基于光儲(chǔ)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的配電網(wǎng)末端低電壓治理策略研究

丁天祥，楊黎暉，王淑嫻

（西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

0 前言

由于傳統(tǒng)火電在經(jīng)過長距離輸送后網(wǎng)損較大，在電網(wǎng)薄弱的城郊和偏遠(yuǎn)農(nóng)村，用戶側(cè)的用電質(zhì)量一直得不到保障。隨著新能源技術(shù)的成熟，光伏發(fā)電得到廣泛應(yīng)用，特別是分布式光伏發(fā)電因具有安裝簡便的優(yōu)勢(shì)，通過合理配置可以支撐電壓、降低網(wǎng)損，進(jìn)而緩解配電網(wǎng)末端的低電壓問題。此外，儲(chǔ)能可針對(duì)新能源功率不穩(wěn)定的問題進(jìn)行削峰填谷，在消納新能源時(shí)的功率儲(chǔ)備將增加潛在的虛擬慣性容量，隨著近幾年儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展和成熟，儲(chǔ)能也為配電網(wǎng)末端低電壓治理帶來了新思路。

近年來利用分布式光伏和儲(chǔ)能提升供電質(zhì)量的研究逐漸成為熱點(diǎn)。關(guān)于采用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行低電壓治理方面，文獻(xiàn)[1]使用粒子群優(yōu)化算法計(jì)算分布式光伏的最優(yōu)出力進(jìn)而治理低電壓問題，但是文中并未對(duì)新能源波動(dòng)所導(dǎo)致的過電壓問題提出解決方案。文獻(xiàn)[2]將光伏系統(tǒng)逆變器加入無功補(bǔ)償控制來進(jìn)行調(diào)壓，但是也沒有考慮光伏有功輸出過多而引起的過電壓問題。在采用儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行低電壓治理方面，文獻(xiàn)[3]使用電池儲(chǔ)能接入電壓薄弱點(diǎn)來應(yīng)對(duì)電壓波動(dòng)，提升電壓穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[4]在靜止無功發(fā)生器中加入儲(chǔ)能，通過有功無功協(xié)調(diào)控制來治理電壓偏低的問題，但儲(chǔ)能容量較小，在配電網(wǎng)高阻抗比情況下無法發(fā)揮更大的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于采用光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)進(jìn)行低電壓治理方面，文獻(xiàn)[5]分別使用光伏和儲(chǔ)能對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行獨(dú)立的調(diào)壓控制，但沒有對(duì)二者進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。文獻(xiàn)[6]使用粒子群算法通過對(duì)光伏和儲(chǔ)能的發(fā)電特性進(jìn)行優(yōu)化進(jìn)而穩(wěn)定電壓，但是需要考慮通信延遲且計(jì)算量大，無法保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)一種考慮通信延遲的光儲(chǔ)調(diào)壓策略，通過分配各個(gè)分布式電源的負(fù)載可以有效穩(wěn)定電壓，但是該方法沒有結(jié)合無功進(jìn)行調(diào)壓。總之，目前對(duì)于如何協(xié)調(diào)光儲(chǔ)系統(tǒng)輸出的有功功率，以及如何協(xié)同有功和無功功率以治理饋線末端電壓偏低問題的研究仍較少。

本文針對(duì)配電網(wǎng)末端低電壓問題，提出一種結(jié)合無功調(diào)壓的光儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制策略。對(duì)于光伏系統(tǒng)，在目標(biāo)電壓未越限和越限時(shí)分別采用最大功率點(diǎn)跟蹤（Max Power Point Tracking,MPPT）控制和限功率控制，在最大化能量利用率的同時(shí)將目標(biāo)電壓控制在給定范圍內(nèi)。對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)，在光伏處于MPPT 模式時(shí)采用功率環(huán)控制以補(bǔ)充光伏輸出功率的不足；在光伏處于限功率模式時(shí)采用逆變器直流側(cè)電壓環(huán)控制，以穩(wěn)定逆變器直流側(cè)電壓，進(jìn)而穩(wěn)定輸出功率；在有功功率不足的情況下，采用基于目標(biāo)點(diǎn)電壓的無功控制策略以協(xié)同有功功率共同支撐電網(wǎng)電壓。最后，通過仿真結(jié)果驗(yàn)證所提控制策略的有效性。

1 分布式光儲(chǔ)系統(tǒng)的工作原理

1.1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)

本文的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)采用兩級(jí)式并網(wǎng)結(jié)構(gòu)，光伏電池通過前級(jí)Boost 電路和后級(jí)逆變器并入電網(wǎng)，前級(jí)DC/DC 變換器實(shí)現(xiàn)可限功率的MPPT 控制，后級(jí)DC/AC 變換器基于電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制，通過前饋解耦實(shí)現(xiàn)電流逆變并網(wǎng)的功能。光伏系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中，upv和ipv分別為光伏電池的輸出電壓和電流；udc為逆變器直流側(cè)電壓；L、L1和C1分別是逆變橋?yàn)V波電感，前級(jí)DC/DC 變換器的電感和電容。ia,b,c、ea,b,c、id,q和ed,q分別是三相光伏并網(wǎng)電流、電網(wǎng)電壓，dq變換后的光伏并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓。

圖1 兩級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浼翱刂平Y(jié)構(gòu)

1.2 分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)

本文采用電池儲(chǔ)能裝置，通過雙向DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)，其拓?fù)淙鐖D2 所示。其中，C2，C3和L2分別是雙向DC/DC 變換器的逆變器側(cè)電容，儲(chǔ)能側(cè)電容和電感。當(dāng)儲(chǔ)能電池放電時(shí)，雙向DC/DC 變換器工作在Boost模式，此時(shí)T2管閉合，T1管工作。當(dāng)儲(chǔ)能電池充電時(shí)，雙向DC/DC 變換器工作在Buck 模式，此時(shí)T1管閉合，T2管工作。

圖2 儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)?/p>

1.3 分布式光儲(chǔ)系統(tǒng)

光儲(chǔ)系統(tǒng)由光伏電池、光伏側(cè)DC/DC 變換器和逆變器、儲(chǔ)能電池、儲(chǔ)能雙向DC/DC 變換器組成，儲(chǔ)能系統(tǒng)并聯(lián)在光伏逆變器的直流側(cè)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。儲(chǔ)能系統(tǒng)通過充放電平抑光伏系統(tǒng)輸出有功功率的波動(dòng)。

圖3 光儲(chǔ)并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)?/p>

2 基于光儲(chǔ)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的配電網(wǎng)末端低電壓治理策略

2.1 光伏可限功率的控制策略

在儲(chǔ)能容量有限的情況下無法完全平抑光伏有功功率的波動(dòng)，功率時(shí)刻波動(dòng)的分布式電源無法穩(wěn)定地進(jìn)行電壓支撐，進(jìn)而影響對(duì)末端低電壓的治理效果。因此對(duì)光伏系統(tǒng)采取MPPT和限功率相結(jié)合的控制策略，即在儲(chǔ)能以最大功率消納光伏系統(tǒng)所輸出的功率但仍致使目標(biāo)電壓超出限值時(shí)采用限功率控制模式，其他情況為提高能量利用率采用MPPT 控制模式。

光伏可限功率的控制策略通過調(diào)節(jié)光伏電池前級(jí)DC/DC 變換器開關(guān)信號(hào)的占空比實(shí)現(xiàn)有功功率控制的目標(biāo)。圖4 是光伏電池輸出有功功率控制算法的邏輯圖，其中U(k)、I(k) 和Eg(k)分別是光伏采樣電壓、光伏采樣電流和電網(wǎng)目標(biāo)點(diǎn)采樣電壓。Δu和Plim分別是U(k) 與U(k-1) 的差值和目標(biāo)電壓達(dá)到上限且儲(chǔ)能處于最大消納功率時(shí)光伏所允許輸出的最大功率，Eglim為電網(wǎng)目標(biāo)點(diǎn)電壓的上限值。當(dāng)電網(wǎng)目標(biāo)點(diǎn)電壓小于上限值且光伏輸出功率小于上限值時(shí)，采用邏輯圖右側(cè)的擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大功率跟蹤控制。當(dāng)電網(wǎng)目標(biāo)點(diǎn)電壓大于上限值且光伏輸出功率大于上限值時(shí)，采用左側(cè)的限功率控制減小光伏功率輸出，避免目標(biāo)點(diǎn)過電壓。

圖4 光伏限功率控制邏輯

圖5 為光伏電池輸出功率控制的結(jié)構(gòu)圖，通過檢測(cè)光伏輸出電流和電壓計(jì)算輸出功率，并將實(shí)際輸出功率與限定值Plim的差值輸入PI控制器，PI 控制器的輸出與MPPT 的調(diào)制波進(jìn)行比較。當(dāng)光伏輸出功率未超出限定功率時(shí)，PI 控制器輸出為負(fù)數(shù)，此時(shí)光伏系統(tǒng)工作在MPPT 模式；當(dāng)光伏輸出功率超出限定功率時(shí)，功率差經(jīng)過PI 控制器輸出為正數(shù)，PI 輸出超過MPPT 調(diào)制波時(shí)進(jìn)行模式切換，Δu將會(huì)乘系數(shù)-1來進(jìn)行反方向電壓控制，進(jìn)而限制光伏輸出功率的大小。

圖5 限功率控制原理

2.2 儲(chǔ)能控制策略

通過控制儲(chǔ)能雙向DC/DC 變換器，在儲(chǔ)能電池充/放電時(shí)使用不同的控制策略可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定逆變器直流側(cè)電壓udc和協(xié)助光伏系統(tǒng)支撐電壓的作用。

在光伏輸出功率可以獨(dú)立支撐電壓且有剩余功率時(shí)，儲(chǔ)能電池進(jìn)行充電。此時(shí)雙向DC/DC 變換器處于Buck 模式，直流電壓給定udcpre與udc比較后的差值經(jīng)過PI 控制器后得到PWM發(fā)生器的輸入信號(hào)。通過穩(wěn)壓控制防止因光伏輸出功率過大而導(dǎo)致逆變器直流側(cè)電壓udc過高，進(jìn)而保證光儲(chǔ)系統(tǒng)的穩(wěn)定，其原理圖如圖6(a)所示。

在光伏輸出功率不足以支撐電壓時(shí)，儲(chǔ)能電池進(jìn)行放電。此時(shí)雙向DC/DC 變換器處于Boost 模式，光儲(chǔ)給定輸出功率Pref與光儲(chǔ)輸出功率P作差后通過PI 控制器，得到DC/DC 變換器電感電流給定值Ilref并與DC/DC 變換器電感電流Il做差，其結(jié)果經(jīng)過PI 控制器后作為PWM 發(fā)生器的輸入信號(hào)，其原理圖如圖6(b)所示。通過電壓外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)的控制結(jié)構(gòu)可以獲得相對(duì)單環(huán)控制更好的動(dòng)態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)在光伏系統(tǒng)出力波動(dòng)時(shí)及時(shí)地平抑波動(dòng)，進(jìn)而保證光儲(chǔ)系統(tǒng)輸出功率的穩(wěn)定。

圖6 儲(chǔ)能DC-DC模塊控制策略

2.3 基于光儲(chǔ)系統(tǒng)協(xié)調(diào)的低電壓治理策略

簡化的配電網(wǎng)饋線如圖7 所示，其中，VN為節(jié)點(diǎn)N的電壓值、PN、QN表示從上游節(jié)點(diǎn)流入節(jié)點(diǎn)N的有功和無功功率、PGN、QGN表示從光儲(chǔ)系統(tǒng)所發(fā)出的有功和無功功率，RN、XN表示線路的電阻和電抗值。

圖7 簡化的配電網(wǎng)饋線

根據(jù)DistFlow 潮流方程[8]，節(jié)點(diǎn)N與節(jié)點(diǎn)N-1 的電壓關(guān)系可表示為：

其中最后一項(xiàng)較小，因此通常進(jìn)行忽略而得到：

由式(2)可以看出，節(jié)點(diǎn)N的電壓與節(jié)點(diǎn)N-1的電壓和饋線所傳輸?shù)墓β视嘘P(guān)。當(dāng)分布式光儲(chǔ)系統(tǒng)并網(wǎng)功率大于負(fù)荷需求時(shí)，供電線路上的倒送功率將會(huì)抬升光儲(chǔ)并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的電壓，并且在配電網(wǎng)高阻抗比的情況下，注入有功功率的電壓抬升效果好于注入無功功率。

因此，在白天太陽能資源豐富時(shí)，結(jié)合配電網(wǎng)高阻抗比的特性，光儲(chǔ)系統(tǒng)通過輸出有功功率實(shí)現(xiàn)支撐電壓的目標(biāo)，光伏系統(tǒng)在目標(biāo)點(diǎn)電壓幅值達(dá)到預(yù)設(shè)目標(biāo)且滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)蓄能需求的情況下，對(duì)部分光伏電池實(shí)施限功率控制。儲(chǔ)能系統(tǒng)用于平抑光伏系統(tǒng)的有功波動(dòng)。但在夜晚，由于光伏系統(tǒng)無有功輸出且儲(chǔ)能電池所蓄能量有限，所以僅使用有功功率抬升電壓有時(shí)無法滿足低電壓治理的需求。此時(shí)，就需要通過逆變器輸出無功功以協(xié)助支撐電壓。

在進(jìn)行有功無功協(xié)調(diào)出力時(shí)，逆變器輸出無功功率主要受以下兩點(diǎn)限制：①在逆變器輸出給定有功功率時(shí)，逆變器輸出無功功率需在容量范圍內(nèi)，逆變器中流過的電流超出最大允許電流將會(huì)擊穿開關(guān)管。②在逆變器容量范圍內(nèi)需要考慮直流側(cè)電壓大小。當(dāng)調(diào)制比過大時(shí)，逆變器的開關(guān)管會(huì)因輸出無功功率而頻繁導(dǎo)通，進(jìn)而無法進(jìn)行準(zhǔn)確地電流跟蹤，導(dǎo)致輸出電流發(fā)生畸變[8]。所以需要綜合考慮逆變器容量、儲(chǔ)能功率和供電質(zhì)量，設(shè)計(jì)有功無功協(xié)調(diào)出力的控制策略[9]。為延長儲(chǔ)能系統(tǒng)供電時(shí)間，本文設(shè)計(jì)在夜間儲(chǔ)能系統(tǒng)以額定功率的1/5 輸出有功功率，并在逆變器容量剩余的情況下輸出無功功率以協(xié)助支撐電壓。

本文采用基于目標(biāo)點(diǎn)電壓幅值的無功功率控制策略，其調(diào)壓原理圖8 所示。在電壓位于0.99 pu～1.01 pu 之間時(shí)，電壓幅值在允許范圍內(nèi)，此時(shí)不輸出無功參與調(diào)壓；在電壓于0.99 pu～0.95 pu 之間時(shí)，依據(jù)電壓跌落程度成比例地輸出無功功率；電壓低于0.95 pu 時(shí)由于容量限制不再增大無功功率輸出。當(dāng)高于額定電壓時(shí)，調(diào)壓原理與低于額定電壓時(shí)的相同。

圖8 調(diào)壓策略原理

上述無功輸出的策略可用公式表達(dá)為：

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所提基于光儲(chǔ)系統(tǒng)協(xié)調(diào)的低電壓治理策略的可行性，在Matlab/Simulink 中搭建如圖9 所示的仿真模型。設(shè)定10 kV 配電網(wǎng)的每千米線路阻抗為0.641+j0.377Ω，負(fù)載滿載時(shí)有功功率為500 kW，無功功率為300 kVar。光儲(chǔ)系統(tǒng)各仿真參數(shù)如表1 所示。

圖9 分布式光儲(chǔ)系統(tǒng)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)

表1 仿真參數(shù)

3.1 光伏輸出功率

首先進(jìn)行光伏可限定功率控制的仿真，設(shè)定外界條件為恒溫25℃，光照由0 s 至1.4 s 逐漸增大，保持峰值后于1.6 s 開始下降，在3.5 s時(shí)下降至0。圖10 為MPPT 控制和限功率控制下光伏電池端口電壓和輸出功率的對(duì)比，由圖10(a)可以看到，在傳統(tǒng)MPPT 模式下光伏電池電壓在最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的區(qū)間波動(dòng)，而限功率控制降低光伏輸出電壓使其低于最大功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓區(qū)間，進(jìn)而達(dá)到限制光伏功率輸出的目標(biāo)。由圖10(b)可以看到，通過光伏可限功率技術(shù)，光伏起初可以追蹤最大功率，在達(dá)到給定最大功率200 kW時(shí)保持在給定值，不再繼續(xù)增大。

圖10 光伏系統(tǒng)在兩種有功控制模式下的仿真結(jié)果

3.2 光儲(chǔ)協(xié)調(diào)出力

儲(chǔ)能雙向DC/DC 變換器的控制參數(shù)如表2所示。

表2 儲(chǔ)能變換器PI控制器參數(shù)

光儲(chǔ)系統(tǒng)協(xié)調(diào)出力的輸出功率如圖11 所示。0～1 s 時(shí)光伏功率不足500 kW，儲(chǔ)能此時(shí)處于Boost 模式進(jìn)行補(bǔ)充出力，光儲(chǔ)功率很快達(dá)到給定的500 kW；在1～2 s 時(shí)光伏輸出功率大于500 kW，此時(shí)儲(chǔ)能切換為Buck 模式吸收多余的功率；2～4 s 時(shí)光伏出力變小，儲(chǔ)能系統(tǒng)在這個(gè)過程中持續(xù)補(bǔ)充光伏輸出功率，維持光儲(chǔ)系統(tǒng)輸出功率的穩(wěn)定。

圖11 光儲(chǔ)協(xié)調(diào)有功出力的仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果說明所采取的控制策略在新能源功率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，能夠快速響應(yīng)響應(yīng)功率變化，及時(shí)進(jìn)行模式切換，使光儲(chǔ)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)新的穩(wěn)態(tài)平衡從而穩(wěn)定輸出。

3.3 低電壓治理效果

圖12 為負(fù)載處電壓標(biāo)幺值和光儲(chǔ)系統(tǒng)向電網(wǎng)注入的有功功率圖，設(shè)定白天時(shí)光伏輸出功率500 kW。無功不參與調(diào)壓，在1 s 時(shí)光儲(chǔ)系統(tǒng)向電網(wǎng)注入500 kW 有功功率，負(fù)載處電壓標(biāo)幺值由0.92 pu 升至0.95 pu，滿足10 kV 等級(jí)電網(wǎng)電壓范圍在-7%～+7%的要求。

圖12 滿載情況下低電壓治理的仿真結(jié)果

考慮到夜晚功率需求降低的情況，設(shè)定負(fù)載為滿載時(shí)的1/2，即負(fù)載消耗有功功率250 kW，無功功率150 kVar。圖13 為負(fù)載處電壓標(biāo)幺值和光儲(chǔ)系統(tǒng)向電網(wǎng)注入的功率，于1 s和2 s 依次注入100 kW 有功功率和由調(diào)壓策略所給定的無功功率，由圖中可以看到在有功功率有限的情況下，注入無功功率對(duì)于電網(wǎng)電壓抬升有明顯效果。

圖13 部分負(fù)載情況下低電壓治理的仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

本文針對(duì)電網(wǎng)薄弱地區(qū)配電網(wǎng)末端電壓偏低的問題，提出一種光儲(chǔ)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略，使光儲(chǔ)系統(tǒng)在光伏發(fā)電波動(dòng)的情況下能為電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電壓支撐；在有功功率不足時(shí)協(xié)調(diào)無功功率以共同支撐目標(biāo)點(diǎn)電壓。經(jīng)仿真驗(yàn)證，本文所提控制策略可實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）光伏逆變器通過主動(dòng)限功率技術(shù)，有效控制新能源功率為給定值，實(shí)現(xiàn)源-荷功率平衡。

2）在光伏功率變化時(shí)，儲(chǔ)能能夠快速進(jìn)行功率的消納與補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)光儲(chǔ)系統(tǒng)功率輸出的穩(wěn)定。

3）在新能源發(fā)電與負(fù)載需求變化的情況下，協(xié)調(diào)控制有功和無功的出力以實(shí)現(xiàn)抬升配電網(wǎng)末端電壓的目標(biāo)。

該策略可通過光伏儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)控制，提升分布式發(fā)電的主動(dòng)支撐能力，從而有效解決配電網(wǎng)末端的低電壓問題。