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构网型储能系统应对来自可再生能源高渗透率电网的挑战

由于小规模和大规模可再生能源发电的迅速普及以及多家燃煤电厂的关闭,澳大利亚国家电力市场 (NEM) 经历了巨大的转变。世界各地的许多电力系统都在经历类似的转变,因为它们正在远离化石燃料或核能发电。澳大利亚南澳大利亚州是这一转变的缩影,该州可再生能源发电的份额从 2009 年的 14% 增长到 2018 年的 51% ,风电占主导地位。再加上有限的州际输电容量,该州的电力系统经历了超过 140% 的风力发电瞬时渗透率 - 是世界上所有主要电力系统中最高的 。这种非同步发电的高比例存在降低了传统上由同步发电机提供的系统强度。

Dalrymple 电池储能系统 (Dalrymple BESS)(也称为 ESCRI-SA)是具有微电网自动化功能的 30 MVA / 8 MWh 构网型储能系统。它于 2018 年安装在约克半岛下游,靠近 132 kV 长单回辐射馈线的末端。Dalrymple BESS 是第一个(也是目前唯一一个)连接到 NEM 的大型构网型储能系统,它建立在虚拟同步发电机技术之上,通过复制同步电机的行为和性能来加强电网,提供合成惯量和高故障电流,以允许更高水平的可再生能源连接和运行。该系统还可以提供可靠性和灵活性服务,例如快速电力注入、无缝孤岛和本地配电网络的黑启动。当上游馈线发生故障时,该系统与附近的 91 MW Wattle Point 风电场和分布式太阳能光伏发电无缝对接,使得本地孤岛电力系统得以运行,以确保向当地客户供电的连续性。这使得 Dalrymple BESS 不仅仅是一个储能系统,而是世界上最大的自主微电网。

该项目的结果和运行首次在 NEM 上证明了构网型变流器与跟网型变流器相比,在加强电网和实现高可再生能源目标方面可以发挥关键作用。除此之外,Dalrymple BESS 还为 NEM 提供有竞争力的市场服务,为运营商提供商业回报,这是目前同步调相机等类似电力系统支持技术无法实现的。

本文概述了项目的商业架构和市场环境,然后探讨了虚拟同步发电机技术的设计和功能。然后,本文重点介绍了构网型变流器提供的关键技术优势,最后以基于调试数据和 Dalrymple BESS 最初几个月运行的经过验证的关键性能结果作为结论。

Dalrymple BESS 解决了一系列挑战,强化了 BESS 与虚拟同步发电机技术如何为公用事业、消费者和更广泛的电力市场提供多种价值流,以及使大型电力系统能够在比以前更高水平的可再生能源下运行成为可能。

下约克半岛是一个位于132 kV长辐射馈线末端的 33 kV 中压网络,由于其提供的多个价值流,因此被选为 Dalrymple 构网型电池储能系统 (GF-BESS) 的主机站点。长辐射132 kV 线路将 91 MW Wattle Point 风电场与NEM连接,并为该地区的当地城镇提供服务。当雷击中断这一单回供电线路时,该地区将面临停电的风险。该站点允许通过为该地区的城镇提供备用电源来获得受监管的收益,通过在上游中断发生时无缝过渡到具有风电场的孤岛系统,以减少 ElectraNet客户的停电。虽然该电网系统与NEM互连,但在非孤岛运行模式下,系统可提供合成惯量和快速有功功率注入,以提高南澳大利亚电网的可靠性,并支持该州在风电渗透率高时电力系统的运行。该站点还允许管理州际联络线上的负载,以进一步帮助提高该州电力系统的稳定性和可靠性。除了这些技术优势之外,系统还可以通过加入国家电力批发和频率控制辅助服务 (FCAS) 市场来获取商业价值。图 1(左)显示了 GF-BESS 在约克半岛的位置,南部有 91 MW 的 Wattle Point 风电场。系统的单线图如图所示。

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图 1:左 - 提供的一些振荡器 Dalrymple BESS、现有输电资产和半岛顶端的 Wattle Point 风电场;右 – 简化的Dalrymple BESS 和微电网单线图

建立了独特的所有权结构,市场在当前监管框架内从 Dalrymple BESS 获得受监管和具有竞争力的市场服务。系统归ElectraNet所有并负责维护,BESS 运营租赁给发电和零售商 AGL,为期 12 年。Dalrymple BESS 项目的所有权和运营模式如图 2 所示,右侧是 BESS 建筑的照片。

2.png

图 2:上 - ESCRI-SA 项目的商业模型;下 – Dalrymple BESS 的航拍照片

如图所示,来自 ARENA 的基金为该项目提供了部分资金。ElectraNet 通过Dalrymple BESS的所有权向市场提供受监管的服务,而AGL通过租赁合约在在竞争市场中运营BESS。 图中的付款用红色箭头表示,获益用绿色箭头表示。

Dalrymple BESS 项目的收入来源来自提供合成惯量、减少停电、FCAS 市场和能源套利。还有许多其他服务:如黑启动、提供故障电流、电压调节、用于系统完整性保护方案 (SIPS) 的快速有功功率注入、功率因数调节和避免DER弃电。这些服务或未被选中作为收入来源或因为在当前的市场和监管框架下没有可行的机制。如前所述,目前项目获得的收入来源是:

GF-BESS的惯量响应减少了对Heywood 联络线的限制,提高了单向州际交流联络线的利用率。这是通过 GF-BESS 的合成惯量为南澳大利亚电力系统提供的 200 MW等效同步惯量来实现的。

在供电中断后减少 Dalrymple 地区的能源短缺,包括将GF-BESS与当地负荷组成孤岛系统,同时保持与降低出力后的Wattle Point 风电场和当地屋顶光伏发电的连接,直到与 NEM 的连接恢复。在运行的前六个月,GF-BESS 已将供电损失从大约 提供的一些振荡器 8 小时减少到 30 分钟。

通过提供 FCAS 服务和能源套利,在 NEM 中进行电力市场交易。在运营的前六个月,GF-BESS 从 提供的一些振荡器 FCAS 市场赚取了 113 万澳元。

所有 Dalrymple BESS 功能均由高功率构网型变流器平台实现,其控制系统由两个级别组成:初级和次级。初级控制在变流器上实现,而次级控制则安装在分布式控制器中。

初级控制的核心是虚拟同步发电机 (VSG) - 一种结合了合成惯量、合成阻抗、频率调节器、同步发电机转子磁通模型和自动电压调节器 (AVR) 的大功率变流器。其控制图如图3所示。

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图 3:ABB 虚拟同步发电机主控制模型

这些控制组件协同工作,使 VSG 在稳态和瞬态条件下都表现得与同步发电机非常相似,与其他电压和/或电流源并联或与电网并联时,独立运行中的那些先进性能仍然保持工作。 变流器始终作为电压源运行,可无缝过渡到孤岛运行和退出孤岛运行,VSG层面允许调整和保证在连接点位置与电力系统有效集成的灵活性。

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厂商名称Texas Instruments(德州仪器)
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包装说明SOP, SOP24,.4
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回到上图,由运放分析VX=VY,那么就是I1*R1+Vbe1=Vbe2,这样可得:I1=△Vbe/R1,而且因为M3和M4的栅极电压相同,因此电流I1=I2,所以推导出公式:I1=I2=VT*ln(N/R1) N是Q1 Q2的PN结面积之比!

二、振荡器OSC和PWM

三、误差放大器

四、驱动电路

五、其他模块电路

上电瞬间,S3自然是打开的,然后S2打开可以打开M4 Q1等,就打开了M1 M2,右边恒流源电路正常工作,S1也打开了,就把S2给关闭了,完成启动。如果没有S1 S2 S3,瞬间所有晶体管电流为0。