电化学储能电站协调控制器动模试验关键技术研究及应用_李志勇.pdf

第51 卷 第4 期 电力系统保护与控制 Vol.51 No.4 2023年2月16日 Power System Protection and Control Feb.16,2023 DOI:10.19783/ki.pspc.220540 电化学储能电站协调控制器动模试验关键技术研究及应用 李志勇1，周鹏鹏1，陈 朋1，李 蕾1，赵 锦2(1.许昌开普检测研究院股份有限公司，河南 许昌 461000；2.国网时代福建(储能)发展有限公司，福建 宁德 352000)摘要：电化学储能电站是新能源建设的重要环节，协调控制器是保证电化学储能电站安全可靠运行的关键二次设备。针对协调控制器开展动模试验的诸多难点，分析了协调控制器及其控制策略、电化学储能电站中电池管理系统(battery management system,BMS)与储能变流器(power conversion system,PCS)的特性以及协调控制器 GOOSE数据交互等三方面问题。通过对 BMS 与 PCS 特性仿真方法的研究，提出了针对多个 BMS 与 PCS 的层级化建模技术。根据模型计算及数据交互要求，研发了实时仿真方法及 GOOSE 数据收发机制。在此基础上，搭建了实时仿真系统与协调控制器装置的闭环环境，制定试验方案并开展了完整的动模试验。模型的实时运行及动模试验的开展证明了针对协调控制器动模试验技术的可行性。关键词：储能电站；协调控制器；层级化建模；动模试验 Key technologies research and application of a dynamic test for coordination controller of an electochemical energy storage power station LI Zhiyong1,ZHOU Pengpeng1,CHEN Peng1,LI Lei1,ZHAO Jin2(1.Xuchang KETOP Testing Institude Co.,Ltd.,Xuchang 461000,China;2.State Grid Times Fujian(Energy Storage)Development Co.,Ltd.,Ningde 352000,China)Abstract:The electrochemical energy storage power station is the key link in new energy construction,and the coordination controller is the core secondary equipment to ensure the safe and reliable operation of the electrochemical energy storage power station.Given the difficulties in dynamic simulation testing of the coordination controller,this paper analyzes the coordination controller and its control strategy,the characteristics of battery management system(BMS)and power conversion system(PCS),and the GOOSE data interaction.Through research on the simulation method of BMS and PCS characteristics,a hierarchical modeling technology for multiple BMSs and PCSs is proposed.According to the requirements of model calculation and data interaction,a real-time simulation method and a GOOSE data sending and receiving mechanism are developed.A hardware-in-the-loop environment of the real-time simulation system is built,a dynamic simulation test scheme is formulated and a complete dynamic simulation test is finished.The real-time operation of the model and the dynamic simulation test proved the feasibility of the dynamic simulation test technology for the coordinated controller.This work is supported by the National Natural Science Foundation of China(No.52007143).Key words:energy storage power station;coordination controller;hierarchical modeling;dynamic test 0 引言 随着“双碳”及新型电力系统目标的提出，以风、光为主的新能源电源建设得到大力发展，装机容量日益增加1。由于风能和光伏能源随机性及间歇性的特点，新能源电源具有一定的不可控性，给 基金项目：国家自然科学基金项目资助(52007143)电力系统的稳定运行带来新的挑战。储能系统是解决上述新能源问题的有效途径，其中电化学储能由于其技术成熟、不受地域条件限制、调频调压响应快速等特点，成为储能系统中的主要组成部分2。电化学储能电站协调控制器是监测并网点电压、频率和功率，接收调度和储能电站监控系统的调控指令，控制多台储能变流器(power conversion system,PCS)，实现整站一次调频、动态-166-电力系统保护与控制 无功调节等控制功能的装置。协调控制器是储能电站运行控制的关键，其控制策略更是储能电站能否发挥调频调压功能、有效支撑电网运行的核心环节3。如何针对协调控制器及其控制策略开展全面的测试，提升协调控制器的产品质量成为储能电站建设运行的重要问题。目前，协调控制器要接入多台 PCS 的数据，同时需要模拟电池管理系统(battery management system,BMS)及 PCS 的特性，并实现 GOOSE 数据实时交互。文献4介绍了采用继电保护测试仪搭建储能协调控制器的检测平台，是一种非实时的针对功能验证的开环测试方式。文献5介绍了基于RTDS 的针对微电网协调控制器的实时闭环仿真测试，对电池及变流器仿真采用整站集中模拟的方式，数量很少。除此之外，鲜有针对多 PCS 接入的储能协调控制器动模试验的相关研究。本文针对电化学储能电站协调控制器，研究了其控制策略，分析了开展闭环动模试验所面临的技术难点，引入层级化建模技术实现了储能电站的高效建模并开展了相关的动模试验。文中的建模及仿真应用、基于时间的数据交互等技术也是数字孪生概念在动模试验中的初步应用6-8。1 协调控制器及其控制策略 协调控制器是储能电站的上层控制系统，主要功能包括对储能系统进行数据采集、运行监控、一次调频控制、动态无功调节、恒有功功率控制、恒无功功率控制、恒功率因数控制、调节指令接收转发、源网荷储控制等功能，典型结构如图 1 所示。图 1 储能协调控制器结构图 Fig.1 Structure of energy storage coordination controller BMS 管理相应的电池组，并把电池的相关信息上送至 PCS，多台 PCS 通过 IEC 61850-GOOSE 协议与协调控制器的子机进行数据交互，多台 PCS 接入电网，协调控制器监测并网点的电压、电流，并依据设定的控制策略对多台 PCS 进行控制，同时接收上层监控系统的调节命令9-11。1.1 一次调频 协调控制器实时监测并网点频率，当频率变化超出调频死区范围时，主动实施一次调频功能。一次频率调节一般采用有功-频率下垂曲线控制，控制函数如式(1)所示。L0eLN0LHH0eHN1,%,1,%ffPPfffPPfffffPPfff-+|=|-|+|(1)式中：频率调节死区下限LNdfff=-，Nf为并网点额定频率，df为一次调频死区；频率调节死区上限HNdfff=+；P 为储能电站应输出有功功率；0P为储能电站当前输出有功功率；eP 为储能电站的额定功率；f 为当前并网点测得实际频率；%为一次调频调差系数。储能电站参与一次调频曲线如图2所示。图 2 一次调频曲线 Fig.2 Curve of primary frequency regulation 图中，AP 为储能电站最大输出有功功率，BP 为储能电站最大吸收有功功率，AP 和BP 可整定；P 应在各台PCS允许输出的能力范围内合理分配。应采取必要措施，在一次调频死区边界避免频繁动作。1.2 动态无功调压 协调控制器实时监测并网点电压，当电压变化超出调压死区范围时，主动实施动态无功调节功能，协调控制器一般采用无功-电压下垂曲线控制，控制函数如式(2)所示。0LL0LH0HH(),(),QKUUUUQQUUUQKUUUU+-|=|+-(2)式中：调压死区下限电压LNdUUU=-，NU 为并网点额定电压，dU 为电压调节死区；调压死区上限电压HNdUUU=+；Q为储能电站应输出无功功率；李志勇，等 电化学储能电站协调控制器动模试验关键技术研究及应用 -167-0Q 为储能电站当前输出无功功率；K 为电压调差系统；U 为当前并网点测得实际电压。无功调压曲线与一次调频曲线类似。1.3 其他功能 调节指令接收转发功能：协调控制器接收储能电站监控系统的调节指令；接收稳定控制系统的控制指令；接收消防联动控制信号或其他储能设施所用的传感设备状态信号。源网荷储紧急控制：接收源网荷储控制装置的指令，控制各台 PCS 按其最大有功功率放电，直至紧急控制指令收回。恒有功功率控制：根据各段母线有功功率目标值，控制各台 PCS 的有功功率。恒无功功率控制：根据各段母线无功功率目标值，控制各台 PCS 的无功功率。恒功率因数控制：以储能电站母线的功率因数为控制目标，控制各台 PCS 的无功功率。异常告警：协调控制器检测 PT 断线、CT 断线，对相应的调节功能进行闭锁，并进行异常告警。2 协调控制器动模试验难点 协调控制器动模试验是搭建模型并对模型进行实时闭环仿真计算，模型中包括储能电站并网点等值电源、储能电站内多台 BMS 及 PCS 的控制逻辑。模型通过 GOOSE 协议发布 PCS 的数据至协调控制器，同时订阅协调控制器的控制命令，实现数据实时闭环交互。协调控制器的动模试验主要有以下难点：1)需要模拟 BMS/PCS 的特性，其中 PCS 须满足标准中的电压穿越能力，这需要在模型中实现复杂的逻辑搭建。2)BMS/PCS 的特性仿真涉及大量逻辑建模，按照协调控制器接入的数量，需要仿真 256 个 BMS及 PCS，数量非常大，在一个模型中把 BMS 及 PCS的模型逻辑复制 256 份进行编译，从编译速度、实时计算容量等方面考虑是不现实的，需要研究更高效的针对多台 BMS、PCS 建模的方法。3)每台PCS和协调控制器之间通过GOOSE 进行数据交互，多台 PCS 造成 GOOSE 的通信压力增加，仿真平台需要考虑数据交互的实时性。2.1 BMS/PCS特性 模型需要模拟电池的荷电状态(satate of change,SOC)、考虑 SOC