新型電力系統(tǒng)光儲有源配電網(wǎng)運行適應性研究

欒思平，蘇適，楊家全

（云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650217）

0 前言

隨著構(gòu)建新型電力系統(tǒng)以及“雙碳”目標的提出，配電網(wǎng)10 kV 及以下電壓等級分布式光伏裝機不斷增加，其潮流隨機性、波動性、雙向性使得傳統(tǒng)配電網(wǎng)呈現(xiàn)高滲透率分布式光伏接入、負荷饋線有源化的特點，給系統(tǒng)穩(wěn)定運行提出了更高要求[1-2]。

為分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)配備一定儲能裝置組成光/儲有源配電網(wǎng)，利用儲能系統(tǒng)來平抑分布式光伏發(fā)電出力的波動，既能充分發(fā)揮光伏發(fā)電優(yōu)勢，又能有效降低其接入配電網(wǎng)后帶來的不利影響，已成為解決分布式光伏并網(wǎng)問題的有效手段[3-4]。

近年來，針對光/儲有源配電網(wǎng)的運行適應性研究得到較多關(guān)注。文獻[5]基于系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行約束，對海南電網(wǎng)常見典型接線形式的多種運行方式進行了消納能力評估并得出各類典型配電網(wǎng)的消納能力為相應配電網(wǎng)峰荷的20%～40%。文獻[6]提出一種考慮無功支撐的分布式光伏接入配電網(wǎng)電壓適應性分析方法。文獻[7-9]主要針對大規(guī)模光伏接入配電網(wǎng)對系統(tǒng)電壓造成的影響和無功電壓控制策略進行了研究。針對光/儲有源配電網(wǎng)中儲能配置問題，相關(guān)文獻分別基于優(yōu)化配置儲能總?cè)萘縖10]、改進多目標粒子群算法[11]、光-荷聯(lián)合時序場景[12]提出了有源配電網(wǎng)中儲能的優(yōu)化配置方法。針對光/儲有源配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制，文獻[13-20]分別從考慮儲能SOC 值的改進下垂和功率自適應控制、兼顧補償預測誤差和平抑波動、組網(wǎng)型電源協(xié)調(diào)控制、虛擬同步發(fā)電機功率協(xié)調(diào)與頻率優(yōu)化、虛擬阻抗及二次調(diào)頻調(diào)壓等多角度開展了光/儲有源配電網(wǎng)運行策略的研究。文獻[21]提出基于點估計法的有源配電網(wǎng)故障場景下的電壓暫降仿真與評估方法。

然而，現(xiàn)有分布式光伏接入配電網(wǎng)的研究和測試系統(tǒng)普遍基于改善電網(wǎng)的單一或某幾項運行指標和機理理論分析，結(jié)構(gòu)較為單一，尚未結(jié)合實際工程開展驗證，仍具有一定局限性。

為此，本文以云南大理某配電網(wǎng)的一條10 kV 饋線結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)為基礎，利用DIgSILENT 仿真軟件仿真和計算了分布式光伏和集中式儲能接入后配電網(wǎng)電壓分布和協(xié)調(diào)控制。首先介紹了光儲有源配電網(wǎng)的組成及控制，然后系統(tǒng)研究了光儲有源配電網(wǎng)的運行適應性，最后通過DIgSILENT 平臺仿真計算了穩(wěn)態(tài)運行模式下的電壓分布特性和暫態(tài)運行模式下的電壓、電流、有功和無功特性，驗證了所提有源配電網(wǎng)運行策略的正確性和有效性。

1 光儲有源配電網(wǎng)組成及控制

1.1 含光伏和儲能的配電網(wǎng)拓撲

中、低壓配電網(wǎng)集成分布式光伏（PV）、集中式儲能（BESS）和本地負荷的典型結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中，Z12、Z13分別為10 kV 饋線的等值阻抗，GPVi、GPVj和GES分別代表接入饋線的分布式光伏和集中式儲能，10 kV 饋線可根據(jù)調(diào)度指令和運行方式變化工作于并網(wǎng)模式或離網(wǎng)模式。

圖1 含光伏和儲能的配電網(wǎng)拓撲

分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組成及控制框圖如圖2 所示，即通過逆變器將光伏陣列（等效為電流源）輸出的直流電能變換成交流電能輸入交流電網(wǎng)。一般光伏發(fā)電不具有無功調(diào)節(jié)能力或僅具有很弱的無功調(diào)節(jié)能力，為最大程度利用太陽能，光伏發(fā)電系統(tǒng)始終采用P/Q 控制策略[19]，特點為控制簡單、可靠、易于實現(xiàn)，但頻率和電壓的穩(wěn)定性較差。

圖2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)組成及控制框圖

光伏并網(wǎng)逆變器采用雙閉環(huán)控制方式，外環(huán)控制分為兩部分：最大功率跟蹤控制（MPPT）和直流電壓及有功功率控制環(huán)節(jié)；內(nèi)環(huán)控制采用dq 旋轉(zhuǎn)坐標系下的電流內(nèi)環(huán)控制。

蓄電池儲能系統(tǒng)的組成如圖3 所示。蓄電池通過串聯(lián)將電池端電壓提升到直流母線所需的水平，再通過儲能變流器（PCS）接入三相交流電網(wǎng)。此外，為了通過儲能系統(tǒng)維持配電網(wǎng)穩(wěn)定運行，儲能系統(tǒng)一般采用下垂控制[19]，其特點是無需通信即可實現(xiàn)負荷功率在各分布式電源之間進行合理分配，離并網(wǎng)運行模式切換時無需改變控制策略；配電網(wǎng)孤島運行后，電壓偏差和頻率偏差在允許范圍內(nèi)時，儲能裝置可根據(jù)電壓偏差和頻率偏差調(diào)節(jié)出力，當電壓偏差或頻率偏差超出允許范圍，儲能裝置逆變器快速切換為V/F 控制，從而支撐配電網(wǎng)電壓和頻率。

圖3 儲能系統(tǒng)組成及控制框圖

對PCS 的控制采用雙閉環(huán)控制，將網(wǎng)側(cè)頻率和功率實際值與給定值的偏差作為PQ 控制器的輸入，控制器輸出為內(nèi)環(huán)參考電流idq_ref；通過內(nèi)環(huán)充放電控制模塊調(diào)節(jié)得到PCS 的交流調(diào)制波信號。

1.2 電壓偏差

本文考慮分布式光伏接入配電網(wǎng)后對系統(tǒng)電壓偏差的適應性。配電網(wǎng)正常運行時，要求各負荷的供電電壓必須滿足規(guī)范要求，而電壓偏差是電能質(zhì)量最主要的評價指標之一，其計算公式如下[22]：

式中，Um為實測電壓，UN為標稱電壓。

根據(jù)文獻[22]可知，10 kV 及380V 配電網(wǎng)三相供電電壓偏差為標稱電壓的±7%。

2 光儲有源配電網(wǎng)運行適應性分析

2.1 分布式光伏接入配電網(wǎng)電壓適應性

以圖4 所示的系統(tǒng)為例分析光伏接入配電網(wǎng)的電壓適應性。其中，Ui為節(jié)點i處的電壓值，SLi,eq為節(jié)點i處的本地負荷視在功率，SPVi,eq為節(jié)點i處接入光伏電源的出力。節(jié)點i與節(jié)點j通過阻抗為Ri+jXi的線路相連。

圖4 光伏接入配電網(wǎng)電壓適應性分析

由于中、低壓配網(wǎng)中R/X值較大，電網(wǎng)電壓除了受系統(tǒng)無功分布的影響還受有功分布的影響。光伏接入前，節(jié)點i與節(jié)點j之間的電壓降落ΔUi和線路i的有功損耗Piloss分別為：

將光伏發(fā)電系統(tǒng)接入到節(jié)點i處，此時，節(jié)點i與節(jié)點j之間的電壓降落ΔUi和線路i的有功損耗[1]Piloss分別變?yōu)椋?/p>

從式（4）可以看出，分布式光伏接入配電網(wǎng)后，由于光伏電源為配電線路提供了一定的有功和無功支撐，導致各負荷節(jié)點之間的電壓降落的程度降低，并網(wǎng)節(jié)點電壓增大；同時，從式（5）可以看出，分布式光伏接入后對本地負荷提供功率支撐，減少了饋線遠距離傳輸功率帶來的網(wǎng)損。

同時，并網(wǎng)點電壓變化與分布式光伏的接入位置和容量有關(guān)，當分布式光伏接入線路末端、容量較大且光照幅度較大時，光伏電源發(fā)出的有功功率大于當?shù)刎摵桑潆娋W(wǎng)中可能出現(xiàn)功率倒送的情況，導致配電網(wǎng)的線路末端電壓升高，且末端電壓隨著光伏出力的增加而升高，最終導致負荷節(jié)點的電壓偏差超出允許值出現(xiàn)高電壓現(xiàn)象。因此有必要進一步對分布式光伏多節(jié)點接入配電網(wǎng)后的運行策略進行分析。

2.2 不同場景下光儲有源配電網(wǎng)運行策略

根據(jù)2.1 分析，在中、低壓配網(wǎng)中R/X值較大，改變無功功率對電壓調(diào)節(jié)的作用有限，因此有必要利用有功功率來調(diào)節(jié)電壓，但削減光伏有功功率會影響其經(jīng)濟性。因此，針對分布式光伏多點接入的情況，通過配置一定的集中式儲能系統(tǒng)，在不影響光伏電源有功輸出的情況下，儲能系統(tǒng)可以兼具能量平衡、削峰填谷和保供電等功能。具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）能量平衡控制：在光伏電源出力或負荷出現(xiàn)波動時，儲能系統(tǒng)監(jiān)測到波動能量，儲能變流器隨即輸出調(diào)節(jié)功率值，以此抵消光伏出力波動，維持負荷節(jié)點電壓和頻率穩(wěn)定。

2）削峰填谷：當光伏電源出力大于負荷時，儲能系統(tǒng)根據(jù)節(jié)點電壓或頻率變化量計算充電功率，以此吸收多余電量，起到填谷作用；同理，當光伏電源出力小于負荷時，儲能系統(tǒng)通過放電在一定程度上起到削峰作用。

3）保供電：當配電線路或光伏接入處故障停電時，儲能系統(tǒng)作為孤網(wǎng)系統(tǒng)支撐電源，通過分布式光伏單元與集中式儲能單元之間協(xié)調(diào)控制，在滿足負載需求、防止儲能系統(tǒng)過充過放和最大效率利用光伏電源的情況下保證配電系統(tǒng)功率平衡，從而實現(xiàn)對重要負荷保供電。

根據(jù)1.1 節(jié)分析，一方面，無論10 kV 饋線處于并網(wǎng)運行還是離網(wǎng)運行，都必須保證其內(nèi)部電壓和頻率穩(wěn)定；另一方面，當10 kV 饋線在進行并/離網(wǎng)運行模式切換時，需保證其內(nèi)部電壓幅值、頻率沒有太大變化，不能有過大的沖擊電流導致系統(tǒng)失去穩(wěn)定。因此，本文采用主從控制與對等控制相結(jié)合的控制策略，如圖5所示。10 kV 饋線通常處于并網(wǎng)運行模式，當變電站母線發(fā)生故障或者檢測到出線開關(guān)的電能質(zhì)量不滿足要求時，迅速斷開出線開關(guān)，使饋線脫離主網(wǎng)轉(zhuǎn)為離網(wǎng)運行模式，儲能的控制方式由下垂控制轉(zhuǎn)為V/F 控制；當主網(wǎng)恢復正常運行時，合上出線開關(guān)使饋線重新并網(wǎng)運行，此時，儲能的控制方式由V/F 控制自動切換為下垂控制。

圖5 不同場景下光儲有源配電網(wǎng)運行策略

3 仿真驗證

本文以云南大理某10 kV 饋線為分析對象，其簡化接線布局如圖6 所示。該饋線全長22.38 km，具有配電變壓器66 臺，總?cè)萘?8860 kVA。在該配電系統(tǒng)節(jié)點25、27、29、32、47、48 和56 處共接入7 個分布式光伏發(fā)電單元，各節(jié)點處光伏裝機容量分別為56.21 kW、83.99 kW、112.91 k、57.38 kW、80.38 kW、83.47 kW 和94.56 kW，功率因數(shù)范圍為-0.95(超前)～+0.95(滯后)。同時，該配電系統(tǒng)配置1 個集中式儲能單元，儲能單元額定功率/額定容量為200 kW/400 kW·h，

圖6 含光伏和儲能某10 kV配電線路簡化示意圖

初始儲能單元的荷電狀態(tài)SOC 為0.8，SOC 最大和最小限制分別為0.9 和0.1，充放電效率均為0.9。

3.1 電壓分布特性仿真

針對上述7 個分布式光伏發(fā)電單元接入對配電網(wǎng)電壓分布的影響展開計算分析，電壓分布曲線結(jié)果如圖7 所示。由圖7 可知，光伏接入后，由于并網(wǎng)點所連線路傳輸?shù)墓β式档停€路兩端電壓降落減少，并網(wǎng)點電壓顯著抬升，且隨著光伏接入容量的增大，并網(wǎng)點電壓逐漸增大，驗證了2.1 節(jié)理論分析結(jié)果；但對于包括10 kV 母線在內(nèi)的其他節(jié)點，由于線路潮流基本不發(fā)生變化，電壓抬升的作用并不明顯。此外，節(jié)點47、48 和56 處接入的光伏發(fā)電系統(tǒng)，其對并網(wǎng)點電壓的抬升作用明顯高于光伏接入節(jié)點25、27、29 和32 處的并網(wǎng)點電壓，即光伏接入位置距離變電站低壓側(cè)母線的線路越長，光伏電源對并網(wǎng)點電壓的抬升作用越明顯。這是由于隨著光伏接入點與變電站出現(xiàn)開關(guān)之間的電氣距離的逐漸增大，光伏并網(wǎng)點受電網(wǎng)的影響逐漸減弱，并網(wǎng)點受光伏接入的影響就越明顯。

圖7 多點分布式光伏接入對電壓分布的影響

3.2 運行策略仿真

針對分布式光伏和集中式儲能接入配電網(wǎng)后的運行策略展開仿真分析。

工況1：0 s，各節(jié)點接入光伏的光照強度均設置為1000W·m2，光伏電源最大輸出功率共568.9 kW，線路所帶負荷為524.27 kVA；5 s，10 kV 饋線由并網(wǎng)運行切換為離網(wǎng)運行；20 s，切除節(jié)點1、2 和58 負荷共計134.14 kVA；35 s，10 kV 饋線由離網(wǎng)運行切換為并網(wǎng)運行。

圖8～圖10 為負荷變化及饋線運行模式切換時電壓和頻率變化曲線、儲能充放電特性曲線和功率變化曲線。從圖8～圖10 可知，當運行模式切換和負載突變時，儲能系統(tǒng)通過自動切換控制模式，能夠快速響應饋線電壓、頻率變化和實現(xiàn)系統(tǒng)能量平衡控制、削峰填谷和保供電；同時，經(jīng)歷短暫的過渡過程，光伏系統(tǒng)仍然維持最大功率輸出。

圖8 工況1的電壓和頻率變化曲線

圖9 工況1的儲能充放電特性曲線

圖10 工況1的有功功率和無功功率變化曲線

工況2：0 s，各節(jié)點接入光伏的光照強度均設置為1000 W·m2，光伏電源最大輸出功率共560.39 kW，線路所帶負荷為524.27 kVA；5 s，10 kV 饋線由并網(wǎng)運行切換為離網(wǎng)運行；20 s，節(jié)點29、32 接入光伏的光照強度由1000W·m2分別減少為200W·m2、150W·m2，光伏電源總出力由568.9 kW 減少為510.63 kW；35 s，10 kV 饋線由離網(wǎng)運行切換為并網(wǎng)運行。

圖11～圖13 為光照變化及饋線運行模式切換時光伏出力變化曲線、電壓和頻率變化曲線和功率變化曲線。從圖11～圖13 可知，當運行模式切換和光照強度變化時，儲能系統(tǒng)通過自動切換控制模式，能夠快速響應饋線電壓、頻率變化和實現(xiàn)系統(tǒng)能量平衡控制、削峰填谷和保供電；同時，光照強度變化時，光伏逆變器通過電流內(nèi)環(huán)控制的快速響應，其輸出功率經(jīng)歷短暫的過渡過程即可重新實現(xiàn)最大功率輸出。

圖11 工況2的光伏光照強度及出力變化曲線

圖12 工況2的電壓和頻率變化曲線

圖13 工況2的儲能及饋線功率變化曲線

4 結(jié)束語

本文利用DIgSILENT 仿真軟件，以云南大理某配電網(wǎng)一條10 kV 饋線為例，從配電網(wǎng)電壓分布、協(xié)調(diào)控制等方面開展了分布式光伏接入配電網(wǎng)的運行適應性分析，結(jié)論如下：

1）對于各類型的配電網(wǎng)，當分布式光伏的滲透率較低時，光伏并網(wǎng)給配電網(wǎng)帶來的影響有限；

2）根據(jù)云南大理某配電網(wǎng)的一條10 kV 饋線數(shù)據(jù)建模，仿真計算了穩(wěn)態(tài)運行模式下的電壓分布特性和暫態(tài)運行模式下的電壓、電流、有功和無功特性。