电池储能系统电压支持技术仿真研究

李宪栋 石月春

电池储能系统电压支持技术仿真研究

李宪栋 石月春

（黄河水利水电开发总公司，河南济源 459017）

为了研究储能系统的电压支持功能，本文分析了利用储能系统解决太阳能发电系统引起的电网电压波动问题的可行性。针对太阳能发电系统输出功率骤变引起的电网电压波动问题，设计了利用电池储能系统来补偿快速变化的有功功率的方案，来实现对电网电压的调节。对储能系统在不同电抗电阻比的3种电网参数情况下的电压调节功能进行了仿真分析。分析结果显示，在电抗电阻比较低的电网中，储能系统通过补偿有功功率可以更有效地解决太阳能发电引起的电网电压波动问题。

储能系统；电压支持；太阳能；发电

以太阳能和风能为代表的新型清洁可再生能源是能源领域的新选择。间歇性和不稳定性是这类能源的明显缺点，也是这些能源接入电力系统的难点。储能系统成为支持新能源大规模并网的关键技术之一，可以有效解决新能源并网对电网运行及电能质量的影响问题。

太阳能发电广泛接入电网成为一种新趋势。太阳能发电系统输出功率受光照变化变化较快，这会造成电网电压的波动，严重时超出正常运行可接受的范围[1]。针对这一问题，国内外学者进行了大量的研究。文献[2-8]对太阳能发电等分布式能源对配电网电压的影响及无功功率控制策略进行了研究。研究表明：分布式能源宜高功率因数运行，少发无功功率；在分布式能源高渗透率情况下，控制无功功率调节电压效果不理想。利用无功功率调节设施调节电网电压是常用手段，文献[9-10]分析了新能源发电系统并网点电压升高的原理，并提出了利用并网变流器的无功调节能力或无功调节系统调压的电压调整策略。针对太阳能发电系统逆变器无功功率调节的有限性，文献[11]提出了利用储能系统解决分布式光伏发电系统引起的电压升高越限问题。文献[12-14]则提出了综合利用分布式能源、无功调节系统和储能系统，采用有功和无功共同调节电网电压的方案。以上方案多集中在对太阳能发电并网引起高电压问题的分析处理，对并网中功率降低引起的电压降低问题分析较少。

储能系统在太阳能发电输出功率超出负荷功率时储存电能，在太阳能输出功率低于负荷功率时释放电能，可以有效平抑太阳能发电系统输出功率的波动[15-16]。储能系统平抑发电系统输出功率波动既可以减小并网功率对电网频率的影响[17]，也可以借助弥补有功功率的波动参与电网电压的调整，提供电压支持。

电池储能系统因其技术的成熟性和安装位置的灵活性具有较好的应用前景[18]，目前处于快速成长期[19]。为了充分理解储能系统的电压支持功能，本文试结合太阳能发电系统并网中遇到的低电压问题进行分析。在分析电池储能系统功率控制原理的基础上，本文通过仿真研究了利用储能系统补偿有功功率来实现对太阳能发电系统输出有功功率降低导致的电网电压降低支持的可行性。这对于认识储能系统平抑功率波动和电压波动全面支持分布式太阳能并网运行提供了新视角。

1 电池储能系统及其控制原理

电池储能系统由电池组、变流器及其控制部分组成。变流器实现对电池储能系统和交流电网之间能量交换的控制。电压源型变流器是目前广泛应用的变流器。

1.1 电池

目前应用于工程实践的新型电池包括锂离子电池、钠硫电池和全钒液流电池，其中钠硫电池和锂离子电池应用较多[18]。

电池模型可以用一个理想可控电压源和一个串联电阻表示。假设电池内部电阻保持不变，电池的电压可以根据非线性式（1）逐步计算。非线性方程考虑了电池的充放电状态来计算电池的空载电压（此模型为PSCAD软件中模型），即

式中，为电池输出电压，V；0为电池恒定电压，V；为极化电压，V；为电池容量，A·h；为指数部分幅值，V；为指数部分时间常数，1/A·h。

1.2 电压源变流器

电压源变流器是电池储能系统与电网的接口，控制着储能系统与电网之间电能的交换。基于电力电子设备和解耦控制的电压源变流器可以实现四象限功率控制，实现储能系统电能吸收与释放状态之间的快速转换，以及有功和无功的独立控制。

1.3 控制原理

电压源变流器控制图如图1所示。

图1 电压源变流器控制图[20]

在交流系统中，电压源变流器所在电路可以表示为

式中，t为变流器交流侧电压；s为并网点（PCC）电网电压；、为连接变流器和电网的电感和电阻；on为变流器电阻；为回路电流。

转化到d-q轴坐标系中，式（2）可以写为

式中，q、d为的交直轴电流分量；为坐标变换位移变量；tq、td为t的交直轴分量；0是电网的额定角频率；0是电源初始相位。定义()=d/d，()=0+0。合理选择和，在锁相器作用下保证()=0、sq()=0，则可以得到变流器输送到电网的功率表达式为

（4）

式中，s、s为储能系统向电网输送的有功功率和无功功率；sq、sd为s的交直轴分量。由此可见，通过控制交直轴电流可以改变变流器与电网之间的功率交换。

变流器电流控制图如图2所示。

图2 电压源变流器电流控制逻辑图[20]

变流器交流侧和直流侧电压关系可以表示为

式中，DC为变流器直流侧电压；q、d为引入电流反馈并补偿后控制用电流的交直轴分量；q、d为变流器输出控制用交直轴调制信号。图2中qref、dref为电流设定值的交直轴分量。在引入设定值、电网补偿电压以及直流侧电压信号后，变流器交流侧输出电流形成了用于控制变流器的调制信号。在调制信号的作用下，变流器实现了按照控制要求的电流变换，从而实现输出功率的控制。

2 系统拓扑结构及控制方案

2.1 系统拓扑结构

分布式太阳能发电系统接入配电网的拓扑结构可以用图3表示。太阳能发电系统及其配套储能系统在配电网的负荷侧接入配电网，电池储能系统经过升压变压器并入电网，太阳能发电系统在同一点并入电网。s+js表示接入点与电网的连接部分的等效电阻电感。

图3 太阳能发电储能系统拓扑结构

2.2 储能系统控制方案

储能系统功率控制方案如图4所示。控制方案的目标是减少太阳能发电储能系统与电网的功率交换。当太阳能发电系统输出功率大于负荷时，向储能系统充电，剩余功率则送入电网；当太阳能发电系统输出功率小于系统负荷时，由储能系统补充，功率不足部分由电网补充。

图4 储能系统功率控制逻辑图

考虑到电池储能系统维持额定电压的需要，在功率控制中引入了电池电压b与额定电压bn偏差。系统负荷L由系统功率s、太阳能发电系统输出功率pv和电池输出功率b共同供给。为分析通过补偿有功功率控制电压的效果，电池储能系统变流器无功功率定值ref设为0。

3 仿真分析

为了验证利用储能系统补偿有功功率变化支持电网电压的效果，对以上方案在PSCAD/EMTDC 软件中进行了仿真，建模参数如下。模拟太阳能发电储能系统并入的电力网络电压为15kV，频率为50Hz。电网用电压源表示，表示电网的电压源内部电阻阻值设定为0。参考典型的配电网络参数，连接太阳能发电储能系统与电网的输电线路参数设定为0.544+j0.152W/km，线路长度设定为10km。电网负荷设为恒定负荷，用软件内固定负荷模型表示，设置为10MW。本文分析重点是储能系统应用，太阳能发电系统用等效可控电压源来表示。通过改变电压源电压相角来模拟太阳能发电输出功率的变化，控制参数变化情况见表1。

电池用软件内模型表示，额定电压选为1.2kV，容量选为10kA·h。仿真分析情况如下。

表1 太阳能发电系统输出功率变化控制参数

3.1 无储能系统

首先模拟了系统在没有储能系统接入情况下，太阳能发电系统功率发生变化时电网电压波动情况。系统电压波动仿真情况如图5所示。图中L、pv、1和b分别表示负荷电压、太阳能并网点电压、储能系统变流器交流侧电压和电池电压。

图5 无储能系统电网电压波动情况

当太阳能发电系统输出功率在0.5s内从24.76MW降为5.85MW时，电网电压从15.75kV降到了14.07kV。此时电网电压低于系统额定电压的0.95倍（14.25kV），这也是系统运行中允许的最低电压。

3.2 储能系统电压支持

为了比较储能系统在不同参数电网中对电压支持的效果，对电网阻抗电压比小于1、等于1和大于1的3种情况分别进行了仿真，具体情况如下。

1）电网阻抗电压比小于1

设定电网参数=5.66W，=5.44W，=1.57W。对太阳能发电系统输出功率变化时储能系统参与电网功率电压调节的情况进行了仿真，功率和电压变化仿真情况分别如图6和图7所示。图中pv、b、s和L分别表示太阳能发电系统输出功率、电池输出功率、系统输送功率和负荷功率。L、pv、1和b分别表示负荷电压、太阳能并网点电压、储能系统变流器交流侧电压和电池电压。

由图6和图7可以看出，当太阳能发电系统输出有功功率从24.33MW降到4.89MW时，并网点母线电压从14.57kV降到了13.15kV。此时，储能系统从吸收有功功率快速转变为释放有功功率，弥补了太阳能输出功率降低导致的负荷功率降低，并网点电压也迅速从最低点恢复到了先前水平。当太阳能发电系统输出有功功率恢复时，电池储能系统输出有功功率迅速降低，接着转换为吸收有功功率，并网点电压也经历了一个短暂的升高降低后恢复到了正常运行水平。

图6 有功功率变化情况

图7 电网电压变化情况

2）电网阻抗电压比等于1

设定电网参数=5.66W，=4W，=4W。对太阳能发电系统输出功率变化时储能系统参与电网功率电压调节的情况进行了仿真，功率和电压变化仿真情况分别如图8和图9所示。图中pv、b、s和L分别表示太阳能发电系统输出功率、电池输出功率、系统输送功率和负荷功率。L、pv、1和b分别表示负荷电压、太阳能并网点电压、储能系统变流器交流侧电压和电池电压。

由图8和图9可以看出，当太阳能发电系统输出有功功率从24.33MW降到4.89MW时，并网点母线电压从15.38kV降到了13.53kV。此时储能系统从吸收有功功率快速转变为释放有功功率，弥补了太阳能输出功率降低导致的负荷功率降低，但并网点电压并未从最低点恢复到先前水平。当太阳能发电系统输出有功功率恢复时，电池储能系统输出有功功率迅速降低，接着转换为吸收有功功率，并网点电压恢复到了正常运行水平。在这种情况下，并网点电压在有功功率变化时没出现瞬时升高情况，但储能系统通过有功功率补偿并不能完全补偿并网点电压降低。

图8 有功功率变化情况

图9 电网电压变化情况

3）电网阻抗电压比大于1

设定电网参数=5.66W，=1.79W，=5.37W。对太阳能发电系统输出功率变化时储能系统参与电网功率电压调节的情况进行了仿真，功率和电压变化仿真情况分别如图10和图11所示。图中pv、b、s和L分别表示太阳能发电系统输出功率、电池输出功率、系统输送功率和负荷功率。L、pv、1和b分别表示负荷电压、太阳能并网点电压、储能系统变流器交流侧电压和电池电压。

由图10和图11可以看出，当太阳能发电系统输出有功功率从24.33MW降到4.89MW时，并网点母线电压从14.98kV降到了13.52kV。此时，储能系统从吸收有功功率快速转变为释放有功功率，弥补了太阳能输出功率降低导致的负荷功率降低，但并网点电压并未从最低点恢复到先前水平。当太阳能发电系统输出有功功率恢复时，电池储能系统输出有功功率迅速降低，接着转换为吸收有功功率，并网点电压恢复到了正常运行水平。这种情况下，并网点电压在功率变化时没出现瞬时升高情况，但储能系统通过有功功率补偿并不能完全补偿并网点电压降低。

图10 有功功率变化情况

图11 电网电压变化情况

4 结论

储能系统已经成为支持现代电力系统运行的重要技术之一。作为最具有工程应用前景的电池储能系统，在支持太阳能并网运行时不仅发挥了平抑输出功率波动支持电网调频的功能，而且对太阳能发电系统输出功率骤变造成的中低压配电网电压波动具有调节作用。系统仿真分析表明，电池储能系统对于电抗电阻比小于1的电网电压支持作用效果更好。

[1] Alam M J E J E, Muttaqi K M M, Sutanto D. A novel approach for ramp-rate control of solar PV using energy storage to mitigate output fluctuations caused by cloud passing[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2014, (USA), 29(2): 507-518.

[2] 王志群, 朱守真, 周双喜, 等. 分布式发电对配电网电压分布的影响[J]. 电力系统自动化, 2004, 28(16): 56-60.

[3] 王旭强, 刘广一, 曾沅, 等. 分布式电源接入下配电网电压无功控制效果分析[J]. 电力系统保护与控制, 2014, 42(1): 47-53.

[4] Von Appen J, Stetz T, Braun M, et al. Local voltage control strategies for PV storage systems in distribution grids[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2014, 5(2): 1002-1009.

[5] Fazeli M, Ekanayake J B, Holland P M, et al. Exploiting PV inverters to support local voltage-a small-signal model[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2014, V 29(2), 453-462.

[6] Adhikari S, Li Fangxing. Coordinated V-f and P-Q control of solar photovoltaic generators with MPPT and battery storage in microgrids[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2014, 5(3): 1270-1281.

[7] 王哲, 刘莉敏, 王胜利, 等. 串联式中高压光伏方阵及系统探索[J]. 电气技术, 2015, 16(2): 137-144.

[8] 吴丹岳, 李兆祥, 邵振国. 基于风速-功率拟合与区间潮流的风电场电压波动预测[J]. 电气技术, 2016, 17(7): 7-12, 35.

[9] 黄欣科, 王环, 王一波, 等. 光伏发电系统并网点电压升高调整原理及策略[J]. 电力系统自动化, 2014, 38(3): 112-117.

[10] 李自明, 姚秀萍, 王海云, 等. 计及风电场静态电压稳定性的VMP系统无功电压控制策略研究[J]. 电力系统保护与控制, 2016, 44(21): 77-83.

[11] 杨涛, 曾国宏. 分布式光伏发电引起电压越限的储能解决方案[J]. 电力电子技术, 2013, 47(4): 55-57.

[12] 蔡宇, 林今, 宋永华, 等. 基于模型预测控制的主动配电网电压控制[J]. 电工技术学报, 2015, 30(23): 42-49.

[13] 李清然, 张建成. 含储能分布式光伏系统并网点电压调整方案涉及[J]. 现代电力, 2016, 33(2): 33-38.

[14] 罗煜, 黄梅, 鲍谚, 等. 基于储能SOC优化控制的风储电站实时跟踪发电计划控制策略[J]. 电工技术学报, 2016, 31(S): 214-220.

[15] 邱培春, 葛宝明, 毕大强. 基于蓄电池储能的光伏并网发电功率平抑控制研究[J]. 电力系统保护与控制, 2011, 39(3): 29-33.

[16] 靳文涛, 马会萌, 李建林, 等. 电池储能系统平抑光伏功率波动控制方法研究[J]. 现代电力, 2013, 30(6): 21-26.

[17] 丁冬, 刘宗歧, 杨水丽, 等. 基于模糊控制的电池储能系统辅助AGC调频方法[J]. 电力系统保护与控制, 2015, 43(8): 81-87.

[18] 王松岑, 来小康, 程时杰. 大规模储能技术在电力系系统中的应用前景分析[J]. 电力系统自动化, 2013, 37(1): 3-7.

[19] 李建林, 田立亭, 来小康. 能源互联网背景下的电力储能技术展望[J]. 电力系统自动化, 2015, 39(23): 15-25.

[20] Yazdani A, Iravani R. Voltage-Sourced Converters in Power Systems[M]. New Jersey: John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, 2010.

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

李宪栋（1977-），男，河南林州人，硕士，高级工程师，主要从事发变电系统运行和维护技术工作。