電池儲能系統電壓支持技術仿真研究

李憲棟 石月春

電池儲能系統電壓支持技術仿真研究

李憲棟 石月春

（黃河水利水電開發總公司，河南濟源 459017）

為了研究儲能系統的電壓支持功能，本文分析了利用儲能系統解決太陽能發電系統引起的電網電壓波動問題的可行性。針對太陽能發電系統輸出功率驟變引起的電網電壓波動問題，設計了利用電池儲能系統來補償快速變化的有功功率的方案，來實現對電網電壓的調節。對儲能系統在不同電抗電阻比的3種電網參數情況下的電壓調節功能進行了仿真分析。分析結果顯示，在電抗電阻比較低的電網中，儲能系統通過補償有功功率可以更有效地解決太陽能發電引起的電網電壓波動問題。

儲能系統；電壓支持；太陽能；發電

以太陽能和風能為代表的新型清潔可再生能源是能源領域的新選擇。間歇性和不穩定性是這類能源的明顯缺點，也是這些能源接入電力系統的難點。儲能系統成為支持新能源大規模并網的關鍵技術之一，可以有效解決新能源并網對電網運行及電能質量的影響問題。

太陽能發電廣泛接入電網成為一種新趨勢。太陽能發電系統輸出功率受光照變化變化較快，這會造成電網電壓的波動，嚴重時超出正常運行可接受的范圍[1]。針對這一問題，國內外學者進行了大量的研究。文獻[2-8]對太陽能發電等分布式能源對配電網電壓的影響及無功功率控制策略進行了研究。研究表明：分布式能源宜高功率因數運行，少發無功功率；在分布式能源高滲透率情況下，控制無功功率調節電壓效果不理想。利用無功功率調節設施調節電網電壓是常用手段，文獻[9-10]分析了新能源發電系統并網點電壓升高的原理，并提出了利用并網變流器的無功調節能力或無功調節系統調壓的電壓調整策略。針對太陽能發電系統逆變器無功功率調節的有限性，文獻[11]提出了利用儲能系統解決分布式光伏發電系統引起的電壓升高越限問題。文獻[12-14]則提出了綜合利用分布式能源、無功調節系統和儲能系統，采用有功和無功共同調節電網電壓的方案。以上方案多集中在對太陽能發電并網引起高電壓問題的分析處理，對并網中功率降低引起的電壓降低問題分析較少。

儲能系統在太陽能發電輸出功率超出負荷功率時儲存電能，在太陽能輸出功率低于負荷功率時釋放電能，可以有效平抑太陽能發電系統輸出功率的波動[15-16]。儲能系統平抑發電系統輸出功率波動既可以減小并網功率對電網頻率的影響[17]，也可以借助彌補有功功率的波動參與電網電壓的調整，提供電壓支持。

電池儲能系統因其技術的成熟性和安裝位置的靈活性具有較好的應用前景[18]，目前處于快速成長期[19]。為了充分理解儲能系統的電壓支持功能，本文試結合太陽能發電系統并網中遇到的低電壓問題進行分析。在分析電池儲能系統功率控制原理的基礎上，本文通過仿真研究了利用儲能系統補償有功功率來實現對太陽能發電系統輸出有功功率降低導致的電網電壓降低支持的可行性。這對于認識儲能系統平抑功率波動和電壓波動全面支持分布式太陽能并網運行提供了新視角。

1 電池儲能系統及其控制原理

電池儲能系統由電池組、變流器及其控制部分組成。變流器實現對電池儲能系統和交流電網之間能量交換的控制。電壓源型變流器是目前廣泛應用的變流器。

1.1 電池

目前應用于工程實踐的新型電池包括鋰離子電池、鈉硫電池和全釩液流電池，其中鈉硫電池和鋰離子電池應用較多[18]。

電池模型可以用一個理想可控電壓源和一個串聯電阻表示。假設電池內部電阻保持不變，電池的電壓可以根據非線性式（1）逐步計算。非線性方程考慮了電池的充放電狀態來計算電池的空載電壓（此模型為PSCAD軟件中模型），即

式中，為電池輸出電壓，V；0為電池恒定電壓，V；為極化電壓，V；為電池容量，A·h；為指數部分幅值，V；為指數部分時間常數，1/A·h。

1.2 電壓源變流器

電壓源變流器是電池儲能系統與電網的接口，控制著儲能系統與電網之間電能的交換。基于電力電子設備和解耦控制的電壓源變流器可以實現四象限功率控制，實現儲能系統電能吸收與釋放狀態之間的快速轉換，以及有功和無功的獨立控制。

1.3 控制原理

電壓源變流器控制圖如圖1所示。

圖1 電壓源變流器控制圖[20]

在交流系統中，電壓源變流器所在電路可以表示為

式中，t為變流器交流側電壓；s為并網點（PCC）電網電壓；、為連接變流器和電網的電感和電阻；on為變流器電阻；為回路電流。

轉化到d-q軸坐標系中，式（2）可以寫為

式中，q、d為的交直軸電流分量；為坐標變換位移變量；tq、td為t的交直軸分量；0是電網的額定角頻率；0是電源初始相位。定義()=d/d，()=0+0。合理選擇和，在鎖相器作用下保證()=0、sq()=0，則可以得到變流器輸送到電網的功率表達式為

（4）

式中，s、s為儲能系統向電網輸送的有功功率和無功功率；sq、sd為s的交直軸分量。由此可見，通過控制交直軸電流可以改變變流器與電網之間的功率交換。

變流器電流控制圖如圖2所示。

圖2 電壓源變流器電流控制邏輯圖[20]

變流器交流側和直流側電壓關系可以表示為

式中，DC為變流器直流側電壓；q、d為引入電流反饋并補償后控制用電流的交直軸分量；q、d為變流器輸出控制用交直軸調制信號。圖2中qref、dref為電流設定值的交直軸分量。在引入設定值、電網補償電壓以及直流側電壓信號后，變流器交流側輸出電流形成了用于控制變流器的調制信號。在調制信號的作用下，變流器實現了按照控制要求的電流變換，從而實現輸出功率的控制。

2 系統拓撲結構及控制方案

2.1 系統拓撲結構

分布式太陽能發電系統接入配電網的拓撲結構可以用圖3表示。太陽能發電系統及其配套儲能系統在配電網的負荷側接入配電網，電池儲能系統經過升壓變壓器并入電網，太陽能發電系統在同一點并入電網。s+js表示接入點與電網的連接部分的等效電阻電感。

圖3 太陽能發電儲能系統拓撲結構

2.2 儲能系統控制方案

儲能系統功率控制方案如圖4所示。控制方案的目標是減少太陽能發電儲能系統與電網的功率交換。當太陽能發電系統輸出功率大于負荷時，向儲能系統充電，剩余功率則送入電網；當太陽能發電系統輸出功率小于系統負荷時，由儲能系統補充，功率不足部分由電網補充。

圖4 儲能系統功率控制邏輯圖

考慮到電池儲能系統維持額定電壓的需要，在功率控制中引入了電池電壓b與額定電壓bn偏差。系統負荷L由系統功率s、太陽能發電系統輸出功率pv和電池輸出功率b共同供給。為分析通過補償有功功率控制電壓的效果，電池儲能系統變流器無功功率定值ref設為0。

3 仿真分析

為了驗證利用儲能系統補償有功功率變化支持電網電壓的效果，對以上方案在PSCAD/EMTDC 軟件中進行了仿真，建模參數如下。模擬太陽能發電儲能系統并入的電力網絡電壓為15kV，頻率為50Hz。電網用電壓源表示，表示電網的電壓源內部電阻阻值設定為0。參考典型的配電網絡參數，連接太陽能發電儲能系統與電網的輸電線路參數設定為0.544+j0.152W/km，線路長度設定為10km。電網負荷設為恒定負荷，用軟件內固定負荷模型表示，設置為10MW。本文分析重點是儲能系統應用，太陽能發電系統用等效可控電壓源來表示。通過改變電壓源電壓相角來模擬太陽能發電輸出功率的變化，控制參數變化情況見表1。

電池用軟件內模型表示，額定電壓選為1.2kV，容量選為10kA·h。仿真分析情況如下。

表1 太陽能發電系統輸出功率變化控制參數

3.1 無儲能系統

首先模擬了系統在沒有儲能系統接入情況下，太陽能發電系統功率發生變化時電網電壓波動情況。系統電壓波動仿真情況如圖5所示。圖中L、pv、1和b分別表示負荷電壓、太陽能并網點電壓、儲能系統變流器交流側電壓和電池電壓。

圖5 無儲能系統電網電壓波動情況

當太陽能發電系統輸出功率在0.5s內從24.76MW降為5.85MW時，電網電壓從15.75kV降到了14.07kV。此時電網電壓低于系統額定電壓的0.95倍（14.25kV），這也是系統運行中允許的最低電壓。

3.2 儲能系統電壓支持

為了比較儲能系統在不同參數電網中對電壓支持的效果，對電網阻抗電壓比小于1、等于1和大于1的3種情況分別進行了仿真，具體情況如下。

1）電網阻抗電壓比小于1

設定電網參數=5.66W，=5.44W，=1.57W。對太陽能發電系統輸出功率變化時儲能系統參與電網功率電壓調節的情況進行了仿真，功率和電壓變化仿真情況分別如圖6和圖7所示。圖中pv、b、s和L分別表示太陽能發電系統輸出功率、電池輸出功率、系統輸送功率和負荷功率。L、pv、1和b分別表示負荷電壓、太陽能并網點電壓、儲能系統變流器交流側電壓和電池電壓。

由圖6和圖7可以看出，當太陽能發電系統輸出有功功率從24.33MW降到4.89MW時，并網點母線電壓從14.57kV降到了13.15kV。此時，儲能系統從吸收有功功率快速轉變為釋放有功功率，彌補了太陽能輸出功率降低導致的負荷功率降低，并網點電壓也迅速從最低點恢復到了先前水平。當太陽能發電系統輸出有功功率恢復時，電池儲能系統輸出有功功率迅速降低，接著轉換為吸收有功功率，并網點電壓也經歷了一個短暫的升高降低后恢復到了正常運行水平。

圖6 有功功率變化情況

圖7 電網電壓變化情況

2）電網阻抗電壓比等于1

設定電網參數=5.66W，=4W，=4W。對太陽能發電系統輸出功率變化時儲能系統參與電網功率電壓調節的情況進行了仿真，功率和電壓變化仿真情況分別如圖8和圖9所示。圖中pv、b、s和L分別表示太陽能發電系統輸出功率、電池輸出功率、系統輸送功率和負荷功率。L、pv、1和b分別表示負荷電壓、太陽能并網點電壓、儲能系統變流器交流側電壓和電池電壓。

由圖8和圖9可以看出，當太陽能發電系統輸出有功功率從24.33MW降到4.89MW時，并網點母線電壓從15.38kV降到了13.53kV。此時儲能系統從吸收有功功率快速轉變為釋放有功功率，彌補了太陽能輸出功率降低導致的負荷功率降低，但并網點電壓并未從最低點恢復到先前水平。當太陽能發電系統輸出有功功率恢復時，電池儲能系統輸出有功功率迅速降低，接著轉換為吸收有功功率，并網點電壓恢復到了正常運行水平。在這種情況下，并網點電壓在有功功率變化時沒出現瞬時升高情況，但儲能系統通過有功功率補償并不能完全補償并網點電壓降低。

圖8 有功功率變化情況

圖9 電網電壓變化情況

3）電網阻抗電壓比大于1

設定電網參數=5.66W，=1.79W，=5.37W。對太陽能發電系統輸出功率變化時儲能系統參與電網功率電壓調節的情況進行了仿真，功率和電壓變化仿真情況分別如圖10和圖11所示。圖中pv、b、s和L分別表示太陽能發電系統輸出功率、電池輸出功率、系統輸送功率和負荷功率。L、pv、1和b分別表示負荷電壓、太陽能并網點電壓、儲能系統變流器交流側電壓和電池電壓。

由圖10和圖11可以看出，當太陽能發電系統輸出有功功率從24.33MW降到4.89MW時，并網點母線電壓從14.98kV降到了13.52kV。此時，儲能系統從吸收有功功率快速轉變為釋放有功功率，彌補了太陽能輸出功率降低導致的負荷功率降低，但并網點電壓并未從最低點恢復到先前水平。當太陽能發電系統輸出有功功率恢復時，電池儲能系統輸出有功功率迅速降低，接著轉換為吸收有功功率，并網點電壓恢復到了正常運行水平。這種情況下，并網點電壓在功率變化時沒出現瞬時升高情況，但儲能系統通過有功功率補償并不能完全補償并網點電壓降低。

圖10 有功功率變化情況

圖11 電網電壓變化情況

4 結論

儲能系統已經成為支持現代電力系統運行的重要技術之一。作為最具有工程應用前景的電池儲能系統，在支持太陽能并網運行時不僅發揮了平抑輸出功率波動支持電網調頻的功能，而且對太陽能發電系統輸出功率驟變造成的中低壓配電網電壓波動具有調節作用。系統仿真分析表明，電池儲能系統對于電抗電阻比小于1的電網電壓支持作用效果更好。

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Study on Voltage Support Technology of Battery Energy Storage System

Li Xiandong Shi Yuechun

(Yellow River Water and Hydroelectric Development Corporation, Jiyuan, He’nan 459017)

To study voltage support function of energy storage system, the feasibility of solving voltage fluctuation problem induced by solar power generation system by energy storage system has been analyzed. In order to solve the problem of voltage fluctuation in electric power network induced by quick change of active power from solar power generation system, scheme of compensating the quick changing active power by battery energy storage system is designed, regulating voltage of electric power network. Voltage support function of energy storage system for electric power network with different ratios of inductance and resistance in three cases has been simulated. Simulation results show that fluctuation of voltage induced by solar power generation system in electric power network with lower ratio of inductance and resistance can be solved more effectively by active power compensation with battery energy storage system.

energy storage system; voltage support; solar power; generation

李憲棟（1977-），男，河南林州人，碩士，高級工程師，主要從事發變電系統運行和維護技術工作。