目前，隨著電力系統(tǒng)的智能化發(fā)展及變電站數(shù)量的迅速增加，直流系統(tǒng)的維護(hù)工作量越來越大，對蓄電池智能運維的需求也越來越急迫。蓄電池逆變并網(wǎng)技術(shù)是實現(xiàn)遠(yuǎn)程放電時蓄電池智能運維的關(guān)鍵技術(shù)之一，其發(fā)展已日趨成熟。

蓄電池逆變并網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用可以使放電能量回饋到電網(wǎng)，全程無熱量產(chǎn)生，避免傳統(tǒng)發(fā)熱負(fù)載放電造成的能源浪費，節(jié)能環(huán)保，對當(dāng)今社會弘揚可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略有很重要的意義。

然而，逆變并網(wǎng)電能的注入，直接關(guān)系到電網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量的安全性和可靠性，許多變電站的技術(shù)人員、維護(hù)人員對逆變并網(wǎng)技術(shù)的理解不夠充分，對其放電穩(wěn)定性提出質(zhì)疑，并認(rèn)為其會造成電網(wǎng)電能質(zhì)量下降，導(dǎo)致該項智能化運維技術(shù)在推廣過程中遭遇較大阻力。

本文通過實際放電波形驗證逆變放電電流恒定，通過具體的電能質(zhì)量測試數(shù)據(jù)，分析蓄電池逆變并網(wǎng)技術(shù)對變電站交流電壓變化、三相電壓不平衡度、諧波及功率因數(shù)的影響，證明蓄電池逆變并網(wǎng)放電的各項指標(biāo)滿足國家公用電網(wǎng)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，讓廣大變電站相關(guān)人員對蓄電池逆變并網(wǎng)技術(shù)在站內(nèi)使用的安全性有更全面的認(rèn)識。

1 蓄電池逆變并網(wǎng)放電系統(tǒng)及其仿真

1.1 蓄電池逆變并網(wǎng)技術(shù)原理

蓄電池側(cè)220V直流電通過隔離升壓模塊升壓至400V，再經(jīng)脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation, PWM）逆變并網(wǎng)模塊將400V直流逆變轉(zhuǎn)換為220V交流電，以單相逆變并網(wǎng)的方式接入電網(wǎng)。

圖1為單相逆變并網(wǎng)主要控制結(jié)構(gòu)示意圖。直流輸入電壓Ui經(jīng)濾波電容C穩(wěn)壓濾波后輸入全橋逆變器，通過CPU調(diào)節(jié)PWM控制信號，產(chǎn)生兩個有相同直流偏置、相位互差180°的正弦波輸出電壓Uo1、Uo2，獲得的輸出電壓Uo=Uo1◆Uo2，是一個正弦電壓，經(jīng)濾波儲能電感并入電網(wǎng)。

其中電阻R是在電路啟動時緩沖濾波電容充電用，當(dāng)充電完成后，接觸器K1閉合將其短接。CPU控制對電網(wǎng)的同步信號以及檢測輸入電壓Ui和輸出電流Io1、Io2，同時給定觸發(fā)控制脈沖，通過控制接觸器K2決定并網(wǎng)時刻。

圖1 單相逆變并網(wǎng)主要控制結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 逆變并網(wǎng)放電試驗

制作一臺220V逆變并網(wǎng)放電樣機進(jìn)行放電試驗，輸入端采用已充滿電的型號為UXL-550的220V電池組，設(shè)置放電電流大小為50A，起動蓄電池組放電，用示波器分別觀察電池組端的電流及并網(wǎng)端的電流，分別如圖2和圖3所示。

圖2 電池組端電流波形

從圖2、圖3中可以看出，電池組端的放電電流為50A，波形穩(wěn)定，能夠滿足電池組核容放電恒流放電的控制要求。

1.3 逆變并網(wǎng)放電控制策略

變電站逆變并網(wǎng)放電系統(tǒng)的接入不應(yīng)影響直流系統(tǒng)的正常運行，采用如圖4所示的接線圖，在系統(tǒng)正常運行時可控開關(guān)K1處于閉合狀態(tài)，可控開關(guān)K2處于打開狀態(tài)，電池組直接接入整流屏進(jìn)行浮充電；在系統(tǒng)逆變放電時可控開關(guān)K1處于打開狀態(tài)，斷開電池組與整流屏之間的連接，可控開關(guān)K2閉合使電池組與逆變并網(wǎng)放電系統(tǒng)形成放電回路。

圖3 并網(wǎng)端電流波形

圖4 系統(tǒng)放電切換接線示意圖

在變電站傳統(tǒng)運維過程中，蓄電池的安全運行只能通過維護(hù)人員定期檢修加以保障，且需要專業(yè)人員嚴(yán)格按照操作規(guī)程對系統(tǒng)進(jìn)行檢測、合閘等操作，對操作人員的素質(zhì)要求高，也使操作人員面臨著非常大壓力，一旦存在人為操作失誤，將可能造成不可挽回的損失。

在放電線路切換可程控的基礎(chǔ)上，為保證放電過程的安全性，系統(tǒng)嚴(yán)格按照設(shè)定的控制流程及策略，進(jìn)行放電條件檢查及系統(tǒng)自檢，只有滿足放電條件之后才能進(jìn)行逆變放電切換，出現(xiàn)任何異常都將發(fā)出報警且停止放電。

當(dāng)系統(tǒng)工作狀態(tài)需要切換至電池組放電時，系統(tǒng)對放電條件的檢查流程如圖5所示，系統(tǒng)放電切換與電池檢測、系統(tǒng)監(jiān)測等形成控制條件，實現(xiàn)監(jiān)測到某個單體電池溫度異常、單體電壓過高或者過低、系統(tǒng)通信異常、交流失電等，立刻報警，停止放電，避免事故，安全性更高。

2 蓄電池逆變并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的工作特點是太陽能電池組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合電網(wǎng)要求的交流電后直接接入公共電網(wǎng)，產(chǎn)生的電力除了供給交流負(fù)載外，多余的電力反饋給電網(wǎng)。從電網(wǎng)角度而言，變電站蓄電池逆變并網(wǎng)技術(shù)與光伏并網(wǎng)技術(shù)有較大的相似性，可參考光伏并網(wǎng)相關(guān)的技術(shù)規(guī)范對變電站蓄電池逆變并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行評估。

圖5 放電控制流程圖

2.1 試驗方法

試驗設(shè)備：HBDS-220V蓄電池逆變并網(wǎng)放電系統(tǒng)（生產(chǎn)廠家：廣州泓淮能源科技有限公司），PITE3561電能質(zhì)量分析儀（生產(chǎn)廠家：深圳市普祿科智能檢測設(shè)備有限公司），220V鉛酸蓄電池組（生產(chǎn)廠家：廣東湯淺蓄電池有限公司）。

試驗環(huán)境：溫度為26℃；濕度為62%RH。

試驗過程：本次測試中的蓄電池逆變并網(wǎng)系統(tǒng)通過單相并網(wǎng)的方式接入電網(wǎng)380V三相交流電。將逆變并網(wǎng)放電系統(tǒng)接入220V直流母線與蓄電池組之間，通過切換線路實現(xiàn)蓄電池組與直流母線及逆變并網(wǎng)放電系統(tǒng)的連接。采用電能質(zhì)量分析儀對并網(wǎng)過程中站用變的380V三相交流電電能質(zhì)量進(jìn)行測試，分別測試帶負(fù)載（電流為20A）與空載兩種情況的380V三相交流電電能質(zhì)量的各項性能指標(biāo)，驗證蓄電池逆變并網(wǎng)系統(tǒng)的接入是否會對電網(wǎng)電能質(zhì)量造成影響。

測試平臺接線方式如圖6所示，蓄電池逆變并網(wǎng)放電系統(tǒng)的輸出端接在A相線上，同時A相線接上負(fù)載，由開關(guān)K1控制空載和負(fù)載狀態(tài)。

圖6 蓄電池逆變并網(wǎng)放電系統(tǒng)測試平臺接線圖

2.2 試驗結(jié)果分析

1）電壓偏差分析

蓄電池接入電網(wǎng)中，對蓄電池進(jìn)行逆變并網(wǎng)放電時，其輸出到電網(wǎng)各相線路上的電壓偏差應(yīng)滿足《電能質(zhì)量 供電電壓偏差GB/T 12325—2008》中的相關(guān)要求，20kV及以下的三相供電電壓偏差為標(biāo)稱電壓的±7%。

表1為空載和帶負(fù)載兩種情況下，蓄電池逆變并網(wǎng)放電系統(tǒng)分別處于工作和不工作4種條件下A相、B相、C相電壓偏差測試數(shù)據(jù)。

從表1可看出，各相數(shù)據(jù)均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，符合電網(wǎng)接入要求。因此，空載和帶負(fù)載兩種情況下，蓄電池逆變并網(wǎng)系統(tǒng)的接入，對三相交流電的電壓不會產(chǎn)生影響。

表1 電壓偏差測試數(shù)據(jù)

2）三相電壓不平衡度分析

蓄電池接入電網(wǎng)中，對蓄電池進(jìn)行逆變并網(wǎng)放電時，其輸出到電網(wǎng)各相線路上的三相電壓不平衡度應(yīng)滿足《電能質(zhì)量 三相電壓不平衡GB/T 15543—2008》中的相關(guān)要求，電網(wǎng)在正常運行時，負(fù)序電壓不平衡度不超過2%，短時不超過4%。

表2和表3分別為空載和帶負(fù)載兩種情況下，蓄電池逆變并網(wǎng)放電系統(tǒng)分別處于工作和不工作4種條件下三相不平衡度及頻率偏差的測試數(shù)據(jù)。

從表2和表3可看出，各狀態(tài)下數(shù)據(jù)均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。因此，蓄電池逆變并網(wǎng)系統(tǒng)的接入，對三相交流電的三相電壓不平衡度及頻率偏差不會產(chǎn)生影響。

表2 三相不平衡度測試數(shù)據(jù)

表3 頻率偏差測試數(shù)據(jù)

3）電網(wǎng)諧波分析

蓄電池接入電網(wǎng)中，對蓄電池進(jìn)行逆變并網(wǎng)放電時，其輸出到電網(wǎng)各相線路上的電壓總諧波應(yīng)滿足《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波GB/T 14549—93》中的相關(guān)要求，電網(wǎng)標(biāo)稱電壓為0.38kV時，電壓總諧波畸變率限值為5.0%。表4為空載和帶負(fù)載兩種情況下，蓄電池逆變并網(wǎng)放電系統(tǒng)分別處于工作和不工作4種條件下電壓總諧波測試數(shù)據(jù)。

從表4可看出，各狀態(tài)下數(shù)據(jù)均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。因此，蓄電池逆變并網(wǎng)系統(tǒng)的接入，對三相交流電的電壓總諧波不會產(chǎn)生影響。

表4 電壓總諧波測試數(shù)據(jù)

根據(jù)并網(wǎng)光伏發(fā)電專用逆變器技術(shù)要求和試驗方法GB/T 30427—2013，用電能質(zhì)量分析儀測量蓄電池逆變并網(wǎng)放電系統(tǒng)工作時的電流諧波總畸變率和各次諧波電流含有率，電流諧波在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，能夠滿足接入電網(wǎng)的要求。

4）功率因數(shù)分析

根據(jù)并網(wǎng)光伏發(fā)電專用逆變器技術(shù)要求和試驗方法GB/T 30427—2013，用電能質(zhì)量分析儀測量蓄電池逆變并網(wǎng)放電系統(tǒng)工作時的功率因數(shù)的平均值和95%概率值，測試結(jié)果均在限值要求范圍內(nèi)，能夠滿足接入電網(wǎng)的要求。

3 結(jié)論

蓄電池逆變并網(wǎng)放電系統(tǒng)是目前變電站蓄電池智能運維的關(guān)鍵技術(shù)，避免了傳統(tǒng)發(fā)熱負(fù)載放電造成的能源浪費，既節(jié)能環(huán)保又不影響電網(wǎng)電能質(zhì)量。該項技術(shù)正越來越廣泛地應(yīng)用于電力、通信、電網(wǎng)等需要直流系統(tǒng)的場合。

制作逆變并網(wǎng)放電樣機進(jìn)行放電測試，結(jié)果表明系統(tǒng)放電電流恒定，能夠滿足蓄電池核容放電恒流放電的要求。對220V直流系統(tǒng)中蓄電池逆變并網(wǎng)放電系統(tǒng)的并網(wǎng)電能質(zhì)量進(jìn)行分析，結(jié)果表明蓄電池逆變并網(wǎng)后電網(wǎng)各項指標(biāo)均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，不會對變電站的電能質(zhì)量造成影響。本文所做研究對蓄電池逆變并網(wǎng)技術(shù)在變電站智能運維中的推廣有重要的意義。