一种基于分布式能源配电网的新型电压控制方法

贺运九，李理，张贵涛，孔祥霁

(长沙理工大学，湖南长沙410007)

一种基于分布式能源配电网的新型电压控制方法

贺运九，李理，张贵涛，孔祥霁

(长沙理工大学，湖南长沙410007)

本文提出了一种用于分布式能源配电网的新型电压控制方法，该方法主要是利用控制配电网侧储能装置的充放电过程来对配电网侧母线进行电压控制，其主要目的是将母线电压控制在允许值范围内，从而保证配电网的安全运行。储能装置使用的是全钒液流电池模型(VRB)，全钒液流电池作为储能装置具有充放电性能好，成本低廉寿命长等特点。该仿真模型有两种工作模式，可以根据当地实际情况进行调整。与传统的控制电压方法相比，该模型反应更加灵敏并拥有较长使用寿命。经过仿真案例的验证，母线电压控制的预期基本达到。

配电网;电压控制;储能系统;分布式能源

1 引言

随着节能减排意识的提倡，分布式发电逐渐成为电力系统中不可或缺的一部分。未来的智能电网上将会发展成由更多依靠含有储能装置的分布式能源部件组成。一个灵活的智能电网必须能够保证和大电网安全稳定地输入输出，并能控制有功和无功的潮流以及储存电能的管理。这里我们提出一种利用储能装置来进行配电网母线电压控制的新方法。

本文中储能装置采用的是全钒液流电池，液流电池可以从电网中储存多余的电能(比如间歇性的风能太阳能)以备后用，同时也可以起到削峰填谷的作用从而使得电网更加可靠。而全钒液流电池在储能装置中拥有很多巨大的优势，包括储能效率，低廉的维护成本以及较长使用寿命。液流电池储能系统的控制策略是一个关键的设计问题，目的是使间歇性输出的功率更加平滑并使得电压保持在配电变电站的标准之内。文献［1］提出一种双向独立可控变流器并通过改变分布式能源微网结构使得该变流器成为影响微网电压稳定唯一要素从而达到便于控制电压的目的。文献［2］是目前电压控制领域最常用的下垂控制法，这个方法是利用下垂特性曲线进行控制，将不平衡的功率动态分配给不同的微电源来控制电压。文献［3］提出的是MAS(多智能体系统)技术的控制方法，但该方法应用于微网的理论目前还不够成熟。文献［4］的方法是一种通过主从关系控制法，也就是通过主控单元向下一级发送控制信息，这个方法对于主控单元的通信线路依赖性太大，易造成系统不稳定的情况。本文提出的是一种利用配电网侧的储能系统控制配电网母线电压的方法，相比传统的控制方法，该方法反应迅速并且拥有较长使用寿命。

本文主要关注点在仿真模型上，通过仿真实验进行验证，将一个小规模储能系统在一个配电网中与光伏系统及负载相连。并将实验结果与无电压控制的情况下进行了对比，通过对比体现其是否具有控制母线电压的效果。

2 分布式系统各组件模型

图1是分布式系统的分布式能源系统组成图系统主要由光伏做为分布式能源发电，配电网储能装置以及负载组成，在这里我们主要讨论储能装置VRB以及光伏系统的模型。

2.1 全钒液流电池(VRB)模型

VRB模型在MATLAB/SIMULINK是基于一个输入和所储电能功率平衡的等效电路，其效率主要由几个不同的组件决定:电池堆，电解质，泵，电源转换器以及功率损失.这些特性和参数是基于文献［5］中的计算结果，包括在不同负载及荷电状态(SOC)下的数据。

电源转换器的建模是通过查表法，查找与ACDC转换器在充电和放电时工作效率相关的数据。当电池在稳定状态下运行时，电池充放电的效率在不同SOC情况呈现为直流电源相关的一个函数。电池可用总功率与电池堆的电极面积有关。

图1 低压配电网的电压分布图(左)以及本文的分布式能源系统组成图

VRB能储存的电能取决于SOC及活跃的化学物质量。所以电池实际的储能量定义为:

Ebatt0是电池中原先储存的电能;Pcell是电解质的充放电功率。

图2 电池的等效电路图

电池的内阻Ri是一个变量，其主要受SOC的影响，其关系式如下:

其中VEMF是受SOC影响的一个函数，其他各参数在电路等效电路图中注明。

为了验证该仿真模型，数据将会从一个实际VRB的数据采集板采集，然后输入到模型并验证模型中电池的输出量。模拟采样时间及数据处理都是1s间隔。

下面的实验是以36小时为尺度考虑:首先电池从SOC=93.5%开始以一个恒定功率15kW进行放电，直到SOC=18%，然后开始下达充电指令，从SOC=14%以一个10kW的功率充电充到SOC=87%。期间放电循环电池中持续的脉冲电流是用于研究电池的动态参数。

图3是一个模拟和实际测量的比较图，蓝线代表实际测量值，绿线代表仿真值。从SOC及直流侧电压和功率进行比较，蓝绿线几乎是重合的，可以看出两者之间的差异是非常小的，这可以看出该仿真模型是比较准确的，可以对配电网中的储能装置的参数进行进一步分析研究。

2.2 光伏系统模型

光伏系统的模型主要是包括光伏板的数学模型和逆变器的数学模型。它的输入主要是受辐射，周围温度以及风速影响，然后转化为电池能量作为光伏板的输入，然后作为输出给逆变器发出交流电。

图3 实际测量数据与仿真数据的对比

光伏板的动态模型是基于一个用简单指数方程表示的单二极管等效电路。

具体参数参考文献［6－7］。

该模型讨论了在不同条件下的参数变化(开路电压和短路电流)，例如温度辐射，倾斜角以及电池板的方向。

3 利用储能系统的电压控制

作为电力系统的一部分，低压配电网是给终端的消费者供电。配电网的电压控制之所以是一个关键技术问题，是因为配电网电压受很多因素的影响，例如不同负荷分布及负荷类型，和不同相数(电网中不对称分布的分布式能源配电网)。

图4 VRB系统结构图

图1左侧展示的是用户侧的配线在低压配电网中沿着一条馈线的示意图及电压分布图，可以看出电压的上升和下降与负荷的数量相关，光伏系统沿馈线与电网连接。由于光伏穿透率的上升导致沿馈线的电压突然上升而超过允许范围。因此为避免母线电压过高的情况，应用分布式储能电压控制器是一个理想的解决方法。

本文的仿真模型通过Simulink中State flow工具箱建立。图4是VRB系统总览图，在这里根据不同情况提出了两种控制方案。

一种控制方法是采用PI控制，能够在母线给电池充电时检测母线电压，在母线电压超过额定值时让储能装置发出充电信号，此时VRB进行充电，从而使得母线电压逐渐降低使其不超过额定值。

另一种控制电压的方法是使VRB按照一个具体的时间表来调整工作模式。白天光照较强，光伏穿透率上升因而母线电压容易高出额定值，此时储能装置主要通过充电来降低母线电压使其低于额定值;夜晚光伏穿透率下降，母线电压不易超过额定值，此时储能装置可以根据负荷侧的需要来决定是充电还是放电。

图5是在过电压情况下电压控制器的状态转移图。该控制器有三种状态:正常模式，过电压控制模式以及电池放电模式。可以看出图中设定的转移条件为母线电压超过额定值并且SOC＜100%的时候将判定为过压状态而使VRB进入充电模式，当充到SOC到100%时或者内部温度高于额定值时停止充电。

图6是另一种控制方法的状态转移图，根据天气情况来设定好固定日程来对VRB进行充放电控制，比如电池在10点～18点进行充电，然后晚上转成放电模式。图中Ph是表示内部热功率。

图5 采用PI控制法的状态转移图

图6 VRB按时间表工作的调度模式状态转移图

图7 一般工作情况下的仿真结果图(无电压控制)

4 仿真结果

在这一部分我们取了三个实例，都是在夏季的6天间进行实验。

图7是一个电压在母线上与最大电压之间的比较图，标幺值为1.1p.u.，功率主要是来自光伏板，注入电网的功率以及来自负载的热功率。可以看出当系统处于正常工作模式时没有控制器的控制，光伏的穿透将会导致母线电压超过限定最大值。

图8表示当采用PI控制时，母线电压在超过允许值时很快就降低到允许值以下，其效果可以在图8中看出。

图9是另一种控制电压的方法，也就是之前提到的根据时间的调度模式。当光伏系统向电网输电时，电池在10点～18点进行充电，然后晚上转成放电模式。为了更有效的进行操作，VRB必须在一天中规划好充放电的电能额度。

图8 启用PI电压控制器后的仿真结果图

图9 VRB采用调度模式的仿真结果

5 结论

本文描述的是一种新型的应用于分布式能源配电网电压控制模型。该模型的主要特点是通过储能系统为光伏接入进行电压控制。

通过Simulink中几项仿真的比对，可以看出该模型可以准确预测出电能的生产与存储。

两种控制电压的方法都在Simulink中的状态转移图中有涉及，一种控制方法是能在母线电压超过最大限定值时给VRB充电来降低电压，另一种控制方法是采用VRB调度模式，此时VRB只有当过电压情况出现时才会连接，消耗电能直到电能注入电网不会造成母线电压过高。这种控制方法的电池的充放电循环数较少，可以让电池更长久的使用。可以看到相比图7，图8与图9在应对过电压情况时的效果更好，母线电压明显基本都控制在最大限定值以下。由于在仿真情况下天气条件稳定，采用VRB调度模式会更加便捷，但在天气多变的情况下，这种方法的控制就变得较为麻烦，因此在天气多变情况下采用PI控制的方案比较适合。

6 附录

表1 VRB系统参数

［1］周龙华，舒杰，张先勇，等.分布式能源微网电压质量控制策略研究［J］.电网技术，2012(10):17－21.

［2］郑永伟，陈民铀，李闯，等.自适应调节下垂系数的微电网控制策略［J］.电力系统自动化，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］张项安，张新昌，唐云龙，等.微电网孤岛运行的自适应主从控制技术研究［J］.电力系统保护与控制，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.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.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.微电网孤岛模式下全钒液流电池逆变器控制［J］.中国电力，2011，44(3).

［9］胡恒生，王慧，杨宝华，等.蓄电池荷电状态判别方法的探讨［J］.电源技术，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］张华民，赵平，周汉涛，等.钒氧化还原液流储能电池［J］.能源技术，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

贺运九(1990－)，男，湖南长沙人，主要研究方向:分布式能源储能系统;

李理(1993－)，男，湖南岳阳人。