李憲棟 石月春

電池儲能系統(tǒng)電壓支持技術(shù)仿真研究

李憲棟 石月春

（黃河水利水電開發(fā)總公司，河南濟(jì)源 459017）

為了研究儲能系統(tǒng)的電壓支持功能，本文分析了利用儲能系統(tǒng)解決太陽能發(fā)電系統(tǒng)引起的電網(wǎng)電壓波動問題的可行性。針對太陽能發(fā)電系統(tǒng)輸出功率驟變引起的電網(wǎng)電壓波動問題，設(shè)計(jì)了利用電池儲能系統(tǒng)來補(bǔ)償快速變化的有功功率的方案，來實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)電壓的調(diào)節(jié)。對儲能系統(tǒng)在不同電抗電阻比的3種電網(wǎng)參數(shù)情況下的電壓調(diào)節(jié)功能進(jìn)行了仿真分析。分析結(jié)果顯示，在電抗電阻比較低的電網(wǎng)中，儲能系統(tǒng)通過補(bǔ)償有功功率可以更有效地解決太陽能發(fā)電引起的電網(wǎng)電壓波動問題。

儲能系統(tǒng)；電壓支持；太陽能；發(fā)電

以太陽能和風(fēng)能為代表的新型清潔可再生能源是能源領(lǐng)域的新選擇。間歇性和不穩(wěn)定性是這類能源的明顯缺點(diǎn)，也是這些能源接入電力系統(tǒng)的難點(diǎn)。儲能系統(tǒng)成為支持新能源大規(guī)模并網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，可以有效解決新能源并網(wǎng)對電網(wǎng)運(yùn)行及電能質(zhì)量的影響問題。

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

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

電池儲能系統(tǒng)因其技術(shù)的成熟性和安裝位置的靈活性具有較好的應(yīng)用前景[18]，目前處于快速成長期[19]。為了充分理解儲能系統(tǒng)的電壓支持功能，本文試結(jié)合太陽能發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)中遇到的低電壓問題進(jìn)行分析。在分析電池儲能系統(tǒng)功率控制原理的基礎(chǔ)上，本文通過仿真研究了利用儲能系統(tǒng)補(bǔ)償有功功率來實(shí)現(xiàn)對太陽能發(fā)電系統(tǒng)輸出有功功率降低導(dǎo)致的電網(wǎng)電壓降低支持的可行性。這對于認(rèn)識儲能系統(tǒng)平抑功率波動和電壓波動全面支持分布式太陽能并網(wǎng)運(yùn)行提供了新視角。

1 電池儲能系統(tǒng)及其控制原理

電池儲能系統(tǒng)由電池組、變流器及其控制部分組成。變流器實(shí)現(xiàn)對電池儲能系統(tǒng)和交流電網(wǎng)之間能量交換的控制。電壓源型變流器是目前廣泛應(yīng)用的變流器。

1.1 電池

目前應(yīng)用于工程實(shí)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(yīng)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(lián)電阻表示。假設(shè)電池內(nèi)部電阻保持不變，電池的電壓可以根據(jù)非線性式（1）逐步計(jì)算。非線性方程考慮了電池的充放電狀態(tài)來計(jì)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(shù)部分幅值，V；為指數(shù)部分時間常數(shù)，1/A·h。

1.2 電壓源變流器

電壓源變流器是電池儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)的接口，控制著儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)之間電能的交換。基于電力電子設(shè)備和解耦控制的電壓源變流器可以實(shí)現(xiàn)四象限功率控制，實(shí)現(xiàn)儲能系統(tǒng)電能吸收與釋放狀態(tài)之間的快速轉(zhuǎn)換，以及有功和無功的獨(dú)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(tǒng)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(cè)電壓；s為并網(wǎng)點(diǎn)（PCC）電網(wǎng)電壓；、為連接變流器和電網(wǎng)的電感和電阻；on為變流器電阻；為回路電流。

轉(zhuǎn)化到d-q軸坐標(biāo)系中，式（2）可以寫為

式中，q、d為的交直軸電流分量；為坐標(biāo)變換位移變量；tq、td為t的交直軸分量；0是電網(wǎng)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(wǎng)的功率表達(dá)式為

（4）

式中，s、s為儲能系統(tǒng)向電網(wǎng)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(wǎng)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(cè)和直流側(cè)電壓關(guān)系可以表示為

式中，DC為變流器直流側(cè)電壓；q、d為引入電流反饋并補(bǔ)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(diào)制信號。圖2中qref、dref為電流設(shè)定值的交直軸分量。在引入設(shè)定值、電網(wǎng)補(bǔ)償電壓以及直流側(cè)電壓信號后，變流器交流側(cè)輸出電流形成了用于控制變流器的調(diào)制信號。在調(diào)制信號的作用下，變流器實(shí)現(xiàn)了按照控制要求的電流變換，從而實(shí)現(xiàn)輸出功率的控制。

2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制方案

2.1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

分布式太陽能發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以用圖3表示。太陽能發(fā)電系統(tǒng)及其配套儲能系統(tǒng)在配電網(wǎng)的負(fù)荷側(cè)接入配電網(wǎng)，電池儲能系統(tǒng)經(jīng)過升壓變壓器并入電網(wǎng)，太陽能發(fā)電系統(tǒng)在同一點(diǎn)并入電網(wǎng)。s+js表示接入點(diǎn)與電網(wǎng)的連接部分的等效電阻電感。

圖3 太陽能發(fā)電儲能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 儲能系統(tǒng)控制方案

儲能系統(tǒng)功率控制方案如圖4所示?？刂品桨傅哪繕?biāo)是減少太陽能發(fā)電儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)的功率交換。當(dāng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)輸出功率大于負(fù)荷時，向儲能系統(tǒng)充電，剩余功率則送入電網(wǎng)；當(dāng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)輸出功率小于系統(tǒng)負(fù)荷時，由儲能系統(tǒng)補(bǔ)充，功率不足部分由電網(wǎng)補(bǔ)充。

圖4 儲能系統(tǒng)功率控制邏輯圖

考慮到電池儲能系統(tǒng)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(tǒng)負(fù)荷L由系統(tǒng)功率s、太陽能發(fā)電系統(tǒng)輸出功率pv和電池輸出功率b共同供給。為分析通過補(bǔ)償有功功率控制電壓的效果，電池儲能系統(tǒng)變流器無功功率定值ref設(shè)為0。

3 仿真分析

為了驗(yàn)證利用儲能系統(tǒng)補(bǔ)償有功功率變化支持電網(wǎng)電壓的效果，對以上方案在PSCAD/EMTDC 軟件中進(jìn)行了仿真，建模參數(shù)如下。模擬太陽能發(fā)電儲能系統(tǒng)并入的電力網(wǎng)絡(luò)電壓為15kV，頻率為50Hz。電網(wǎng)用電壓源表示，表示電網(wǎng)的電壓源內(nèi)部電阻阻值設(shè)定為0。參考典型的配電網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，連接太陽能發(fā)電儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)的輸電線路參數(shù)設(shè)定為0.544+j0.152W/km，線路長度設(shè)定為10km。電網(wǎng)負(fù)荷設(shè)為恒定負(fù)荷，用軟件內(nèi)固定負(fù)荷模型表示，設(shè)置為10MW。本文分析重點(diǎn)是儲能系統(tǒng)應(yīng)用，太陽能發(fā)電系統(tǒng)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(fā)電輸出功率的變化，控制參數(shù)變化情況見表1。

電池用軟件內(nèi)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(fā)電系統(tǒng)輸出功率變化控制參數(shù)

3.1 無儲能系統(tǒng)

首先模擬了系統(tǒng)在沒有儲能系統(tǒng)接入情況下，太陽能發(fā)電系統(tǒng)功率發(fā)生變化時電網(wǎng)電壓波動情況。系統(tǒng)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(fù)荷電壓、太陽能并網(wǎng)點(diǎn)電壓、儲能系統(tǒng)變流器交流側(cè)電壓和電池電壓。

圖5 無儲能系統(tǒng)電網(wǎng)電壓波動情況

當(dāng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)輸出功率在0.5s內(nèi)從24.76MW降為5.85MW時，電網(wǎng)電壓從15.75kV降到了14.07kV。此時電網(wǎng)電壓低于系統(tǒng)額定電壓的0.95倍（14.25kV），這也是系統(tǒng)運(yùn)行中允許的最低電壓。

3.2 儲能系統(tǒng)電壓支持

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

1）電網(wǎng)阻抗電壓比小于1

設(shè)定電網(wǎng)參數(shù)=5.66W，=5.44W，=1.57W。對太陽能發(fā)電系統(tǒng)輸出功率變化時儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)功率電壓調(diào)節(jié)的情況進(jìn)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(fā)電系統(tǒng)輸出功率、電池輸出功率、系統(tǒng)輸送功率和負(fù)荷功率。L、pv、1和b分別表示負(fù)荷電壓、太陽能并網(wǎng)點(diǎn)電壓、儲能系統(tǒng)變流器交流側(cè)電壓和電池電壓。

由圖6和圖7可以看出，當(dāng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)輸出有功功率從24.33MW降到4.89MW時，并網(wǎng)點(diǎn)母線電壓從14.57kV降到了13.15kV。此時，儲能系統(tǒng)從吸收有功功率快速轉(zhuǎn)變?yōu)獒尫庞泄β?，彌補(bǔ)了太陽能輸出功率降低導(dǎo)致的負(fù)荷功率降低，并網(wǎng)點(diǎn)電壓也迅速從最低點(diǎn)恢復(fù)到了先前水平。當(dāng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)輸出有功功率恢復(fù)時，電池儲能系統(tǒng)輸出有功功率迅速降低，接著轉(zhuǎn)換為吸收有功功率，并網(wǎng)點(diǎn)電壓也經(jīng)歷了一個短暫的升高降低后恢復(fù)到了正常運(yùn)行水平。

圖6 有功功率變化情況

圖7 電網(wǎng)電壓變化情況

2）電網(wǎng)阻抗電壓比等于1

設(shè)定電網(wǎng)參數(shù)=5.66W，=4W，=4W。對太陽能發(fā)電系統(tǒng)輸出功率變化時儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)功率電壓調(diào)節(jié)的情況進(jìn)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(fā)電系統(tǒng)輸出功率、電池輸出功率、系統(tǒng)輸送功率和負(fù)荷功率。L、pv、1和b分別表示負(fù)荷電壓、太陽能并網(wǎng)點(diǎn)電壓、儲能系統(tǒng)變流器交流側(cè)電壓和電池電壓。

由圖8和圖9可以看出，當(dāng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)輸出有功功率從24.33MW降到4.89MW時，并網(wǎng)點(diǎn)母線電壓從15.38kV降到了13.53kV。此時儲能系統(tǒng)從吸收有功功率快速轉(zhuǎn)變?yōu)獒尫庞泄β剩瑥浹a(bǔ)了太陽能輸出功率降低導(dǎo)致的負(fù)荷功率降低，但并網(wǎng)點(diǎn)電壓并未從最低點(diǎn)恢復(fù)到先前水平。當(dāng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)輸出有功功率恢復(fù)時，電池儲能系統(tǒng)輸出有功功率迅速降低，接著轉(zhuǎn)換為吸收有功功率，并網(wǎng)點(diǎn)電壓恢復(fù)到了正常運(yùn)行水平。在這種情況下，并網(wǎng)點(diǎn)電壓在有功功率變化時沒出現(xiàn)瞬時升高情況，但儲能系統(tǒng)通過有功功率補(bǔ)償并不能完全補(bǔ)償并網(wǎng)點(diǎn)電壓降低。

圖8 有功功率變化情況

圖9 電網(wǎng)電壓變化情況

3）電網(wǎng)阻抗電壓比大于1

設(shè)定電網(wǎng)參數(shù)=5.66W，=1.79W，=5.37W。對太陽能發(fā)電系統(tǒng)輸出功率變化時儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)功率電壓調(diào)節(jié)的情況進(jìn)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(fā)電系統(tǒng)輸出功率、電池輸出功率、系統(tǒng)輸送功率和負(fù)荷功率。L、pv、1和b分別表示負(fù)荷電壓、太陽能并網(wǎng)點(diǎn)電壓、儲能系統(tǒng)變流器交流側(cè)電壓和電池電壓。

由圖10和圖11可以看出，當(dāng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)輸出有功功率從24.33MW降到4.89MW時，并網(wǎng)點(diǎn)母線電壓從14.98kV降到了13.52kV。此時，儲能系統(tǒng)從吸收有功功率快速轉(zhuǎn)變?yōu)獒尫庞泄β剩瑥浹a(bǔ)了太陽能輸出功率降低導(dǎo)致的負(fù)荷功率降低，但并網(wǎng)點(diǎn)電壓并未從最低點(diǎn)恢復(fù)到先前水平。當(dāng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)輸出有功功率恢復(fù)時，電池儲能系統(tǒng)輸出有功功率迅速降低，接著轉(zhuǎn)換為吸收有功功率，并網(wǎng)點(diǎn)電壓恢復(fù)到了正常運(yùn)行水平。這種情況下，并網(wǎng)點(diǎn)電壓在功率變化時沒出現(xiàn)瞬時升高情況，但儲能系統(tǒng)通過有功功率補(bǔ)償并不能完全補(bǔ)償并網(wǎng)點(diǎn)電壓降低。

圖10 有功功率變化情況

圖11 電網(wǎng)電壓變化情況

4 結(jié)論

儲能系統(tǒng)已經(jīng)成為支持現(xiàn)代電力系統(tǒng)運(yùn)行的重要技術(shù)之一。作為最具有工程應(yīng)用前景的電池儲能系統(tǒng)，在支持太陽能并網(wǎng)運(yùn)行時不僅發(fā)揮了平抑輸出功率波動支持電網(wǎng)調(diào)頻的功能，而且對太陽能發(fā)電系統(tǒng)輸出功率驟變造成的中低壓配電網(wǎng)電壓波動具有調(diào)節(jié)作用。系統(tǒng)仿真分析表明，電池儲能系統(tǒng)對于電抗電阻比小于1的電網(wǎng)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(fā)變電系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)技術(shù)工作。