zhǎng)的容量需求是電力和其他部門脫碳所必需的，但對(duì)于同步發(fā)電技術(shù)的替代，這給保障電力系統(tǒng)的運(yùn)行帶來(lái)了挑戰(zhàn)。后者在過(guò)去一直是系統(tǒng)故障電流注入的常規(guī)來(lái)源。故障電流是與系統(tǒng)強(qiáng)度相關(guān)的一個(gè)因素——系統(tǒng)中必須始終存在足夠的電流，以保證過(guò)流保護(hù)裝置的安全運(yùn)行。此外，來(lái)自電力系統(tǒng)中不同位置的電源的故障電流注入，連同系統(tǒng)元件的阻抗，決定了故障期間整個(gè)電網(wǎng)的電壓分布。
采用電流控制變流器技術(shù)并網(wǎng)的大規(guī)模和分布式可再生能源發(fā)電通常依賴于諸如鎖相環(huán) (PLL) 之類的機(jī)制來(lái)保持其輸出與電網(wǎng)電壓波形基礎(chǔ)分量的同步。在故障期間，電壓幅度降低和可能的波形失真可能導(dǎo)致這些變流器失步并且難以“趕上”故障清除后的速度。這將可能導(dǎo)致“速度偏差”的發(fā)電行為，表現(xiàn)為有功/無(wú)功功率振蕩和/或功率/電流輸出降低。相反，構(gòu)網(wǎng)型電壓源變流器不依賴于 PLL，因?yàn)樗鼈兡軌蛏勺约旱碾妷翰ㄐ?，包括在它們穿越故障期間。此屬性使構(gòu)網(wǎng)型變流器被認(rèn)為是故障電流的貢獻(xiàn)者，特別是如果它們可以暫時(shí)提供超過(guò)其連續(xù)額定值的電流[4]。安裝在 Dalrymple BESS 的變流器就是這種情況（最大 2 p.u. 持續(xù) 2 秒，可按需配置為更低參數(shù)）。該 GF-BESS 提供的故障電流用于清除底層配電網(wǎng)以及 Wattle Point 風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的故障。此外，過(guò)載能力也是一個(gè)有用的功能，可以更好地應(yīng)對(duì)在標(biāo)稱電壓或接近標(biāo)稱電壓的變壓器通電時(shí)出現(xiàn)的浪涌電流，并在運(yùn)行孤島系統(tǒng)時(shí)管理瞬變。
大型可再生能源電站常連接在弱電網(wǎng)位置，電站通常靠近長(zhǎng)輻射線路末端并表現(xiàn)出低短路比 (SCR) 的特征。具有過(guò)載能力的 GF-BESS 和可再生能源電站位于同一個(gè)地址可以改善電站在故障期間的行為，并減少其與上述問(wèn)題相關(guān)的不利故障穿越行為。這是通過(guò)從 GF-BESS 注入故障電流來(lái)提高電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這有效地提高了SCR，并可以幫助配備電流控制變流器的可再生能源電站在故障期間保持同步和在線，防止不希望的“速度偏差”與故障后恢復(fù)期間的有功/無(wú)功功率振蕩。這增強(qiáng)了電力系統(tǒng)的彈性，并允許實(shí)現(xiàn)更多的可再生能源發(fā)電在偏遠(yuǎn)地區(qū)的選址，這些地區(qū)的特點(diǎn)是與弱電網(wǎng)（低 SCR）互連，而那里的資源通常又是最有利的。
4.3.無(wú)縫孤島
如第 3 節(jié)所述，Dalrymple BESS 提供的一項(xiàng)關(guān)鍵監(jiān)管服務(wù)是降低該地區(qū)供能減少，這實(shí)際上意味著防止在 Dalrymple 變電站與上游大容量電力系統(tǒng)斷開連接時(shí)發(fā)生停電。故障或突發(fā)事件。系統(tǒng)可以根據(jù)調(diào)度指令實(shí)現(xiàn)孤島（計(jì)劃內(nèi)孤島）或意外實(shí)現(xiàn)孤島（計(jì)劃外孤島）。后者比前者更困難，因?yàn)闊o(wú)法采取預(yù)防措施來(lái)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過(guò)渡，如將連接點(diǎn)的有功和無(wú)功功率潮流減少到零，并將風(fēng)電場(chǎng)的輸出減少到適當(dāng)?shù)乃健?
在控制和保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的挑戰(zhàn)是風(fēng)電場(chǎng)（91 MW）與 GF-BESS（30 MW）的額定值差異。如果風(fēng)電場(chǎng)在計(jì)劃外孤島的瞬間滿負(fù)荷發(fā)電，則 GF-BESS 可能不得不吸收遠(yuǎn)高于其額定值的功率，直到孤島運(yùn)行后大約 80-100 毫秒，保護(hù)繼電器關(guān)閉5臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)集電系統(tǒng)中的4臺(tái)，以重新配置孤島運(yùn)行的風(fēng)電場(chǎng)。如此大的功率峰值對(duì)電池提出了很高的要求。
GF-BESS 的合成慣量克服了這個(gè)問(wèn)題，BESS將立即通過(guò)提高頻率對(duì)事件做出響應(yīng)。降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)感應(yīng)發(fā)電機(jī)的滑移，瞬間降低其功率輸出，從而使 GF-BESS必須吸收的功率峰值不超過(guò)27 MW，保持在電池的穩(wěn)態(tài)額定值范圍內(nèi)。這種行為如圖 7 所示，數(shù)據(jù)由高速數(shù)據(jù)記錄器在實(shí)際測(cè)試期間捕獲。但由于運(yùn)營(yíng)商將在未來(lái)幾個(gè)月內(nèi)提高過(guò)頻保護(hù)的設(shè)置，使得該風(fēng)電場(chǎng)后續(xù)將無(wú)法順利實(shí)現(xiàn)該類事件的穿越。
圖 7：孤島前 79 MW的高風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電期間的孤島瞬間。此處顯示的是頻率（左）和 GF-BESS 有功功率（右）
然而，GF-BESS 在整個(gè)過(guò)渡期間及之后保持在線并維持運(yùn)行。值得注意的是，GF-BESS 提供的 PSCAD? 模型能夠在系統(tǒng)研究中準(zhǔn)確地復(fù)制這種對(duì)頻率的響應(yīng)行為 [5]。
仔細(xì)觀察圖 8 中另一個(gè)計(jì)劃外孤島測(cè)試期間記錄的電壓和電流波形，可以發(fā)現(xiàn) GF-BESS 會(huì)建立自己的連續(xù)電壓波形，因此在過(guò)渡期間不會(huì)發(fā)生電壓驟降，從而不會(huì)對(duì)中斷負(fù)載供電。孤島發(fā)生之后直到線路在 Dalrymple 變電站與電網(wǎng)隔離前，GF-BESS從上游132 kV 線路中吸收并增加電流注入持續(xù)70 ms。這突顯了動(dòng)態(tài)和瞬態(tài)管理中GF-BESS過(guò)載能力重要性。
圖 8：在 GF-BESS 的 33 kV 連接點(diǎn)記錄的電壓（左）和電流（右）波形在由紅色垂直線標(biāo)記的孤島時(shí)刻前后
孤島時(shí)，GF-BESS 通過(guò) VSG 調(diào)節(jié)微電網(wǎng)中的頻率，包括合成慣量、在初級(jí)控制級(jí)以下垂模式運(yùn)行的頻率調(diào)節(jié)器和在次級(jí)控制級(jí)具有小死區(qū)的等時(shí)頻率控制器等級(jí)。圖 9 顯示了與大容量電力系統(tǒng) (NEM) 并聯(lián)運(yùn)行時(shí)觀察到的頻率曲線，相比之下，在孤島狀態(tài)下，頻率僅由 GF-BESS 調(diào)節(jié)?？梢钥闯?，在孤島期間，由于 VSG 控制，頻率被控制在了更窄的頻帶內(nèi)。
圖 9：GF-BESS 在兩條紅色垂直線之間的孤島微電網(wǎng)中進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)。垂直線之外是大容量電力系統(tǒng) (NEM) 的頻率分布
4.4.黑啟動(dòng)
在大型電力系統(tǒng)中，恢復(fù)供電傳統(tǒng)上是自上而下的，即具有黑啟動(dòng)能力的大型發(fā)電站在系統(tǒng)停電事件后重啟，隨后部分輸電系統(tǒng)重新通電，允許提供電力 根據(jù)可用的在線發(fā)電能力和電力系統(tǒng)安全考慮，啟動(dòng)其他發(fā)電廠的電力并連續(xù)恢復(fù)對(duì)部分電網(wǎng)的供電。
隨著構(gòu)網(wǎng)型用事業(yè)規(guī)模儲(chǔ)能（如 Dalrymple BESS）的發(fā)展，系統(tǒng)恢復(fù)的新潛在來(lái)源現(xiàn)在位于更靠近消費(fèi)者和分布式能源的位置。連接變電站后，GF-BESS 能夠快速恢復(fù)對(duì)相關(guān)配電網(wǎng)的供電，從而減少消費(fèi)者的停電時(shí)間，并為分布式能源甚至大型電站提供電壓源以與之同步。通過(guò)變流器線性提升電壓的能力，基本上消除了初始充電過(guò)程中變壓器的浪涌電流。通過(guò)降低因過(guò)電流而導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)組/GF-BESS 跳閘的可能性提高了黑啟動(dòng)成功恢復(fù)系統(tǒng)的預(yù)期，另外還有助于防止開關(guān)和諧波過(guò)電壓。與運(yùn)行空載或輕載系統(tǒng)相關(guān)的其他現(xiàn)象，例如鐵磁共振，可能需要詳細(xì)的EMT型模擬研究，但通?？梢酝ㄟ^(guò)確保在充電過(guò)程中的配電網(wǎng)中存在足夠的系統(tǒng)阻尼（電阻）來(lái)避免。
在充電期間，頻率和電壓需要保持在可接受的范圍內(nèi)。由于 VSG 通過(guò)包含合成慣量、調(diào)速器、AVR 和轉(zhuǎn)子磁通模型的行為類似于同步發(fā)電機(jī)，因此系統(tǒng)行為的動(dòng)態(tài)將由這些控制組件的選定參數(shù)決定。根據(jù)參數(shù)值的不同，參數(shù)值的選擇可能取決于其他要求，例如并網(wǎng)運(yùn)行中的慣量響應(yīng)，恢復(fù)過(guò)程中的頻率和電壓變化可能會(huì)暫時(shí)超出允許的范圍。一些先進(jìn)的變流器能夠在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)切換參數(shù)，從而允許針對(duì)特定情況進(jìn)行必要的調(diào)整。例如，對(duì)于黑啟動(dòng)過(guò)程，可以提高合成慣量的大小，從而使頻率更堅(jiān)強(qiáng)。這里在選擇參數(shù)值時(shí)也需要小心，因?yàn)楦淖円恍﹨?shù)，特別是更快的內(nèi)部控制回路，可能會(huì)導(dǎo)致 GF-BESS 和電力系統(tǒng)設(shè)備之間發(fā)生不希望的相互作用并引起振蕩。
所討論的由 GF-BESS 啟用的系統(tǒng)恢復(fù)方法不僅可以通過(guò)快速啟動(dòng)配電系統(tǒng)來(lái)減少停電時(shí)間，而且還可以作為上游輸電線路的供電來(lái)源。這種自下而上的方法為系統(tǒng)操作提供了額外的靈活性，盡管增加了從多個(gè)額外位置管理系統(tǒng)恢復(fù)的復(fù)雜性。通過(guò)適當(dāng)?shù)淖詣?dòng)化水平，運(yùn)行人員干預(yù)可以減少到合理的最低限度。
在 Dalrymple，GF-BESS黑啟動(dòng)了當(dāng)?shù)氐?33 kV 配電網(wǎng)絡(luò)。這是通過(guò)對(duì) GF-BESS連接的變壓器 (6 x 6 MVA) 和其中一個(gè)變電站變壓器 (25 MVA) 進(jìn)行軟充電以及隨后對(duì)兩個(gè) 33 kV 配電饋線充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。變壓器充電瞬間電壓和電流波形在圖 10 中顯示。當(dāng)電壓在一秒鐘內(nèi)上升時(shí)，電流是如此微不足道，以至于它們?nèi)匀坏陀诟咚儆涗浧鞯氖叭￠撝?。這種方法完全消除了變壓器和電纜涌流。
圖10下圖顯示了 GF-BESS 連續(xù)負(fù)載饋線期間拾取的 33 kV 饋線的有功和無(wú)功功率曲線。
圖 10：上圖 - GF-BESS 提升電壓以柔性啟動(dòng)本地電網(wǎng)的變壓器；中圖 – 產(chǎn)生的電流非常小，以至于高速記錄儀無(wú)法捕捉到它們；下圖 – 33 kV 配電負(fù)載饋線連續(xù)充電的有功和無(wú)功功率曲線
4.5. 快速有功功率注入
系統(tǒng)完整性保護(hù)計(jì)劃 (SIPS) 由 ElectraNet 在 2016 年 9 月南澳大利亞系統(tǒng)停電事件之后設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn) GF-BESS 系統(tǒng)的協(xié)調(diào)快速有功功率注入，以應(yīng)對(duì)南澳大利亞大量發(fā)電量的損失[ 9]。SIPS 方案接管了對(duì)這種意外情況的檢測(cè)，并向 GF-BESS 提供二進(jìn)制觸發(fā)信號(hào)，它需要以預(yù)定義的功率輸出（通常是最大可用功率）對(duì)其進(jìn)行響應(yīng)。
Dalrymple BESS 的設(shè)計(jì)要求是在 250 毫秒內(nèi)提供 30 MW，這已在現(xiàn)場(chǎng)成功演示。圖 11 說(shuō)明了 GF-BESS 響應(yīng)接收到 SIPS 觸發(fā)而注入的記錄電流波形。為清楚起見，圖 8 中顯示的響應(yīng)與圖 11中對(duì) SIPS 觸發(fā)器的響應(yīng)之間的區(qū)別在于，后者是命令響應(yīng)（對(duì)設(shè)定點(diǎn)），而前者是由現(xiàn)在孤島電網(wǎng)內(nèi)的所有負(fù)載吸收的負(fù)荷電流，來(lái)自 GF-BESS，因?yàn)樗枪聧u微電網(wǎng)內(nèi)的唯一來(lái)源（松弛母線），并且實(shí)際上是瞬時(shí)的。
圖 11：響應(yīng) SIPS 觸發(fā)的 Dalrymple BESS 快速有源功率注入；觸發(fā)接收時(shí)刻用紅色豎線標(biāo)記
5. 結(jié)論
Dalrymple 30 MW GF-BESS 項(xiàng)目展示了 GF-BESS 如何提供一系列先進(jìn)的技術(shù)服務(wù)，這對(duì)于支持高滲透率可再生能源電力系統(tǒng)的運(yùn)行至關(guān)重要。作為 Dalrymple BESS 項(xiàng)目的一部分部署的大功率 VSG 平臺(tái)和先進(jìn)的自動(dòng)化使迄今為止開發(fā)的最大的自治區(qū)域微電網(wǎng)能夠并網(wǎng)和孤島運(yùn)行，并在這兩個(gè)州之間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫過(guò)渡。除了為能源生產(chǎn)商和零售商提供有競(jìng)爭(zhēng)力的市場(chǎng)服務(wù)外，這還開啟了首創(chuàng)的商業(yè)模式，由電網(wǎng)服務(wù)提供商提供受監(jiān)管的可靠性和安全服務(wù)。當(dāng) NEM 連接時(shí)，由于南澳大利亞州存在高比例風(fēng)力發(fā)電，Dalrymple BESS 提供了一系列電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和支持服務(wù)，如本文所述。
基于 Dalrymple BESS 所展示的功能，進(jìn)一步發(fā)展高功率、構(gòu)網(wǎng)型變流器和 VSG 技術(shù)，將為未來(lái)的電力系統(tǒng)提供重要的加強(qiáng)。這可以取代傳統(tǒng)上由同步發(fā)電提供的服務(wù)，并解鎖更高水平的可再生能源整合。具體而言，在使單個(gè)可再生能源電站能夠與電網(wǎng)的薄弱部分互連以及支持大型互連電力系統(tǒng)（例如NEM，達(dá)到可再生能源目標(biāo)。還建議進(jìn)一步開發(fā)構(gòu)網(wǎng)型變流器技術(shù)，以增強(qiáng)和構(gòu)建 Dalrymple BESS 展示的一些關(guān)鍵功能，以使未來(lái)的 100% 異步可再生發(fā)電大容量電力系統(tǒng)能夠可靠有效地運(yùn)行。
