【项目方案】南瑞：2.5MW（构网型）储能技术方案

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̱ 2.5MW（构网型） 储能技术方案 南京南瑞继保工程技术有限公司 2024 年 4 月 ̱ 目 录 1 电 气 一 次 系 统 方 案 ........................................................................ 3 1.1 电 网 接 入 方 案 ............................................................................................ 3 1.2 构 网 型 PCS 方 案 ....................................................................................... 3 2 变 流 升 压 一 体 机 技 术 方 案 .............................................................. 6 2.1 变 流 升 压 一 体 机 整 体 方 案 ........................................................................ 6 2.2 变 流 器 ....................................................................................................... 7 2.2.1 变 流 器 规 格 书 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2.2 变 流 器 故 障 保 护 功 能 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 2.3 升 压 变 压 器 ............................................................................................. 14 2.3.1 变 压 器 型 式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 2.3.2 变 压 器 温 度 监 控 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 2.3.3 通 讯 动 力 柜 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 3 构 网 型 储 能 技 术 方 案 ................................................................... 16 3.1 构 网 型 储 能 技 术 原 理 .............................................................................. 16 4 储 能 系 统 供 货 配 置 清 单 ............................................................... 18 4.1 变 流 升 压 一 体 机 配 置 清 单 ...................................................................... 18 1 ̱ 1 电 气 一 次 系 统 方 案 1.1 电 网 接 入 方 案 单台 2.5MW 变流升压一体机主要由 4 台 625kW 储能变流器、升压变压器等组 成，电池堆分别经 4 路 625kW 变流器逆变为交流 690V，4 台变流器交流侧并联接 入 2600kVA 升压变低压绕组，变压器高压 35kV 侧配置负荷开关熔断器，采用户 外箱式变压器(欧式干变)。 1.2 构 网 型 PCS 方 案 储能变流器是实现储能电池和交流电网之间双向能量转换的系统。储能变流 器根据控制技术的不同分为跟网型设备和构网型设备。 常规的电力电子设备输出表现为恒功率的电流源，与电网同步需要测量并网 点的相位信息，此类设备为跟网型设备。跟网型设备呈现出低惯量甚至无惯量， 大规模接入会使电力系统系统惯量降低，在弱电网中运行存在稳定问题。 构网型设备采用自同步方式，可为系统提供稳定所需的转动惯量和阻尼，输 出表现为一个电压源模式；具备类似同步机特性运行，转动惯量灵活可调整，具 备长时间连续孤网运行能力，同时适应并网运行需求，可实现计划性离并网毫秒 级无缝切换，不损失系统负荷。 构网控制（Grid Forming）技术通过控制内电势幅值和相角以改变功率，整 体呈现电压源特性，可实现能量的自然释放；同时又具备一定的自律能力以满足 多电压源并联运行的需要，综合性能可与常规同步机组相媲美，该控制技术即构 网控制技术，其能够在电网中真正地发挥电压源支撑作用。采用构网控制技术的 变流器称为构网机组（Grid Forming Machine，简称 GFM），通过模拟常规发电 2 ̱ 机内电势的幅值及相角（功角）：通过改变功角可改变有功功率，改变电压幅值 改变无功功率。 构网型变流器自同步控制引入常规同步机的转子运动方程，能够像常规机组 一样，在系统扰动后为系统提供惯量支撑，同时通过增加一次调频控制、调压控 制等环节，构网控制技术外特性更贴近常规同步机。基于储能变流器构建的虚拟 同步机组（构网型储能），可实现以下功能： 1）可模拟旋转电机外特性，无需锁相环即可实现多电源同步运行，功率自 动分配，为系统提供惯量及短路容量； 2）可提供高性能一次调频、调压、阻尼控制等功能，提升电网频率、电压 以及功角稳定水平。 3）改善系统谐波阻抗特性，减少电网次超同步、中高频振荡风险。 4）构网型储能模拟了常规发电机控制，同时可以改善常规发电机控制的不 足，如改善阻尼控制、调速控制励磁控制性能，根据系统需求可进一步增加直流 分量、短路电流主动抑制等功能。 储能变流器具备有功和无功解耦控制的四象限运行功能，可接收系统的控制 指令对电池进行充放电。与电池管理系统配合以保障电池的安全。根据上层管理 系统指令执行相应动作，实现对充放电电压和电流的闭环控制。 储能变流器在正常的运行环境下，不出现误停机、误报警和其他无故停止工 作的情况，当出现故障时，应能够按照设计的功能可靠动作。电网发生短路故障 时，PCS 装置提供的最大短路电流可达 3 倍额定电流。 PCS 运行状态有充电、放电、待机和停机四种运行状态，各运行状态能相互 切换，从额定功率并网充电状态转为额定功率并网放电状态所需时间小于 0.2S。 PCS 并网时与电网同步运行，具备孤岛运行能力，且应区分计划和非计划孤 岛运行，通过防孤岛保护来避免非计划孤岛运行。计划孤岛运行时，应按照设定 3 ̱ 的条件脱离主网，在容量范围内为部分负荷提供频率和电压稳定的电能。PCS 孤 岛运行时交流输出频率的最大允许偏差为±0.5Hz。 储能变流器具备以下基本功能：①具备充放电功能、有功功率调节（满功率 调节）和无功功率调节功能（功率因数调节范围：-1（滞后）～+1 超前））。 ②具备低电压穿越能力；③具备高电压穿越能力；④具备极端三相不平衡功能； ⑤具备黑启动及软启动功能；⑥具备完善的电池管理功能，能实现储能电池三段 式充电管理，可以兼容各大厂家多种不同配置和型号的储能电池。 为了保证储能变流器可靠稳定运行，储能变流器应具有完善保护功能，主要 功能包含以下但不限于：电网电压异常及频率异常保护；孤岛保护；输出过载保 护；输出直流分量控制；输出短路保护；直流过压保护；直流接反保护；低压穿 越保护；恢复并网保护；功率恢复速率控制； 同时，根据不同电池的 BMS 要求，根据其控制策略对电池侧充放电状况进行 保护， 包括过充、过放、容量保护等。 4 ̱ 2 变 流 升 压 一 体 机 技 术 方 案 2.1 变 流 升 压 一 体 机 整 体 方 案 变流升压一体机主要由储能变流器、升压变压器等设备组成，升压变压器为 欧式箱变，是集干式变压器、真空断路器、通讯动力柜于一体的组合变压器。 变流器实现交直流变换的功率控制，升压变压器实现交流升压和变流器隔 离，箱变高压侧的负荷开关熔断器实现本储能单元检修和保护的开断，通讯动力 柜内集成了变压器的测控保护、本储能单元变流器和 BMS 的通讯，以及本储能单 元辅助信息的采集，通讯动力柜包含自供电辅助变压器及辅助配电回路，实现本 储能单元的冷却系统辅助供电。 2.5MW 变流升压一体机尺寸为（长*宽*高）：10000*3000*3000mm。变流升 压一体机包含 4 台 625 kW PCS 变流器户外柜（2 台 625kW 户外柜并联使用），1 个 35kV/0.69kV 升压变压器（欧式箱变，集成 35kV 负荷开关熔断器、通讯动力 柜），及其他集装箱辅助设备，具体内部配置如图。 5 ̱ 图 2-1 2.5MW 变流升压一体机布局图 2.2 变 流 器 PCS-9567 储能变流器采用基于 IGBT 的电压源型换流器拓扑，通过交流侧滤 波器实现对开关频率谐波的滤波，通过交、直流侧 EMC 滤波器实现对高频谐波干 扰的滤波，直流侧设置负荷开关和熔丝实现直流侧故障的保护和隔离，交流侧设 置接触器和断路器实现交流侧电网的联接以及故障的隔离。具有以下特点： 安全  一二次仓分仓隔离设计，可靠性高  IP65 高防护等级，可靠应对恶劣环境  独立循环散热设计，提高散热效率及可靠性 高效  风冷散热，系统损耗小  PCS 三电平拓扑，最高效率 99% 电网友好  PQ、构网等多种控制模式，适用各种应用场景  支持 IEC61850 协议及快速通讯接口，毫秒级响应  支持故障录波，方便故障分析及定位 集成度高  功率模组模块化设计，便于运行维护  单元积木功能，支持多柜交流侧并联  功率及能量密度提升>50% 6 ̱ PCS-9567 储能变流器可通过脉宽调制（PWM）灵活控制输出的电压相位和幅 值，利用输出电压与电网电压的相位和幅值差，在输出侧滤波电感上形成有功和 无功电流，从而达到控制注入电网的有功、无功功率四象限运行的目的。 下图为 PCS-9567 双向储能变流器的一次结构及二次原理图： % 50 防孤岛 LVRT 断路器 直流 电压 电流 开出 绝缘监视 联锁保护 温度 通讯指令 开入 控制 PWM 保护 VSG 控制 VF 控制 PQ PLL 锁相 开出 开入 采样 文件管理 电量统计 故障录波 事件管理 通讯管理 人机交互 驱动 PWM /AC逆变 DC 防雷器 接地 断路器 交流 接触器 交流 滤波器 EMI 直流 == 滤波器 交流 滤波器 EMI 交流 接地 防雷器 L3 L2 L1 图 2-3 PCS-9567 储能变流器一次结构及二次原理图 图 2-4 PCS-9567 储能变流器外观 2.2.1 变 流 器 规 格 书 表 2-1 南瑞继保储能变流器(1250kW)参数 7 ̱ 技术参数 PCS-9567 直流 直流电压工作范围 1050V~1500V 最大输入电压 1500V 最大输入电流 2*1833A 交流 额定交流电压 690V 额定频率 50Hz 额定交流电流 1045A 额定交流功率 1250kW 最大输出电流 1150A 保护 直流过欠压保护 支持 直流过流保护 支持 直流反接保护 支持 交流过欠压保护 支持 交流过欠频保护 支持 交流过流保护 支持 浪涌保护 支持 接地保护 支持 系统 防护等级 IP65 工作温度范围 -35~50℃ 相对湿度 0~95% 冷却方式 自适应强制风冷 最高海拔 5000（>3000 需降额使用） 机械 尺寸 2200W*2370H*1250D mm 重量 2700kg 通讯 RS485 支持 以太网 支持 高速光纤组网 支持 8 ̱ 双向储能变流器作为储能装置和电网的柔性接口，采用高可靠性智能化功率 模块开发，通过充、放电一体化的设计，实现交流系统和直流系统的能量双向流 动。南瑞继保 PCS-9567 双向储能变流器主要能够实现以下功能：  准确灵活的充放电控制模式 提供 CAN 或以太网接口，实现与电池管理系统（BMS）的实时通讯，能够 准确的监测当前电池的运行信息，不仅可以控制变流器的充、放电状态，还可以 方便的切换成恒流、恒压或恒功率等多种充放电模式，从而实现以最优化的策略 对电池进行充放电控制。支持各种类型的储能元件，不同型号仅控制软件不同。  并网运行模式和孤网运行模式的自由切换 PCS-9567 既可以在并网运行模式下实现与电网的能量双向交换，也可以在孤 网运行模式下作为主电源支撑孤网的运行，两种运行模式可以自由切换。  软并网控制和电能质量控制 控制系统根据在线监测到的电网电压信息，实时准确的控制变流器的输出电 压，能够消除静态和动态误差，实现无冲击并网。此外控制系统内部集成了谐波 在线监测功能，无需设置独立的数据采集单元，通过通讯总线共享数据，增加独 立的谐波分析软件模块，就能完成所有的分析数据计算功能，实现对并网电能的 优化控制，确保并网电能质量。  响应 EMS 指令进行削峰填谷 可以在 EMS（能量管理系统）的调度下，用电低谷时存储电能，用电高峰时 释放电能，减弱电网峰谷差，改善电网负荷特性，实现电力系统负荷水平控制和 负荷转移。  电网频率和电网无功功率调节功能 并网运行时，与电网调度系统及 AGC 相配合，可实现电网一次和二次调频； 9 ̱ 与 AVC 相配合，可实现电网静态无功控制。  完备的自检和保护功能 自检的范围覆盖控制系统、IO 单元、变流器功率模块及总线等相关设备。自 诊断的周期确保在 1ms 内检测到系统内部的故障，并做出相应的闭锁触发脉冲或 跳闸响应。完善的各种继电保护功能，有效保障变流器的正常运行。  暂态故障录波功能 系统能连续记录故障前和故障后一段时间内的信号。记录的数据文件存放于 运行人员工作站的共享目录，可以用于故障分析，文件格式为国际标准的 COMTRADE 格式。 PCS-9567 具有如下显著特点：  采用南京南瑞继保电气有限公司高性能高可靠性的 UAPC 平台，友好的人机 界面；  元器件采用进口高质量产品，保证装置可靠安全运行，转换效率高；  具备全面的充放电限制功能，保证充放电过程中电池不过压、不过温，确保 充放电过程电池安全；  完善可靠的保护功能，保证产品可靠安全运行，或安全迅速地保护停机；  响应快速，充放电转换时间短，参与电网调峰，缓解电网压力；  高电能质量，产品并网电能质量优于相关标准的技术指标要求；  适应高海拔应用<6000 米（超过 3000 米需降额使用）；  接口丰富，具有 CAN、RS485、以太网等多种通信接口，便于对上、对下各 种通信方式实现。 10 ̱ 2.2.2 变 流 器 故 障 保 护 功 能 运行过程中，PCS-9567 控制装置会实时检测自身工作状态以及储能电池和 交流电网的状态，一旦检测到故障及异常，变流器会停止工作，并发出报警信 号。  交流过/欠压保护 变流器并网运行过程中，电网接口处的电网电压允许偏差为额定值的±10%， 当电网电压超出规定范围时，变流器停止工作，并在控制装置液晶显示屏上显示 相应的报警信息。  交流过/欠频保护 变流器并网运行过程中，当电网频率超出规定范围时，变流器停止工作，并 在控制装置液晶显示屏上显示相应的报警信息。  交流过流保护 变流器并网运行过程中，电网发生短路时，变流器可限制交流输出电流为额 定值的 120%之内，同时在设定时间内将储能装置同电网断开；当变流器严重过流 时，变流器触发速断保护，立刻并发出相应的报警信息。  负序电流保护 变流器并网运行过程中，电网负序电流超出允许范围时，逆变器停止向电网 供电，并发出相应的报警信息。  负序电压保护 逆变器并网运行过程中，当电网的负序电压超出允许范围时，逆变器停止工 作，并发出相应的报警信息。  孤岛检测保护 11 ̱ PCS-9567 储能变流器装置配置了主动式与被动式双重孤岛检测方法，当电 网发生孤岛故障时，变流器可迅速检测出电网孤岛故障，并将储能装置同电网断 开，并发出相应的报警信息。  直流过压保护 PCS-9567 储能变流器根据电池的特性以及变流器内部的元件耐压水平，综 合确定直流过压保护的限定值，当变流器检测到输入电压高于此限定值时，变流 器会将储能装置同电网断开，并发出相应的报警信息。  直流欠压保护 PCS-9567 储能变流器检测到直流电压低于设定的欠压定值时，逆变器会保 护停机，并发出相应的报警信息