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    新型智慧台区-智能运维+储能一体化应用解决方案(一)

    发布时间: 2023-02-17  点击次数: 1059次

    一、应用背景   

    低压配电台区供电电能质量和供电可靠性对居民正常生产和生活产生直接影响,是当前用电投诉的重点。继电力发展“十三五”规划之后,《电力发展“十四五”规划(2021-2025年)》继续强调要进一步升级改造配电网,推进智能电网建设,满足用电需求,提高供电质量,着力解决配电网薄弱问题,同时充分发挥储能灵活调节优势,更进一步优化供电结构,保障电力安全供应。
    结合国内典型配电台区现状,配电网台区运行面临众多问题,主要体现在以下几个方面:

    图片台区供电安全性问题

    (1)台变已面临重载或处于重载运行中(部分用户负荷已采取错峰用电措施,否则台变重过载,影响电网运行安全);

    图片台区供电质量问题

    (1)生产用电负荷启停对台区有较强冲击性,造成众多低电压投诉;
    (2)台区馈线实际三相电压不平衡超过基准值,谐波超标,引起电能质量问题;

    落后的运维管理模式

    (1)传统的低压配电网管理模式缺乏智能化的运维管理手段,无法实时掌握台区设备和负荷运行状况,需要耗费大量人力成本,给电网现代化、智能化发展造成阻碍。

    增容投资受限

    (1)台区计划新增台变进行负荷拆分,但投资受限。
    二、智能运维+储能调控一体化在低压配电台区的应用需求   
    解决台区目前存在问题的关键在于:(1)解决台区电能质量问题;(2)加强台区智能化建设,提升运维管理水平。

       2.1 储能应用需求  

    储能应用于台区主要解决电能质量问题,提升台区供应能力,同时还能根据电网调峰计划响应电网调峰要求,起到削峰填谷的作用。和传统无功补偿方式对比,台区储能具备明显的优势。二者对比如下表:

    表1 储能和无功补偿在台区综合对比

                       

    是否实时调节

    是否能补偿有功缺额

    能否延缓台变扩容

    额外效益

    台区储能

    实时连续调节

    参与电网调峰,削峰填谷

    无功补偿

    调节级差大

    不能

    不能

    低压配电台区储能同时满足台区有功和无功的响应需求,主要包括改善电能质量、提升供电可靠性、参与配网调峰三个方面。
    (1)改善电能质量。储能系统变流器具备四象限运行能力,能够实现有功和无功的解耦控制,可以根据台区负荷变化,快速调节储能系统出力,从而达到优化潮流分布、改善台区电能质量的目的,相比传统方式,储能单元结合电力电子技术,可以同时满足电压越限控制、三相不平衡治理、功率因数调节等多种应用需求,同时还可以平滑分布式新能源发电功率波动,减少分布式新能源接入对台区供电电能质量的影响。
    (2)提升供电可靠性。储能系统可以发挥削峰填谷作用,降低配变在高峰时段的负载率,降低配变安全运行风险,同时,储能系统还可以发挥备用电源作用,减少台区停电时间,提升台区用电可靠性和供电服务能力。
    (3)配电网局域调峰。多点分散的台区储能装置,可以在高峰或尖峰负荷时段缓解负荷供入阻塞问题,延缓配网扩容升级,提升电网投资经济性。

     

       2.2 台区智能运维应用需求  

    配电台区设备点多面广,运维以人为主,设备缺陷难以及时发现,原因在于现有台区监控技术未对运维起到支撑。体现在:(1)台变和低压线路缺乏有效监测,运行状态不可知;(2)接入台区的各类监测设备缺乏统一接口,难以统一管理;(3)缺乏故障及异常精准感知和定位措施,导致检修困难。
    为此,亟需构建台区智能运维平台,对配电台区进行智能化升级,通过智能配变台区的建设,实现配电台区的信息化、自动化、互动化,满足智能电网发展需要和客户对供电能力、供电质量和供电服务的新要求,提高供电能力和供电可靠性,提升运行管理水平和服务能力。

       2.3 储能、运维一体化建设的必要性  

    台区的储能系统不是独立运行的,需要结合台区负荷的特性进行统一调控,才能起到电能质量治理的作用,掌握整个台区负荷回路的运行状况,对储能系统在台区的电能质量治理方面起到至关重要的作用。同时,储能系统作为台区稳定运行的关键部分,应纳入整个台区的智能运维体系,响应电网对台区综合治理及智能化升级的要求,为电网安全稳定运行服务。

    三、系统架构  

    智能运维+储能一体化应用解决方案以智能运维监控系统为核心,其作为整个方案的中枢,对下完成对台区运行运行监测,控制系统能量管理策略和运行模式判断与切换,构建智能化运维体系,对上响应上级能源管理云平台的运行信息上送及调峰等控制指令。系统整体架构图如图1。

     

    系统包含储能系统、智能运维监控系统、并网采集单元、各支路通信单元及现场智能设备(电表、智能断路器等)。储能系统包含储能电池组、储能变流器PCS、储能电池管理BMS及其他辅助设备(配电开关柜、消防、温控、照明等)。
    系统建设原则:一是经济性,综合效益明显,系统设备建设成本要远低于投运后产生的效益(直接的及间接的);二是实用性,系统建设安装简便,管理操作界面友好,切实解决电网运行、管理、设备问题,明显提升台区电能质量及削峰填谷能力,加强故障分析预判及处理能力,明显提高电网经济智能化运行水平,明显优化设备使用效率及全寿命管理;三是安全性,包括网络安全和电网运行安全,能有效控制故障停电范围和时间,供电质量和可靠性显著提高。

    四、储能子系统方案设计  

       4.1 储能子系统架构及各部件功能  

    储能子系统整体架构图如下图2。

     

     

     

    其主要部件功能如下:

    1、电池管理系统(BMS)

    (1)总压、单体电压、总电流、温度等采集功能。常温下静态电压采样精度可达≤20mV。
    (2)充电继电器、放电继电器、预充电继电器等控制功能。具有充、放电电流检测,充、放电过流告警及保护功能。充电电流显示为正,放电电流显示为负,常温下电流采样精度≤0.5%。具有电芯、环境、MOS温度检测,电芯高、低温告警及保护功能,MOS高温告警及保护功能,环境高、低温告警功能。常温下温度采样精度可达≤2℃ 短路保护功能。
    (3)动态计算实际电池容量及SOC计算功能。
    (4)智能被动均衡,最小均衡电流50mA。
    (5)外部CAN、内部CAN、485多种通信功能,可传输采集信息、报警信息等。
    (6)能量管理系统有完善的保护功能,能够延长电池的使用寿命,具备故障提示灯。
    (7)监控单元控制功能,可通监控单元方便地对过充、过放、充放电过流、过温、欠温等保护参数,容量、休眠、均衡、存储等参数进行设置。
    (8)具有多种休眠及唤醒方式。
    (9)电池封置90天后,其荷电保持能力不低于85%。10、电池需具有较强的耐过充能力。蓄电池自放电率每月不大于4%。

    2、储能变流器(PCS)

    组成结构:

    储能变流器(PCS)由功率、控制、保护、监控等软硬件电组成。分为单相机和三相机,单相PCS通常由双向DC-DC升降压装置和DC/AC 交直流变换装置组成,直流端通常是48Vdc,交流端220Vac。三相机分为两种,小功率三相PCS由双向DC-DC升降压装置和DC/AC 交直流变换两级装置组成,大功率三相PCS 由DC/AC 交直流变换一级装置组成。储能变流器分为高频隔离、工频隔离和不隔离三种,单相和小功率20kW以下三相PCS一般采用高频隔离的方式,50kW到250kW的,一般采用工频隔离的方式,500kW以上一般采用不隔离的方式。

    工作模式:

    储能变流器主要有并网和离网两种工作模式。并网模式,实现蓄电池组和电网之间的双向能量转换。具有并网逆变器的特性,如防孤岛、自动跟踪电网电压相位和频率,低电压穿越等等,根据电网调度或本地控制的要求,PCS 在电网负荷低谷期,把电网的交流电能转换成直流电能,给蓄电池组充电,具有蓄电池充放电管理功能;在电网负荷高峰期,它又把蓄电池组的直流电逆变成交流电,回馈至公共电网中去;在电能质量不好时,向电网馈送或吸收有功,提供无功补偿等。离网模式,又称孤网运行,即能量转换系统(PCS)可以根据实际需要,在满足设定要求的情况下,与主电网脱开,给本地的部分负荷提供满足电网电能质量要求的交流电能。

    3、储能能量管理系统(EMS)

    实现对整个储能系统的能量管理及运行模式切换。本系统既可以作为单独系统独立运行,也可集成于本方案智能运维调控系统作为一个子系统运行,详细功能见本方案第五部分介绍。

       4.2 配电台区储能容量配置  

    低压配电台区储能宜选用小型电化学储能系统。低压配电台区公变容量在50~1000 kV∙A 不等,其中500 kV∙A 以下的公变多用于农网等负荷相对小的地区,且多采用台架变的安装形式。630 kV∙A 公变多采用箱变房的形式安装。低压配电台区储能系统因受场地和经济性限制,不宜过大。根据典型配变容量测算,储能系统功率区间宜为50~200 kW,容量区间宜为100~400 kW∙h。

       4.3 储能设备选型  

    依据以上台区储能典型配置原则,提供一体化储能系统:采用一体化柜的方式,将电池、逆变器、电池管理系统、表计、对外接口等集合在一起的完整系统,根据设计及用户选型需要,功率可按50kW的整倍数、容量可选0.5C与1C进行配置,设备出厂前完成各项检验与测试,到达现场后经过简单的接线与联调后即可投入使用。

    提供两种典型台区储能柜设计参数如下:

    (1)100kW/215kWh储能系统

     

     4.4 储能并网接入方案  

    低压配电台区储能系统接入点不同,会对台区潮流分布产生不同影响。储能系统接入点应综合考虑台区馈线长度、负荷分布特点、台区已有供电问题、场地等综合因素。为了低压台区储能在配网局域调峰、改善供电电能质量、提高供电可靠性等方面的作用,一般应将储能接入选择在公变低压侧,并综合考虑台区接线方式,对储能系统接入方案进行设计。如图1所示为低压配电台区储能接入典型方案,储能系统并网点选择在台区计量表箱后端,储能系统运行控制中采集公变低压侧各相电压、电流,实时监测台区负荷变化和供电电能质量,并网点应配明显的断开点,以便进行运维检修,同时应装电能表,对储能放电电量和充电电量进行精确计量,以便对储能系统运行指标进行评价。

       4.5 变流器分相调控拓扑  

    考虑配网中低压配变台区运行特性,针对储能双向变流器提出如图3所示拓扑结构,控制实现储能系统对交流输出侧各相有功、无功的分相调控。

    储能双向变流器主要包括DC/AC 变换器和单相隔离变压器等。其中,DC/AC 变换器采用三个独立单相全桥电路结构,通过三个单相隔离变压器接入电网。

       4.6 储能运行控制策略  

    智能运维监控系统实时监测台变负载率,当负载率超过所设定的阈值时,控制储能系统发出有功/无功功率,降低台变负载率,提高其运行安全性,在该模式下系统还可以响应上级调度,参与配电网局域调峰。同时,系统监测负荷数据,分析各支路有功、无功、功率因数、电压偏差、三相不平衡等电能质量数据,实时按需主动进行有功/ 无功补偿,达到电能质量综合治理效果。

    (1)优先级1:实时响应模式

    实时监测储能系统内部各组成部分的状态和并网点负载馈线的电压、电流值。根据监测的负载馈线的电气量,基于设置的运行控制参数阈值,通过零线电流、相电流分析线路是否有三相不平衡、功率因数偏低、电压越限等电能质量问题,同时计算达到电能质量要求时各相所需转换的电流值,将信号发送给储能系统逆变器,PCS根据指令改变运行工作模式,调整各相输出的有功、无功值,直至台变负载率在合理空间、电能质量问题得以治理。

    (2)优先级2:削峰填谷模式

    判断当前是否在日前削峰填谷运行计划时段内,若在该时段内,则监控系统下达执行指令,PCS 按照指令执行出力计划。

    (3)优先级3:待机模式

    不满足上述2种模式运行条件下,储能系统进入待机模式。

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