摘要：目前，蓄電池逆變并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展蒸蒸日上，但其并網(wǎng)接入與放電輸出對(duì)原站用變電能質(zhì)量的影響有待考究。文章對(duì)蓄電池逆變并網(wǎng)的安全性進(jìn)行了理論分析，設(shè)計(jì)了單相蓄電池逆變并網(wǎng)系統(tǒng)并采用PSIM(PowerSimulation)軟件仿真分析確定蓄電池逆變并網(wǎng)輸出電壓及電流的穩(wěn)定性。同時(shí)，通過搭建平臺(tái)測(cè)試蓄電池逆變并網(wǎng)放電時(shí)站用變電能的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，測(cè)試結(jié)果表明，各項(xiàng)電能指標(biāo)符合國(guó)家規(guī)范的要求，蓄電池逆變并網(wǎng)放電的接入不會(huì)對(duì)原站用變交流電能穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。
關(guān)鍵詞：蓄電池;逆變并網(wǎng);電能質(zhì)量
電池能源論文投稿刊物：蓄電池主要讀者對(duì)象為鉛酸蓄電池制造企業(yè)及相關(guān)的科研院所，企事業(yè)單位的科技人員和愛好者,《蓄電池》獲中文核心期刊(2008);中文核心期刊(2004)。
引言
蓄電池組是直流系統(tǒng)的必不可少的組成部分。傳統(tǒng)的蓄電池組維護(hù)采用發(fā)熱材料作為負(fù)載進(jìn)行核對(duì)性容量放電測(cè)試，放電過程產(chǎn)生大量的熱量，而蓄電池組工作的變電站，對(duì)環(huán)境的要求往往比較高，為了滿足各種設(shè)備對(duì)工作環(huán)境的要求，需要配置空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)等設(shè)備來維持變電站的環(huán)境指標(biāo);同時(shí)，蓄電池組通過發(fā)熱負(fù)載放電是電池能量變成熱量散發(fā)，浪費(fèi)了大量的能源，不利于節(jié)能減排的發(fā)展[1-2]。
鑒于以上缺點(diǎn)，近年來，許多變電站采用蓄電池放電逆變并網(wǎng)的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)發(fā)熱負(fù)載放電，蓄電池逆變并網(wǎng)技術(shù)進(jìn)入新的里程碑。蓄電池逆變并網(wǎng)放電通過將蓄電池組核容放電的直流電逆變成交流電回饋到電網(wǎng)上，全程無熱量產(chǎn)生，減少了能量的損耗，改善設(shè)備運(yùn)行的工作環(huán)境，消除了發(fā)熱放電的安全隱患，保障變電站工作環(huán)境的安全性，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保[3-6]。
然而，蓄電池逆變并網(wǎng)裝置的接入對(duì)電網(wǎng)影響的研究卻很少，并網(wǎng)后是否會(huì)引起電壓電流偏差、閃動(dòng)、諧波等問題，是否會(huì)影響原電網(wǎng)電網(wǎng)穩(wěn)定性處于未知狀態(tài)。本文對(duì)蓄電池逆變并網(wǎng)放電的安全性進(jìn)行了分析，通過系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)驗(yàn)證，以及搭建測(cè)試平臺(tái)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試蓄電池逆變并網(wǎng)時(shí)的電能指標(biāo)，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比評(píng)估，以此說明逆變并網(wǎng)放電的安全性，消除用戶的疑慮，并對(duì)日后蓄電池逆變并網(wǎng)技術(shù)推廣提供依據(jù)和參考價(jià)值。
1蓄電池逆變并網(wǎng)放電的安全性分析及其仿真
1.1蓄電池逆變并網(wǎng)放電安全性分析
電網(wǎng)對(duì)于蓄電池放電管理有非常嚴(yán)格的管理措施，最主要的因素還是出于安全性的角度考慮。以站內(nèi)使用的400Ah，110V的蓄電池組為例，按照0.1C放電電流40A，放電電壓110V計(jì)算，蓄電池放電功率達(dá)到4400W，如果通過放電負(fù)載消耗此能量，放電負(fù)載發(fā)熱將會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)房安全。
目前，主流形式是采用通過將蓄電池核容放電電能逆變并網(wǎng)回饋電網(wǎng)的方式，解決蓄電池在線核容放電的熱量問題。對(duì)于部分逆變并網(wǎng)技術(shù)不了解的運(yùn)維人員擔(dān)心逆變并網(wǎng)系統(tǒng)影響變電站本身交流電源的安全，為消除此種顧慮，從以下三方面進(jìn)行分析：(1)一般變電站需要損耗20-30kW以上的功率，而變電站110kV、220kV一般配置的電池組容量為300Ah至500Ah電池，按10小時(shí)放電率進(jìn)行放電，功率基本都在10kW以內(nèi)，蓄電池逆變并網(wǎng)放電輸出的電能變電站內(nèi)部完全可以消化，不會(huì)對(duì)變電站站用電產(chǎn)生影響。(2)逆變?cè)O(shè)并網(wǎng)設(shè)備與公共電網(wǎng)之間在物理上隔離，不會(huì)產(chǎn)生接地保護(hù)的現(xiàn)象。(3)逆變?cè)O(shè)并網(wǎng)設(shè)備可以控制輸出的交流電為高質(zhì)量的正弦波，與公共電網(wǎng)同壓、同頻、同相，不會(huì)對(duì)公共電網(wǎng)造成任何的影響，通過以下仿真分析可以驗(yàn)證。
1.2系統(tǒng)的建模與仿真分析
采用PSIM軟件建立系統(tǒng)仿真，運(yùn)用PSIM軟件中自帶太陽能電池板模型代替變電站直流系統(tǒng)中的蓄電池組，并搭建并網(wǎng)系統(tǒng)[7]。通過PSIM中的SolarModule功能模塊能夠設(shè)置并讀取電池組的參數(shù)。通過對(duì)直流前級(jí)BOOST升壓模塊以及逆變器模塊的學(xué)習(xí)及研究，在PSIM中建立蓄電池組逆變單相并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)圖。
為了驗(yàn)證110V電壓等級(jí)在整個(gè)核容放電電壓范圍內(nèi)都能夠保證穩(wěn)定的逆變并網(wǎng)功能，分別設(shè)置電池組的電壓為90V、100V及110V范圍。從仿真結(jié)果可以看出，在電池組電壓變化范圍內(nèi)，逆變系統(tǒng)輸出的電能與電網(wǎng)電壓同頻、同幅、同相之后進(jìn)行并網(wǎng)，可知各個(gè)部分模塊均實(shí)現(xiàn)了各自功能，使得直流系統(tǒng)蓄電池得以并網(wǎng)，為直流系統(tǒng)蓄電池組在線核容放電采用逆變并網(wǎng)的方式獲得理論支持。
2蓄電池逆變并網(wǎng)對(duì)站用變電能的影響
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)公共電網(wǎng)電能有一定的規(guī)范要求，這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)逆變器、負(fù)荷等設(shè)備的研制水平評(píng)估起到了很重要的參考作用。蓄電池逆變并網(wǎng)裝置對(duì)站用變電能質(zhì)量影響的評(píng)價(jià)，可通過分析供電電壓偏差、供電頻率偏差、供電電壓三相不平衡度、電壓和電流諧波等指標(biāo)綜合評(píng)估獲得。其中，GB/T14549-1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》對(duì)奇次諧波電流與偶次諧波電流的含有率限值還做出了以下規(guī)定。
2.1試驗(yàn)方法
為了進(jìn)一步驗(yàn)證蓄電池放電的電能逆變并入電網(wǎng)后，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成干擾和影響，在某供電局10kV變電站直流系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，逆變并網(wǎng)設(shè)備放電輸出電能至電網(wǎng)時(shí)，分別測(cè)試接通載和斷開載時(shí)公共電網(wǎng)三相交流電的各項(xiàng)電能指標(biāo)數(shù)據(jù)。
本次測(cè)試逆變并網(wǎng)放電設(shè)備采用HBDS110V蓄電池逆變并網(wǎng)放電系統(tǒng)，電能分析儀采用多路電壓電流采集的PITE3561電能質(zhì)量分析儀。測(cè)試平臺(tái)搭建：將逆變并網(wǎng)系統(tǒng)接入到110V鉛酸蓄電池與直流母線之間，其220V交流輸出端分別接在B相線與零線上。交流負(fù)載連接在B相線上，通過開關(guān)可接通或斷開交流負(fù)載。電能質(zhì)量分析儀的三路電流傳感器測(cè)試接口線分別鉗在相應(yīng)的A、B、C三相線上，相線垂直穿過鉗口夾合孔;電能質(zhì)量分析儀的五路電壓測(cè)試線接口分別連接在相應(yīng)A、B、C三相線及零線、火線。
測(cè)試過程：測(cè)試的環(huán)境條件對(duì)測(cè)試結(jié)果有很大影響，測(cè)試在合適的環(huán)境條件下進(jìn)行，環(huán)境溫度為22℃，環(huán)境濕度為73%。(1)閉合開關(guān)，接通交流負(fù)載，逆變并網(wǎng)系統(tǒng)啟動(dòng)對(duì)220V蓄電池組放電，電能質(zhì)量分析儀啟動(dòng)監(jiān)控測(cè)試，自動(dòng)記錄監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，記錄時(shí)長(zhǎng)為5min。(2)斷開開關(guān)，斷開交流負(fù)載，逆變并網(wǎng)系統(tǒng)啟動(dòng)對(duì)220V蓄電池組放電，電能質(zhì)量分析儀啟動(dòng)監(jiān)控測(cè)試，自動(dòng)記錄監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，記錄時(shí)長(zhǎng)為5min。
2.2結(jié)果分析
(1)電壓偏差分析逆變并網(wǎng)系統(tǒng)啟動(dòng)蓄電池組放電。從表格數(shù)據(jù)分析可知，接通負(fù)載與斷開負(fù)載兩種狀態(tài)下，A、B、C三相線上的最大電壓偏差和最小電壓偏差百分比均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12325-2008《電能質(zhì)量供電電壓偏差》中20kV以下變電站配電網(wǎng)三相電壓偏差為標(biāo)稱電壓的±7%的范圍內(nèi)[8]。逆變并網(wǎng)系統(tǒng)單相接入在電網(wǎng)的B相線上，電壓偏差比A相與B相的高一些，但仍然在規(guī)定范圍內(nèi)。因此，蓄電池放電逆變并入電網(wǎng)，電壓偏差符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求，不會(huì)降低三相交流電的電壓質(zhì)量。
(2)供電頻率偏差分析逆變并網(wǎng)系統(tǒng)啟動(dòng)蓄電池組放電，電能質(zhì)量分析儀監(jiān)測(cè)供電頻率偏差。從表格數(shù)據(jù)分析可知，接通負(fù)載與斷開負(fù)載兩種狀態(tài)下，頻率偏差均滿足國(guó)標(biāo)要求：GB/T15945-2008《電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率偏差》正常允許頻率偏差±0.2Hz，系統(tǒng)容量較小時(shí)可以放寬到±0.5Hz[9]。因此，蓄電池放電逆變并入電網(wǎng)后，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)的供電頻率產(chǎn)生影響。
(3)三相電壓不平衡度分析逆變并網(wǎng)系統(tǒng)啟動(dòng)蓄電池組放電，電能質(zhì)量分析儀監(jiān)測(cè)三相電壓不平衡度如表5所示。從表格數(shù)據(jù)分析可知，接通負(fù)載與斷開負(fù)載兩種狀態(tài)下，三相電壓不平衡度均滿足國(guó)標(biāo)要求，GB/T15543-2008《電能質(zhì)量三相電壓不平衡》三相電壓不平衡度不超過2%[10]。因此，蓄電池放電逆變并入電網(wǎng)后，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)的三相電壓不平衡度產(chǎn)生影響。
3結(jié)論
蓄電池逆變并網(wǎng)技術(shù)是當(dāng)前電網(wǎng)對(duì)蓄電池核對(duì)性容量維護(hù)主流方式，以其節(jié)能環(huán)保、安全隱患低等優(yōu)點(diǎn)，備受關(guān)注。本文對(duì)蓄電池逆變并網(wǎng)放電的安全性進(jìn)行了理論分析，同時(shí)采用PSIM軟件仿真輸出蓄電池組電壓變化范圍內(nèi)并網(wǎng)電壓電流穩(wěn)定，說明了單相逆變并網(wǎng)系統(tǒng)輸出的電能與電網(wǎng)電壓同頻、同幅、同相之后可安全并網(wǎng)。
為進(jìn)一步驗(yàn)證，在某供電局現(xiàn)場(chǎng)搭建測(cè)試平臺(tái)，監(jiān)測(cè)逆變放電系統(tǒng)啟動(dòng)蓄電池組放電時(shí)的各項(xiàng)電能指標(biāo)，結(jié)果表明，蓄電池逆變并網(wǎng)放電時(shí)，各相線上的電壓偏差、頻率偏差、三相電壓不平衡度、三相電壓諧波含有率和電流諧波含有率均在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求范圍內(nèi)，說明蓄電池逆變并網(wǎng)并不會(huì)對(duì)公共電網(wǎng)的電能質(zhì)量造成影響。本文的分析為用戶推廣應(yīng)用逆變并網(wǎng)技術(shù)提供了量化的數(shù)據(jù)，對(duì)推動(dòng)節(jié)能減排的事業(yè)發(fā)展具有非常重要的意義。
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