新型電力系統光儲有源配電網運行適應性研究

王振丹，丁奎平

（國網平涼供電公司，甘肅 平涼 744000）

在提出“雙碳”目標和構建新型電力系統后，我國在很大程度上提升了10 kV 及以下電壓等級配電網可裝分布式光伏（PhotoVoltaic，PV） 的數量，其兼具了潮流雙向性、波動性、隨機性等特點，使得傳統配電網向著有源化負荷饋線、接入高滲透率分布式光伏方向發展，提高了對系統穩定運行方面的要求。現如今，將一定儲能裝置配備在分布式光伏發電系統中形成光儲有源配電網，可借助儲能系統使分布式光伏發電出力的波動降低，不但可以發揮出光伏發電的優點，還可以有效控制其接入后對配電網的不良影響，現階段已經發展成為優化分布式光伏并網運行質量的關鍵方法。近年來，光儲有源配電網運行適應性受到了很多學者的關注，但是在研究過程中大多只分析機理理論或針對少數運行指標，研究內容覆蓋面較窄，在研究過程中不重視實證分析，導致相關研究結果不夠系統、全面。本文將在現有學者研究成果的基礎上，以某10 kV 饋線配電網為例，運用仿真驗證的方法，深入分析光伏有源配電網電壓適應性和運行策略。

1 光儲有源配電網概述

1.1 儲能和光伏配電網拓撲

中低壓配電網集中式儲能（BESS）、本地負荷、分布式光伏的常見結構為儲能和光伏配電網拓撲，見圖1。

圖1 儲能和光伏配電網拓撲

在圖1 中，接入饋線的集中式儲能和分布式光伏分別用GES、GPVj、GPVi表示，10 kV 饋線的等值阻抗用Z12、Z13表示，結合運行方式和調度指令變化，10 kV 饋線轉變離網模式或并網模式。

在分布式光伏并網發電系統中，光伏陣列中輸入的直流電能會通過逆變器轉變為交流電能并流入交流電網[1]。普通的光伏發電系統僅具備較低的無功調節能力或不具備無功調節能力；為了更加充分地利用太陽能，相關人員大多使用P/Q 控制策略的方式控制光伏發電系統，盡管此種方式具有可靠、操作簡單等優勢，然而其電壓和頻率存在穩定性較差的問題。

光伏并網逆變器控制方式為雙閉環控制，其中內環控制運用電機定子、轉子磁場同步旋轉坐標系（dq 旋轉坐標系） 下的電流內環控制；外環控制分為有功功率及直流電壓控制環節和最大功率跟蹤控制環節。

蓄電池儲能系統中蓄電池的電壓能夠通過串聯的方式使電池端電壓達到母線需要的強度，然后再利用儲能變流器完成三相交流電網接入。除此之外，出于使用儲能系統保證配電網運行穩定的目的，相關人員大多使用下垂控制的方式控制儲能系統，其優勢是在沒有通信模塊的支持下就可以合理分配各分布式電源之間的負荷功率，在進行兩種配電網運行模式切換時，兩者可使用同一個運行策略；在配電網獨立運行時，仍然具備規定范圍內的頻率偏差和電壓偏差，儲能裝置可按照實際情況調整出力，當出現允許范圍外的頻率偏差或電流偏差時，儲能裝置逆變器可以在短時間內做出針對性動作，從而轉變為電壓頻率變換（Voltage/Frequency，V/F） 控制模式，以此為配電網的頻率和電壓提供有效支撐[2]。

1.2 電壓偏差

想要保證分布式光伏在引入配電網中后不會出現系統電壓偏差超過標準的情況，在配電網常規運行情況下，需要各負荷均能滿足供電電壓的規范性要求。而在電能質量評價中，電壓偏差屬于十分關鍵的指標，其需要使用的計算公式為

式中：Um為實測電壓；UN為標稱電壓。通過相關研究結果可知，在380 V 和10 kV 配電網中，需要控制±7%標稱電壓范圍內的三相供電電壓偏差。

2 光儲有源配電網運行適應性分析

2.1 配電網接入分布式光伏的電壓適應性

為了保證本次研究工作的科學性和可行性，本文將以圖2 所示系統開展具體的研究工作。其中，i處節點的電壓值用Ui表示；i處節點的本地負荷視在功率用SLi，eq表示；i處節點接入光伏電源出力用SPVi，eq表示；并使用Ri+jXi阻抗的線路連接節點j和節點i。

圖2 系統示意圖

因為中、低壓配電網中存在較大的R/X 值，所以系統有功分布和無功分析一樣均會影響電網電壓。在配電網接入分布式光伏后，因為配電線路會受到光伏電源的無功和有功支持，所以將會降低各負荷節點之間的電壓降落程度，并擁有更大的并網節點電壓[3]。同時，本地負荷也會受到接入分布式光伏的功率支撐，饋線在進行遠距離傳輸時將出現更低的網損。

另外，分布式光伏的容量和接入位置能夠影響并網節點電壓變化，當分布式光伏具備較大光照幅度和容量且以線路末端為接入位置時，光伏電源將發出比當地負荷更大的有功功率，配電網中有一定概率產生倒送功率的情況，將會提高配電網線路末端電壓，并且在增加光伏出力的過程中將持續提升線路末端電壓，最終致使負荷節點出現比允許值更高的電壓偏差，進而產生高電壓現象。在此情況下，深入分析配電網中多節點接入分布式光伏的運行策略，可在實際工作中發揮重要作用。

2.2 在各種場景下光伏有源配電網運行策略

根據以上研究結果可知，在中、低壓配電網中的R/X值必然處于較高水平，因為改變無功功率可在較小程度上調節電壓，所以在調節電壓的過程中應借助有功功率的作用，但是在將光伏有功功率削減后會對其經濟性產生不良影響[4]。因此，在多點接入分布式光伏時，在合理配置集中式儲能系統后，可在光伏電源有功輸入不受影響的前提下，使儲能系統具備保供電、削峰填谷、保持能量平衡等功能。其展現方式主要為以下3 種：一是保持能量平衡。當存在不穩定的光伏電源負荷或出力時，相關能量波動會被儲能系統監測到，儲能變流器就會調整輸出功率，可避免光伏出力波動的不良影響，確保符合節點的電壓和頻率始終處于規范范圍內。二是削峰填谷。當光伏電源出力高于負荷時，儲能系統以節點電壓或頻率變化情況作為依據可準確計算出充電功率，隨后將超出相關標準的電量吸收回來，起到填谷效果；同理，當光伏電源出力比負荷更低時，儲能系統可以放出更多電量，從而發揮削峰作用。三是保供電。當有故障停電的情況發生在光伏或配電線路接入處時，儲能系統可獨立發揮支撐電源的作用，借助協調控制集中式儲能單元和分布式光伏單元，在實現最大程度上利用光伏電源、避免儲能系統過放過充、滿足負載要求等目標的基礎上，確保配電系統具備平衡功率，進而完成重要負荷保供電。

結合上文分析，不管10 kV 饋線處于哪種運行模式下，都需要保證其內部擁有穩定的頻率和電壓。同時，在10 kV 饋線切換運行模式的過程中，應在規定范圍內控制內部頻率、電壓幅值的變化幅度，倘若沖擊電流達到一定強度將嚴重影響系統穩定性。因此，本文在控制方式選擇中，將綜合運用對等控制和主從控制，對應運行模式以離網運行模式和并網運行模式為主，二者的轉換流程見圖3。

圖3 離網運行模式和并網運行模式的轉換流程

在大多情況下，10 kV 饋線都處于并網運行模式。當發現開關擁有無法滿足質量要求的電能質量或者變電站母線發生故障時，將在第一時間斷開出線連接，在主網覆蓋范圍中移除饋線，同時運行模式將變為離網運行模式，同時還將以V/F 控制開展儲能控制；當解決相關問題且主網正常運行后，出線開關將重新回到連接狀態，使用并網饋線運行模式，此時將以下垂控制實施儲能控制。

3 仿真驗證

在本次研究中，將以某10 kV 饋線作為分析對象。該饋線共擁有22.38 km 長度，配備了66 臺配電變壓器，可達到28 860 kV·A 的總容量。同時，共有7 個分布式光伏發電單元接入該配電系統中，各節點處分別擁有94.56 kW、80.38 kW、83.47 kW、57.38 kW、83.99 kW、121.91 kW、56.21 kW 光伏裝機容量，具備±0.95 的功率因數范圍。另外，該配電系統中配備了1 個集中式儲能單元，儲能單元分別擁有400 kW/h 額定容量和200 kW 額定功率。

初始儲能單元中的電池荷電狀態（State of Charge，SOC） 為0.8，分別以0.9 和0.1 作為SOC極限和SOC 最小限制，同時，以0.9 作為充放電效率。

3.1 電壓分布特性仿真

通過計算，分析配電網在接入7 個分布式光伏發電單元后影響電壓分布的情況。在光伏接入后，并網點在線路連接中傳輸功率將下降到更低水平，可降低線路兩端電壓降落幅度，在很大程度上提升了并網點電壓，并且在擁有越來越大光伏接入容量后，也持續增大并網點電壓，證明了上文中分析結果的準確性。然而，針對10 kV 目標在內的其他節點，因為基本沒有改變線路潮流，所以并未起到顯著的電壓抬升效果。另外，部分節點接入的光伏發電系統明顯擁有更大程度電壓抬升作用。通過分析得出結論，在變電站低壓側母線線路越遠距離接入光伏，光伏電源就能越顯著地提升并網點電壓[5]。這是因為在此過程中會不斷提升變電站開關與光伏接入點之間的電氣距離，電網影響光伏并網點的程度將越來越小，光伏接入可更明顯地影響并網點。

3.2 運行策略仿真

借助仿真，分析配電網中接入集中式儲能和分布式光伏后的運行策略。

1） 工況1。0 s，各節點接入光伏的光照強度均為1 000 W·m2，光伏電源總共擁有568.9 kW 的最大輸出功率，存在524.27 kV·A 線路所帶負荷；5 s，10 kV 饋線使用離網運行模式代替并網運行模式；20 s，切除134.14 kV·A 負荷；35 s，10 kV 饋線使用并網運行模式替代離網運行模式。

最終得知，在負載突變和切換運行模式的過程中，儲能系統在完成運行模式自動切換后，可在第一時間發揮保供電、控制系統保持能量平衡、削峰填谷的作用。同時在完成短時間過渡后，光伏系統依舊保持輸出最大功率。

2） 工況2。0 s，各節點接入光伏的光照強度均為1 000 W·m2，光伏電源總共擁有560.39 kW 的最大輸出功率，存在524.27 kV·A 線路所帶負荷；5 s，10 kV 饋線使用離網運行模式代替并網運行模式；20 s，光伏電源減少至510.63 kW 總出力；35 s，10 kV 饋線使用并網運行模式替代離網運行模式。

最終得知，當光照強度發生變化和運行模式不同時，儲能系統能夠滿足自動切換控制模式的要求，可在短時間內發揮出保供電、削峰填谷、控制系統保持能量平衡的作用。同時當光照強度不斷變化時，光伏逆變器借助電流內光控制的方式，可大幅度縮短動作時間，在經過短時間過渡后即可將輸出功率恢復到最大輸出功率狀態。

4 結束語

本次研究在DIgSILETN 仿真軟件平臺的基礎上，深入研究了某10 kV 配電網接入分布式光伏的實際情況，并從配電網電壓分布、整體控制等方面深入分析了配電網接入分布式光伏的適應性的問題，最終主要研究成果如下：一是在各種類型配電網中，若是分布式光伏滲透率處于較低水平，光伏僅能夠在較小程度上影響配電網；二是以某10 kV饋線配電網實際情況建立仿真模型，最終了解其在不同工況下的各參數變化特性，可以有效地保證有源配電網的安全性和穩定性。