一種基于分布式能源配電網(wǎng)的新型電壓控制方法

賀運九，李理，張貴濤，孔祥霽

(長沙理工大學(xué)，湖南長沙410007)

一種基于分布式能源配電網(wǎng)的新型電壓控制方法

賀運九，李理，張貴濤，孔祥霽

(長沙理工大學(xué)，湖南長沙410007)

本文提出了一種用于分布式能源配電網(wǎng)的新型電壓控制方法，該方法主要是利用控制配電網(wǎng)側(cè)儲能裝置的充放電過程來對配電網(wǎng)側(cè)母線進行電壓控制，其主要目的是將母線電壓控制在允許值范圍內(nèi)，從而保證配電網(wǎng)的安全運行。儲能裝置使用的是全釩液流電池模型(VRB)，全釩液流電池作為儲能裝置具有充放電性能好，成本低廉壽命長等特點。該仿真模型有兩種工作模式，可以根據(jù)當?shù)貙嶋H情況進行調(diào)整。與傳統(tǒng)的控制電壓方法相比，該模型反應(yīng)更加靈敏并擁有較長使用壽命。經(jīng)過仿真案例的驗證，母線電壓控制的預(yù)期基本達到。

配電網(wǎng);電壓控制;儲能系統(tǒng);分布式能源

1 引言

隨著節(jié)能減排意識的提倡，分布式發(fā)電逐漸成為電力系統(tǒng)中不可或缺的一部分。未來的智能電網(wǎng)上將會發(fā)展成由更多依靠含有儲能裝置的分布式能源部件組成。一個靈活的智能電網(wǎng)必須能夠保證和大電網(wǎng)安全穩(wěn)定地輸入輸出，并能控制有功和無功的潮流以及儲存電能的管理。這里我們提出一種利用儲能裝置來進行配電網(wǎng)母線電壓控制的新方法。

本文中儲能裝置采用的是全釩液流電池，液流電池可以從電網(wǎng)中儲存多余的電能(比如間歇性的風能太陽能)以備后用，同時也可以起到削峰填谷的作用從而使得電網(wǎng)更加可靠。而全釩液流電池在儲能裝置中擁有很多巨大的優(yōu)勢，包括儲能效率，低廉的維護成本以及較長使用壽命。液流電池儲能系統(tǒng)的控制策略是一個關(guān)鍵的設(shè)計問題，目的是使間歇性輸出的功率更加平滑并使得電壓保持在配電變電站的標準之內(nèi)。文獻［1］提出一種雙向獨立可控變流器并通過改變分布式能源微網(wǎng)結(jié)構(gòu)使得該變流器成為影響微網(wǎng)電壓穩(wěn)定唯一要素從而達到便于控制電壓的目的。文獻［2］是目前電壓控制領(lǐng)域最常用的下垂控制法，這個方法是利用下垂特性曲線進行控制，將不平衡的功率動態(tài)分配給不同的微電源來控制電壓。文獻［3］提出的是MAS(多智能體系統(tǒng))技術(shù)的控制方法，但該方法應(yīng)用于微網(wǎng)的理論目前還不夠成熟。文獻［4］的方法是一種通過主從關(guān)系控制法，也就是通過主控單元向下一級發(fā)送控制信息，這個方法對于主控單元的通信線路依賴性太大，易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定的情況。本文提出的是一種利用配電網(wǎng)側(cè)的儲能系統(tǒng)控制配電網(wǎng)母線電壓的方法，相比傳統(tǒng)的控制方法，該方法反應(yīng)迅速并且擁有較長使用壽命。

本文主要關(guān)注點在仿真模型上，通過仿真實驗進行驗證，將一個小規(guī)模儲能系統(tǒng)在一個配電網(wǎng)中與光伏系統(tǒng)及負載相連。并將實驗結(jié)果與無電壓控制的情況下進行了對比，通過對比體現(xiàn)其是否具有控制母線電壓的效果。

2 分布式系統(tǒng)各組件模型

圖1是分布式系統(tǒng)的分布式能源系統(tǒng)組成圖系統(tǒng)主要由光伏做為分布式能源發(fā)電，配電網(wǎng)儲能裝置以及負載組成，在這里我們主要討論儲能裝置VRB以及光伏系統(tǒng)的模型。

2.1 全釩液流電池(VRB)模型

VRB模型在MATLAB/SIMULINK是基于一個輸入和所儲電能功率平衡的等效電路，其效率主要由幾個不同的組件決定:電池堆，電解質(zhì)，泵，電源轉(zhuǎn)換器以及功率損失.這些特性和參數(shù)是基于文獻［5］中的計算結(jié)果，包括在不同負載及荷電狀態(tài)(SOC)下的數(shù)據(jù)。

電源轉(zhuǎn)換器的建模是通過查表法，查找與ACDC轉(zhuǎn)換器在充電和放電時工作效率相關(guān)的數(shù)據(jù)。當電池在穩(wěn)定狀態(tài)下運行時，電池充放電的效率在不同SOC情況呈現(xiàn)為直流電源相關(guān)的一個函數(shù)。電池可用總功率與電池堆的電極面積有關(guān)。

圖1 低壓配電網(wǎng)的電壓分布圖(左)以及本文的分布式能源系統(tǒng)組成圖

VRB能儲存的電能取決于SOC及活躍的化學(xué)物質(zhì)量。所以電池實際的儲能量定義為:

Ebatt0是電池中原先儲存的電能;Pcell是電解質(zhì)的充放電功率。

圖2 電池的等效電路圖

電池的內(nèi)阻Ri是一個變量，其主要受SOC的影響，其關(guān)系式如下:

其中VEMF是受SOC影響的一個函數(shù)，其他各參數(shù)在電路等效電路圖中注明。

為了驗證該仿真模型，數(shù)據(jù)將會從一個實際VRB的數(shù)據(jù)采集板采集，然后輸入到模型并驗證模型中電池的輸出量。模擬采樣時間及數(shù)據(jù)處理都是1s間隔。

下面的實驗是以36小時為尺度考慮:首先電池從SOC=93.5%開始以一個恒定功率15kW進行放電，直到SOC=18%，然后開始下達充電指令，從SOC=14%以一個10kW的功率充電充到SOC=87%。期間放電循環(huán)電池中持續(xù)的脈沖電流是用于研究電池的動態(tài)參數(shù)。

圖3是一個模擬和實際測量的比較圖，藍線代表實際測量值，綠線代表仿真值。從SOC及直流側(cè)電壓和功率進行比較，藍綠線幾乎是重合的，可以看出兩者之間的差異是非常小的，這可以看出該仿真模型是比較準確的，可以對配電網(wǎng)中的儲能裝置的參數(shù)進行進一步分析研究。

2.2 光伏系統(tǒng)模型

光伏系統(tǒng)的模型主要是包括光伏板的數(shù)學(xué)模型和逆變器的數(shù)學(xué)模型。它的輸入主要是受輻射，周圍溫度以及風速影響，然后轉(zhuǎn)化為電池能量作為光伏板的輸入，然后作為輸出給逆變器發(fā)出交流電。

圖3 實際測量數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對比

光伏板的動態(tài)模型是基于一個用簡單指數(shù)方程表示的單二極管等效電路。

具體參數(shù)參考文獻［6－7］。

該模型討論了在不同條件下的參數(shù)變化(開路電壓和短路電流)，例如溫度輻射，傾斜角以及電池板的方向。

3 利用儲能系統(tǒng)的電壓控制

作為電力系統(tǒng)的一部分，低壓配電網(wǎng)是給終端的消費者供電。配電網(wǎng)的電壓控制之所以是一個關(guān)鍵技術(shù)問題，是因為配電網(wǎng)電壓受很多因素的影響，例如不同負荷分布及負荷類型，和不同相數(shù)(電網(wǎng)中不對稱分布的分布式能源配電網(wǎng))。

圖4 VRB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1左側(cè)展示的是用戶側(cè)的配線在低壓配電網(wǎng)中沿著一條饋線的示意圖及電壓分布圖，可以看出電壓的上升和下降與負荷的數(shù)量相關(guān)，光伏系統(tǒng)沿饋線與電網(wǎng)連接。由于光伏穿透率的上升導(dǎo)致沿饋線的電壓突然上升而超過允許范圍。因此為避免母線電壓過高的情況，應(yīng)用分布式儲能電壓控制器是一個理想的解決方法。

本文的仿真模型通過Simulink中State flow工具箱建立。圖4是VRB系統(tǒng)總覽圖，在這里根據(jù)不同情況提出了兩種控制方案。

一種控制方法是采用PI控制，能夠在母線給電池充電時檢測母線電壓，在母線電壓超過額定值時讓儲能裝置發(fā)出充電信號，此時VRB進行充電，從而使得母線電壓逐漸降低使其不超過額定值。

另一種控制電壓的方法是使VRB按照一個具體的時間表來調(diào)整工作模式。白天光照較強，光伏穿透率上升因而母線電壓容易高出額定值，此時儲能裝置主要通過充電來降低母線電壓使其低于額定值;夜晚光伏穿透率下降，母線電壓不易超過額定值，此時儲能裝置可以根據(jù)負荷側(cè)的需要來決定是充電還是放電。

圖5是在過電壓情況下電壓控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。該控制器有三種狀態(tài):正常模式，過電壓控制模式以及電池放電模式?？梢钥闯鰣D中設(shè)定的轉(zhuǎn)移條件為母線電壓超過額定值并且SOC＜100%的時候?qū)⑴卸檫^壓狀態(tài)而使VRB進入充電模式，當充到SOC到100%時或者內(nèi)部溫度高于額定值時停止充電。

圖6是另一種控制方法的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，根據(jù)天氣情況來設(shè)定好固定日程來對VRB進行充放電控制，比如電池在10點～18點進行充電，然后晚上轉(zhuǎn)成放電模式。圖中Ph是表示內(nèi)部熱功率。

圖5 采用PI控制法的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

圖6 VRB按時間表工作的調(diào)度模式狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

圖7 一般工作情況下的仿真結(jié)果圖(無電壓控制)

4 仿真結(jié)果

在這一部分我們?nèi)×巳齻€實例，都是在夏季的6天間進行實驗。

圖7是一個電壓在母線上與最大電壓之間的比較圖，標幺值為1.1p.u.，功率主要是來自光伏板，注入電網(wǎng)的功率以及來自負載的熱功率?？梢钥闯霎斚到y(tǒng)處于正常工作模式時沒有控制器的控制，光伏的穿透將會導(dǎo)致母線電壓超過限定最大值。

圖8表示當采用PI控制時，母線電壓在超過允許值時很快就降低到允許值以下，其效果可以在圖8中看出。

圖9是另一種控制電壓的方法，也就是之前提到的根據(jù)時間的調(diào)度模式。當光伏系統(tǒng)向電網(wǎng)輸電時，電池在10點～18點進行充電，然后晚上轉(zhuǎn)成放電模式。為了更有效的進行操作，VRB必須在一天中規(guī)劃好充放電的電能額度。

圖8 啟用PI電壓控制器后的仿真結(jié)果圖

圖9 VRB采用調(diào)度模式的仿真結(jié)果

5 結(jié)論

本文描述的是一種新型的應(yīng)用于分布式能源配電網(wǎng)電壓控制模型。該模型的主要特點是通過儲能系統(tǒng)為光伏接入進行電壓控制。

通過Simulink中幾項仿真的比對，可以看出該模型可以準確預(yù)測出電能的生產(chǎn)與存儲。

兩種控制電壓的方法都在Simulink中的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖中有涉及，一種控制方法是能在母線電壓超過最大限定值時給VRB充電來降低電壓，另一種控制方法是采用VRB調(diào)度模式，此時VRB只有當過電壓情況出現(xiàn)時才會連接，消耗電能直到電能注入電網(wǎng)不會造成母線電壓過高。這種控制方法的電池的充放電循環(huán)數(shù)較少，可以讓電池更長久的使用。可以看到相比圖7，圖8與圖9在應(yīng)對過電壓情況時的效果更好，母線電壓明顯基本都控制在最大限定值以下。由于在仿真情況下天氣條件穩(wěn)定，采用VRB調(diào)度模式會更加便捷，但在天氣多變的情況下，這種方法的控制就變得較為麻煩，因此在天氣多變情況下采用PI控制的方案比較適合。

6 附錄

表1 VRB系統(tǒng)參數(shù)

［1］周龍華，舒杰，張先勇，等.分布式能源微網(wǎng)電壓質(zhì)量控制策略研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2012(10):17－21.

［2］鄭永偉，陳民鈾，李闖，等.自適應(yīng)調(diào)節(jié)下垂系數(shù)的微電網(wǎng)控制策略［J］.電力系統(tǒng)自動化，2013，37(7):6－11.

［3］Wang H F，Multi-agent coordination for the secondary voltage control in power system contingencies［J］IEE Proceedings of Generation，Transmission and Distribution，2007，148(1):61－66.

［4］張項安，張新昌，唐云龍，等.微電網(wǎng)孤島運行的自適應(yīng)主從控制技術(shù)研究［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2014，42(2):81－86.

［5］H.Bidner，C.Eman，O.Gehrke.Iseifsson，“Characterization of Vanadium Flow Battery”，Riso-R-1753 Report，Roskilde，Denmark，October，2010.

［6］L.Mihet-Popa，C.Koch-Ciobotaru，F(xiàn).Isleifsson and H.Bindner，“Development of tools for DER Components in a distribution network”，in Proc.of the 20th International Conference on Electrical Machines，IEEE ICEM 2012，September 2-5，Marseille-France，pp.1022－1031.

［7］C.Koch-Ciobotaru，L.Mihet-Popa，F(xiàn).Isleifsson and H.Bindner，“Simulation Model developed for a Small-Scale PV-System in a Distribution Network”，in Proc.of the IEEE 7th International Symposium on Applied Computational Intelligence and Informatics-SACI 2012，Timisoara-Romania，May 24－26，pp.257－261.

［8］周峰，王科，朱桂萍，等.微電網(wǎng)孤島模式下全釩液流電池逆變器控制［J］.中國電力，2011，44(3).

［9］胡恒生，王慧，楊寶華，等.蓄電池荷電狀態(tài)判別方法的探討［J］.電源技術(shù)，2004(7).

［10］J.Chahwan，C.Abbey and G.Joos，“VRB modeling for the study of output terminal voltages，internal losses and performance”，in Proc.Of IEEE Canada Electrical Power Conference(EPC)，2007:387－392.

［11］S.Teleke，M.E.Baran，A.Q.Huang，S.Bhattacharya and L.Andersen，“Control strategies for battery energy storage for wind farmdispatching”，IEEE Transactions on Energy Conversion，Vol.24，No.3，September，2009: 725－732.

［12］張華民，趙平，周漢濤，等.釩氧化還原液流儲能電池［J］.能源技術(shù)，2005，26(1):23－26.

A Novel Voltage Control Method Based on Distributed Energy Distribution Network

HE Yun-jiu，LI Li，ZHANG Gui-tao，KONG Xiang-ji
(Changsha University of Science＆Technology，Changsha，410077，China)

This paper proposes a new voltage control method for distributed power distribution network，the method is mainly to use the control of the energy storage system to steady busbar voltage control of power distribution network，its main purpose is to control the bus voltage in normal range，so as to ensure the safe operation of power distribution network.Energy storage device using the vanadium flow battery(VRB)model，the vanadium flow batteries as energy storage device has advantages，like good performance in charge and discharge，cheap and long service life，etc.There are two kinds of working mode，this simulation model can be adjusted according to the local actual situation.Compared with the traditional method of the voltage control，the model response is more sensitive and has a longer service life.After validation of simulation case，has achieved the anticipated target.

distribution network;voltage control;energy storage system;distributed energy resource

TM72

B

1004－289X(2016)04－0068－05

2015－02－24

賀運九(1990－)，男，湖南長沙人，主要研究方向:分布式能源儲能系統(tǒng);

李理(1993－)，男，湖南岳陽人。