基于电池储能装置的配电变压器重过载治理与功率因数提升方法

彭伟亮，梁细恒，邓才波，王文彬，姜飞

(1.长沙理工大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410004；2.国网江西省电力有限公司电力科学研究院，江西 南昌 330096)

作为直接面向用户的电压变换设备，配电变压器(以下简称配变)运行状况对电能质量和经济性有较大影响[1-3]。配变长期重过载运行会带来以下危害[4]：增大变压器的损耗，不利于其经济运行；降低用户电压，影响电能质量；造成变压器过热甚至烧毁，引发安全事故。配变功率因数低会导致配变的效率较难得到充分利用，且配变的电能损耗增大。

对于配变重过载问题，传统的解决方法有[5-6]新增配变和配变增容。但新增配变工程量大，建设周期长；配变增容投资较大，需要停电操作。对于配变功率因数低问题，传统的解决方式是采用装设无功补偿装置提高功率因数。这些方法投资大、可实现的功能单一，很难同时解决配变的重过载、功率因数低问题，易造成设备的利用率低[7]。

电池储能装置具有响应速度快、功率配置灵活、不受外部条件限制等优点[8-11]，大量学者对其参与电网削峰填谷以及无功补偿开展了广泛研究。在削峰填谷方面，文献[12]提出了电池储能系统恒功率削峰填谷优化模型及求解该模型的实用简化算法；文献[13]通过电池储能装置变功率控制策略，实现了削峰填谷的目的；文献[14-15]以电池储能装置经济性最优为目的，满足削峰填谷的需求为约束，建立了储能装置优化配置模型，采用遗传算法求解，得到优化配置方案。在无功补偿方面，文献[16]提出了一种规模化电池储能系统无功功率分配策略，能够实现动态无功补偿及电压控制的目的；文献[17]采用电池储能装置和静止无功发生器协同调压的控制策略，改善了潮流分布情况，有效抑制了电网电压波动；文献[18]提出了电池储能参与电网调压的基础无功无功控制策略和协调控制策略，促进了电网电压的稳态和暂态性能提升；文献[19]采用一种基于模块化多电平变换器拓扑的电池储能系统对风电场进行快速的无功补偿，使得并网点电压波动在允许范围内。

本文基于电池储能装置的削峰填谷、无功补偿功能，采用在配变低压侧投入电池储能装置的方法，同时解决配变重过载和功率因数低的问题。首先，确定电池储能装置在配电网中的安装位置；其次，从配变的负载率和台区电压2个方面分析电池储能装置对配电网的影响，电池储能装置变换器采用电流内环解耦控制策略；最后，基于江西某地区配电网的数据，搭建在该地区重载配变低压侧投入电池储能装置的MATLAB/Simulink仿真模型，根据仿真结果分析投入电池储能装置对配变负载率、配变功率因数的影响。

1 电池储能装置对配变负载率的影响

电池储能装置由电池组、直流链路电容C、三相全桥变换器构成，安装在配变的低压侧如图1所示。图1中：Udc为三相全桥变换器直流侧电压；u(a,b,c)为变换器输出的相电压；i(a,b,c)为变换器交流侧输出的相电流，iL(a,b,c)为流向负载的相电流；L为电池储能装置和配变间等效电感；ZL为网络等效阻抗；es(a,b,c)为电网侧相电压；e(a,b,c)为并网点处的相电压；SN为配变的额定容量；P+jQ为储能装置输出的功率；Pf+jQf为负荷的大小。

图1 电池储能装置在配电网中的安装位置

当配电网有功功率或无功功率有剩余时，配电网向电池储能装置输送有功功率或无功功率，P、Q为负值；当配电网需求有功功率或无功功率时，电池储能装置向配电网输送有功功率或无功功率，P、Q为正值[20]。通过控制电池储能装置输出的有功功率和无功功率来降低配变的负载率，通过控制电池装置输出无功功率进行无功补偿来提高配变的功率因数。

未投入电池储能装置时，配变的负载率

(1)

投入电池储能装置后，电池储能装置向配电网输送功率P+jQ，为简化分析，将此输送功率等效成负荷形式，功率大小为-(P+jQ)的负荷。此时，配变的负载率

(2)

若线路末端有功负荷Pf为96 kW，无功负荷Qf为72 kVar，配变的额定容量SN为200 kVA，根据式(2)得到配变的负载率α2与电池储能装置输出有功功率P、无功功率Q之间的关系如图2所示。

图2 配变负载率与储能装置输出有功、无功关系

从图2中可以看出，在P

2 电池储能装置对台区电压的影响

图3所示为电池储能装置接入配变低压侧等效电路。图3中：UN为电网侧的额定电压；R+jX为线路和变压器的等效阻抗之和；ΔU为线路的电压损耗；负荷为Pf+jQf；电池储能装置输出功率等效成功率大小为-(P+jQ)的负荷。

图3 电池储能装置接入配变低压侧等效电路

未投入电池储能装置时，线路电压损耗(忽略电压降落的纵分量)

(3)

投入电池储能装置后线路电压损耗

(4)

若线路末端有功负荷Pf为96 kW，无功负荷Qf为72 kvar，负荷距离10 kV电网侧100 km，线路的单位阻抗为ZL1=(0.33+j0.38)Ω。根据式(4)得到线路电压损耗ΔU2与储能装置输出有功、无功之间的关系如图4所示。

图4 电压损耗与储能装置输出有功、无功关系

从图4中可以看出，在P

3 电池储能装置变换器的控制策略

3.1 电池储能装置变换器的dq模型

假设变换器输出的三相电压ua、ub、uc为

(5)

式中：Um为电压幅值；ω为基波角频率；φu为电压ua的初始相位。图5(a)给出了三相静止坐标系(A，B，C)、两相静止坐标系(α，β)以及t=0时两相旋转坐标系(d，q)的空间位置。图5(a)中，B轴超前A轴120°，C轴超前B轴120°，A轴、α轴、q轴三轴重合，β轴超前α轴90°，d轴滞后q轴90°。在等幅坐标变换下，三相电压ua、ub、uc的合成空间矢量U可表示为[21]

(6)

图5 坐标系的空间位置及矢量U的分解

根据图5，可得出uα、uβ大小为

(7)

ud、uq的大小为

(8)

同理可得，变换器输出的三相电流ia、ib、ic经过等幅dq变换后，id、iq的大小为

(9)

式中：Im为电流幅值；δi=φi-θ，φi为电流ia的初始相位。并网点处的三相电压ea、eb、ec经过等幅dq变换后，ed、eq的大小为

(10)

式中：Em为电压幅值；δe=φe-θ，φe为电压ea的初始相位。依据图1，利用基尔霍夫定律可得三相变换器的数学模型：

(11)

对公式(11)进行dq变换，可得变换器在dq坐标系下的数学模型：

(12)

电池储能装置交流侧输出的有功功率P和无功功率Q分别为

(13)

将式(9)、(10)代入式(13)得：

(14)

通过三相锁相环跟踪并网点三相电压ea、eb、ec，使得dq坐标中d轴与并网点三相电压ea、eb、ec的合成空间矢量E重合，即θ=φe，d轴按照矢量E定向，则ed=Em，eq=0，式(14)可以改为：

(15)

式(15)表明，通过控制id、iq就可以控制电池储能装置有功和无功的输出。

3.2 电流内环解耦控制策略

电池储能装置变换器采用电流内环解耦控制策略。从式(12)可以看出，变换器d、q轴变量相互耦合，无法实现ud、uq的独立控制，给控制器设计造成一定困难，可采用前馈解耦控制策略[22]，引入PI控制器，则ud、uq的控制方程为：

(16)

式中：Kp、Ki分别为电流内环比例调节增益和积分增益；id_ref、iq_ref分别为id、iq的参考值。根据式(16)可以画出电流内环解耦控制结构如图6所示，图6中θpll为三相锁相环跟踪并网点三相电压ea、eb、ec所输出的角度。

图6 主电路模型及控制结构

4 算例分析

4.1 基本数据

本章算例分析中所采用的数据源于江西某地区10 kV线路，线路上配变的分布情况如图7所示，正常运行的配变(图中标紫部分)参数及其所带有功负荷如附录A中表A1所示。重载运行的配变(图中标红部分)参数及其所带有功负荷见表1，负荷的功率因数为0.8。图7中，主线型号为JKLYJ-120，其单位阻抗为ZL1=(0.33+j0.38)Ω；支线型号为LGJ-50，其单位阻抗为ZL2=(0.65+j0.412) Ω；杆塔之间的距离为0.35 km。

附录A

图7 配电系统结构拓扑

表1 重载配变的参数及所带有功负荷

4.2 仿真模型及分析

配变低压侧投入电池储能装置的MATLAB/Simulink仿真模型如图6所示。在0～0.2 s时间段，设置16、29、42、45、61、62号配变没有发生重载现象，所带负荷为各自额定容量的45%，在0.2 s投入负荷使之重载(按表1设置)。0.4 s在16、29、42、45、61、62号配变低压侧分别投入电池储能装置。

4.2.1 利用电池储能装置降低配变负载率

分别以负荷在0.2 s增加的有功、无功作为电池储能装置输出有功、无功的参考量，重载配变端口功率的仿真波形如图8所示。0.4 s投入电池储能装置，其输出的有功、无功均被负载所吸收，使得重载配变的负载率降低至0.45。仿真中只是以增加的负荷作为电池储能装置输出功率的参考值，在实际工程中可以根据需求来控制电池储能装置的输出功率，实现配变负载率的灵活调节，避免配变重载或过载运行的情况。

图8 重载配变端口功率

4.2.2 电池储能装置对台区电压、电流的影响

重载配变低压侧相电压、相电流幅值的仿真波形如图9所示，0.4 s电池储能装置投入后，16号配变端口电压由310.05 V抬升至311.69 V，电流

由256.81 A降低至120.70 A；29号配变端口电压由295.58 V抬升至298.50 V；电流由364.71 A降低至159.99 A；42号配变端口电压由292.98 V抬升至296.14 V，电流由205.23 A降低至101.27 A；45号配变端口电压由285.45 V抬升至289.47 V，电流由191.77 A降低至102.89 A；61号配变端口电压由280.84 V抬升至285.81 V，电流由452.37 A降低至209.87 A；62号配变端口电压由280.86 V抬升至285.81 V，电流由440.88 A降低至209.87 A。

仿真结果表明，越靠近电网侧的台区，其电压越高；通过投入电池储能装置对负荷进行补偿，减小了电网所带负荷，降低了线路电流，从而减小了电压损耗，抬升了台区电压。

4.2.3 利用电池储能装置提高配变功率因数

图9(a)中可看出，45号、61号、62号配变的电压较低，可以利用储能装置进行无功补偿，抬升电压。在0.4 s时投入电池储能装置，对45号、61号、62号配变的无功负荷全补偿。图10为配变端口无功功率的仿真波形，图10中可看出，无功补偿后，3台配变端口的无功功率均下降至0。

图9 重载配变低压侧相电压、相电流幅值

图10 配变端口无功功率

由于三相平衡，所以仿真只观察配变低压侧A相电压、电流波形。图11(a)、(b)、(c)分别为45号、61号、62号配变低压侧A相电压(蓝色)、电流(红色)波形。从图11中可看出，无功补偿后：45号配变相电压幅值由285.45 V抬升至290.84 V，61号配变相电压幅值由280.84 V抬升至287.07 V，62号配变相电压幅值由280.86 V抬升至287.07 V，3台配变低压侧的电压和电流相位相同，并网点的功率因数由0.8提高至1。

图11 配变低压侧A相电压、电流波形

5 结束语

针对配变重过载、功率因数低的问题，本文提出在配变低压侧投入电池储能装置来降低配变负载率，提高配变功率因数。基于江西某地区配电网的参数，在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型。仿真结果表明：在配变发生重过载问题时，控制电池储能装置有功和无功的输出，不仅能够降低配变负载率至正常范围内，还能降低电池储能装置所投入支路的线路负载率、提升重过载配变的末端电压。在配变功率因数较低时，控制电池储能装置进行无功补偿，可以提高配变功率因数。