抑制光伏并网电压扰动的配电网储能配置方法*

朱革兰　刘泽槐　刘文泽　张勇军

(华南理工大学 电力学院， 广东 广州 510640)

抑制光伏并网电压扰动的配电网储能配置方法*

朱革兰刘泽槐刘文泽张勇军

(华南理工大学 电力学院， 广东 广州 510640)

摘要：储能可以有效抑制光伏发电接入配网后系统电压的扰动.文中通过分析光伏出力波动时储能对含光伏配网电压调节的机理，建立了光伏出力波动和负荷变化影响下的储能配置需求评估模型，研究了考虑电压约束时不同影响因素作用下储能的配置需求，以及储能投入后对电压的调节效果.仿真分析了光伏接入容量、局部负荷离光伏接入点距离、光伏接入点相对附近变电站距离与储能配置容量的关系，验证了储能在配电网中对电压曲线具有削峰填谷的效应.同时，利用Matlab/Simulink仿真给出了不同情况下具体的储能投入容量及配置建议.

关键词：光伏发电；储能容量；电压约束；配电网

随着我国经济的快速发展，电力需求持续增加，传统能源的日益匮乏和环境的日趋恶化，由光伏发电等构成的分布式电源(DG)大规模并网成为发展趋势.而DG受自然资源条件和气候条件影响明显，具有波动性和间歇性，这在一定程度上将对接入的配电网造成扰动和冲击，甚至导致电压越限，影响电网的安全稳定可靠运行[1].这一系列的电网发展变化对储能技术的发展和推广提出了需求.储能技术可以有效抑制系统扰动，维持发电/负荷动态平衡,保持电压/频率稳定，并促进可再生能源的利用，同时可作为提高系统运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动的一种手段[2-3].虽然相应的静止无功补偿设备能够解决电压越限的问题，但是，储能在解决电压越限问题的同时还能实现削峰填谷，减少输电线路过载以及高发低储等效益[4-5].因此，研究含光伏配电网的储能电压调节机理及配置方法有迫切的必要性.

光伏(PV)接入配电网会引起潮流反向，存在着过电压、输电电缆过热以及电压不平衡、降低电网效率等潜在问题.文献[6]中指出，马来西亚电网中，电压不平衡问题逐渐成为了进一步提高光伏渗透率的主要障碍.储能能够有效地解决光伏接入配电网引起的功率及电压波动问题，用于抑制可再生能源发电引起的配电网电压问题的储能手段包括蓄电池、超级电容器、飞轮等形式[7].文献[8]中分析了澳大利亚一处高渗透率屋顶光伏接入配电网后，导致在一定时间系统电压抬高的问题，通过在光伏并网点接入电池储能，并基于SOC状态的充放电控制策略有效解决光伏对配电网电压的影响.文献[9]中利用储能来实现光伏的柔性并网，采用低通滤波算法，结果表明，时间常数越大，波动平抑效果越好，对储能的容量和功率需求也越高.文献[10]中从电压降落的角度研究光伏发电接入配电网对电网电压的影响，提出解决光伏发电引起电压越限的措施.

如何在配电网中优化配置储能容量成为了技术的关键.目前国内外有不少关于储能容量配置方法的研究.文献[11]中提出一种基于新型马尔可夫链储能容量优化配置模型，用于实现光伏发电厂功率输出的可控性与可调度性.文献[12]中提出从提高电力系统稳定性的角度来配置储能容量.文献[13]中提出按照光伏出力短期预测误差和负荷短期预测误差来配置储能容量，以达到主网与配网的功率交换平衡.文献[14]中采用负荷缺电率指标来研究光伏发电系统中储能容量的配置.总的来说，以上文献均分别针对光伏接入配电网后引起的具体问题进行储能配置，但目前研究却少有从考虑节点电压约束的角度研究储能的配置方法.

实际上，光伏出力的波动性对配电网引起的稳定性问题并不明显，而其造成的电压波动甚至越限却是光伏接入配电网后面临的主要问题，因此，考虑电压约束的储能配置方法直接本质地解决了光伏波动对电网的影响.文中根据光伏对配电网的电压影响，分析储能对含光伏配电网的电压调节机理，提出考虑电压约束的抑制光伏并网电压扰动的配电网储能配置方法，并通过仿真计算给出储能合理的配置容量及配置建议.

1储能抑制配电网电压扰动的机理

1.1　光伏对配电网电压的影响分析

(1)光伏间歇性和波动性对配电网电压的影响

光伏发电出力依赖于温度和光照度等自然因素，具有波动性和间歇性[3].电网的电压与线路的传输功率有关，光伏发电波动的发电功率注入电网，会对配电网电压造成扰动和闪变，甚至导致突然的瞬间电压跌落，影响配电网电压质量问题.

(2)光伏接入配电网对电压分布的影响

传统配电系统为单电源辐射状网络，正常运行状况下，沿馈线潮流方向，电压逐渐降低，光伏的接入会减少线路上实际的传输功率，这将大大改变馈线的潮流分布，从而使得线路负荷节点处的电压过高或过低[15].

1.2　储能对含光伏配电网的电压调节机理

光伏电源通常运行在单位功率因素下，而储能在平衡有功输出方面有其独特的优势，因此，储能能够有效地调节光伏并网点的电压.

图1为光伏电厂接入配电网的简化模型，为简化分析，忽略线路损耗和无功负荷的影响.因此，储能对含光伏配电网的电压调节机理可从电压降落角度来分析.设第n个节点的电压为Vn(n=1，2，3，4)，V4为恒定值.节点1和2之间线路的电阻为R1，电抗为X1；节点2和3之间线路的电阻为R2，电抗为X2；无穷大系统等值电抗为X0.光伏发出的有功功率为PV，局部负荷有功功率为PL.分以下两种情况进行分析：

图1　光伏接入10 kV配电网的简化模型Fig.1　Simplified model of PV plant access to grid

1)当光伏出力小于局部负荷需求(即PV

(1)

若PV出力较小，甚至为0(如在夜间)，则V2可能会越下限.这时，若在光伏接入点处投入一定容量的储能发出功率支撑节点2电压，则投入储能后节点2的电压为

同理,以B′为顶点,以为起始搜索方向,可构造出A′B′和B′C′的点集SAB和SBC;以S为顶点,以为起始搜索方向,可构造出C′D和FA′的点集SCD和SFA;最后对所有的P∈SAB∪SBC∪SCD∪SDE∪SEF∪SFA,若P同时存在于多个点集,将P从所在的点集中删除,以消除线段端点区域内的点对相邻直线的影响。

(2)

式中，PS为储能投入的功率.

2)当光伏出力超过局部负荷需求(即PV>PL)时，由于光伏在满足局部负荷需求后还要向无穷大系统输送功率，则由节点2流向节点4的功率为PV-PL.则节点1电压为

(3)

若PV出力较大，则V1可能会越上限.这时，若在光伏接入点处投入一定容量的储能吸收有功功率，减少光伏发电向线路输送的功率，则投入储能后节点1的电压为

(4)

1.3　储能配置容量的影响因素分析

由储能对电压调节机理可知，影响电压的因素分别有：PV与PL的关系,局部负荷的接入点位置,无穷大系统与光伏接入点的距离.

文中从避免电压越限的角度来研究储能的配置容量，因此电压的影响因素也直接影响着储能的配置容量.在充电过程中储能装置当作负荷处理，而在放电过程中，只要出力在允许范围内，就可利用PWM调制模块控制逆变器的触发脉冲，按要求输出系统所需功率[16].由式(1)、(3)分析可得：光伏接入容量越大，PV的峰谷差就越大，这必然造成电压波动越大，甚至越限，相应的对储能的需求容量也越大；局部负荷越接近光伏接入点，即R1越小，R2越大，相应的对储能的需求容量也越大；当R1和R2都增大时，电压波动越大，光伏接入点离附近变电站越远，相应的储能需求容量也越大.

2含光伏配电网的仿真模型

文中通过对含光伏发电的配电网进行简化建模，利用Matlab/Simulink进行编程计算，基于避免电压越限，直观地研究含光伏发电的配电网在不同情况下对储能的需求分析及容量配置.建模模型如图1所示，由于光伏电源一般以单位功率因数运行，则设光伏电源发出的有功为PV，无功QV=0，并在节点2接入10 kV配电网，节点2负荷有功为PL，无功为QL，节点2经线路连接接入附近变电站.本模型中，线路导线型号为LGJ-150，节点1到节点2线路长度为l1；节点2到节点3线路长度为l2.10 kV配电网中短路电流通常为10~15 kA，本模型假定为10 kA.LGJ-150每千米的单位阻抗为(0.21+j0.4)Ω.则无穷大系统等值电抗为

Z12=l1(0.21+j0.4)Ω.

节点1到节点2的线路阻抗为

Z23=l2(0.21+j0.4)Ω.

光伏电源在一段较短时间(1或者几小时)内的太阳辐照度可以近似看成贝塔(Beta)分布[17].为体现光伏出力的波动性和负荷的变动情况，本节光伏电源根据出力特性进行拟合；负荷按日常负荷特性曲线进行拟合(步长为15 min，一天共96个节点)，节点2局部负荷的有功最大值为6 MW，功率因数为0.94；节点4为平衡节点，恒定电压为10.5 kV.

3光伏发电不同接入容量时的储能配置容量分析

设l1=3 km，l2=6 km，代表负荷离光伏电源较近的情况.此时，有Z12=(0.63+j1.2)Ω，Z23=(1.26+j2.4)Ω.

3.1　光伏接入容量小于局部负荷的情况

当光伏接入容量为5 MW时，光伏出力与负荷曲线、各节点的电压分布如图2(a)、2(b)所示.

图2　PV容量为5 MW时的功率与电压曲线Fig.2　Curves of power and voltage when PV capacity is 5 MW

由图2可知，节点1和节点2电压波动剧烈，均出现越下限的情况，越下限发生的时间为光伏出力较小甚至为0时，而节点1电压(标幺值)的最大值为1.05，在合格范围内，因此此情况对储能没有必要的需求，可以在电压越下限的时间段配置一定容量的电容器进行无功补偿，改善局部电压.

3.2　光伏接入容量大于局部负荷的情况

当光伏接入容量为10 MW时，光伏出力与负荷曲线、各节点的电压分布如图3(a)、3(b)所示.

由图3可见，由于大容量光伏接入，节点1出现了越上限和越下限的情况，节点2则出现了越下限，其中节点1电压的最大值为1.09.因此，此情况可以投入储能进行削峰填谷，使节点电压在合格范围内.设置一台容量不限的储能装置在节点1接入，当电压越限时即启动储能运行，仿真得到节点1和节点2的电压曲线以及对应的投入储能容量，如图3(c)、3(d)所示，图中储能投入容量为负值表示储能工作于充电状态，正值表示储能工作于放电状态，充放电面积分别表征充放电电量.

图3　PV为10 MW时的功率与电压曲线Fig.3　Curves of power and voltage when PV capacity is 10 MW

可见，随着光伏出力的变化，储能维持节点电压稳定所需的容量也在变化，表明储能在抑制负荷波动的同时，对电压曲线也具有削峰填谷的效应.由图3(d)可知，至少需配置输出功率为3.5 MW的储能，若为电池储能，由图3(d)的充电面积为5.25 MW·h，放电容量为4.3 MW·h，考虑SOC，至少需配置6.56 MW·h的储能.

4光伏接入位置对储能配置容量的影响分析

4.1　负荷远离光伏时的储能配置容量分析

设l1=6 km，l2=3 km，代表负荷离光伏电源较远的情况.此时，有Z12=(1.26+j2.4)Ω，Z23=(0.63+j1.2)Ω，当光伏接入容量为10 MW时，光伏出力与负荷曲线仍然如图3(a)所示，而此时各节点的电压分布如图4所示.

图4　l1为6 km、l2为3 km时节点电压曲线对比Fig.4　Comparison of nodal voltage whenl1is 6 km andl2is 3 km

由各节点的电压曲线可知，节点1电压波动比较明显，而且在一些时间段出现了电压过高越上限的情况.节点2由于远离光伏发电，接近无穷大系统，电压波动并不明显.节点1和2电压并没有越下限，因此不需要投入储能进行电压调节，可以在节点1处配置一定容量的电抗器或D-statcom，以抑制局部电压过高的问题.

与3.2节相比，光伏接入容量同样为10 MW，当负荷靠近光伏时，电压发生越上限和越下限的情况，需要投入储能进行削峰填谷电压调节；而当负荷远离光伏时，节点电压没有越下限.原因在于：由于负荷远离光伏发电，有无穷大系统的牵制，光伏的波动性对负荷节点处的电压波动影响不大，光伏接入点处的电压由于需向远端的负荷以及无穷大系统输送功率，因此，光伏接入点处的电压会整体被抬高，甚至出现越上限的情况.由于所有节点的电压最低点均在合格范围内，所以不需要投入储能进行削峰填谷.因此，局部负荷越接近光伏接入点，对储能需求越大.

4.2　配电线路供电半径增加后的情况分析

设l1=12 km，l2=6 km，相比4.1节的分析模型，这里导线均拉长到两倍，代表馈线供电半径较大的情况.此时有Z12=(2.52+j4.8)Ω，Z23=(1.26+j2.4)Ω，设光伏发电出力为5 MW，光伏出力与负荷曲线仍然如图2(a)所示，而此时各节点的电压分布如图5所示.

图5　l1为12 km、l2为6 km时节点电压曲线对比Fig.5　Comparison of nodal voltage whenl1is 12 km andl2is 6 km

由图5可知，节点1出现了越上限和越下限的情况，节点2出现了越下限，节点1电压的最大值接近1.09，因此，此情况可以考虑投入储能进行削峰填谷.由于节点1节点2电压质量最差，则重点观察储能投入后这两个节点的电压情况.两节点电压曲线以及对应的投入储能容量如图6所示.

图6　l1为12 km、l2为6 km时功率与电压曲线Fig.6　Curves of power and voltage whenl1is 12 km andl2is 6 km

储能在电压越限的情况下，进行相应的充放电，维持节点电压的合格.由图6可知，至少需配置输出功率4 MW的储能.若为电池储能，图6(b)的充电面积为2.2 MW·h，放电容量为9.5 MW·h，考虑SOC，至少需配置12 MW·h的储能.

综合上述分析，不同因素的储能需求如表1所示.

表1　不同影响因素的储能功率配置需求Table 1　Power deploying demand of energy storage considering different factors　　　MW

由表1可知，含光伏的配电网的储能需求与光伏的接入容量有关，光伏接入容量越大，对储能需求越明显，所需的配置容量也越大；局部负荷节点越接近光伏接入点，对储能的需求也越大；当光伏接入点距离附近变电站较远时(即光伏处于偏远地区)，光伏的波动性对节点电压波动的影响越大，电压质量越差，对储能需求容量也越大.

5结语

文中分析了储能的电压调节机理，提出了考虑电压约束的含光伏配电网的储能配置方法.并通过仿真分析不同因素下的储能需求.考虑电压约束的储能配置方法能够直接、本质地把光伏波动限制在一定范围内，避免引起电压越限问题，具有直观性与通用性.

虽然储能在解决含光伏配电网的电压质量问题的同时，还能实现削峰填谷，减少输电线路过载以及高发低储套利等效益，然而，储能的成本过高成为它推广和发展的瓶颈.随着各类储能技术的日益成熟，储能的成本进一步降低，储能系统大规模推广应用的障碍逐渐消除，储能应用于含DG配电网、提高电压质量的优势将更加明显.

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Energy Storage Configuration to Suppress Voltage Fluctuation in Distribution Networks with Photovoltaic Power

ZhuGe-lanLiuZe-huaiLiuWen-zeZhangYong-jun

(School of Electric Power,South China University of Technology,Guangzhou 510640,Guangdong,China)

Abstract:Energy storage can suppress the voltage fluctuations caused by photovoltaic (PV) generation.This paper discusses the regulation mechanism of distribution networks with photovoltaic power by means of the energy storage from the viewpoint of avoiding voltage violation and establishes an energy storage need assessment model consi-dering the voltage violation and the variable power flow.It also investigates the energy storage needs under the voltage constraints with different influence factors as well as the voltage regulation effects obtained through the energy storage.Then,the relationships between the energy storage configuration capacity and the influence factors (namely PV capacity,the distance between the partial load and the PV access point,and the distance between the PV access point and the nearby substation) are analyzed by simulations,and the peak load shifting effect of the energy storage on the voltage curve indistribution networks is verified. Meanwhile,the specific energy storage capacity and the configuration recommendations in each case are presented by a Matlab/Simulink simulation.

Key words:photovoltaic generation;energy storage capacity;voltage constraint;distribution networks

中图分类号：TM 72

doi:10.3969/j.issn.1000-565X.2015.08.008

文章编号：1000-565X(2015)08-0049-06

作者简介：朱革兰(1968-)，女，博士，讲师，主要从事配电网及新能源技术研究.E-mail: glzhul@scut.edu.cn

*基金项目：国家自然科学基金资助项目(51377060)

收稿日期：2014-12-03

Foundation item: Supported by the National Natural Science Foundation of China(51377060)