蓄电池逆变并网技术在变电站中的应用分析
武汉加油
风雨同行 共克时艰
为消除电网技术人员对蓄电池逆变并网放电技术在变电站蓄电池智能运维应用中的疑虑，国网浙江省电力有限公司杭州供电公司、广州泓淮能源科技有限公司的研究人员刘伟浩、张晓波、陈炜、吴靖、周珊，在2020年第1期《电气技术》杂志上撰文，介绍了逆变并网技术原理及变电站程控放电控制流程，搭建了蓄电池逆变并网放电系统测试平台，对并网电能质量进行分析，验证了蓄电池逆变并网后电网各项指标均在标准范围内，不会对变电站的电能质量造成影响。
目前，随着电力系统的智能化发展及变电站数量的迅速增加，直流系统的维护工作量越来越大，对蓄电池智能运维的需求也越来越急迫。蓄电池逆变并网技术是实现远程放电时蓄电池智能运维的关键技术之一，其发展已日趋成熟。
蓄电池逆变并网技术的应用可以使放电能量回馈到电网，全程无热量产生，避免传统发热负载放电造成的能源浪费，节能环保，对当今社会弘扬可持续发展战略有很重要的意义。
然而，逆变并网电能的注入，直接关系到电网系统电能质量的安全性和可靠性，许多变电站的技术人员、维护人员对逆变并网技术的理解不够充分，对其放电稳定性提出质疑，并认为其会造成电网电能质量下降，导致该项智能化运维技术在推广过程中遭遇较大阻力。
本文通过实际放电波形验证逆变放电电流恒定，通过具体的电能质量测试数据，分析蓄电池逆变并网技术对变电站交流电压变化、三相电压不平衡度、谐波及功率因数的影响，证明蓄电池逆变并网放电的各项指标满足国家公用电网电能质量标准，让广大变电站相关人员对蓄电池逆变并网技术在站内使用的安全性有更全面的认识。
1 蓄电池逆变并网放电系统及其仿真
1.1 蓄电池逆变并网技术原理
蓄电池侧220V直流电通过隔离升压模块升压至400V，再经脉冲宽度调制（pulse width modulation, PWM）逆变并网模块将400V直流逆变转换为220V交流电，以单相逆变并网的方式接入电网。
图1为单相逆变并网主要控制结构示意图。直流输入电压Ui经滤波电容C稳压滤波后输入全桥逆变器，通过CPU调节PWM控制信号，产生两个有相同直流偏置、相位互差180°的正弦波输出电压Uo1、Uo2，获得的输出电压Uo=Uo1Uo2，是一个正弦电压，经滤波储能电感并入电网。
其中电阻R是在电路启动时缓冲滤波电容充电用，当充电完成后，接触器K1闭合将其短接。CPU控制对电网的同步信号以及检测输入电压Ui和输出电流Io1、Io2，同时给定触发控制脉冲，通过控制接触器K2决定并网时刻。
图1 单相逆变并网主要控制结构示意图
1.2 逆变并网放电试验
制作一台220V逆变并网放电样机进行放电试验，输入端采用已充满电的型号为UXL-550的220V电池组，设置放电电流大小为50A，起动蓄电池组放电，用示波器分别观察电池组端的电流及并网端的电流，分别如图2和图3所示。
图2 电池组端电流波形
从图2、图3中可以看出，电池组端的放电电流为50A，波形稳定，能够满足电池组核容放电恒流放电的控制要求。
1.3 逆变并网放电控制策略
变电站逆变并网放电系统的接入不应影响直流系统的正常运行，采用如图4所示的接线图，在系统正常运行时可控开关K1处于闭合状态，可控开关K2处于打开状态，电池组直接接入整流屏进行浮充电；在系统逆变放电时可控开关K1处于打开状态，断开电池组与整流屏之间的连接，可控开关K2闭合使电池组与逆变并网放电系统形成放电回路。
图3 并网端电流波形
图4 系统放电切换接线示意图
在变电站传统运维过程中，蓄电池的安全运行只能通过维护人员定期检修加以保障，且需要专业人员严格按照操作规程对系统进行检测、合闸等操作，对操作人员的素质要求高，也使操作人员面临着非常大压力，一旦存在人为操作失误，将可能造成不可挽回的损失。
在放电线路切换可程控的基础上，为保证放电过程的安全性，系统严格按照设定的控制流程及策略，进行放电条件检查及系统自检，只有满足放电条件之后才能进行逆变放电切换，出现任何异常都将发出报警且停止放电。
当系统工作状态需要切换至电池组放电时，系统对放电条件的检查流程如图5所示，系统放电切换与电池检测、系统监测等形成控制条件，实现监测到某个单体电池温度异常、单体电压过高或者过低、系统通信异常、交流失电等，立刻报警，停止放电，避免事故，安全性更高。
2 蓄电池逆变并网对电网电能质量的影响
并网光伏系统的工作特点是太阳能电池组件产生的直流电经并网逆变器转换成符合电网要求的交流电后直接接入公共电网，产生的电力除了供给交流负载外，多余的电力反馈给电网。从电网角度而言，变电站蓄电池逆变并网技术与光伏并网技术有较大的相似性，可参考光伏并网相关的技术规范对变电站蓄电池逆变并网系统进行评估。
图5 放电控制流程图
2.1 试验方法
试验设备：HBDS-220V蓄电池逆变并网放电系统（生产厂家：广州泓淮能源科技有限公司），PITE3561电能质量分析仪（生产厂家：深圳市普禄科智能检测设备有限公司），220V铅酸蓄电池组（生产厂家：广东汤浅蓄电池有限公司）。
试验环境：温度为26℃；湿度为62%RH。
试验过程：本次测试中的蓄电池逆变并网系统通过单相并网的方式接入电网380V三相交流电。将逆变并网放电系统接入220V直流母线与蓄电池组之间，通过切换线路实现蓄电池组与直流母线及逆变并网放电系统的连接。采用电能质量分析仪对并网过程中站用变的380V三相交流电电能质量进行测试，分别测试带负载（电流为20A）与空载两种情况的380V三相交流电电能质量的各项性能指标，验证蓄电池逆变并网系统的接入是否会对电网电能质量造成影响。
测试平台接线方式如图6所示，蓄电池逆变并网放电系统的输出端接在A相线上，同时A相线接上负载，由开关K1控制空载和负载状态。
图6 蓄电池逆变并网放电系统测试平台接线图
2.2 试验结果分析
1）电压偏差分析
蓄电池接入电网中，对蓄电池进行逆变并网放电时，其输出到电网各相线路上的电压偏差应满足《电能质量 供电电压偏差GB/T 12325—2008》中的相关要求，20kV及以下的三相供电电压偏差为标称电压的±7%。
表1为空载和带负载两种情况下，蓄电池逆变并网放电系统分别处于工作和不工作4种条件下A相、B相、C相电压偏差测试数据。
从表1可看出，各相数据均在标准要求范围内，符合电网接入要求。因此，空载和带负载两种情况下，蓄电池逆变并网系统的接入，对三相交流电的电压不会产生影响。
表1 电压偏差测试数据
2）三相电压不平衡度分析
蓄电池接入电网中，对蓄电池进行逆变并网放电时，其输出到电网各相线路上的三相电压不平衡度应满足《电能质量 三相电压不平衡GB/T 15543—2008》中的相关要求，电网在正常运行时，负序电压不平衡度不超过2%，短时不超过4%。
表2和表3分别为空载和带负载两种情况下，蓄电池逆变并网放电系统分别处于工作和不工作4种条件下三相不平衡度及频率偏差的测试数据。
从表2和表3可看出，各状态下数据均在标准要求范围内。因此，蓄电池逆变并网系统的接入，对三相交流电的三相电压不平衡度及频率偏差不会产生影响。
表2 三相不平衡度测试数据
表3 频率偏差测试数据
3）电网谐波分析
蓄电池接入电网中，对蓄电池进行逆变并网放电时，其输出到电网各相线路上的电压总谐波应满足《电能质量 公用电网谐波GB/T 14549—93》中的相关要求，电网标称电压为0.38kV时，电压总谐波畸变率限值为5.0%。表4为空载和带负载两种情况下，蓄电池逆变并网放电系统分别处于工作和不工作4种条件下电压总谐波测试数据。
从表4可看出，各状态下数据均在标准要求范围内。因此，蓄电池逆变并网系统的接入，对三相交流电的电压总谐波不会产生影响。
表4 电压总谐波测试数据
根据并网光伏发电专用逆变器技术要求和试验方法GB/T 30427—2013，用电能质量分析仪测量蓄电池逆变并网放电系统工作时的电流谐波总畸变率和各次谐波电流含有率，电流谐波在标准要求范围内，能够满足接入电网的要求。
4）功率因数分析
根据并网光伏发电专用逆变器技术要求和试验方法GB/T 30427—2013，用电能质量分析仪测量蓄电池逆变并网放电系统工作时的功率因数的平均值和95%概率值，测试结果均在限值要求范围内，能够满足接入电网的要求。
3 结论
蓄电池逆变并网放电系统是目前变电站蓄电池智能运维的关键技术，避免了传统发热负载放电造成的能源浪费，既节能环保又不影响电网电能质量。该项技术正越来越广泛地应用于电力、通信、电网等需要直流系统的场合。
制作逆变并网放电样机进行放电测试，结果表明系统放电电流恒定，能够满足蓄电池核容放电恒流放电的要求。对220V直流系统中蓄电池逆变并网放电系统的并网电能质量进行分析，结果表明蓄电池逆变并网后电网各项指标均在标准范围内，不会对变电站的电能质量造成影响。本文所做研究对蓄电池逆变并网技术在变电站智能运维中的推广有重要的意义。