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    新型智慧臺區-智能運維+儲能一體化應用解決方案(一)

    發布時間: 2023-02-17  點擊次數: 434次

    一、應用背景   

    低壓配電臺區供電電能質量和供電可靠性對居民正常生產和生活產生直接影響,是當前用電投訴的重點。繼電力發展“十三五”規劃之后,《電力發展“十四五”規劃(2021-2025年)》繼續強調要進一步升級改造配電網,推進智能電網建設,滿足用電需求,提高供電質量,著力解決配電網薄弱問題,同時充分發揮儲能靈活調節優勢,更進一步優化供電結構,保障電力安全供應。
    結合國內典型配電臺區現狀,配電網臺區運行面臨眾多問題,主要體現在以下幾個方面:

    圖片臺區供電安全性問題

    (1)臺變已面臨重載或處于重載運行中(部分用戶負荷已采取錯峰用電措施,否則臺變重過載,影響電網運行安全);

    圖片臺區供電質量問題

    (1)生產用電負荷啟停對臺區有較強沖擊性,造成眾多低電壓投訴;
    (2)臺區饋線實際三相電壓不平衡超過基準值,諧波超標,引起電能質量問題;

    落后的運維管理模式

    (1)傳統的低壓配電網管理模式缺乏智能化的運維管理手段,無法實時掌握臺區設備和負荷運行狀況,需要耗費大量人力成本,給電網現代化、智能化發展造成阻礙。

    增容投資受限

    (1)臺區計劃新增臺變進行負荷拆分,但投資受限。
    二、智能運維+儲能調控一體化在低壓配電臺區的應用需求   
    解決臺區目前存在問題的關鍵在于:(1)解決臺區電能質量問題;(2)加強臺區智能化建設,提升運維管理水平。

       2.1 儲能應用需求  

    儲能應用于臺區主要解決電能質量問題,提升臺區供應能力,同時還能根據電網調峰計劃響應電網調峰要求,起到削峰填谷的作用。和傳統無功補償方式對比,臺區儲能具備明顯的優勢。二者對比如下表:

    表1 儲能和無功補償在臺區綜合對比

                       

    是否實時調節

    是否能補償有功缺額

    能否延緩臺變擴容

    額外效益

    臺區儲能

    實時連續調節

    參與電網調峰,削峰填谷

    無功補償

    調節級差大

    不能

    不能

    低壓配電臺區儲能同時滿足臺區有功和無功的響應需求,主要包括改善電能質量、提升供電可靠性、參與配網調峰三個方面。
    (1)改善電能質量。儲能系統變流器具備四象限運行能力,能夠實現有功和無功的解耦控制,可以根據臺區負荷變化,快速調節儲能系統出力,從而達到優化潮流分布、改善臺區電能質量的目的,相比傳統方式,儲能單元結合電力電子技術,可以同時滿足電壓越限控制、三相不平衡治理、功率因數調節等多種應用需求,同時還可以平滑分布式新能源發電功率波動,減少分布式新能源接入對臺區供電電能質量的影響。
    (2)提升供電可靠性。儲能系統可以發揮削峰填谷作用,降低配變在高峰時段的負載率,降低配變安全運行風險,同時,儲能系統還可以發揮備用電源作用,減少臺區停電時間,提升臺區用電可靠性和供電服務能力。
    (3)配電網局域調峰。多點分散的臺區儲能裝置,可以在高峰或尖峰負荷時段緩解負荷供入阻塞問題,延緩配網擴容升級,提升電網投資經濟性。

     

       2.2 臺區智能運維應用需求  

    配電臺區設備點多面廣,運維以人為主,設備缺陷難以及時發現,原因在于現有臺區監控技術未對運維起到支撐。體現在:(1)臺變和低壓線路缺乏有效監測,運行狀態不可知;(2)接入臺區的各類監測設備缺乏統一接口,難以統一管理;(3)缺乏故障及異常精準感知和定位措施,導致檢修困難。
    為此,亟需構建臺區智能運維平臺,對配電臺區進行智能化升級,通過智能配變臺區的建設,實現配電臺區的信息化、自動化、互動化,滿足智能電網發展需要和客戶對供電能力、供電質量和供電服務的新要求,提高供電能力和供電可靠性,提升運行管理水平和服務能力。

       2.3 儲能、運維一體化建設的必要性  

    臺區的儲能系統不是獨立運行的,需要結合臺區負荷的特性進行統一調控,才能起到電能質量治理的作用,掌握整個臺區負荷回路的運行狀況,對儲能系統在臺區的電能質量治理方面起到至關重要的作用。同時,儲能系統作為臺區穩定運行的關鍵部分,應納入整個臺區的智能運維體系,響應電網對臺區綜合治理及智能化升級的要求,為電網安全穩定運行服務。

    三、系統架構  

    智能運維+儲能一體化應用解決方案以智能運維監控系統為核心,其作為整個方案的中樞,對下完成對臺區運行運行監測,控制系統能量管理策略和運行模式判斷與切換,構建智能化運維體系,對上響應上級能源管理云平臺的運行信息上送及調峰等控制指令。系統整體架構圖如圖1。

     

    系統包含儲能系統、智能運維監控系統、并網采集單元、各支路通信單元及現場智能設備(電表、智能斷路器等)。儲能系統包含儲能電池組、儲能變流器PCS、儲能電池管理BMS及其他輔助設備(配電開關柜、消防、溫控、照明等)。
    系統建設原則:一是經濟性,綜合效益明顯,系統設備建設成本要遠低于投運后產生的效益(直接的及間接的);二是實用性,系統建設安裝簡便,管理操作界面友好,切實解決電網運行、管理、設備問題,明顯提升臺區電能質量及削峰填谷能力,加強故障分析預判及處理能力,明顯提高電網經濟智能化運行水平,明顯優化設備使用效率及全壽命管理;三是安全性,包括網絡安全和電網運行安全,能有效控制故障停電范圍和時間,供電質量和可靠性顯著提高。

    四、儲能子系統方案設計  

       4.1 儲能子系統架構及各部件功能  

    儲能子系統整體架構圖如下圖2。

     

     

     

    其主要部件功能如下:

    1、電池管理系統(BMS)

    (1)總壓、單體電壓、總電流、溫度等采集功能。常溫下靜態電壓采樣精度可達≤20mV。
    (2)充電繼電器、放電繼電器、預充電繼電器等控制功能。具有充、放電電流檢測,充、放電過流告警及保護功能。充電電流顯示為正,放電電流顯示為負,常溫下電流采樣精度≤0.5%。具有電芯、環境、MOS溫度檢測,電芯高、低溫告警及保護功能,MOS高溫告警及保護功能,環境高、低溫告警功能。常溫下溫度采樣精度可達≤2℃ 短路保護功能。
    (3)動態計算實際電池容量及SOC計算功能。
    (4)智能被動均衡,最小均衡電流50mA。
    (5)外部CAN、內部CAN、485多種通信功能,可傳輸采集信息、報警信息等。
    (6)能量管理系統有完善的保護功能,能夠延長電池的使用壽命,具備故障提示燈。
    (7)監控單元控制功能,可通監控單元方便地對過充、過放、充放電過流、過溫、欠溫等保護參數,容量、休眠、均衡、存儲等參數進行設置。
    (8)具有多種休眠及喚醒方式。
    (9)電池封置90天后,其荷電保持能力不低于85%。10、電池需具有較強的耐過充能力。蓄電池自放電率每月不大于4%。

    2、儲能變流器(PCS)

    組成結構:

    儲能變流器(PCS)由功率、控制、保護、監控等軟硬件電組成。分為單相機和三相機,單相PCS通常由雙向DC-DC升降壓裝置和DC/AC 交直流變換裝置組成,直流端通常是48Vdc,交流端220Vac。三相機分為兩種,小功率三相PCS由雙向DC-DC升降壓裝置和DC/AC 交直流變換兩級裝置組成,大功率三相PCS 由DC/AC 交直流變換一級裝置組成。儲能變流器分為高頻隔離、工頻隔離和不隔離三種,單相和小功率20kW以下三相PCS一般采用高頻隔離的方式,50kW到250kW的,一般采用工頻隔離的方式,500kW以上一般采用不隔離的方式。

    工作模式:

    儲能變流器主要有并網和離網兩種工作模式。并網模式,實現蓄電池組和電網之間的雙向能量轉換。具有并網逆變器的特性,如防孤島、自動跟蹤電網電壓相位和頻率,低電壓穿越等等,根據電網調度或本地控制的要求,PCS 在電網負荷低谷期,把電網的交流電能轉換成直流電能,給蓄電池組充電,具有蓄電池充放電管理功能;在電網負荷高峰期,它又把蓄電池組的直流電逆變成交流電,回饋至公共電網中去;在電能質量不好時,向電網饋送或吸收有功,提供無功補償等。離網模式,又稱孤網運行,即能量轉換系統(PCS)可以根據實際需要,在滿足設定要求的情況下,與主電網脫開,給本地的部分負荷提供滿足電網電能質量要求的交流電能。

    3、儲能能量管理系統(EMS)

    實現對整個儲能系統的能量管理及運行模式切換。本系統既可以作為單獨系統獨立運行,也可集成于本方案智能運維調控系統作為一個子系統運行,詳細功能見本方案第五部分介紹。

       4.2 配電臺區儲能容量配置  

    低壓配電臺區儲能宜選用小型電化學儲能系統。低壓配電臺區公變容量在50~1000 kV?A 不等,其中500 kV?A 以下的公變多用于農網等負荷相對小的地區,且多采用臺架變的安裝形式。630 kV?A 公變多采用箱變房的形式安裝。低壓配電臺區儲能系統因受場地和經濟性限制,不宜過大。根據典型配變容量測算,儲能系統功率區間宜為50~200 kW,容量區間宜為100~400 kW?h。

       4.3 儲能設備選型  

    依據以上臺區儲能典型配置原則,提供一體化儲能系統:采用一體化柜的方式,將電池、逆變器、電池管理系統、表計、對外接口等集合在一起的完整系統,根據設計及用戶選型需要,功率可按50kW的整倍數、容量可選0.5C與1C進行配置,設備出廠前完成各項檢驗與測試,到達現場后經過簡單的接線與聯調后即可投入使用。

    提供兩種典型臺區儲能柜設計參數如下:

    (1)100kW/215kWh儲能系統

     

     4.4 儲能并網接入方案  

    低壓配電臺區儲能系統接入點不同,會對臺區潮流分布產生不同影響。儲能系統接入點應綜合考慮臺區饋線長度、負荷分布特點、臺區已有供電問題、場地等綜合因素。為了低壓臺區儲能在配網局域調峰、改善供電電能質量、提高供電可靠性等方面的作用,一般應將儲能接入選擇在公變低壓側,并綜合考慮臺區接線方式,對儲能系統接入方案進行設計。如圖1所示為低壓配電臺區儲能接入典型方案,儲能系統并網點選擇在臺區計量表箱后端,儲能系統運行控制中采集公變低壓側各相電壓、電流,實時監測臺區負荷變化和供電電能質量,并網點應配明顯的斷開點,以便進行運維檢修,同時應裝電能表,對儲能放電電量和充電電量進行精確計量,以便對儲能系統運行指標進行評價。

       4.5 變流器分相調控拓撲  

    考慮配網中低壓配變臺區運行特性,針對儲能雙向變流器提出如圖3所示拓撲結構,控制實現儲能系統對交流輸出側各相有功、無功的分相調控。

    儲能雙向變流器主要包括DC/AC 變換器和單相隔離變壓器等。其中,DC/AC 變換器采用三個獨立單相全橋電路結構,通過三個單相隔離變壓器接入電網。

       4.6 儲能運行控制策略  

    智能運維監控系統實時監測臺變負載率,當負載率超過所設定的閾值時,控制儲能系統發出有功/無功功率,降低臺變負載率,提高其運行安全性,在該模式下系統還可以響應上級調度,參與配電網局域調峰。同時,系統監測負荷數據,分析各支路有功、無功、功率因數、電壓偏差、三相不平衡等電能質量數據,實時按需主動進行有功/ 無功補償,達到電能質量綜合治理效果。

    (1)優先級1:實時響應模式

    實時監測儲能系統內部各組成部分的狀態和并網點負載饋線的電壓、電流值。根據監測的負載饋線的電氣量,基于設置的運行控制參數閾值,通過零線電流、相電流分析線路是否有三相不平衡、功率因數偏低、電壓越限等電能質量問題,同時計算達到電能質量要求時各相所需轉換的電流值,將信號發送給儲能系統逆變器,PCS根據指令改變運行工作模式,調整各相輸出的有功、無功值,直至臺變負載率在合理空間、電能質量問題得以治理。

    (2)優先級2:削峰填谷模式

    判斷當前是否在日前削峰填谷運行計劃時段內,若在該時段內,則監控系統下達執行指令,PCS 按照指令執行出力計劃。

    (3)優先級3:待機模式

    不滿足上述2種模式運行條件下,儲能系統進入待機模式。

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