李創(chuàng)偉，秦會斌，華詠竹

（杭州電子科技大學(xué) 新型電子器件與應(yīng)用研究所，杭州 310018）

0 引言

社會的發(fā)展離不開能源的消耗，從傳統(tǒng)的化石能源到電力社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對于能源的需求也不斷增加。于此同時，隨著人們生活水平的提高，對于生活環(huán)境的要求也隨之提高。因此，以太陽能、風(fēng)能等清潔可再生能源為主的分布式發(fā)電系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。其中，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)由于其分布廣泛、安全、安裝便捷等優(yōu)點(diǎn)，以及國家的大力扶持，其裝機(jī)容量也在逐年上漲。因分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)對天氣、氣候等環(huán)境因素較為敏感，具有間歇性和不穩(wěn)定性的特點(diǎn)，容易引起節(jié)點(diǎn)電壓的波動。而電氣設(shè)備的發(fā)展對于電壓的要求不斷提高，電壓的大幅度波動會影響電氣設(shè)備的工作壽命，甚至造成設(shè)備的損壞。因此，隨著越來越多的分布式發(fā)電系統(tǒng)的接入，合適的電壓調(diào)節(jié)策略對于配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用。

文獻(xiàn)[1]中提出一種利用電子有載變壓器（Electronic-OLTC，EOLTC）更快速穩(wěn)定地切換變壓器分接頭，調(diào)整變壓器二次繞組的電壓，從而實現(xiàn)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓的調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[2]通過晶閘管控制串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置的接入，實現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的電壓調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[3]在單一使用有載調(diào)壓變壓器（On-Load Tap-Changer，OLTC）調(diào)節(jié)無法解決電壓越限問題時，使用與靜止無功補(bǔ)償裝置（Static var compensator，SVC）協(xié)同的復(fù)合調(diào)節(jié)方式，使配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓在合理的范圍內(nèi)。文獻(xiàn)[4]將逆變器的無功調(diào)節(jié)能力作為無功補(bǔ)償設(shè)備的補(bǔ)充，輔助實現(xiàn)系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定。

在一些低壓配電網(wǎng)中，OLTC、電容補(bǔ)償?shù)葻o功功率調(diào)節(jié)措施對電網(wǎng)電壓的調(diào)節(jié)能力有限，因此多利用有功功率進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)[5]。文獻(xiàn)[6-7]通過控制用戶可控負(fù)載從而實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[8]中對于儲能系統(tǒng)在可再生能源微電網(wǎng)中的作用和應(yīng)用情況進(jìn)行了綜述和分析。其中，電池儲能系統(tǒng)憑借其響應(yīng)速度、能量密度等方面的優(yōu)勢，在新能源發(fā)電并網(wǎng)、電網(wǎng)的運(yùn)行輔助等方面得到了廣泛的應(yīng)用[9-10]。文獻(xiàn)[11]提出一種協(xié)調(diào)控制儲能系統(tǒng)和光伏發(fā)電輸出實現(xiàn)配電網(wǎng)電壓越限的調(diào)節(jié)方法，并實現(xiàn)儲能容量最小化。文獻(xiàn)[12]分析了光伏接入對配電網(wǎng)產(chǎn)生的影響，以及儲能系統(tǒng)配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)的機(jī)理，并驗證了儲能對電壓的調(diào)節(jié)效果。文獻(xiàn)[13]以最小儲能配置容量為目標(biāo)針對儲能裝置容量進(jìn)行了優(yōu)化配置，實現(xiàn)平滑發(fā)電輸出以及負(fù)荷削峰填谷。文獻(xiàn)[14]結(jié)合新能源并網(wǎng)功率波動、儲能充放電效率及荷電狀態(tài)，提出了平抑波動的儲能優(yōu)化配置方法。

但是受電池技術(shù)所限，電池的使用壽命、充放電次數(shù)有限，如何平衡電池充放電次數(shù)以及配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)的關(guān)系十分重要[15]。據(jù)此，提出一種基于排序算法的電池儲能系統(tǒng)參與配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)方法；將節(jié)點(diǎn)電壓排序以確定電壓調(diào)節(jié)的優(yōu)先級，優(yōu)先調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)電壓變化較大的節(jié)點(diǎn)；并根據(jù)節(jié)點(diǎn)的電壓值設(shè)定儲能系統(tǒng)的充放電閾值，在越限節(jié)點(diǎn)調(diào)節(jié)完成后仍未解決電壓越限問題時，調(diào)節(jié)未越限節(jié)點(diǎn)輔助解決電壓越限問題；并根據(jù)電池SOC并選擇合適的電池充放電組合。通過控制電池儲能系統(tǒng)的充放電功率實現(xiàn)節(jié)點(diǎn)電壓的調(diào)節(jié)，削弱配電網(wǎng)電壓的波動。

1 分布式發(fā)電系統(tǒng)對配電網(wǎng)影響

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)是由配電站到用戶的單向配電結(jié)構(gòu)，并使用戶節(jié)點(diǎn)的電壓保持在一個正常的電壓范圍。通常，節(jié)點(diǎn)電壓的正常范圍為0.9～1.1p.u.；當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓大于1.1p.u.或小于0.9p.u.，且持續(xù)時間超過一分鐘的情況，定義為節(jié)點(diǎn)電壓越限情況。隨著分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的大量接入，傳統(tǒng)的單向配電結(jié)構(gòu)也隨之改變。

如圖1所示的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電力直接輸送至用戶負(fù)荷，為用戶提供電力。當(dāng)用戶的負(fù)荷低于產(chǎn)生的電力時，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)將向電力網(wǎng)輸送電力產(chǎn)生逆向潮流，可能導(dǎo)致配電網(wǎng)出現(xiàn)電壓過壓問題。當(dāng)用戶的電力負(fù)荷需求增加，分布式發(fā)電系統(tǒng)無法滿足其電力需求時，配電網(wǎng)流入電流增加則可能導(dǎo)致出現(xiàn)欠壓的情況。

圖1 配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

2 電壓調(diào)節(jié)算法

2.1 潮流計算

電力系統(tǒng)潮流計算的主要作用是根據(jù)給定的運(yùn)行條件確定系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，是電路系統(tǒng)運(yùn)行和分析中最基本的計算。通過潮流計算能夠得到系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，例如節(jié)點(diǎn)的電壓、功率損耗以及功率損耗等。電力系統(tǒng)的潮流計算包括牛頓-拉夫遜法、P-Q分解法、前推迭代法等計算方法；其中，牛頓-拉夫遜法潮流計算具有較好的收斂速度以及收斂精度。

牛頓-拉夫遜法潮流計算是以節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣為基礎(chǔ)的，節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣可以表示為：

節(jié)點(diǎn)有功和無功功率方程分別表示為：

式中，δij=δi-δj為節(jié)點(diǎn)i、j電壓的相角差；Vi、Vj分別為節(jié)點(diǎn)i、j的電壓幅值。

牛頓-拉夫遜潮流計算的修正方程為：

其中，J-1為雅克比矩陣的逆矩陣，其中的各元素均為節(jié)點(diǎn)電壓的函數(shù)，在迭代過程中元素值不斷改變。

通過修正量修正節(jié)點(diǎn)電壓，并進(jìn)行下一次迭代運(yùn)算，直到滿足收斂判據(jù)。

2.2 節(jié)點(diǎn)電壓排序調(diào)節(jié)算法

針對特定節(jié)點(diǎn)的電壓調(diào)節(jié)方法主要有兩種，一種直接調(diào)節(jié)該節(jié)點(diǎn)的參數(shù)，例如負(fù)載、變壓器以及電池組的充放電功率等直接調(diào)節(jié)該節(jié)點(diǎn)處的電壓；另一種則是通過調(diào)節(jié)其他節(jié)點(diǎn)的參數(shù)，從而實現(xiàn)對特定節(jié)點(diǎn)的電壓調(diào)節(jié)[16]。

在配電網(wǎng)進(jìn)行電力傳輸時，距離配電站距離越遠(yuǎn)的用戶節(jié)點(diǎn)的電壓越不穩(wěn)定，越容易出現(xiàn)電壓越限問題。并且距離配電站距離越遠(yuǎn)的用戶節(jié)點(diǎn)對于配電結(jié)構(gòu)中的其他用戶電壓值的影響也越大。因此，在節(jié)點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)中采用節(jié)點(diǎn)電壓排序算法，通過節(jié)點(diǎn)電壓排序確定電壓調(diào)節(jié)的優(yōu)先級，優(yōu)先調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)電壓變化較大的節(jié)點(diǎn)，減少電池充放電次數(shù)。

節(jié)點(diǎn)電壓排序調(diào)節(jié)流程如圖2所示。將節(jié)點(diǎn)電壓排序，當(dāng)出現(xiàn)過壓越限問題時，從電壓值最大的節(jié)點(diǎn)開始調(diào)節(jié)；出現(xiàn)欠壓越限問題時，則從節(jié)點(diǎn)電壓值最小的節(jié)點(diǎn)開始調(diào)節(jié)。由于儲能系統(tǒng)的充放電功率有限，當(dāng)儲能系統(tǒng)調(diào)節(jié)完存在越限問題的節(jié)點(diǎn)時，仍可能未解決電壓越限問題。為此，通過節(jié)點(diǎn)的電壓值設(shè)定電池儲能系統(tǒng)的充放電閾值，從而使得未越限節(jié)點(diǎn)輔助參與節(jié)點(diǎn)的電壓調(diào)節(jié)。

圖2 節(jié)點(diǎn)電壓排序調(diào)節(jié)算法

當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓Vmax_i＞1.1p.u.時，即該節(jié)點(diǎn)電壓越限時，設(shè)定電池儲能系統(tǒng)的充電閾值Vmax=Vmax1；當(dāng)越限節(jié)點(diǎn)儲能系統(tǒng)調(diào)節(jié)完成后仍未解決越限問題時，分別設(shè)定[1.05,1.1]p.u.、[1,1.05]p.u.范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)的儲能系統(tǒng)充電閾值Vmax為Vmax2、Vmax3，通過調(diào)節(jié)未越限節(jié)點(diǎn)儲能系統(tǒng)的充電功率，從而輔助解決電壓越限問題。同理，根據(jù)節(jié)點(diǎn)電壓的范圍設(shè)定儲能系統(tǒng)的放電閾值Vmin，分別設(shè)定[0.8,0.9]p.u.、[0.9,0.95]p.u.和[0.95,1]p.u.范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)的放電閾值Vmin為Vmin1、Vmin2和Vmin3。

根據(jù)節(jié)點(diǎn)的充放電閾值，計算節(jié)點(diǎn)的電壓調(diào)節(jié)功率，并通過儲能系統(tǒng)進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。該節(jié)點(diǎn)調(diào)節(jié)完成后通過潮流計算判斷是否解決電壓越限問題；如果已解決電壓越限問題，則退出此次電壓調(diào)節(jié)，未解決則繼續(xù)調(diào)節(jié)下一節(jié)點(diǎn)。

2.3 電壓調(diào)節(jié)功率ΔPvi

電池儲能系統(tǒng)的充放電功率是根據(jù)節(jié)點(diǎn)電壓值確定的，假設(shè)用戶節(jié)點(diǎn)電壓為Vi(t)，節(jié)點(diǎn)的電壓的正常范圍：

假設(shè)電池儲能系統(tǒng)充電閾值電壓為Vmax，放電閾值電壓為Vmin；當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓產(chǎn)生越限問題時，電池儲能系統(tǒng)充放電功率：

其中，Vnom代表配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)稱電壓，為任意時刻DPGS發(fā)電功率，為用戶的負(fù)載功率。

參與電壓調(diào)節(jié)電池組個數(shù)：

其中，ΔPvi(t)為電壓調(diào)節(jié)功率，Pb為電池組的充放電功率。

2.4 儲能系統(tǒng)調(diào)節(jié)

儲能系統(tǒng)調(diào)節(jié)則主要通過電池SOC選擇合適的電池充放電組合，并控制電池組合充放電實現(xiàn)節(jié)點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)。為了防止電池過充、過放造成電池的損壞，通常根據(jù)SOC將電池分為三個充放電狀態(tài)。當(dāng)SOC≥90%，電池為可放電不可充電狀態(tài)；10%＜SOC＜90%時，電池可充電可放電；SOC≤10%時，電池可充電不可放電。

SOC與電池的充放電功率(Pcharge、Pdischarge)、初始SOC(SOCstart)、電池容量Bcapcity以及充放電時間（time）有關(guān)。任意時刻的電池SOC可用下式進(jìn)行估算：

儲能系統(tǒng)調(diào)節(jié)流程如圖3所示，在儲能系統(tǒng)參與電壓調(diào)節(jié)時，根據(jù)節(jié)點(diǎn)所需的充放電功率進(jìn)行充放電電池組的選擇；通過電池組充放電實現(xiàn)節(jié)點(diǎn)電壓的調(diào)節(jié)，并對電池的SOC信息進(jìn)行檢測，及時切換充放電狀態(tài)，避免過充、過放。

圖3 儲能系統(tǒng)調(diào)節(jié)流程圖

3 算例分析

3.1 測試環(huán)境及參數(shù)

本文中采用IEEE33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)模型以驗證該節(jié)點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)策略，IEEE33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)模型如圖4所示。將節(jié)點(diǎn)1設(shè)置為平衡節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)電壓值為1p.u.且保持不變，其余節(jié)點(diǎn)均為用戶節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)電壓的正常范圍為[0.9,1.1]p.u.。

圖4 IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)絡(luò)模型

在用戶節(jié)點(diǎn)處安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)以及電池儲能系統(tǒng)。圖5為24小時內(nèi)的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量以及用戶負(fù)荷功率數(shù)據(jù)，其峰值發(fā)電功率為10.5MW，峰值負(fù)荷功率為3.8MW。

圖5 24小時發(fā)電和負(fù)荷數(shù)據(jù)

設(shè)置仿真時長為24小時，采樣時間5分鐘，共計采樣點(diǎn)288個，對該配電系統(tǒng)的用戶節(jié)點(diǎn)電壓進(jìn)行仿真。設(shè)計三種仿真情況，分別為無電壓調(diào)節(jié)情況、未改進(jìn)的儲能系統(tǒng)調(diào)節(jié)情況以及改進(jìn)的儲能系統(tǒng)參與電壓調(diào)節(jié)情況，無電壓調(diào)節(jié)情況作為對照以驗證本策略的電壓調(diào)節(jié)效果。

3.2 仿真結(jié)果及分析

如圖6所示，在10:00～14:00，由于光照充足光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量大于用戶的負(fù)荷功率，導(dǎo)致部分用戶節(jié)點(diǎn)電壓出現(xiàn)多次超出正常電壓范圍的情況。在18:00～22:00時，由于日落光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量逐漸降低，隨著用戶負(fù)載功率的增加，部分用戶節(jié)點(diǎn)低于節(jié)點(diǎn)電壓的正常范圍，出現(xiàn)電壓欠壓越限情況。

圖6 無電壓調(diào)節(jié)情況

圖7、圖8分別為未優(yōu)化的儲能系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)結(jié)果和儲能系統(tǒng)參與電壓調(diào)節(jié)的次數(shù)。結(jié)果表明，電池儲能系統(tǒng)可以通過控制其充放電從而使節(jié)點(diǎn)電壓維持在正常的范圍。但儲能系統(tǒng)參與電壓調(diào)節(jié)次數(shù)較多，對其使用壽命以及電池容量的損耗影響較大。

圖7 未優(yōu)化的電壓調(diào)節(jié)情況

圖8 未優(yōu)化的儲能系統(tǒng)調(diào)節(jié)次數(shù)

圖9、圖10顯示了本文改進(jìn)的基于節(jié)點(diǎn)電壓排序調(diào)節(jié)的儲能系統(tǒng)調(diào)節(jié)結(jié)果。結(jié)果表明，經(jīng)過改進(jìn)的調(diào)節(jié)算法能夠利用儲能系統(tǒng)實現(xiàn)用戶節(jié)點(diǎn)的電壓調(diào)節(jié)，并且與未改進(jìn)的算法相比能夠減少電池儲能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)次數(shù)，延長電池儲能系統(tǒng)的使用壽命。

圖9 改進(jìn)儲能系統(tǒng)調(diào)節(jié)方法

圖10 改進(jìn)算法儲能系統(tǒng)調(diào)節(jié)次數(shù)

4 結(jié)語

本文提出一種基于排序算法的電池儲能系統(tǒng)參與配電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)策略。根據(jù)在IEEE 33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)絡(luò)模型中的仿真結(jié)果可以得到，所提出的電壓調(diào)節(jié)策略能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)點(diǎn)電壓的調(diào)節(jié)，將節(jié)點(diǎn)電壓約束在正常范圍內(nèi)，并能夠減少電池儲能系統(tǒng)參與節(jié)點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)的次數(shù)以延長其使用壽命，也能避免出現(xiàn)過充、過放情況。