基于全钒液流电池储能的新能源接入台区电压越限治理技术研究

张 鑫,杨 洋,陈 远,张爱芳 ,张 杰,王 伟

(1.南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司,南京 211000;2.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司,武汉 430074;3.湖北碳排放权交易中心有限公司,武汉 430074)

0 引言

随着我国双碳行动有序开展,国家能源结构正在发生变化,构建新型电力系统迎来挑战,新技术新装备研发虽然遇到挑战,但依然高速发展[1-2]。随着配网侧分布式光伏、风力发电等新能源接入量的不断增大,且受新能源间歇性的影响,配网台区承受的暂态过电压现象越来越明显,配电网因新能源接入导致的过电压保护问题也越来越收到重视[3]。受自然因素影响,区域新能源存在集体发力的工况,同时用电低谷时区域内负载较轻,导致局部区域、局部时段出现供电能力过剩和暂态过电压现象[4]。通过技术手段解决配网台区过电压现象、分析过电压问题产生机理和影响因素[5]、提高电能质量,对现阶段建设新型电力系统有较大促进作用。

新能源大规模并网使得区域内变电站变压器、输配电线路等亟待升级或者增建,但在负荷峰谷差较大的地区,传统投资模式致使变压器利用率过低,电网投资收益下降[6]。在新能源场站中引起暂态过电压现象较为明显的是风力发电场,文献[7]研究了风电场外送暂态过电压的机理和影响,并给出了分析方法和应对措施。文献[8]分析了新能源大规模发展过程中暂态电压问题发生的本质及带来的挑战和典型单机无功源的电网暂态电压响应特性和控制技术现状,论述了基于自律分散控制的多无功源协调控制思路及实现途径,指出了暂态电压问题的特征及可能的控制手段。目前由于新能源并网导致的区域电网过电压现象会导致用户电压过高,部分电器设备运行受到影响;储能系统是新型电力系统建设中不可或缺的环节,其具有平滑电网波动、削峰填谷和保障电网安全等作用[9]。文献[10]研究了用户侧储能系统的在园区电力供应中的稳定电压作用和经济性。针对部分风电区域过电压现状亦有学者进行了抑制策略研究探索,提出了电压协调控制策略和方法[11-12]。目前,储能应用于电网中的研究中主要是锂电池储能系统[13-15],锂电池储能系统安全性一直备受关注[16],亦有不少学者探索锂电池储能消防安全[17]。更加安全和灵活配置的全钒液流电池储能[18]在台区过电压治理中的应用研究亟待探索研究。

本研究基于对新能源接入台区过电压现象的抑制研制出安全、高效、寿命长的全钒液流电池储能装置,设计出其针对过电压治理的控制逻辑。全钒液流电池储能装置并入配电台区低压侧,能够实时监测台区电压数据并快速响应电压变化;在台区过电压时段储能自行充电,作为负荷拉低台区过电压,用电高峰时段放电以减轻变压器负载抬高台区电压,确保区域电能质量稳定。

1 配电台区过电压分析

配电台区电压越限即为“过电压”现象,指台区实际电压高于规定电压上限值;即为20 kV及以下三相供电实际电压超过额定电压的7%,并且越限电压持续时间大于1小时[19]。随着农村家用电器接入电网数量增多,农业电气化发展也导致农村用电负荷迅速增长,大量用电设备的接入需要新建台区有足够的容量,但农网负荷时段非常集中,且分布式光伏出力亦处在用电低谷时段;这句导致农网谷段电源出力过剩,电压抬高,但在农忙时段呈现季节性负荷过载现象[20]。农网供电半径过长,设备老龄化严重,受投资和用户位置偏僻等因素限制,10 kV配网输电线路过长,台区偏少也导致台区供电半径较大,线路压降大,末端分布式新能源的冲击致使农网末端电压过高、过低现象成为常态[21]。居民用电为220 V单相电,且每户用电时段和功率大小不尽相同,这就导致台区低压侧三相不平衡现象明显,三相不平衡会增加变压器损耗且会影响三相动力设备的正常运行[22-23]。

鉴于新能源渗透的农网台区过电压对生活和生产造成极大影响,亦带来极大安全隐患,用电客户投诉量较高。电网公司对配网台区电压治理越来越重视,在稳定新能源渗透的台区电压治理上的投入越来越多,这也极大提高了现阶段配网电能质量。

2 全钒液流电池储能系统

2.1 全钒液流电池储能原理

全钒液流电池储能系统是一种基于钒离子价态变化而实现充放电的化学储能电池,具有结构设计灵活、安全可靠、功率和容量可以独立配置、电解液可循环利用、寿命长等优点,是典型的适合电网电能存储的元件。该储能系统通过管路系统、磁吸式抽液泵实现电解液在电堆和储液罐之间循环流动;正负极电解液通过电堆内液流框导流后均匀流过石墨电极表面并发生电化学反应,离子膜隔离正负极电解液并为化学反应提供场所,通过双极板传导电流并实现单电池的串联,从而使得存储在电解液中的化学能与电能进行能量互换,实现钒电池储能系统的充放电功能[24-25]。

图1 全钒液流电池原理模型图

近年来,全钒液流电池储能系统开始作为示范应用于电网端,其核心部件电堆内部关键技术不断得以攻克和优化;我国在张北等多个地方均建设有全钒液流电池储能电站,用以验证其使用的耐久性和关键技术的可靠性。全钒液流电池储能充放电过程是钒离子价态变化的化学过程,在储能变流器进行充放电转换时,电堆内充放电转换速率快,可以快速响应电网波动。

2.2 全钒液流电池容量配置

现阶段,配网台区变压器容量多为50 kVA～630 kVA之间,在农村电器的普及,分布式光伏等不稳定电源的接入,农网台区电压稳定压力越来越大;在配网中变压器一般运行负荷不宜超过额定容量80%。现阶段全钒液流电池储能系统成本依然偏贵,合理选择储能的额定功率及容量配置降低系统投资是保证台区电压治理经济性的有效手段;同时,储能配置需要尽量保证储能容量的利用率,系统利用率越高相对经济性就越好[26]。受台区占地位置和面积等因素限制,储能系统体积不宜过大。综合上述多方面因素考虑,应用于台区的全钒液流电池储能系统功率配置宜选用50 kW～200 kW,容量配置根据台区峰谷时段特性宜为1 h～3 h。

2.3 全钒液流电池硬件及接入设计

全钒液流电池不同于锂电池的结构,其容量单元与功率单元是分开的,可独立进行设计;这一特使得全钒液流电池储能系统的结构设计十分灵活,根据需求可设计为上下结构、U型结构等。现阶段,学者对全钒液流电池电堆、模块化设计和能效优化等进行了大量前期研究[27-29]。基于对目标配电台区容量的研究分析,选用的50 kW/100 kWh全钒液流电池储能系统;系统包含正负极储液罐、2台25 kW电堆、正负极泵、储能变流器、储能监控系统和工作站,采用U型布局将各部件集成于标准集装箱内。

储能系统能量流由电解液的化学能通过电堆与电能之间进行转化,转化过程由储能变流器控制。储能系统上位机软件向储能变流器和泵等辅助设备进行通讯遥控启停,并下达遥调量控制储能系统电解液流量、冲放电功率等运行参数。

如图2所示为50 kW/100 kWh全钒液流电池储能系统组成及接入电网架构,实线为电力流路径,虚线为信息流架构。全钒液流电池储能系统对外接口为储能变流器的交流测断路器,接入配网台区低压侧端口。

图2 全钒液流电池储能系统接入电网架构图

3 储能治理台区过电压能力研究

储能作为新型电力系统建设中的重要元素,其良好的能量吞吐特性让刚性电网变得更加柔性。利用全钒液流电池储能系统接入配电台区低压侧改善台区过电压现象,研究储能系统对电网短时过电压治理控制逻辑和运行特性,并探索试验选点和实验方式用以验证其过电压治理效果是必要过程。

3.1 储能系统运行控制逻辑设计

配电台区受分布式光伏等新能源影响较大,当光伏发电出力时区域配网电压存在越限现象。储能系统监测台区低压侧负荷和电压数值,根据自身状态实时进行充放电用以平衡台区电压保证电能质量。储能系统启动后进行自检,并接受监控系统对配网的监测数据。在台区负荷谷段且光伏出力较大时,此时台区出现过电压现象,若储能系统处于满电状态则进入待命状态,若此时储能SOC≤90%时,则储能作为负荷进行充电直至充满,以调节台区过电压。在台区负荷峰段且光伏出力不足时储能系统在进行自身SOC判断后作出响应,若此时SOC≤20%,储能自我保护进入待机状态,等待过电压时段进入充电状态;若SOC>20%,储能进入放电准备阶段,在收到监控系统的放电功率数据后进行快速响应放电,此时储能联合配网应对台区高负荷过载现场,抬升配电末端电压。放电过程中监控系统监测电网电压状态和储能SOC变化,并作出相应控制判断,以此形成充放电控制回路闭环系统。确保在过电压时储能能作为大负载吸收有功和无功控制系统电压。

在储能稳定电压控制逻辑中,监控系统通过实际电压测量值U测与额定电压U额之间的差值ΔU与额定电压U额的比值作为偏移系数K,K为负数时储能放电,K为整数时储能充电;通过偏移系数K值的大小来控制充放电功率值,形成闭环控制策略。

依据图3所示控制逻辑流程图,储能系统控制方式在台区过电压和低电压均可形成闭环控制逻辑,增强了储能系统对台区电压多变的适应性。同时亦可保证储能系统在台区过负荷时段及时放电,确保在新能源发电尖峰时段储能对台区过电压的有效响应治理。

图3 储能系统运行控制逻辑设计图

3.2 储能变流器暂态响应控制原理

全钒液流电池储能系统监控装置根据对电网状态的实时监测反馈数据控制储能变流器充放电的四象限运行;变流器控制系统采用双闭环控制器拓扑结构,电流环为控制系统内环,通过对其幅值和变化率进行限幅保护,有功功率和电压控制环构成控制外环,并且在外环控制中引入了变化率控制和有功、无功功率协调的耦合控制环节,耦合功率控制是根据新能源场站的输出功率P及并网点PCC电压来确定储能系统的有功和无功功率参考电流值,并对其进行协调控制,见图4。在储能系统荷电状态允许条件下,利用储能变流器对功率的四象限控制能力,实现控制储能输出和稳定并网点电压的作用。

图4 储能变流器控制拓扑图

目前,储能变流器技术能满足的四象限响应速率为毫秒级别,能够快速跟随电网秒级暂态波动,对电网暂态电压波动和稳态过电压有较好抑制效果。

3.3 储能系统挂网实验验证方法

考虑储能占地和运输等因素,用于验证台区过电压治理效果的全钒液流电池储能系统采用双电堆50 kW/100 kWh系统。选取新能源渗透过电压较为明显的某农网末端配电台区进行试验验证。

3.3.1 挂网点选取

为选取合适的台区全钒液流电池储能应用示范地点,对有分布式光伏接入的农网台区电压越限情况进行调研。选取湖北境内某10 kV农网典型台区进行了数据分析。该台区配电变压器容量为100 kV·A,供电覆盖36户居民,该台区接入60 kW分布式光伏,通过当地供电公司调取的台区光伏发电峰段台区电压越限的三相电压数据曲线见图5。

图5 试点台区三相电压日数据曲线图

从图5试点台区光伏出力时段三相电压曲线可知,该台区三相电压均产生电压越限现象,三相电压随负荷接入变化有相应波动,同时三相电压存在不平衡现象。

3.3.2 验证方法设计

基于本次试验为电压越限台区过电压治理验证实验的目标,本次试验采用设置储能两档功率吸收台区越限容量的方式进行试验,储能分别以台区10%和20%的容量进行充电。通过试验仪器获取的数据分析验证储能对台区过电压的治理效果。实验方法如下:

1)将全钒液流电池储能系统储能变流器交流测接入台区低压侧0.4 kV预留断路器端口,将储能变流器上电并进入热备用状态。

2)储能控制电接通后启动监控系统,在自检完成且无异常报警信息后打开正负极主管路电磁阀和启动正负极变频器。

3)修正变频器数据,通过泵控制电解液适宜流量,使得监控数据显示管路系统流量和压力等参数平稳正常。

4)对储能系统进行预充放电,连续进行3个循环,以确保储能系统进入良好的工作状态,预充放电后保持储能系统50%荷电状态。

5)选取台区新能源出力台区过电压时段设置充电功率为10 kW进行充电;此时储能吸收台区10%容量,记录该工况下台区三相电压的数据;连续进行三组试验,选取一组较佳实验数据进行拟合曲线和分析。

6)将储能功率调整为0 kW,并待用电峰段对储能进行放电,确保储能在下一个试验阶段处于50%荷电状态。

7)选取台区新能源出力台区过电压时段设置放电功率为20 kW进行充电;此时储能补充台区20%容量,记录该工况下台区三相电压的数据;连续进行三组试验,选取一组较佳实验数据进行拟合曲线和分析。

8)分析储能配置10%和20%台区容量充电功率下配电台区低压侧三相电压过电压的治理效果。

4 验证数据结果分析

通过对台区过电压时段的研究分析,结合台区变压器容量,采用台区容量的10%和20%作为参考设置储能功率进行两组试验。分别选取两天同一用电高峰过电压时段,通过记录的配电台区低压侧三相电压值与储能放电功率之间的关系,分析应用全钒液流电池储能系统治理台区过电压效果。

4.1 液流电池10 kW充电试验

由配电台区低压侧三相电压曲线可知该相处于新能源发电导致的电压越限工况,相电压约为235 V。储能10 kW充电功率与三相电压关系曲线见图6。

图6 10 kW充电三相电压曲线图

从图6曲线可以分析在储能以10 kW功率进行充电时,台区负载量增大,过电压现象得到缓解,三相电压各降低约3 V,当储能充电结束后,三相电压越限情况复现。通过试验曲线可知接入配电台区低压侧的全钒液流电池储能系统以10 kW功率进行充电时对配电台区低压侧三相电压过电压现象有非常明显的治理效果。

4.2 液流电池20 kW充电试验

由配电台区低压侧三相电压曲线可知该相处于新能源发电导致的电压越限工况,相电压约为235 V。储能20 kW充电功率与三相电压关系曲线见图7。

图7 20 kW充电三相电压曲线图

从图7曲线可以分析在储能以20 kW功率进行充电时,电压越限被有效抑制,三相电压降低约7 V,当储能充电结束后,电压越限复现,三相电压发生过电压现象,电压升高约8 V。通过试验曲线可知接入配电台区低压侧的全钒液流电池储能系统以20 kW功率进行充电时对配电台区低压侧三相电压越限现象有较好抑制效果。

4.3 测试结果研究分析

在测试过程中,结合台区监控系统内的电压曲线及电能质量分析仪的测试结果可以发现,台区现场的电压存在较为明显的过电压现象。在该100 kVA测试配电台区新能源发电高峰期发生电压越限情况下,全钒液流电池储能系统进行了10 kW和20 kW恒功率充电测试,用以吸收台区超限容量,治理过电压。由于储能系统充电过程充当了台区相应比例的负载,使得台区新能源发电容量得以有效消纳,越限电压得到有效控制;储能充电功率的不同对台区过电压治理的效果亦不相同,在相同过电压条件下,充电功率越大时台区电压降低越明显。

5 结语

配网台区暂态和稳态过电压现象均严重影响人们的生活和生产,对设备安全和用电安全均造成极大危害,治理台区过电压现象确保台区电能质量优良是配网建设和优化的重点。全钒液流电池安全、高效、寿命长等优点决定其可友好应用于配网过电压治理。本研究中全钒液流电池以10 kW和20 kW功率对新能源并网造成的过电压台区进行10%和20%的容量消纳,全钒液流电池储能系统储能变流器响应速度为毫秒级,功率单元电堆内电极上发生离子价态变化的化学反应,确保了反应速率;由试验结果数据曲线可知全钒液流电池储能系统应用于治理台区过电压有较好效果。