李佳曼，万文军，苏伟，罗嘉，钟国彬

(广东电科院能源技术有限责任公司，广东 广州 510080)

随着储能支持政策的逐步出台以及储能成本的逐渐降低，储能电站接入电网的规模日益增大[1-5]。大规模储能设备并网后能否安全稳定运行将对电力系统运行产生很多新的不确定影响[6-7]；因此，当电网发生扰动时，并网运行的大规模储能系统必须具备良好的电网适应能力及故障穿越能力。

2018年颁布的GB/T 36547—2018《电化学储能系统接入电网技术规定》及GB/T 36458—2018《电化学储能系统接入电网测试规范》，针对电化学储能系统的电网适应性能力和高、低电压穿越能力提出了较高的要求。我国储能产业近几年才高速发展起来，绝大部分储能系统的并网性能没有经过现场检测，部分储能电站未进行系统调试就直接并网，对电网的安全稳定运行埋下隐患。当前储能系统并网检测的需求量较大，而作为储能并网检测的必要工具，储能移动并网检测装置在国内还较为欠缺。

国内对新能源并网检测装置已开展了一系列研究，主要集中在对风电及光伏电站的低电压穿越检测装置及电网适应性检测装置上。文献[8-13]对用于低电压穿越测试的电压跌落发生器或电压故障发生器开展了研究；文献[14-17]对可用于低电压穿越测试及电压、频率适应性的电网模拟器开展了研究；文献[18-20]对电网模拟器的阻抗特性、控制策略、仿真等开展了研究。文献[21]对储能系统并网测试技术开展了研究，但文献中提出的测试指标无法满足GB/T 36458—2018的要求。目前，国内对储能系统并网测试的需求较大，现有测试仅能使用风电或光伏并网检测装置。风电或光伏并网检测装置参照的标准不同，不具备电能质量适应性测试功能，并不能完全满足GB/T 36458—2018的要求。本文针对上述国家标准提出的电网适应性及高、低电压穿越测试要求，设计了适用于大容量储能系统并网的移动测试装置，并开展现场试验，验证所提方案的有效性及实用性。

1 储能并网测试装置要求

根据GB/T 36458—2018 ，储能系统并网测试装置应能模拟电网正常运行时的电压波动与频率波动，同时还能模拟电网故障时的电压跌落与电压抬升[22]。测试装置模拟电网的各项参数的正常波动时(工作在模拟电网正常运行状态)，应达到以下性能：

a)与储能变流器连接侧的电压谐波畸变率应小于电压谐波畸变率允许值的50%。

b)与电网连接侧的电流谐波幅值应小于电流谐波幅值允许值的50%。

c)在测试过程中，稳态电压幅值变化幅度不得超过标称电压幅值的1%。

d)电压幅值偏差应小于标称电压幅值的0.2%。

e) 频率偏差应小于0.01 Hz。

f) 三相电压不平衡度应小于1%，相位偏差应小于5°。

g)对于中性点不接地的模拟电网装置，中性点电压偏移应小于相电压的1%。

h)额定功率应大于被测储能系统输出的额定功率。

i)具有在1个周波内进行±0.1%额定频率的调节能力。

j)具有在1个周波内进行±1%额定电压幅值的调节能力。

k)阶跃响应调节时间应小于20 ms。

测试装置工作在模拟电网故障状态(电压跌落或电压抬升)时，应达到以下性能：

a)应能模拟三相对称电压跌落、相间电压跌落和单相电压跌落，跌落幅值应在0～90%之间。

b)应能模拟三相对称电压抬升，电压抬升幅值应在110%～130%之间。

c)电压阶跃响应调节时间应小于20 ms。

2 储能移动并网测试装置设计方案

2.1 总体设计方案

对于兆瓦级的储能系统，配置的储能变流器单机容量主要有500 kW、630 kW、1.2 MW、5 MW几种规格。为适应各种储能系统的测试需求，将储能移动并网测试装置的总容量设计为6 MVA，电压等级为6 kV、10 kV，可切换。

测试装置工作时需串联在电网与储能系统之间，模拟电网扰动，并需要适应能量双向流动。根据装置功能需求，设计的系统包括输入断路器、四象限变流器、10 kV/10 kV隔离变压器、输出断路器和旁路断路器等，如图1所示。

图1 整体方案示意图Fig.1 Schematic diagram of overall scheme

四象限变流器是测试装置的核心部件，通过控制四象限变流器可以输出幅值、频率和相位可变的电压来实现输出功能需求。并网检测装置的四象限变流器设计难点在于输出侧的电压谐波及输入侧的电流谐波均应控制在电能质量相应的谐波允许值的50%。同时随着储能变流器的单机容量的不断增大，并网检测装置的四象限变流器容量应不小于5 MW。

四象限变流器采用多模块级联结构，每相由10个功率单元级联后输出，单元直流电压目标值设定为960 V。采用10级串联结构的优势在于可以提供更高的输出电压和降低输出谐波，具有电压输出能力强、输出电压正弦度高等优点。主回路拓扑如图2所示。图2中A、B、C为系统三相输出，a1、b1、c1 ……a10、b10、c10分别为多绕组变压器三相输出。

图2 四象限变流器H桥级联式拓扑Fig.2 H-bridge cascade topology of four quadrant converter

四象限变流器输出端配置10 kV/10 kV单相隔离变压器，隔离变压器的输出端有2个抽头，装置可实现10 kV和6 kV 2个电压等级的输出；装置的输入端和输出端都设有断路器，旁路开关用于测试前后变流器停止运行时，储能系统可通过旁路进行充放电调试。

测试装置体积较大，且需长时间在储能电站现场进行检测，故需要采用标准集装箱形式对测试装置进行封装，并配置标准集装箱平板挂车，以便增强检测装置的移动性和便利性，为检测装置提供安全、便捷、可靠的现场检测能力。测试装置的整体布局如图3所示。

图3 总体布局图Fig.3 General layout

2.2 功率单元整流控制策略

功率单元拓扑如图4所示。功率单元输入采用可控整流桥，通过电感与多绕组变压器二次侧并网进行控制。输出为H桥，采用载波移相多重化调制。根据容量要求，整流侧采用2个400 A (80 ℃)绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)模块并联组成1个单相桥，输出侧采用3个300 A(80 ℃)IGBT模块并联组成1个单相桥；整流侧在温度为25 ℃时额定电流可达1 200 A，逆变侧在温度为25 ℃时额定电流可达1 350 A，可充分满足系统高低电压穿越测试时储能变流器可能产生的并网大电流。图4中S1—S6为IGBT。

图4 功率单元拓扑图Fig.4 Power unit topology diagram

PLL—锁相环，phase locked loop的缩写。图5 整流侧控制框图Fig.5 Rectifier side control block diagram

2.3 输出电压控制

输出电压目标值由基准电压、电压差值、谐波指令电压三者合成，频率另外独立设置，实现电压幅值与频率解耦控制。电压控制示意如图6所示。给定基准电压值后，分别独立检测和计算A、B、C三相电压的实际偏差量后，再与基准电压值叠加得到A、B、C三相输出电压基准值。若需要进行谐波补偿，则在计算基准电压与三相电压的实际偏差量叠加的同时，再叠加需要补偿次数谐波的调制量以输出三相电压基准值。输出电压闭环控制，电压环以合成的输入电压基准值为目标指令进行PI变换调节，输出电压指令补偿值与输出电压基准相加作为输出电压指令。

图6 输出电压控制示意图Fig.6 Schematic diagram of output voltage control

2.4 电网电压相位的检测

单元体直流电压的自适应控制要求每个单元体都准确检测到电网电压相位。电网电压相位检测的精确与否，直接关系到系统运行的功率因数和直流母线电压的稳定性和响应速度。

本装置采用的电网电压相位检测示意如图7所示。图7中：在变压器原边，采用电压互感器测量移相变压器输入电压，测量信号经过隔离变压器后变成低压正弦信号，然后输送至各个功率单元；功率单元的同步整流电路对输入的低压正弦信号进行整流，输出只有正半波的电压波形，再经过过零比较器后，输出与移相变压器原边电压相同相位的方波信号至锁相环电路，再由锁相环电路锁定并输出移相变压器原边电压相位；功率单元的控制芯片接收高压侧电压相位，计算出功率单元输入电压的相位。

图7 电网电压相位检测示意图Fig.7 Schematic diagram of grid voltage phase detection

3 现场试验

试验时将移动测试装置电网模拟装置接入电网，输出侧接至储能电站，所接储能负荷为4.50 MW/2.25 MWh。检测依据GB/T 36458—2018的相关要求开展，所检测的项目包括电压谐波、电流谐波、频率调节能力、电压调节能力、模拟电网故障能力等，检测的各项指标参数结果均符合标准要求，具体数据见表1。测试时采集的电压为测试装置的输出电压，利用图3中的PT2采集；采集的电流为测试装置的输出电流，利用图3中的CT2采集。

表1 储能移动检测装置检测结果Tab.1 Detection results of energy storage movement detection device

针对储能移动并网测试装置应具备的测试功能开展检测，包括电网适应性测试功能、高电压穿越测试功能、低电压穿越测试功能。检测涵盖空载、轻载(500 kW)及重载(4 500 kW)多种工况，每种工况下检测了多个测试点。因数据较多，本文仅列出典型测试波形。

电网适应性测试功能包括3项子功能，分别为电压适应性、频率适应性及电能质量适应性测试功能。通过设置测试电压及测试时间，电压适应性测试功能可以使输出电压从额定电压变化至设置的测试电压，经过设置的测试时间后恢复额定电压，以测试储能系统能否正常充电或放电。当设置测试电压为86%额定电压，测试时间为60 s，所带储能系统工作在500 kW放电时，测试波形如图8所示，图8中uab、ubc、uca分别为测试装置输出端三相电压，P为被测储能系统有功功率。

图8 电压适应性功能检测波形Fig.8 Voltage adaptability function detection waveforms

频率适应性测试功能与电压适应性功能类似，进入测试状态后能调整输出电压的频率。设置测试频率为50.52 Hz，测试时间为4 s，所带储能系统工作在500 kW充电时，测试波形如图9所示。

图9 频率适应性功能检测波形Fig.9 Frequency adaptive function detection waveforms

电能质量适应性测试功能可以调节输出的谐波电压及三相不平衡度，同时还可以叠加2个不同频率的谐波或间谐波。设置输出电压叠加3.2%的4次谐波及3.2%的7次谐波，输出的电压频谱如图10所示。

图10 电压谐波含有率直方图Fig.10 Histogram of harmonic inclusion rate

高电压穿越测试功能可以使输出电压抬升，当设置测试电压为127%额定电压，测试时间为100 ms，所带储能系统工作在4 500 kW充电时，测试波形如图11所示。

图11 高电压穿越功能检测波形Fig.11 Detection waveforms of high voltage ride-through function

低电压穿越测试功能可以使输出电压对称跌落或不对称跌落。当设置测试电压按照低电压穿越曲线输出，所带储能系统工作在4 500 kW放电时，测试波形如图12所示，图12中ia、ib、ic为测试装置输出端三相电流。

图12 低电压穿越功能检测波形Fig.12 Detection waveforms of low voltage ride-through function

综上所述，储能移动并网测试装置通过检测可知，测试装置具备电网适应性测试功能(包含电压适应性、频率适应性及电能质量适应性)、低电压穿越测试功能及高电压穿越测试功能，测试容量可达4 500 kW。

4 结束语

作为储能并网检测的必要工具，储能移动并网检测装置在国内还较为欠缺。本文根据GB/T 36458—2018的要求，设计了一套用于储能并网测试的大容量移动式测试装置。通过现场检测，验证了本文设计的大容量移动式测试装置在电压谐波、电流谐波、电压偏差、阶跃响应时间等各项指标均符合国标相应要求，具备电压适应性测试、频率适应性测试、电能质量适应性测试、高电压穿越测试及低电压测试功能。