工业储能 PCS 如何在电网停电时保障不间断供电

8-STS 工程应用指南:软件参数设置

1          背景与应用需求

工商业(C&I)储能系统广泛应用于削峰填谷、能源优化和电网调频等并网场景。电网停电时,恩玖科技的 PCS(储能变流器) 可在离网模式下运行,为负载供电。但真正的挑战是如何为关键负载提供不间断备用电源。

1.1      从“储能”到“备用电源”

1.1.1     为什么仅靠 PCS 无法实现无缝切换?

大多数工商业储能 PCS 在正常运行时采用并网模式(PQ 模式)。此时,PCS 本质上是一个“跟网型”电流源,以电网提供的电压和频率作为参考,并通过锁相环(PLL)跟踪电网相位。能源管理系统(EMS)负责控制充放电策略,PCS 仅负责输出有功或无功电流。

电网一旦发生故障(如短路或断线),电压参考会瞬间消失,PCS 的 PLL 随即失锁。为了防止 PCS 向故障电网反送电(危及检修人员安全),所有并网标准(如 GB/T 34120)都强制要求 PCS 在检测到电网失压时立即断开并停止输出,这一机制称为防孤岛保护。

1.1.2     离网模式的挑战:从“跟随”转为“构建”

如果储能系统需要在停电后继续供电,PCS 必须切换至离网模式(VF 模式)。此时,PCS 从“电流源”转变为“构网型”电压源,独立为负载建立稳定的电压和频率。由于许多负载是单相负载,PCS 需要提供 3P4W 输出,并具备100% 三相不平衡负载能力。

1.1.3     如何从并网模式切换到离网模式?

在传统储能系统中,从“并网运行”转为“并网停机”,再到“离网重启”,通常依赖人工操作或速度较慢的机械切换。过程如下:

  • 电网故障,PCS 停机,负载失电。
  • 人工确认故障并断开电网侧断路器,防止反送电。
  • 人工将 PCS 运行模式改为离网模式。
  • 发送启动命令,PCS 通过软启动建立电压。
  • 整个过程通常需要 1 至 15 分钟,因此关键负载无法避免断电。

1.2      静态转换开关(STS)的核心价值

要让储能系统为关键负载提供不间断备用电源,必须引入能够在毫秒内响应电网状态的智能设备:静态转换开关(STS)。

2          STS 的技术原理与拓扑

2.1      STS 的核心组件与工作原理

图示:2.1 STS 的核心组件与工作原理

图 1:STS 核心组件与工作原理图

如图所示,STS 主要由双向晶闸管(SCR)模块组成,这些模块串联在电网侧与负载侧之间的主回路中。

  • 采样与控制:主控电路(MCU/DSP)对两侧电压和电流进行高频采样,实时计算幅值、频率、相位、相序和总谐波畸变(THD)。
  • 驱动与执行:通过光耦隔离驱动电路精确控制 SCR 过零切换,实现毫秒级动作。
  • 通信与协同:STS 提供两个隔离通信接口:CAN 接口用于与 PCS 进行毫秒级数据交互(如相位下发和协同模式切换),RS485 接口用于由 EMS 监控状态。
  • 供电保障:必须配置不间断 24Vdc 辅助电源,确保在全系统失电等极端情况下,STS 控制器仍能执行逻辑判断和驱动动作。

2.2      STS 的典型拓扑与容量选型

2.2.1     典型拓扑结构

标准接线方式是将关键负载连接在 STS 与 PCS 之间,非关键负载连接在 STS 与电网之间,从而实现分级保障。

图示:2.2.1 典型拓扑结构

图 2:包含 EMS、电池、PCS、变压器、STS、电网和负载的系统拓扑图

2.2.2     STS 容量选型原则

STS 作为公共耦合点(PCC)的总开关,容量选择应遵循“宁大勿小”原则:

  • 标准原则:STS 额定容量 ≥ 最大关键负载功率 + PCS 最大充电功率。
  • 受控原则:在电网仅作为备用电源、且 EMS 能确保 STS 不过载,并通过 PCS 充放电控制策略的场景下,STS 容量可降低至与 PCS 充电功率相匹配。

2.3      A 类关键切换时序分析

2.3.1     从并网状态切换至离网状态(电网故障)

  • 故障隔离:STS 检测到电网故障(欠压/过压、欠频/过频、电压暂降、畸变)后,在 <2ms 内快速封锁 SCR 驱动信号,从物理上断开电网连接。
  • 模式命令:STS 向 PCS 发送高优先级“转离网”命令,命令通过 CAN 总线传输。
  • 电压建立:PCS 收到命令后,立即从 PQ(电流源)模式切换至 VF(电压源)模式,并通过软启动平稳建立输出电压,防止冲击电流影响变压器或负载。

图示:2.3.1 从并网状态切换至离网状态(电网故障)

图 3:从电网故障到离网软启动的时序图

2.3.2     从离网状态切换至并网状态(电网恢复)

  • 恢复判断:STS 确认电网电压、频率和相位恢复至正常范围并保持稳定。
  • 相位下发:STS 锁定电网相位,将实时相角打包后发送给 PCS,并通过 CAN 总线传输。
  • 主动跟踪:PCS 调节输出频率,使其相位逐渐接近电网相位。
  • 无缝合闸:当 PCS 检测到相位差小于预设阈值(如 5°)时,发出合闸命令:STS 导通 SCR,同时 PCS 切回 PQ 模式。动作同步是确保无浪涌电流平稳并网的关键。

图示:2.3.2 从离网状态切换至并网状态(电网恢复)

图 4:离网至并网预同步时序图

3           STS 工程指南:硬件配置与接线

3.1       物理接线核心规范

为确保纳秒级同步精度和系统安全,必须严格遵守以下规范:

  • N 线(中性线)处理:在 TN-S 系统中,建议N 线不经过 STS(即 N 线直连)。这样可确保切换期间 N-G 电位保持不变,避免中性点漂移损坏单相负载。
  • 维护旁路:必须配置带机械联锁的维护旁路开关,确保 STS 维护期间负载持续供电。

图示:3.1 物理接线核心规范

  • CAN 通信电缆要求:
  • 电缆类型:必须使用双绞屏蔽线,并在两端加装抗干扰磁环。
  • 长度限制:CAN 总线在 STS 与 PCS 之间的长度严禁超过 15 米(建议不超过 10 米)。长度过大会导致高频同步信号衰减或延迟,影响锁相精度。
  • 拓扑要求:必须采用“菊花链”(线性)拓扑,严禁星形连接。

3.2      CAN 通信硬件 DIP 开关配置

STS 与 PCS 通过 CAN 总线实现毫秒级数据交互。为确保通信稳定,需要正确设置 CAN 地址和终端电阻。

地址分配规则:

  • PCS 地址:从 1 开始连续编号(1、2、…、N),最多支持 4 台并联。
  • STS 地址:固定设置为 5。

终端电阻配置规则:

CAN 总线必须采用“菊花链”拓扑。仅在总线物理距离最远的两端设备上启用 120Ω 终端电阻,中间设备的电阻 DIP 开关必须处于 OFF 状态。

图示:3.2 CAN 通信硬件 DIP 开关配置

表 1:PCS 与 STS 的 DIP 开关定义

l   典型配置示例(1 台 STS + 4 台变流器)

在由 1 台 STS 和 4 台 PCS 并联组成的系统中,PCS1 被指定为离网模式主机。STS 和所有 PCS 均采用线性拓扑接入同一 CAN 总线,物理链路两端为 STS 和 PCS4。

  • 物理链路:STS <-> PCS1 <-> PCS2 <-> PCS3 <-> PCS4
  • STS:地址设为 5,终端电阻开启。
  • PCS1~3:地址设为 1~3,终端电阻关闭。
  • PCS4:地址设为 4,终端电阻开启。

图示:l 典型配置示例(1 台 STS + 4 台变流器)

4          STS 工程指南:软件参数设置

4.1      PCS 关键参数(通过 EMS/上位机设置)

系统上电调试前,请配置以下 PCS 参数:

4.1.1     PCS 基本电气参数:

  • 电压/频率等级(0x5001/0x5002):必须与 STS 所连接电网的电压/频率严格一致(如 400V/50Hz)。

注意:如果 PCS 与 STS 之间有变压器,应填写变压器 PCS 侧电压,而不是电网侧电压。

  • 接线模式(0x501C):
  • 默认设置为 0-3P4W(三相四线制)。
  • 如果存在Delta/Wye(三角形/星形)隔离变压器,位于 PCS 与 STS 之间,且 PCS 侧没有中性线,则必须设为 1-3P3W(三相三线制)。否则,由于三角形绕组侧不存在物理中性点,无法采样相电压,将触发电压采样故障。
  • 变压器相角(0x1669):如果存在 Delta/Wye(三角形/星形)变压器,以常见 DYn11 绕组为例,PCS 变压器角差需要设为 300(表示滞后 30°),以补偿变压器产生的 30° 相位超前。

图示:4.1.1 PCS 基本电气参数:

4.1.2     PCS 运行模式与逻辑:

  • 运行模式(0x5066):设为离网模式,确保储能系统具备建立电压源的能力,这是与 STS 配合运行的软件基础。
  • 主从设置(0x5068):多机并联运行时,仅指定一台 PCS 为“主机(1)”,其余设为“从机(0)”。

4.1.3     PCS 通信目标:

  • STS 主机地址(0x1012):输入实际设置的 CAN 地址,该地址位于 STS 上(如 5)。
  • 通信使能(0x506C):设为 1-使能,以激活与 STS 的握手功能。

4.2      STS 关键参数设置

4.2.1     STS 通信目标:

  • PCS 主机地址(0x1012):输入 CAN 地址,该地址属于 PCS 主机(通常为 1),确保 STS 能向正确目标发送同步命令。

4.2.2     STS 特殊场景配置(DO NOT MISCONFIGURE:不得误设):

  • 柴油发电机模式(0x506E):
  • 连接电网时:设为 0-电网模式。
  • 连接柴油发电机时:设为 1-柴油发电机模式。该模式会放宽频率保护范围,以适应发电机波动。错误配置可能导致 STS 误触发或拒动。

图示:4.2.2 STS 特殊场景配置(DO NOT MISCONFIGURE:不得误设):

  • 变压器模式(0x506F):

当 PCS 与负载之间存在三角形-星形(Δ/Y)隔离变压器时,设为 1-使能。

启用该模式后,STS 可在电网对变压器反向充电(PCS 未运行)或带变压器黑启动期间采用导通角软启动策略抑制励磁涌流。在同步并网期间,STS 将快速过零合闸,以确保波形完整。

5          A 类辅助电源与 EMS 监控系统

必要性:在“全系统失电场景”(电网失电且 PCS 尚未建立电压)下,STS 控制器必须保持在线以执行逻辑判断。

解决方案:配置支持三路冗余输入的 APS 模块:HVDC(电池)+ AC(电网)+ AC(PCS 输出),稳定输出 24Vdc。

图示:5 A 类辅助电源与 EMS 监控系统

5.1      关键附件:APS 电源

为通过多源冗余确保 STS 获得可靠的 24Vdc 电源输入,我们提供 APS 附件。该模块具有三路输入,可分别从电网侧、PCS 的 AC 侧和电池 DC 侧取电,并稳定输出 24Vdc,保障 STS 正常运行与通信。

更重要的是,这可确保 STS 控制器保持供电,以执行控制逻辑并维持 CAN 通信,即使处于全系统失电场景(即电网失电且 PCS 尚未建立电压)也不例外。

5.2      EMS 监控方案

在完整储能系统中,EMS 可与 STS 通信,并通过 RS485 进行监控;另外,EMS 可获取 STS 工作状态,数据来自 PCS 的 Modbus 寄存器 0x2212。对于在现有系统中加装 STS 的项目,可通过配置 PCS 和 STS 参数实现无缝切换,即使不修改 EMS。

6          PCS 与 STS 标准操作流程

6.1      并网启动流程

  • 上电并等待:电网已接入,STS 检测正常。
  • 状态:POWER 灯常亮、FAULT 灯熄灭、RUN 灯闪烁(待机)。
  • 链路导通:PCS 向 STS 发送“导通”命令(通过 CAN)。
  • 状态:STS 的 RUN 灯常亮,SCR 导通,主回路闭合。

并网运行:EMS 向 PCS 发送“启动”命令。

动作:PCS 开始逆变,系统进入并网运行。

6.2      离网/黑启动流程

  • 状态确认:系统未连接电网。
  • 状态:STS 的 POWER 灯熄灭,FAULT 灯亮起(电网缺相/异常)。
  • 逻辑:不满足导通条件,PCS 不会向 STS 发送导通命令。
  • 黑启动:EMS 向 PCS 发送“启动”命令。
  • 动作:PCS 在 VF 模式下输出电压,为负载供电;STS 保持断开,实现物理隔离。

7          常见问题排查

7.1      同步/并网失败

  • 现象:电网恢复后,系统一直处于“预同步”状态,无法合闸。
  • 根因分析:
  1. 通信延迟:单根 CAN 电缆过长,导致相位数据包延迟,锁相精度下降。
  2. 相位偏差:系统存在 Δ/Y 变压器,但未启用“变压器模式”。
  3. 电源抖动:电网或柴油发电机波动过大,导致 PLL 无法锁定。

7.2      切换时掉电

  • 现象:切换期间继电器跳闸或设备重启。
  • 原因:PCS 建压时间过长(>20ms);或 STS 保护阈值设置过宽,直至电压严重跌落后才动作。

7.3      A 类 EMS 监控数据异常

  • 排查:检查方案 B 中 PCS 寄存器 0x2212的映射地址是否偏移;检查 CAN 通信心跳是否正常。

7.4      相序错误导致短路损坏

警告:STS 输入侧(电网)与 PCS 输出侧的物理相序(A/B/C)必须严格一致。软件无法修正物理相序接线错误。如果相位接反(如 A-C 对调),并网瞬间将发生相间短路,造成严重设备损坏。调试前必须使用相序表检查两侧相序。

7.5      辅助电源冗余配置要求

  • 严禁:不得仅依赖电网 AC 为 STS 供电。在“全系统失电场景”下,如果电网故障而 PCS 尚未建立离网电压,一旦 STS 失去控制电源,便无法维持通信和逻辑判断,导致切换失败。
  • 强制要求:必须连接 APS(24Vdc),并确保 APS 能以电池侧 DC(HVDC)作为最终备用电源。

8          维护与环境

8.1      日常检查项目

  • 需实时监控变流器输入/输出电压、电流和运行状态,并安排专人巡检:
  • 听:变流器无异常声音。
  • 闻:变流器内部无异常气味。
  • 看:内部温度读数处于正常范围。

8.2      定期维护

  • 检查变流器外观是否损坏或锈蚀。
  • 使用热成像仪/温度计确认内部温度正常。
  • 确保周围通风、环境温度、湿度和粉尘水平符合要求。
  • 检查电缆绝缘是否老化或损坏,必要时更换或进行绝缘处理。
  • 检查端子螺栓是否有老化或烧灼迹象,并用手或工具紧固,确保连接可靠。

8.3      A 类应用环境规范

在高盐雾或高粉尘环境中,需要采用特殊安装工艺,不适合标准部署。应重视清洁和防腐措施,并在严苛环境下缩短维护周期。

散热:STS 模块采用强制风冷(前进风、后出风)。安装在一体柜内时,柜体进风口必须与模块对齐。模块进风口与柜体进风口的距离必须 ≥110mm。模块出风口必须加装风道,将热风直接导向柜体出风口,避免热风在柜内循环。

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