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。

1 简介

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。

图 1：左 - 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

2.商业架构

2.1.所有权

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。

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。

2.1.收入流

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 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 FCAS 市场赚取了 113 万澳元。

3.功能

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。

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。

次级控制（图中未显示），即总体分布式 e-mesh™ 控制，集成在主控制之上，并包含大部分项目特定的自动化和功能逻辑。

与其他发电和储能装置相比，两个控制层共同提供了以下关键功能和创新特性：

具有构网能力和在极低短路比 (<<1.5) 下运行能力的变流器，远超现有的基于变流器发电技术的性能表现；

无缝的计划内和计划外过渡到孤岛运行以及随后与电网实时再同步的实现；

响应电网频率变化率 (RoCoF) 的合成惯量以及在孤岛运行中稳定频率，并为构网变流器提供前所未有的响应速度和带宽。注意与第 4.1 节中讨论的快速频率响应 (FFR) 的区别；

通过短时故障电流过载（高达 2.0 pu 变流器额定值持续 2 秒），实现采用非同步发电技术时的系统故障水平/系统强度支持能力；

孤岛电网主控制，包括风电场发电功率调度/弃电，在合理的风力条件下无限期地向当地岛屿供电；

黑启动能力，为当地岛屿提供变压器启动供电，峰值需求为8 MW；

作为南澳大利亚系统完整性保护计划 (SIPS) 一部分的先发应急响应，在发生重大发电损失后向电网提供快速的有功功率注入。GF-BESS可在接收到在南澳大利亚东南部约 400 公里外的唯一州际交流互连线路检测到电网事件的命令后 250 毫秒内满负荷运行，为电网提供有效支撑；

参与全国电力市场的能源套利和应急频率控制辅助服务（FCAS）；

电压、功率因数、无功功率调节和外部设定点控制；

与 ElectraNet 的传输系统级基于拓扑的孤岛检测方案集成；

分布式能源 (DER) 的控制：Dalrymple BESS 可以调整孤岛系统频率，按需实现表后DER的限发调度，以管理潮流并避免由于这些不受控制的本地发电设施（例如客户屋顶太阳能光伏）。

4. 技术性能

Dalrymple BESS 的性能在2018 年系统调试期间和2018 年 12 月投入商业运营后的第一年内得到了验证。在本章中，我们介绍了从 Dalrymple BESS 的调试和运行中收集到的一些结果，以讨论合成惯量、故障电流、无缝孤岛、黑启动和快速有功功率注入。

4.1.合成惯量

合成惯量采用了与第 3 节中着重提到的FFR不同实现机制。Dalrymple BESS 提供的合成惯量由两个电压源以及两个电压源之间的相角比例决定的基本功率传输方程控制，如方程 1 所示。

图 4：左 - 电网和 VSG 电压的相量图以及由正负 RoCoF 事件引起的相位差；右 - 同步电机的电气和机械部件图 

该方案不需要与大多数 FFR 机制相关的外部测量、检测和处理。图 4（左）显示了 VSG 内部电压的相量图，相当于同步电机的电动势。该电压相量具有自己的转速/频率，它不跟随电网频率，而是在内部作为独立参考生成，作为其构网功能的一部分。在GF-BESS连接端子处与电网的相互作用会导致正向的电网RoCoF 事件导致 GF-BESS 由于负相位角差从而自发从电网吸收有功功率，相反，负向电网RoCoF事件将立即发生并且由于正相角差而从而自发导致 GF-BESS 将有功功率注入电网。方程1 给出的机制与驱动同步电机的惯性响应的机制相同，如图 4（右）中同步电机的动态模型所示。清楚说明了同步电机和带 VSG 的 GF-BESS 的惯性响应均由相同的实际功率传输方程驱动。

2019 年 11 月 16 日下午 6:05，Dalrymple BESS 的放电功率约为 6 MW，并通过Heywood 联络线从南澳大利亚州向维多利亚州净输出电力。此时，如图 5 所示，Heywood 联络线发生故障，导致各州之间发生解列事件，导致南澳大利亚州发生正向 RoCoF 事件，因为其州内发电量过剩。该事件如图 5 所示。左上角（8 秒视图）和右上角（300 毫秒视图）图中显示了频率上升，及对应的有功功率响应（左下角）和电流波形（右下角） . Dalrymple BESS 的惯量响应立即降低其输出。从电流波形中可以看出，在高速数据记录仪检测到频率上升之前，Dalrymple BESS 已经开始降低其输出（由红色垂直线标记）。这是因为，如前所述，GF-BESS 不依赖于外部频率的测量和检测来启动响应，而是由与同步电机相同的基本原理驱动—比较端子电压和GF-BESS 的内部电压。响应幅度和功率/电流降低的斜率由 VSG 软件和惯量时间常数定义，可调节以实现所需的响应。在惯量响应稳定后，从下午 6:05:21 开始，应急FCAS 响应被识别出来，后续可以通过市场导向的频率支持响应服务帮助将频率恢复到正常工作频段。

图 5：正向RoCoF 事件显示来自 Dalrymple BESS 的惯量响应发生在高速数据记录器检测到频率增加之前。左上 – 8 秒频率视图；左下 – 8 秒有功功率视图；右上角 – 300 毫秒频率视图；右下角 – 300 ms 电流波形。

此外，作者在 DIgSILENT PowerFactory 中进行了一项简短的模拟研究，以比较 GF-BESS与3台同步发电机的对线性频率下降的响应。所有设备配置为具有相同的MVA额定值和惯量时间常数，以便对RoCoF事件的预期有功功率响应具有相同的幅值。3台同步发电机的参数有所不同，如定子阻抗、同步电抗以及次瞬态和瞬态时间常数，目的是模拟这些参数对响应形态的影响，并将其与 GF-BESS 的响应进行比较。这组发电机未与原动机连接，也没有配备电力系统稳定器。因此，它们本质上代表同步调相机。

图 6 在顶部图中显示了 1 秒内 3 Hz/s 的频率下降，在底部图中显示了 GF-BESS 和 3 台同步电机的有功功率响应。很明显，GF-BESS 响应的初始上升时间与同步电机的初始上升时间相当。一个有趣的观察现象是所有 3 台同步电机的有功功率响应的欠阻尼特性由其转子振荡引起的，而 GF-BESS 的响应几乎可以调整为任何行为——在这种特殊情况下轻微的欠阻尼可以以实现快速上升和稳定时间。同步电机可以设计为具有更高的阻尼，以达到一定的限制，但代价是在不平衡负载条件下增加发热量 。

图 6：模拟中的构网型 BESS 与同步发电机对 RoCoF 事件的响应比较

本节中描述的惯量响应表明 GF-BESS 可与同步发电机响应相同。这一特性，加上超过变流器持续额定值（在第 4.2 节中讨论）的故障电流注入能力，使这种 GF-BESS 系统成为同步发电机的可行替代方案，作为电力系统安全的贡献者，允许更多化石燃料发电厂切换为离线并解锁更高瞬时渗透率的可再生能源。

4.2.故障电流注入

大多数连接到电网的可再生能源电站都通过电流控制的变流器实现。不断增长的容量需求是电力和其他部门脱碳所必需的，但对于同步发电技术的替代，这给保障电力系统的运行带来了挑战。后者在过去一直是系统故障电流注入的常规来源。故障电流是与系统强度相关的一个因素——系统中必须始终存在足够的电流，以保证过流保护装置的安全运行。此外，来自电力系统中不同位置的电源的故障电流注入，连同系统元件的阻抗，决定了故障期间整个电网的电压分布。

采用电流控制变流器技术并网的大规模和分布式可再生能源发电通常依赖于诸如锁相环 (PLL) 之类的机制来保持其输出与电网电压波形基础分量的同步。在故障期间，电压幅度降低和可能的波形失真可能导致这些变流器失步并且难以“赶上”故障清除后的速度。这将可能导致“速度偏差”的发电行为，表现为有功/无功功率振荡和/或功率/电流输出降低。相反，构网型电压源变流器不依赖于 PLL，因为它们能够生成自己的电压波形，包括在它们穿越故障期间。此属性使构网型变流器被认为是故障电流的贡献者，特别是如果它们可以暂时提供超过其连续额定值的电流。安装在 Dalrymple BESS 的变流器就是这种情况（最大 2 p.u. 持续 2 秒，可按需配置为更低参数）。该 GF-BESS 提供的故障电流用于清除底层配电网以及 Wattle Point 风电场内的故障。此外，过载能力也是一个有用的功能，可以更好地应对在标称电压或接近标称电压的变压器通电时出现的浪涌电流，并在运行孤岛系统时管理瞬变。

大型可再生能源电站常连接在弱电网位置，电站通常靠近长辐射线路末端并表现出低短路比 (SCR) 的特征。具有过载能力的 GF-BESS 和可再生能源电站位于同一个地址可以改善电站在故障期间的行为，并减少其与上述问题相关的不利故障穿越行为。这是通过从 GF-BESS 注入故障电流来提高电压来实现的，这有效地提高了SCR，并可以帮助配备电流控制变流器的可再生能源电站在故障期间保持同步和在线，防止不希望的“速度偏差”与故障后恢复期间的有功/无功功率振荡。这增强了电力系统的弹性，并允许实现更多的可再生能源发电在偏远地区的选址，这些地区的特点是与弱电网（低 SCR）互连，而那里的资源通常又是最有利的。

4.3.无缝孤岛

如第 3 节所述，Dalrymple BESS 提供的一项关键监管服务是降低该地区供能减少，这实际上意味着防止在 Dalrymple 变电站与上游大容量电力系统断开连接时发生停电。故障或突发事件。系统可以根据调度指令实现孤岛（计划内孤岛）或意外实现孤岛（计划外孤岛）。后者比前者更困难，因为无法采取预防措施来实现平稳过渡，如将连接点的有功和无功功率潮流减少到零，并将风电场的输出减少到适当的水平。

在控制和保护系统设计过程中遇到的挑战是风电场（91 MW）与 GF-BESS（30 MW）的额定值差异。如果风电场在计划外孤岛的瞬间满负荷发电，则 GF-BESS 可能不得不吸收远高于其额定值的功率，直到孤岛运行后大约 80-100 毫秒，保护继电器关闭5台风力发电机集电系统中的4台，以重新配置孤岛运行的风电场。如此大的功率峰值对电池提出了很高的要求。

GF-BESS 的合成惯量克服了这个问题，BESS将立即通过提高频率对事件做出响应。降低风力发电机感应发电机的滑移，瞬间降低其功率输出，从而使 GF-BESS必须吸收的功率峰值不超过27 MW，保持在电池的稳态额定值范围内。这种行为如图 7 所示，数据由高速数据记录器在实际测试期间捕获。但由于运营商将在未来几个月内提高过频保护的设置，使得该风电场后续将无法顺利实现该类事件的穿越。

图 7：孤岛前 79 MW的高风电场发电期间的孤岛瞬间。此处显示的是频率（左）和 GF-BESS 有功功率（右）

然而，GF-BESS 在整个过渡期间及之后保持在线并维持运行。值得注意的是，GF-BESS 提供的 PSCAD™ 模型能够在系统研究中准确地复制这种对频率的响应行为。

仔细观察图 8 中另一个计划外孤岛测试期间记录的电压和电流波形，可以发现 GF-BESS 会建立自己的连续电压波形，因此在过渡期间不会发生电压骤降，从而不会对中断负载供电。孤岛发生之后直到线路在 Dalrymple 变电站与电网隔离前，GF-BESS从上游132 kV 线路中吸收并增加电流注入持续70 ms。这突显了动态和瞬态管理中GF-BESS过载能力重要性。

图 8：在 GF-BESS 的 33 kV 连接点记录的电压（左）和电流（右）波形在由红色垂直线标记的孤岛时刻前后

孤岛时，GF-BESS 通过 VSG 调节微电网中的频率，包括合成惯量、在初级控制级以下垂模式运行的频率调节器和在次级控制级具有小死区的等时频率控制器等级。图 9 显示了与大容量电力系统 (NEM) 并联运行时观察到的频率曲线，相比之下，在孤岛状态下，频率仅由 GF-BESS 调节。可以看出，在孤岛期间，由于 VSG 控制，频率被控制在了更窄的频带内。

图 9：GF-BESS 在两条红色垂直线之间的孤岛微电网中进行频率调节。垂直线之外是大容量电力系统 (NEM) 的频率分布

4.4.黑启动

在大型电力系统中，恢复供电传统上是自上而下的，即具有黑启动能力的大型发电站在系统停电事件后重启，随后部分输电系统重新通电，允许提供电力 根据可用的在线发电能力和电力系统安全考虑，启动其他发电厂的电力并连续恢复对部分电网的供电。

随着构网型用事业规模储能（如 Dalrymple BESS）的发展，系统恢复的新潜在来源现在位于更靠近消费者和分布式能源的位置。连接变电站后，GF-BESS 能够快速恢复对相关配电网的供电，从而减少消费者的停电时间，并为分布式能源甚至大型电站提供电压源以与之同步。通过变流器线性提升电压的能力，基本上消除了初始充电过程中变压器的浪涌电流。通过降低因过电流而导致的发电机组/GF-BESS 跳闸的可能性提高了黑启动成功恢复系统的预期，另外还有助于防止开关和谐波过电压。与运行空载或轻载系统相关的其他现象，例如铁磁共振，可能需要详细的EMT型模拟研究，但通常可以通过确保在充电过程中的配电网中存在足够的系统阻尼（电阻）来避免。

在充电期间，频率和电压需要保持在可接受的范围内。由于 VSG 通过包含合成惯量、调速器、AVR 和转子磁通模型的行为类似于同步发电机，因此系统行为的动态将由这些控制组件的选定参数决定。根据参数值的不同，参数值的选择可能取决于其他要求，例如并网运行中的惯量响应，恢复过程中的频率和电压变化可能会暂时超出允许的范围。一些先进的变流器能够在运行时动态切换参数，从而允许针对特定情况进行必要的调整。例如，对于黑启动过程，可以提高合成惯量的大小，从而使频率更坚强。这里在选择参数值时也需要小心，因为改变一些参数，特别是更快的内部控制回路，可能会导致 GF-BESS 和电力系统设备之间发生不希望的相互作用并引起振荡。

所讨论的由 GF-BESS 启用的系统恢复方法不仅可以通过快速启动配电系统来减少停电时间，而且还可以作为上游输电线路的供电来源。这种自下而上的方法为系统操作提供了额外的灵活性，尽管增加了从多个额外位置管理系统恢复的复杂性。通过适当的自动化水平，运行人员干预可以减少到合理的最低限度。

在 Dalrymple，GF-BESS黑启动了当地的 33 kV 配电网络。这是通过对 GF-BESS连接的变压器 (6 x 6 MVA) 和其中一个变电站变压器 (25 MVA) 进行软充电以及随后对两个 33 kV 配电馈线充电来实现的。变压器充电瞬间电压和电流波形在图 10 中显示。当电压在一秒钟内上升时，电流是如此微不足道，以至于它们仍然低于高速记录器的拾取阈值。这种方法完全消除了变压器和电缆涌流。

图10下图显示了 GF-BESS 连续负载馈线期间拾取的 33 kV 馈线的有功和无功功率曲线。

图 10：上图 - GF-BESS 提升电压以柔性启动本地电网的变压器；中图 – 产生的电流非常小，以至于高速记录仪无法捕捉到它们；下图 – 33 kV 配电负载馈线连续充电的有功和无功功率曲线

4.5. 快速有功功率注入

系统完整性保护计划 (SIPS) 由 ElectraNet 在 2016 年 9 月南澳大利亚系统停电事件之后设计，以实现 GF-BESS 系统的协调快速有功功率注入，以应对南澳大利亚大量发电量的损失[ 9]。SIPS 方案接管了对这种意外情况的检测，并向 GF-BESS 提供二进制触发信号，它需要以预定义的功率输出（通常是最大可用功率）对其进行响应。

Dalrymple BESS 的设计要求是在 250 毫秒内提供 30 MW，这已在现场成功演示。图 11 说明了 GF-BESS 响应接收到 SIPS 触发而注入的记录电流波形。为清楚起见，图 8 中显示的响应与图 11中对 SIPS 触发器的响应之间的区别在于，后者是命令响应（对设定点），而前者是由现在孤岛电网内的所有负载吸收的负荷电流，来自 GF-BESS，因为它是孤岛微电网内的唯一来源（松弛母线），并且实际上是瞬时的。

图 11：响应 SIPS 触发的 Dalrymple BESS 快速有源功率注入；触发接收时刻用红色竖线标记

5. 结论

Dalrymple 30 MW GF-BESS 项目展示了 GF-BESS 如何提供一系列先进的技术服务，这对于支持高渗透率可再生能源电力系统的运行至关重要。作为 Dalrymple BESS 项目的一部分部署的大功率 VSG 平台和先进的自动化使迄今为止开发的最大的自治区域微电网能够并网和孤岛运行，并在这两个州之间实现无缝过渡。除了为能源生产商和零售商提供有竞争力的市场服务外，这还开启了首创的商业模式，由电网服务提供商提供受监管的可靠性和安全服务。当 NEM 连接时，由于南澳大利亚州存在高比例风力发电，Dalrymple BESS 提供了一系列电力系统稳定性和支持服务，如本文所述。

基于 Dalrymple BESS 所展示的功能，进一步发展高功率、构网型变流器和 VSG 技术，将为未来的电力系统提供重要的加强。这可以取代传统上由同步发电提供的服务，并解锁更高水平的可再生能源整合。具体而言，在使单个可再生能源电站能够与电网的薄弱部分互连以及支持大型互连电力系统（例如NEM，达到可再生能源目标。还建议进一步开发构网型变流器技术，以增强和构建 Dalrymple BESS 展示的一些关键功能，以使未来的 100% 异步可再生发电大容量电力系统能够可靠有效地运行。