由于小規(guī)模和大規(guī)模可再生能源發(fā)電的迅速普及以及多家燃煤電廠的關閉，澳大利亞國家電力市場 (NEM) 經(jīng)歷了巨大的轉(zhuǎn)變。世界各地的許多電力系統(tǒng)都在經(jīng)歷類似的轉(zhuǎn)變，因為它們正在遠離化石燃料或核能發(fā)電。澳大利亞南澳大利亞州是這一轉(zhuǎn)變的縮影，該州可再生能源發(fā)電的份額從 2009 年的 14% 增長到 2018 年的 51% [2]，風電占主導地位。再加上有限的州際輸電容量，該州的電力系統(tǒng)經(jīng)歷了超過 140% 的風力發(fā)電瞬時滲透率 - 是世界上所有主要電力系統(tǒng)中最高的 [3]。這種非同步發(fā)電的高比例存在降低了傳統(tǒng)上由同步發(fā)電機提供的系統(tǒng)強度。

(資料圖)

Dalrymple 電池儲能系統(tǒng) (Dalrymple BESS)（也稱為 ESCRI-SA）是具有微電網(wǎng)自動化功能的 30 MVA / 8 MWh 構(gòu)網(wǎng)型儲能系統(tǒng)。它于 2018 年安裝在約克半島下游，靠近 132 kV 長單回輻射饋線的末端。Dalrymple BESS 是第一個（也是目前唯一一個）連接到 NEM 的大型構(gòu)網(wǎng)型儲能系統(tǒng)，它建立在虛擬同步發(fā)電機技術(shù)之上，通過復制同步電機的行為和性能來加強電網(wǎng)，提供合成慣量和高故障電流，以允許更高水平的可再生能源連接和運行 [4]。該系統(tǒng)還可以提供可靠性和靈活性服務，例如快速電力注入、無縫孤島和本地配電網(wǎng)絡的黑啟動。當上游饋線發(fā)生故障時，該系統(tǒng)與附近的 91 MW Wattle Point 風電場和分布式太陽能光伏發(fā)電無縫對接，使得本地孤島電力系統(tǒng)得以運行，以確保向當?shù)乜蛻艄╇姷倪B續(xù)性。這使得 Dalrymple BESS 不僅僅是一個儲能系統(tǒng)，而是世界上最大的自主微電網(wǎng)。

該項目的結(jié)果和運行首次在 NEM 上證明了構(gòu)網(wǎng)型變流器與跟網(wǎng)型變流器相比，在加強電網(wǎng)和實現(xiàn)高可再生能源目標方面可以發(fā)揮關鍵作用。除此之外，Dalrymple BESS 還為 NEM 提供有競爭力的市場服務，為運營商提供商業(yè)回報，這是目前同步調(diào)相機等類似電力系統(tǒng)支持技術(shù)無法實現(xiàn)的。

本文概述了項目的商業(yè)架構(gòu)和市場環(huán)境，然后探討了虛擬同步發(fā)電機技術(shù)的設計和功能。然后，本文重點介紹了構(gòu)網(wǎng)型變流器提供的關鍵技術(shù)優(yōu)勢，最后以基于調(diào)試數(shù)據(jù)和 Dalrymple BESS 最初幾個月運行的經(jīng)過驗證的關鍵性能結(jié)果作為結(jié)論。

Dalrymple BESS 解決了一系列挑戰(zhàn)，強化了 BESS 與虛擬同步發(fā)電機技術(shù)如何為公用事業(yè)、消費者和更廣泛的電力市場提供多種價值流，以及使大型電力系統(tǒng)能夠在比以前更高水平的可再生能源下運行成為可能。

1 簡介

下約克半島是一個位于132 kV長輻射饋線末端的 33 kV 中壓網(wǎng)絡，由于其提供的多個價值流，因此被選為 Dalrymple 構(gòu)網(wǎng)型電池儲能系統(tǒng) (GF-BESS) 的主機站點。長輻射132 kV 線路將 91 MW Wattle Point 風電場與NEM連接，并為該地區(qū)的當?shù)爻擎?zhèn)提供服務。當雷擊中斷這一單回供電線路時，該地區(qū)將面臨停電的風險。該站點允許通過為該地區(qū)的城鎮(zhèn)提供備用電源來獲得受監(jiān)管的收益，通過在上游中斷發(fā)生時無縫過渡到具有風電場的孤島系統(tǒng)，以減少 ElectraNet客戶的停電。雖然該電網(wǎng)系統(tǒng)與NEM互連，但在非孤島運行模式下，系統(tǒng)可提供合成慣量和快速有功功率注入，以提高南澳大利亞電網(wǎng)的可靠性，并支持該州在風電滲透率高時電力系統(tǒng)的運行。該站點還允許管理州際聯(lián)絡線上的負載，以進一步幫助提高該州電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。除了這些技術(shù)優(yōu)勢之外，系統(tǒng)還可以通過加入國家電力批發(fā)和頻率控制輔助服務 (FCAS) 市場來獲取商業(yè)價值。圖 1（左）顯示了 GF-BESS 在約克半島的位置，南部有 91 MW 的 Wattle Point 風電場。系統(tǒng)的單線圖如右圖所示。

圖 1：左 - Dalrymple BESS、現(xiàn)有輸電資產(chǎn)和半島頂端的 Wattle Point 風電場 [5]；右 – 簡化的Dalrymple BESS 和微電網(wǎng)單線圖

2.商業(yè)架構(gòu)

2.1.所有權(quán)

建立了獨特的所有權(quán)結(jié)構(gòu)，市場在當前監(jiān)管框架內(nèi)從 Dalrymple BESS 獲得受監(jiān)管和具有競爭力的市場服務。系統(tǒng)歸ElectraNet所有并負責維護，BESS 運營租賃給發(fā)電和零售商 AGL，為期 12 年。Dalrymple BESS 項目的所有權(quán)和運營模式如圖 2 所示，右側(cè)是 BESS 建筑的照片 [5]。

圖 2：上 - ESCRI-SA 項目的商業(yè)模型 [7]；下 – Dalrymple BESS 的航拍照片

如圖所示，來自 ARENA 的基金為該項目提供了部分資金。ElectraNet 通過Dalrymple BESS的所有權(quán)向市場提供受監(jiān)管的服務，而AGL通過租賃合約在在競爭市場中運營BESS。 圖中的付款用紅色箭頭表示，獲益用綠色箭頭表示。

小劉：個人理解這個商業(yè)模型設計意圖：既發(fā)揮了市場對資源的有效配置（Market Service），同時又需要通過監(jiān)管（Regulated Service）避免資本家們通過區(qū)域的壟斷來攫取不合理的超額利潤。ARENA居然真的能找到這么完美的小白鼠，也是有趣得緊。

2.1.收入流

Dalrymple BESS 項目的收入來源來自提供合成慣量、減少停電、FCAS 市場和能源套利。還有許多其他服務：如黑啟動、提供故障電流、電壓調(diào)節(jié)、用于系統(tǒng)完整性保護方案 (SIPS) 的快速有功功率注入、功率因數(shù)調(diào)節(jié)和避免DER棄電。這些服務或未被選中作為收入來源或因為在當前的市場和監(jiān)管框架下沒有可行的機制。如前所述，目前項目獲得的收入來源是：

GF-BESS的慣量響應減少了對Heywood 聯(lián)絡線的限制，提高了單向州際交流聯(lián)絡線的利用率。這是通過 GF-BESS 的合成慣量為南澳大利亞電力系統(tǒng)提供的 200 MW等效同步慣量來實現(xiàn)的 [5]。

在供電中斷后減少 Dalrymple 地區(qū)的能源短缺，包括將GF-BESS與當?shù)刎摵山M成孤島系統(tǒng)，同時保持與降低出力后的Wattle Point 風電場和當?shù)匚蓓敼夥l(fā)電的連接，直到與 NEM 的連接恢復。在運行的前六個月，GF-BESS 已將供電損失從大約 8 小時減少到 30 分鐘 [5]。

通過提供 FCAS 服務和能源套利，在 NEM 中進行電力市場交易。在運營的前六個月，GF-BESS 從 FCAS 市場賺取了 113 萬澳元 [5]。

3.功能

所有 Dalrymple BESS 功能均由高功率構(gòu)網(wǎng)型變流器平臺實現(xiàn)，其控制系統(tǒng)由兩個級別組成：初級和次級。初級控制在變流器上實現(xiàn)，而次級控制則安裝在分布式控制器中。

初級控制的核心是虛擬同步發(fā)電機 (VSG) - 一種結(jié)合了合成慣量、合成阻抗、頻率調(diào)節(jié)器、同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁通模型和自動電壓調(diào)節(jié)器 (AVR) 的大功率變流器。其控制圖如圖3所示。

圖 3：ABB 虛擬同步發(fā)電機主控制模型 [8]

這些控制組件協(xié)同工作，使 VSG 在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)條件下都表現(xiàn)得與同步發(fā)電機非常相似 [8]，與其他電壓和/或電流源并聯(lián)或與電網(wǎng)并聯(lián)時，獨立運行中的那些先進性能仍然保持工作。 變流器始終作為電壓源運行，可無縫過渡到孤島運行和退出孤島運行，VSG層面允許調(diào)整和保證在連接點位置與電力系統(tǒng)有效集成的靈活性。

次級控制（圖中未顯示），即總體分布式 e-mesh? 控制，集成在主控制之上，并包含大部分項目特定的自動化和功能邏輯。

與其他發(fā)電和儲能裝置相比，兩個控制層共同提供了以下關鍵功能和創(chuàng)新特性：

具有構(gòu)網(wǎng)能力和在極低短路比 (<<1.5) 下運行能力的變流器，遠超現(xiàn)有的基于變流器發(fā)電技術(shù)的性能表現(xiàn)；

無縫的計劃內(nèi)和計劃外過渡到孤島運行以及隨后與電網(wǎng)實時再同步的實現(xiàn)；

響應電網(wǎng)頻率變化率 (RoCoF) 的合成慣量以及在孤島運行中穩(wěn)定頻率，并為構(gòu)網(wǎng)變流器提供前所未有的響應速度和帶寬。注意與第 4.1 節(jié)中討論的快速頻率響應 (FFR) 的區(qū)別；

通過短時故障電流過載（高達 2.0 pu 變流器額定值持續(xù) 2 秒），實現(xiàn)采用非同步發(fā)電技術(shù)時的系統(tǒng)故障水平/系統(tǒng)強度支持能力；

孤島電網(wǎng)主控制，包括風電場發(fā)電功率調(diào)度/棄電，在合理的風力條件下無限期地向當?shù)貚u嶼供電；

黑啟動能力，為當?shù)貚u嶼提供變壓器啟動供電，峰值需求為8 MW；

作為南澳大利亞系統(tǒng)完整性保護計劃 (SIPS) 一部分的先發(fā)應急響應，在發(fā)生重大發(fā)電損失后向電網(wǎng)提供快速的有功功率注入。GF-BESS可在接收到在南澳大利亞東南部約 400 公里外的唯一州際交流互連線路檢測到電網(wǎng)事件的命令后 250 毫秒內(nèi)滿負荷運行，為電網(wǎng)提供有效支撐；

參與全國電力市場的能源套利和應急頻率控制輔助服務（FCAS）；

電壓、功率因數(shù)、無功功率調(diào)節(jié)和外部設定點控制；

與 ElectraNet 的傳輸系統(tǒng)級基于拓撲的孤島檢測方案集成；

分布式能源 (DER) 的控制：Dalrymple BESS 可以調(diào)整孤島系統(tǒng)頻率，按需實現(xiàn)表后DER的限發(fā)調(diào)度，以管理潮流并避免由于這些不受控制的本地發(fā)電設施（例如客戶屋頂太陽能光伏）。

4. 技術(shù)性能

Dalrymple BESS 的性能在2018 年系統(tǒng)調(diào)試期間和2018 年 12 月投入商業(yè)運營后的第一年內(nèi)得到了驗證[5]。在本章中，我們介紹了從 Dalrymple BESS 的調(diào)試和運行中收集到的一些結(jié)果，以討論合成慣量、故障電流、無縫孤島、黑啟動和快速有功功率注入。

4.1.合成慣量

合成慣量采用了與第 3 節(jié)中著重提到的FFR不同實現(xiàn)機制。Dalrymple BESS 提供的合成慣量由兩個電壓源以及兩個電壓源之間的相角比例決定的基本功率傳輸方程控制，如方程 1 所示。

圖 4：左 - 電網(wǎng)和 VSG 電壓的相量圖以及由正負 RoCoF 事件引起的相位差；右 - 同步電機的電氣和機械部件圖 [1]

該方案不需要與大多數(shù) FFR 機制相關的外部測量、檢測和處理。圖 4（左）顯示了 VSG 內(nèi)部電壓的相量圖，相當于同步電機的電動勢。該電壓相量具有自己的轉(zhuǎn)速/頻率，它不跟隨電網(wǎng)頻率，而是在內(nèi)部作為獨立參考生成，作為其構(gòu)網(wǎng)功能的一部分。在GF-BESS連接端子處與電網(wǎng)的相互作用會導致正向的電網(wǎng)RoCoF 事件導致 GF-BESS 由于負相位角差從而自發(fā)從電網(wǎng)吸收有功功率，相反，負向電網(wǎng)RoCoF事件將立即發(fā)生并且由于正相角差而從而自發(fā)導致 GF-BESS 將有功功率注入電網(wǎng)。方程1 給出的機制與驅(qū)動同步電機的慣性響應的機制相同，如圖 4（右）中同步電機的動態(tài)模型所示。清楚說明了同步電機和帶 VSG 的 GF-BESS 的慣性響應均由相同的實際功率傳輸方程驅(qū)動。

2019 年 11 月 16 日下午 6:05，Dalrymple BESS 的放電功率約為 6 MW，并通過Heywood 聯(lián)絡線從南澳大利亞州向維多利亞州凈輸出電力。此時，如圖 5 所示，Heywood 聯(lián)絡線發(fā)生故障，導致各州之間發(fā)生解列事件，導致南澳大利亞州發(fā)生正向 RoCoF 事件，因為其州內(nèi)發(fā)電量過剩。該事件如圖 5 所示。左上角（8 秒視圖）和右上角（300 毫秒視圖）圖中顯示了頻率上升，及對應的有功功率響應（左下角）和電流波形（右下角） . Dalrymple BESS 的慣量響應立即降低其輸出。從電流波形中可以看出，在高速數(shù)據(jù)記錄儀檢測到頻率上升之前，Dalrymple BESS 已經(jīng)開始降低其輸出（由紅色垂直線標記）。這是因為，如前所述，GF-BESS 不依賴于外部頻率的測量和檢測來啟動響應，而是由與同步電機相同的基本原理驅(qū)動—比較端子電壓和GF-BESS 的內(nèi)部電壓。響應幅度和功率/電流降低的斜率由 VSG 軟件和慣量時間常數(shù)定義，可調(diào)節(jié)以實現(xiàn)所需的響應。在慣量響應穩(wěn)定后，從下午 6:05:21 開始，應急FCAS 響應被識別出來，后續(xù)可以通過市場導向的頻率支持響應服務幫助將頻率恢復到正常工作頻段。

圖 5：正向RoCoF 事件顯示來自 Dalrymple BESS 的慣量響應發(fā)生在高速數(shù)據(jù)記錄器檢測到頻率增加之前。左上 – 8 秒頻率視圖；左下 – 8 秒有功功率視圖；右上角 – 300 毫秒頻率視圖；右下角 – 300 ms 電流波形。

此外，作者在 DIgSILENT PowerFactory 中進行了一項簡短的模擬研究，以比較 GF-BESS與3臺同步發(fā)電機的對線性頻率下降的響應。所有設備配置為具有相同的MVA額定值和慣量時間常數(shù)，以便對RoCoF事件的預期有功功率響應具有相同的幅值。3臺同步發(fā)電機的參數(shù)有所不同，如定子阻抗、同步電抗以及次瞬態(tài)和瞬態(tài)時間常數(shù)，目的是模擬這些參數(shù)對響應形態(tài)的影響，并將其與 GF-BESS 的響應進行比較。這組發(fā)電機未與原動機連接，也沒有配備電力系統(tǒng)穩(wěn)定器。因此，它們本質(zhì)上代表同步調(diào)相機。

圖 6 在頂部圖中顯示了 1 秒內(nèi) 3 Hz/s 的頻率下降，在底部圖中顯示了 GF-BESS 和 3 臺同步電機的有功功率響應。很明顯，GF-BESS 響應的初始上升時間與同步電機的初始上升時間相當。一個有趣的觀察現(xiàn)象是所有 3 臺同步電機的有功功率響應的欠阻尼特性由其轉(zhuǎn)子振蕩引起的，而 GF-BESS 的響應幾乎可以調(diào)整為任何行為——在這種特殊情況下輕微的欠阻尼可以以實現(xiàn)快速上升和穩(wěn)定時間。同步電機可以設計為具有更高的阻尼，以達到一定的限制，但代價是在不平衡負載條件下增加發(fā)熱量 [6]。

圖 6：模擬中的構(gòu)網(wǎng)型 BESS 與同步發(fā)電機對 RoCoF 事件的響應比較

本節(jié)中描述的慣量響應表明 GF-BESS 可與同步發(fā)電機響應相同。這一特性，加上超過變流器持續(xù)額定值（在第 4.2 節(jié)中討論）的故障電流注入能力，使這種 GF-BESS 系統(tǒng)成為同步發(fā)電機的可行替代方案，作為電力系統(tǒng)安全的貢獻者，允許更多化石燃料發(fā)電廠切換為離線并解鎖更高瞬時滲透率的可再生能源。

4.2.故障電流注入

大多數(shù)連接到電網(wǎng)的可再生能源電站都通過電流控制的變流器實現(xiàn)。不斷增長的容量需求是電力和其他部門脫碳所必需的，但對于同步發(fā)電技術(shù)的替代，這給保障電力系統(tǒng)的運行帶來了挑戰(zhàn)。后者在過去一直是系統(tǒng)故障電流注入的常規(guī)來源。故障電流是與系統(tǒng)強度相關的一個因素——系統(tǒng)中必須始終存在足夠的電流，以保證過流保護裝置的安全運行。此外，來自電力系統(tǒng)中不同位置的電源的故障電流注入，連同系統(tǒng)元件的阻抗，決定了故障期間整個電網(wǎng)的電壓分布。

采用電流控制變流器技術(shù)并網(wǎng)的大規(guī)模和分布式可再生能源發(fā)電通常依賴于諸如鎖相環(huán) (PLL) 之類的機制來保持其輸出與電網(wǎng)電壓波形基礎分量的同步。在故障期間，電壓幅度降低和可能的波形失真可能導致這些變流器失步并且難以“趕上”故障清除后的速度。這將可能導致“速度偏差”的發(fā)電行為，表現(xiàn)為有功/無功功率振蕩和/或功率/電流輸出降低。相反，構(gòu)網(wǎng)型電壓源變流器不依賴于 PLL，因為它們能夠生成自己的電壓波形，包括在它們穿越故障期間。此屬性使構(gòu)網(wǎng)型變流器被認為是故障電流的貢獻者，特別是如果它們可以暫時提供超過其連續(xù)額定值的電流[4]。安裝在 Dalrymple BESS 的變流器就是這種情況（最大 2 p.u. 持續(xù) 2 秒，可按需配置為更低參數(shù)）。該 GF-BESS 提供的故障電流用于清除底層配電網(wǎng)以及 Wattle Point 風電場內(nèi)的故障。此外，過載能力也是一個有用的功能，可以更好地應對在標稱電壓或接近標稱電壓的變壓器通電時出現(xiàn)的浪涌電流，并在運行孤島系統(tǒng)時管理瞬變。

大型可再生能源電站常連接在弱電網(wǎng)位置，電站通常靠近長輻射線路末端并表現(xiàn)出低短路比 (SCR) 的特征。具有過載能力的 GF-BESS 和可再生能源電站位于同一個地址可以改善電站在故障期間的行為，并減少其與上述問題相關的不利故障穿越行為。這是通過從 GF-BESS 注入故障電流來提高電壓來實現(xiàn)的，這有效地提高了SCR，并可以幫助配備電流控制變流器的可再生能源電站在故障期間保持同步和在線，防止不希望的“速度偏差”與故障后恢復期間的有功/無功功率振蕩。這增強了電力系統(tǒng)的彈性，并允許實現(xiàn)更多的可再生能源發(fā)電在偏遠地區(qū)的選址，這些地區(qū)的特點是與弱電網(wǎng)（低 SCR）互連，而那里的資源通常又是最有利的。

4.3.無縫孤島

如第 3 節(jié)所述，Dalrymple BESS 提供的一項關鍵監(jiān)管服務是降低該地區(qū)供能減少，這實際上意味著防止在 Dalrymple 變電站與上游大容量電力系統(tǒng)斷開連接時發(fā)生停電。故障或突發(fā)事件。系統(tǒng)可以根據(jù)調(diào)度指令實現(xiàn)孤島（計劃內(nèi)孤島）或意外實現(xiàn)孤島（計劃外孤島）。后者比前者更困難，因為無法采取預防措施來實現(xiàn)平穩(wěn)過渡，如將連接點的有功和無功功率潮流減少到零，并將風電場的輸出減少到適當?shù)乃健?/p>

在控制和保護系統(tǒng)設計過程中遇到的挑戰(zhàn)是風電場（91 MW）與 GF-BESS（30 MW）的額定值差異。如果風電場在計劃外孤島的瞬間滿負荷發(fā)電，則 GF-BESS 可能不得不吸收遠高于其額定值的功率，直到孤島運行后大約 80-100 毫秒，保護繼電器關閉5臺風力發(fā)電機集電系統(tǒng)中的4臺，以重新配置孤島運行的風電場。如此大的功率峰值對電池提出了很高的要求。

GF-BESS 的合成慣量克服了這個問題，BESS將立即通過提高頻率對事件做出響應。降低風力發(fā)電機感應發(fā)電機的滑移，瞬間降低其功率輸出，從而使 GF-BESS必須吸收的功率峰值不超過27 MW，保持在電池的穩(wěn)態(tài)額定值范圍內(nèi)。這種行為如圖 7 所示，數(shù)據(jù)由高速數(shù)據(jù)記錄器在實際測試期間捕獲。但由于運營商將在未來幾個月內(nèi)提高過頻保護的設置，使得該風電場后續(xù)將無法順利實現(xiàn)該類事件的穿越。

圖 7：孤島前 79 MW的高風電場發(fā)電期間的孤島瞬間。此處顯示的是頻率（左）和 GF-BESS 有功功率（右）

然而，GF-BESS 在整個過渡期間及之后保持在線并維持運行。值得注意的是，GF-BESS 提供的 PSCAD? 模型能夠在系統(tǒng)研究中準確地復制這種對頻率的響應行為 [5]。

仔細觀察圖 8 中另一個計劃外孤島測試期間記錄的電壓和電流波形，可以發(fā)現(xiàn) GF-BESS 會建立自己的連續(xù)電壓波形，因此在過渡期間不會發(fā)生電壓驟降，從而不會對中斷負載供電。孤島發(fā)生之后直到線路在 Dalrymple 變電站與電網(wǎng)隔離前，GF-BESS從上游132 kV 線路中吸收并增加電流注入持續(xù)70 ms。這突顯了動態(tài)和瞬態(tài)管理中GF-BESS過載能力重要性。

圖 8：在 GF-BESS 的 33 kV 連接點記錄的電壓（左）和電流（右）波形在由紅色垂直線標記的孤島時刻前后

孤島時，GF-BESS 通過 VSG 調(diào)節(jié)微電網(wǎng)中的頻率，包括合成慣量、在初級控制級以下垂模式運行的頻率調(diào)節(jié)器和在次級控制級具有小死區(qū)的等時頻率控制器等級。圖 9 顯示了與大容量電力系統(tǒng) (NEM) 并聯(lián)運行時觀察到的頻率曲線，相比之下，在孤島狀態(tài)下，頻率僅由 GF-BESS 調(diào)節(jié)。可以看出，在孤島期間，由于 VSG 控制，頻率被控制在了更窄的頻帶內(nèi)。

圖 9：GF-BESS 在兩條紅色垂直線之間的孤島微電網(wǎng)中進行頻率調(diào)節(jié)。垂直線之外是大容量電力系統(tǒng) (NEM) 的頻率分布

4.4.黑啟動

在大型電力系統(tǒng)中，恢復供電傳統(tǒng)上是自上而下的，即具有黑啟動能力的大型發(fā)電站在系統(tǒng)停電事件后重啟，隨后部分輸電系統(tǒng)重新通電，允許提供電力 根據(jù)可用的在線發(fā)電能力和電力系統(tǒng)安全考慮，啟動其他發(fā)電廠的電力并連續(xù)恢復對部分電網(wǎng)的供電。

隨著構(gòu)網(wǎng)型用事業(yè)規(guī)模儲能（如 Dalrymple BESS）的發(fā)展，系統(tǒng)恢復的新潛在來源現(xiàn)在位于更靠近消費者和分布式能源的位置。連接變電站后，GF-BESS 能夠快速恢復對相關配電網(wǎng)的供電，從而減少消費者的停電時間，并為分布式能源甚至大型電站提供電壓源以與之同步。通過變流器線性提升電壓的能力，基本上消除了初始充電過程中變壓器的浪涌電流。通過降低因過電流而導致的發(fā)電機組/GF-BESS 跳閘的可能性提高了黑啟動成功恢復系統(tǒng)的預期，另外還有助于防止開關和諧波過電壓。與運行空載或輕載系統(tǒng)相關的其他現(xiàn)象，例如鐵磁共振，可能需要詳細的EMT型模擬研究，但通?？梢酝ㄟ^確保在充電過程中的配電網(wǎng)中存在足夠的系統(tǒng)阻尼（電阻）來避免。

在充電期間，頻率和電壓需要保持在可接受的范圍內(nèi)。由于 VSG 通過包含合成慣量、調(diào)速器、AVR 和轉(zhuǎn)子磁通模型的行為類似于同步發(fā)電機，因此系統(tǒng)行為的動態(tài)將由這些控制組件的選定參數(shù)決定。根據(jù)參數(shù)值的不同，參數(shù)值的選擇可能取決于其他要求，例如并網(wǎng)運行中的慣量響應，恢復過程中的頻率和電壓變化可能會暫時超出允許的范圍。一些先進的變流器能夠在運行時動態(tài)切換參數(shù)，從而允許針對特定情況進行必要的調(diào)整。例如，對于黑啟動過程，可以提高合成慣量的大小，從而使頻率更堅強。這里在選擇參數(shù)值時也需要小心，因為改變一些參數(shù)，特別是更快的內(nèi)部控制回路，可能會導致 GF-BESS 和電力系統(tǒng)設備之間發(fā)生不希望的相互作用并引起振蕩。

所討論的由 GF-BESS 啟用的系統(tǒng)恢復方法不僅可以通過快速啟動配電系統(tǒng)來減少停電時間，而且還可以作為上游輸電線路的供電來源。這種自下而上的方法為系統(tǒng)操作提供了額外的靈活性，盡管增加了從多個額外位置管理系統(tǒng)恢復的復雜性。通過適當?shù)淖詣踊?，運行人員干預可以減少到合理的最低限度。

在 Dalrymple，GF-BESS黑啟動了當?shù)氐?33 kV 配電網(wǎng)絡。這是通過對 GF-BESS連接的變壓器 (6 x 6 MVA) 和其中一個變電站變壓器 (25 MVA) 進行軟充電以及隨后對兩個 33 kV 配電饋線充電來實現(xiàn)的。變壓器充電瞬間電壓和電流波形在圖 10 中顯示。當電壓在一秒鐘內(nèi)上升時，電流是如此微不足道，以至于它們?nèi)匀坏陀诟咚儆涗浧鞯氖叭￠撝怠＿@種方法完全消除了變壓器和電纜涌流。

圖10下圖顯示了 GF-BESS 連續(xù)負載饋線期間拾取的 33 kV 饋線的有功和無功功率曲線。

圖 10：上圖 - GF-BESS 提升電壓以柔性啟動本地電網(wǎng)的變壓器；中圖 – 產(chǎn)生的電流非常小，以至于高速記錄儀無法捕捉到它們；下圖 – 33 kV 配電負載饋線連續(xù)充電的有功和無功功率曲線

4.5. 快速有功功率注入

系統(tǒng)完整性保護計劃 (SIPS) 由 ElectraNet 在 2016 年 9 月南澳大利亞系統(tǒng)停電事件之后設計，以實現(xiàn) GF-BESS 系統(tǒng)的協(xié)調(diào)快速有功功率注入，以應對南澳大利亞大量發(fā)電量的損失[ 9]。SIPS 方案接管了對這種意外情況的檢測，并向 GF-BESS 提供二進制觸發(fā)信號，它需要以預定義的功率輸出（通常是最大可用功率）對其進行響應。

Dalrymple BESS 的設計要求是在 250 毫秒內(nèi)提供 30 MW，這已在現(xiàn)場成功演示。圖 11 說明了 GF-BESS 響應接收到 SIPS 觸發(fā)而注入的記錄電流波形。為清楚起見，圖 8 中顯示的響應與圖 11中對 SIPS 觸發(fā)器的響應之間的區(qū)別在于，后者是命令響應（對設定點），而前者是由現(xiàn)在孤島電網(wǎng)內(nèi)的所有負載吸收的負荷電流，來自 GF-BESS，因為它是孤島微電網(wǎng)內(nèi)的唯一來源（松弛母線），并且實際上是瞬時的。

圖 11：響應 SIPS 觸發(fā)的 Dalrymple BESS 快速有源功率注入；觸發(fā)接收時刻用紅色豎線標記

5. 結(jié)論

Dalrymple 30 MW GF-BESS 項目展示了 GF-BESS 如何提供一系列先進的技術(shù)服務，這對于支持高滲透率可再生能源電力系統(tǒng)的運行至關重要。作為 Dalrymple BESS 項目的一部分部署的大功率 VSG 平臺和先進的自動化使迄今為止開發(fā)的最大的自治區(qū)域微電網(wǎng)能夠并網(wǎng)和孤島運行，并在這兩個州之間實現(xiàn)無縫過渡。除了為能源生產(chǎn)商和零售商提供有競爭力的市場服務外，這還開啟了首創(chuàng)的商業(yè)模式，由電網(wǎng)服務提供商提供受監(jiān)管的可靠性和安全服務。當 NEM 連接時，由于南澳大利亞州存在高比例風力發(fā)電，Dalrymple BESS 提供了一系列電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和支持服務，如本文所述。

基于 Dalrymple BESS 所展示的功能，進一步發(fā)展高功率、構(gòu)網(wǎng)型變流器和 VSG 技術(shù)，將為未來的電力系統(tǒng)提供重要的加強。這可以取代傳統(tǒng)上由同步發(fā)電提供的服務，并解鎖更高水平的可再生能源整合。具體而言，在使單個可再生能源電站能夠與電網(wǎng)的薄弱部分互連以及支持大型互連電力系統(tǒng)（例如NEM，達到可再生能源目標。還建議進一步開發(fā)構(gòu)網(wǎng)型變流器技術(shù)，以增強和構(gòu)建 Dalrymple BESS 展示的一些關鍵功能，以使未來的 100% 異步可再生發(fā)電大容量電力系統(tǒng)能夠可靠有效地運行。

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