具有新型协控系统的储能解决方案

汇川技术公司介绍现有协控大功率储能

系统解决方案新型协控大容量储能

系统解决方案汇川储能应用介绍●●目

录CONTENTS100万+40%9000米2021年全球光伏装机175GW+,

中国累计装机达308.5GW,2021年全球风电累计装机量达到837GW,同比2020年增长

12.80%,中国风电新增安装量为30.7GW。风电,光伏等新型能源在电力系统中的比例在不断提高,新能源装机的快速提升,导致电力系统正在发生变化。在2030碳达峰和2060碳中和的目标下,中央已经明确未来要建立以新能源为主的新型电力系统,确立了未来光伏,风电的长期发展道路。碳达峰

碳中和source:

IEAPVPS

图1全球光伏装机容量图2全球风电装机容量

资料来源:

GW

EC、智研咨询整理风力发电和光伏发电装机容量的增大,导致电力系统的间歇性,波动性的特征更加明显,为了缓解新型电力系统带来的诸

多问题,需要构建源网荷储一体化的新型电力系统,对多变的新型能源进行消纳

,

储能将在新型电力系统中扮演更加重要的角色。结构更加复杂系统惯量减小电源波动性大

负荷波动性大大规模接入

呈现趋势图1新型电力线系统的多变性全球储能市场,经过多年发展,

已经初具规模,2021年底,全球已投运电力储能项目累计装机规模达209.4GW,

同比增长

9%,新型储能累计装机规模为25.4GW,

同比增长67.7%,全球储能市场正处于发展快车道新型储能累计装机容量(MW)30000

25000

20000

15000

10000

5000

020112012201320142015201620172018201920202021

中国

全球

数据来源:摘自CNESA全球储能项目库我国储能同样发展迅速,2021年中国新增电力储能装机规模首次突破10GW,新型储能新增规模首次突破2GW,

同比增长

54%。我国储能规模增速显著,未来将在全球市场扮演愈发重要角色

源侧网侧荷侧传统电网新型电网火电调频缓解弃风弃光问题系统阻尼电力调节与补偿电能质量调节提高输电设施利用率微网黑启动调频调压调峰平抑备用电源晃电调节削峰填谷削峰填谷备用电源平抑负荷波动源-网-荷-储一体化储能在源网荷储一体化的电力系统中发挥着越来越重要的作用。发电输电用电配电EMS（能源管理层）•电网调度，电站管理，优化策略，电站监控•电池系统监控PMS（协调控制层）•PCS快速协调控制、就地监控、故障录波•紧急控制策略的执行PCS（储能变流器）•P/Q源有功功率和无功功率控制•V/F源离网电压源控制BAT+BMS(电池系

统）•电池管理系统PMS协控层协调控制器主控

备用

测量信号快速网络...#n

PCS

#3

PCS

#2

PCS...#n

BMS

#3

BMS#2

BMSEMS控制层#1

PCS#1BMSIEC61850PCS遥信遥测量PCS遥控量数据采集监视

·

电池系统

·

PCS系统

·

配电系统操作与控制·

电池系统·

PCS系统·

配电系统信号上传控制接收时钟同步计量PMU故障录波保信功率控制有功功率·

AGC·

计划跟踪有功功率控制·

一次调频·

紧急事件·

均衡算法无功功率控制·

动态无功·

紧急事件·

功率分配数据采集监视

·

PCS电池组

·

PCS系统操作与控制·

PCS遥控·

远程/就地无功功率

·

AVC·

计划跟踪遥控通风

消防等监视模块簇组状态BMS数据

·

电池组·

模块、簇BMS遥信遥测量电池组重要信息储能系统PMS储能系统BMS储能系统PCS工程师

终端

打印机数据库

查询统计电池系统PCS无功遥调PCS有功遥调站控服务监视与控制

储能系统EMS调度通信▲▲▲▲现有方案的不足:n

快速性:传统的IEC61850/GOOSE通信

,

非载

波同步

,不同PCS无法快速获得同步指令,导

致储能电站系统响应变慢;n

一致性:用IEC61850/GOOSE通信

,

指令不停

变化每台PCS收到的指令不一致且通信节

点数越多,通信周期越长

,

当PCS数量多到一

定程度,储能电站通信质量无法保证,影响系

统的稳定性;n稳定性(安全性):IEC61850通信采用标准的

以太网芯片

,指令无法保证同时到达PCS,

因而储能电站无法做到精准调节;BMSPCSBMSPCSBMSPCSPCSBMSPCSIEC61850AIEC61850

B硬接点A硬接点BIEC61850A

IEC61850

B...总结:对储能电站而言,多台PCS的动作不一致性会造成整站性能的下降,导致系统在功能和性能两方面的可用性及易用性

上效果不佳。图基于GOOSE网络协议的集中协调控制源网荷储互动终端并网点PT/CT采样协调控制器（用）协调控制器（备）串口终端IEC61850A

IEC61850

BBMSPCSBMSEMS主机AEMS主机B服务器工作站网关A网关B远程分站热备冗余为促进地区新能源消纳,缓解电网新能源大发时段输电压力、提高输电线路利用率、适应可再生能源规模化发展和电力系统安全对大容量储能提出了更高的要求。系统主要特征n可适应不同电池组容量、

PCS容量、设备数量的组合

，实现MW至GW级的储能系统的灵活配置；n运行可靠性高

，外特性一致性好

，控制指标优的储能系统；n达到并优于已有的其它类型电站控制特性（如

，抽水蓄能电站/SVG等）集多功能于一体n

调频、调峰、调压；n紧急协调控制：电网故障时系统毫秒级响应

，迅速吸收无功和有功冲击

，稳定电网；提高电网跨区域直流输电能力；n

区域电网的大容量黑启动电源nCCU实时监测并网点的频率

，当频率变化超出调频死区范围时

，主动实施一次调频功能

，CCU在储能电站可调容量允许的范围内实施调频

，调频采用有功-频率下垂曲线控制有功-频率下垂控制函数如下:

1n

CCU实时监测并网点的电压

，当电压变化超出调压死区范围时

，主动实施动态无功调压功能

，CCU在储能电站并网

点允许的电压范围内实施调压

，调压采用无功-电压下垂曲线控制无功-

电压下垂控制函数如下:

图

储能电站参与电网一次调频曲线•

实时快速控制通信和非实时监控通信•

控制器热备和网络冗余•

分组分层•

合理分工和协调控制•

实时多任务控制器解决手段系统需求针对性解决手段:快速功率控制方案一

基于61850+Ethercat的分组

协调控制

支持V/F源,

PQ源

单个机组64个节点

载波同步ESGU485CAN串口终端ESGU485CAN硬接点A

硬接点B

远程分站热备冗余EtherCAT_A环网EtherCAT_B环网CCU（用）CCU（备）并网点PT/CT采样快速功率控制方案二

基于Ethercat协议的分组协调控制

单个机组64个节点

支持V/F源,

PQ源

载波同步ESGU485CAN485CAN2.2MWh

2.2MWh

2.2MWh

2.2MWh网关A网关B服务器

工作站

EMS主机A

EMS主机B源网荷储互动终端IEC61850AIEC61850

BIEC61850AIEC61850

BIEC61850AIEC61850

BESGUn组快速功率控制方案三

基于双层Ethercat协议的分组协调控制

适用于V/F源,

PQ源应用

高可靠性、快速响应

Ethercat拓扑

双环网或单环网

协控冗余

64*64个节点共4096个节点

载波同步_MMS_a网，Modbus_a网MMS_a网，Modbus_a网并网点PT/CT采样快速功率控制方案四

基于双层Ethercat协议的分组协调控制

适用于V/F源,

PQ源应用

高可靠性、快速响应

Ethercat拓扑

双环网或单环网

双冗余

64*64个节点共4096个节点

载波同步GOOSE_A网GOOSE_B网硬接点A硬接点B热备冗余EtherCAT_A网EtherCAT_B网热备冗余MMSA网MMSB网EtherCAT_a网EtherCAT_b网16台MMS_a网，Modbus_a网MMS_a网，Modbus_a网EtherCAT_a网EtherCAT_b网16台MMS_a网，Modbus_a网MMS_a网，Modbus_a网网关A网关B

服务器

工作站EMS主机AEMS主机B

协调控制器A协调控制器BMMS_a网，Modbus_a网

MMS_a网，Modbus_a网

源网荷储互动终端协控B（备）协控A（用）热备冗余

ESGUA(用)ESGUB(备)串口终端ESGUB(备)ESGUA(用)ESGUA(用)ESGUB(备)ESGUA(用)ESGUB(备)EtherCAT_a网EtherCAT_b网EtherCAT_a网EtherCAT_b网MMS_A网

MMS

B网远程分站热备冗余热备冗余16台16台HMIIEC61850集中协调热备控制+PCS分组协调热备控制+PCS分组协调热备控制+PCS+PCS分组协调热备控制+PCS+PCS分组协调热备控制+PCS双环网协调热备控制+PCS快速网络协议IEC61850(GOOSE)61850+EtherCATEtherCATEtherCATEtherCAT快速网络拓扑单层双网星形冗余双层星形单层EtherCAT双环网双环网+单环网双层双环网监控网络架构EMS+PCS+BMSEMS+PMS+BMS监控网络协议IEC61850(MMS)监控网络拓扑双网星形冗余系统灵活性分组控制,配置灵活控制响应快

(ms级)协控层协议IEC61850Ether

cAT间隔层协议IEC61850Ether

cAT命令来源AGC/AVC采样服务器;调度下

发指令AGC/AVC采样服务器;调度下发

指令命令执行站控层协调控制器通过GOOSE下发控制指令到PCS站控层协调控制器通过GOOSE下发指令到机组控制器,

机组控制器通过EthercAT下发到PCS特点l

GOOSE命令,2ms指令变

化触发,毫秒级响应速度。l

最大台数受限,单台协控

最多控制128台PCS。l

数据处理量巨大。n

间隔层微秒级响应,纳秒级

同步及抖动。n

最多同时控制千台PCS。n

实时通信,响应一致性优势

突出n

释放站控层数据处理量。n

可扩展性强。快速性：相比61850，采用Ether

cAT通信，利用Ether

cAT高速

特性，可以保证PCS快速收到指令，保证有功/无功的快速响应，

可以提升系统响应的快速性；而传统的IEC61850/GOOSE通信，

不同PCS无法快速获得同步指令，导致储能电站系统响应变慢；一致性：采用Ether

cAT通信，可以提升系统响应及动作的一致

性，可以等时同步控制上千台PCS，真正实现不同PCS间纳秒级

抖动；用IEC61850/GOOSE通信，一次调频动作时候指令在不停

在变化，每台PCS收到的指令不一致，且通信节点数越多，通信

周期越长；尤其组串式方案中，当PCS数量多到一定程度，储能

电站的通信质量无法保证，影响系统的稳定性；且多PCS不同步

在VSG应用时在强电网及弱电网中稳定裕度过低的问题得以改善。稳定性（安全性）：采用Ether

cAT通信，可以提升系统响应的稳

定性（安全性）

，Ether

cAT通信按周期进行数据发收，可保证数

据传输的准确性，而IEC61850通信采用标准的以太网芯片，指令

无法保证同时到达PCS，因而储能电站无法做到精准调节；可扩展性：采用机组控制器概念，将多台大功率PCS抽象成单台

超大功率PCS，真正实现储能子阵（单元）概念，大大增加系统

的可扩展性，为远期规划及系统调整预留足够可剪裁性。综合：避免多台PCS的动作不一致性造成的整站性能的下降，大

大提升整站作为整体对电网在功能和性能两方面的可用性及易用

性；增强系统在紧急应用中的抗干扰的能力；

基于IEC61850的协调控制/基于EtherCAT高速协同控制对比nnnnn指令响应时间及一致性基于Ether

cAT的通信具有等时同步特性，可以保证多台PCS机组同时接收到协控指令，在同一个Ether

cAT网络中，同步误差时间小于lus

，而IEC61850属于非同步通信，当PCS数量较多时，不同PCS机组接收到协控指令具有随机性，不同PCS之间的误差3-6ms

。因此，采用

基于Ether

cAT通信的储能电站，PCS机组的响应时间更快，同步误差更小，系统稳定性更高。基于EtherCAT通信的某110MW储能电站认证结果一次调频动作响应时间85ms动态无功调压响应时间23ms源网荷事件响应时间66msMax(tan-ta1)＞3ms（a）基于IEC61850Max(tan-ta1)＜1us（b）基于EtherCAT通信

基于IEC61850的协调控制/基于EtherCAT高速协同控制对比电压异常

PCS开始响应指令下发

PCS出力达到90%储能电站一台PCS动态无功调节储能电站PCS输出响应UQ/Qn0.9t/msn防护等级IP54

，最大工作海拔5000m

，允许环境温度35℃~60，适应高温、严寒、风沙、高海拔等各种复杂

环境；n

采用风水冷散热系统，散热效果更佳，更高的额定功率，更宽的运行温度范围，50C不降额n

集成度高，体积小，节省空间，便于集成。较友商有更高的功率密度（40%提升）n

通讯链路时间段、选择多样n

集成RS485

、Ethernet、Ether

cAT

、CAN

、pro

fiNe

t等通

信端口，支持IEC61850双网、环网、光纤通信、源网荷储快速响应n具备VSG

、VF

、PQ、黑启动等功能具备共模抑制绝缘监

测、漏电保护功能n

采用ANPC拓扑，提高输出功率和利用效率,最高效率

99%，单机功率最大1725KWn

快速功率响应，支持各种高速通讯协议，响应时间远优于

标准要求n100%充放电转换时间30ms多项专利技术通过

标准多项测试优于标准要求同规格产品体积最优功能全面多样，方位满足需求硬件结构W*L*H(mm)

：1080*1100*2250软件性能功能特色4VSG•PCS具备VSG功能实现惯量

控制：通过模拟同步发电机

的转子运动方程，来实现同

步发电机的惯量和调速特性，实现并网模式下的一次

调频功能。•PCS具备带惯性的下垂控制

功能：通过下垂功率控制及

低通滤来模拟同步发电机的

惯量特性，实现并网及离网

下的惯量支持功能。•

黑启动功能要求：区域电网全部

断电的情况下，通过电池和PCS

建立交流母线的过程，当单台PCS的容量不够支撑黑启动过程

中的损耗和变压器励磁电流时，

需要多台PCS同时从零电压启动。•

汇川PCS具备(1)电池侧取电功能(2)单机黑启动功能(3)多机黑启动

功能，黑启成功后，

PCS由VF源

转为PQ源，正常并网运行。1500V储能变流器采用风水冷散热系统，利用液体自身强大的载热

能力，可以便捷地实现热量的定

向转移，

空风水冷却方案的优点：•

热容量大•

热量的定向转移•

噪音小，静音环保•

散热器重量轻、体积小•解决高功率密度、高损耗散

热、高防护需求等瓶颈问题•

主动式绝缘监测方案:绝缘检测板

主动发出信号进行监测,监测点在

变流器母线侧，可以在电池侧送

电前检测变流器绝缘状况•

被动式绝缘检测方案：需电池给

变流器送电后才能进行绝缘监测；180k采样点1

、2RX 10k=

GND主动式绝缘检测示意图•

机侧电感为差/共模集成电感，

在并机和单机应用中增大了共

模回路的阻抗

，显著减小PCS对电池系统的共模干扰；•

采用优化的共模抑制调制策略，

有效减小PCS对外的共模电压；•

并网隔离变压器（

It系统或TN系统变压器中点不接地）

也可

阻止共模路径；与液冷系统并联切换3

5

2

1RisopPERisonRstpSWP+Vp

SWNRstn+Vn

高速协同控制-PCS关键特性被动式绝缘检测示意图交流方波电源10kNPCX优点:在载波级通信速率下,稳态、

动态均流效果好。高速协同控制-PCS关键特性图

1

4台PCS同时黑启动波形图

14台PCS电压源形式并联载波级主从通信毫秒级主从通信PCS在谐波治理中的应用

某客户端、我司IES1000系列储能产品加入“智能谐波抑制算法”

的前后电压、电流波形对比；

台区储能应用在用户侧、产品软件中引用该算法会极大改善用户端电能质量；无智能谐波

抑制算法

电网电压含有大量的低次谐波,

其中5/7/11/13次谐波含量丰富;

不满足电网国标GB/T-14549-93《电能质量公用电网谐波》

;有智能谐波

抑制算法电力图书馆公众号电力图书馆公众号电力图书馆公众号要用于大容量储能电网项目。如上组网所示,

将PLC的控制回路串入网桥中,通过配置合理的PDO起到数据交互的作用。EthercAT网桥,主要起到两个关建作用

,一个是用于PDO的数据交互,使得两个PLC之间的通讯能够满足高周期的交互