基于節點電壓排序算法的電池儲能系統配電網電壓調節

李創偉，秦會斌，華詠竹

（杭州電子科技大學 新型電子器件與應用研究所，杭州 310018）

0 引言

社會的發展離不開能源的消耗，從傳統的化石能源到電力社會經濟的發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，對于生活環境的要求也隨之提高。因此，以太陽能、風能等清潔可再生能源為主的分布式發電系統得到了廣泛的應用。其中，分布式光伏發電系統由于其分布廣泛、安全、安裝便捷等優點，以及國家的大力扶持，其裝機容量也在逐年上漲。因分布式光伏發電系統對天氣、氣候等環境因素較為敏感，具有間歇性和不穩定性的特點，容易引起節點電壓的波動。而電氣設備的發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備的工作壽命，甚至造成設備的損壞。因此，隨著越來越多的分布式發電系統的接入，合適的電壓調節策略對于配電網的穩定運行具有重要作用。

文獻[1]中提出一種利用電子有載變壓器（Electronic-OLTC，EOLTC）更快速穩定地切換變壓器分接頭，調整變壓器二次繞組的電壓，從而實現配電網節點電壓的調節。文獻[2]通過晶閘管控制串聯電容補償裝置的接入，實現節點的電壓調節。文獻[3]在單一使用有載調壓變壓器（On-Load Tap-Changer，OLTC）調節無法解決電壓越限問題時，使用與靜止無功補償裝置（Static var compensator，SVC）協同的復合調節方式，使配電網節點電壓在合理的范圍內。文獻[4]將逆變器的無功調節能力作為無功補償設備的補充，輔助實現系統電壓的穩定。

在一些低壓配電網中，OLTC、電容補償等無功功率調節措施對電網電壓的調節能力有限，因此多利用有功功率進行電壓調節[5]。文獻[6-7]通過控制用戶可控負載從而實現電壓調節。文獻[8]中對于儲能系統在可再生能源微電網中的作用和應用情況進行了綜述和分析。其中，電池儲能系統憑借其響應速度、能量密度等方面的優勢，在新能源發電并網、電網的運行輔助等方面得到了廣泛的應用[9-10]。文獻[11]提出一種協調控制儲能系統和光伏發電輸出實現配電網電壓越限的調節方法，并實現儲能容量最小化。文獻[12]分析了光伏接入對配電網產生的影響，以及儲能系統配電網電壓調節的機理，并驗證了儲能對電壓的調節效果。文獻[13]以最小儲能配置容量為目標針對儲能裝置容量進行了優化配置，實現平滑發電輸出以及負荷削峰填谷。文獻[14]結合新能源并網功率波動、儲能充放電效率及荷電狀態，提出了平抑波動的儲能優化配置方法。

但是受電池技術所限，電池的使用壽命、充放電次數有限，如何平衡電池充放電次數以及配電網電壓調節的關系十分重要[15]。據此，提出一種基于排序算法的電池儲能系統參與配電網電壓調節方法；將節點電壓排序以確定電壓調節的優先級，優先調節節點電壓變化較大的節點；并根據節點的電壓值設定儲能系統的充放電閾值，在越限節點調節完成后仍未解決電壓越限問題時，調節未越限節點輔助解決電壓越限問題；并根據電池SOC并選擇合適的電池充放電組合。通過控制電池儲能系統的充放電功率實現節點電壓的調節，削弱配電網電壓的波動。

1 分布式發電系統對配電網影響

傳統的配電網體系結構是由配電站到用戶的單向配電結構，并使用戶節點的電壓保持在一個正常的電壓范圍。通常，節點電壓的正常范圍為0.9～1.1p.u.；當節點電壓大于1.1p.u.或小于0.9p.u.，且持續時間超過一分鐘的情況，定義為節點電壓越限情況。隨著分布式光伏發電系統的大量接入，傳統的單向配電結構也隨之改變。

如圖1所示的配電網結構，分布式光伏發電系統產生的電力直接輸送至用戶負荷，為用戶提供電力。當用戶的負荷低于產生的電力時，分布式光伏發電系統將向電力網輸送電力產生逆向潮流，可能導致配電網出現電壓過壓問題。當用戶的電力負荷需求增加，分布式發電系統無法滿足其電力需求時，配電網流入電流增加則可能導致出現欠壓的情況。

圖1 配電網結構

2 電壓調節算法

2.1 潮流計算

電力系統潮流計算的主要作用是根據給定的運行條件確定系統的運行狀態，是電路系統運行和分析中最基本的計算。通過潮流計算能夠得到系統的運行狀態，例如節點的電壓、功率損耗以及功率損耗等。電力系統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點導納矩陣為基礎的，節點導納矩陣可以表示為：

節點有功和無功功率方程分別表示為：

式中，δij=δi-δj為節點i、j電壓的相角差；Vi、Vj分別為節點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點電壓的函數，在迭代過程中元素值不斷改變。

通過修正量修正節點電壓，并進行下一次迭代運算，直到滿足收斂判據。

2.2 節點電壓排序調節算法

針對特定節點的電壓調節方法主要有兩種，一種直接調節該節點的參數，例如負載、變壓器以及電池組的充放電功率等直接調節該節點處的電壓；另一種則是通過調節其他節點的參數，從而實現對特定節點的電壓調節[16]。

在配電網進行電力傳輸時，距離配電站距離越遠的用戶節點的電壓越不穩定，越容易出現電壓越限問題。并且距離配電站距離越遠的用戶節點對于配電結構中的其他用戶電壓值的影響也越大。因此，在節點電壓調節中采用節點電壓排序算法，通過節點電壓排序確定電壓調節的優先級，優先調節節點電壓變化較大的節點，減少電池充放電次數。

節點電壓排序調節流程如圖2所示。將節點電壓排序，當出現過壓越限問題時，從電壓值最大的節點開始調節；出現欠壓越限問題時，則從節點電壓值最小的節點開始調節。由于儲能系統的充放電功率有限，當儲能系統調節完存在越限問題的節點時，仍可能未解決電壓越限問題。為此，通過節點的電壓值設定電池儲能系統的充放電閾值，從而使得未越限節點輔助參與節點的電壓調節。

圖2 節點電壓排序調節算法

當節點電壓Vmax_i＞1.1p.u.時，即該節點電壓越限時，設定電池儲能系統的充電閾值Vmax=Vmax1；當越限節點儲能系統調節完成后仍未解決越限問題時，分別設定[1.05,1.1]p.u.、[1,1.05]p.u.范圍內節點的儲能系統充電閾值Vmax為Vmax2、Vmax3，通過調節未越限節點儲能系統的充電功率，從而輔助解決電壓越限問題。同理，根據節點電壓的范圍設定儲能系統的放電閾值Vmin，分別設定[0.8,0.9]p.u.、[0.9,0.95]p.u.和[0.95,1]p.u.范圍內節點的放電閾值Vmin為Vmin1、Vmin2和Vmin3。

根據節點的充放電閾值，計算節點的電壓調節功率，并通過儲能系統進行電壓調節。該節點調節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，則退出此次電壓調節，未解決則繼續調節下一節點。

2.3 電壓調節功率ΔPvi

電池儲能系統的充放電功率是根據節點電壓值確定的，假設用戶節點電壓為Vi(t)，節點的電壓的正常范圍：

假設電池儲能系統充電閾值電壓為Vmax，放電閾值電壓為Vmin；當節點電壓產生越限問題時，電池儲能系統充放電功率：

其中，Vnom代表配電網節點的標稱電壓，為任意時刻DPGS發電功率，為用戶的負載功率。

參與電壓調節電池組個數：

其中，ΔPvi(t)為電壓調節功率，Pb為電池組的充放電功率。

2.4 儲能系統調節

儲能系統調節則主要通過電池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節點電壓調節。為了防止電池過充、過放造成電池的損壞，通常根據SOC將電池分為三個充放電狀態。當SOC≥90%，電池為可放電不可充電狀態；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。任意時刻的電池SOC可用下式進行估算：

儲能系統調節流程如圖3所示，在儲能系統參與電壓調節時，根據節點所需的充放電功率進行充放電電池組的選擇；通過電池組充放電實現節點電壓的調節，并對電池的SOC信息進行檢測，及時切換充放電狀態，避免過充、過放。

圖3 儲能系統調節流程圖

3 算例分析

3.1 測試環境及參數

本文中采用IEEE33節點配電網模型以驗證該節點電壓調節策略，IEEE33節點配電網模型如圖4所示。將節點1設置為平衡節點，節點電壓值為1p.u.且保持不變，其余節點均為用戶節點，節點電壓的正常范圍為[0.9,1.1]p.u.。

圖4 IEEE 33節點配電網絡模型

在用戶節點處安裝分布式光伏發電系統以及電池儲能系統。圖5為24小時內的分布式光伏發電系統發電量以及用戶負荷功率數據，其峰值發電功率為10.5MW，峰值負荷功率為3.8MW。

圖5 24小時發電和負荷數據

設置仿真時長為24小時，采樣時間5分鐘，共計采樣點288個，對該配電系統的用戶節點電壓進行仿真。設計三種仿真情況，分別為無電壓調節情況、未改進的儲能系統調節情況以及改進的儲能系統參與電壓調節情況，無電壓調節情況作為對照以驗證本策略的電壓調節效果。

3.2 仿真結果及分析

如圖6所示，在10:00～14:00，由于光照充足光伏發電系統的發電量大于用戶的負荷功率，導致部分用戶節點電壓出現多次超出正常電壓范圍的情況。在18:00～22:00時，由于日落光伏發電系統的發電量逐漸降低，隨著用戶負載功率的增加，部分用戶節點低于節點電壓的正常范圍，出現電壓欠壓越限情況。

圖6 無電壓調節情況

圖7、圖8分別為未優化的儲能系統電壓調節結果和儲能系統參與電壓調節的次數。結果表明，電池儲能系統可以通過控制其充放電從而使節點電壓維持在正常的范圍。但儲能系統參與電壓調節次數較多，對其使用壽命以及電池容量的損耗影響較大。

圖7 未優化的電壓調節情況

圖8 未優化的儲能系統調節次數

圖9、圖10顯示了本文改進的基于節點電壓排序調節的儲能系統調節結果。結果表明，經過改進的調節算法能夠利用儲能系統實現用戶節點的電壓調節，并且與未改進的算法相比能夠減少電池儲能系統的調節次數，延長電池儲能系統的使用壽命。

圖9 改進儲能系統調節方法

圖10 改進算法儲能系統調節次數

4 結語

本文提出一種基于排序算法的電池儲能系統參與配電網電壓調節策略。根據在IEEE 33節點配電網絡模型中的仿真結果可以得到，所提出的電壓調節策略能夠實現節點電壓的調節，將節點電壓約束在正常范圍內，并能夠減少電池儲能系統參與節點電壓調節的次數以延長其使用壽命，也能避免出現過充、過放情況。