基于节点电压排序算法的电池储能系统配电网电压调节

李创伟，秦会斌，华咏竹

（杭州电子科技大学 新型电子器件与应用研究所，杭州 310018）

0 引言

社会的发展离不开能源的消耗，从传统的化石能源到电力社会经济的发展对于能源的需求也不断增加。于此同时，随着人们生活水平的提高，对于生活环境的要求也随之提高。因此，以太阳能、风能等清洁可再生能源为主的分布式发电系统得到了广泛的应用。其中，分布式光伏发电系统由于其分布广泛、安全、安装便捷等优点，以及国家的大力扶持，其装机容量也在逐年上涨。因分布式光伏发电系统对天气、气候等环境因素较为敏感，具有间歇性和不稳定性的特点，容易引起节点电压的波动。而电气设备的发展对于电压的要求不断提高，电压的大幅度波动会影响电气设备的工作寿命，甚至造成设备的损坏。因此，随着越来越多的分布式发电系统的接入，合适的电压调节策略对于配电网的稳定运行具有重要作用。

文献[1]中提出一种利用电子有载变压器（Electronic-OLTC，EOLTC）更快速稳定地切换变压器分接头，调整变压器二次绕组的电压，从而实现配电网节点电压的调节。文献[2]通过晶闸管控制串联电容补偿装置的接入，实现节点的电压调节。文献[3]在单一使用有载调压变压器（On-Load Tap-Changer，OLTC）调节无法解决电压越限问题时，使用与静止无功补偿装置（Static var compensator，SVC）协同的复合调节方式，使配电网节点电压在合理的范围内。文献[4]将逆变器的无功调节能力作为无功补偿设备的补充，辅助实现系统电压的稳定。

在一些低压配电网中，OLTC、电容补偿等无功功率调节措施对电网电压的调节能力有限，因此多利用有功功率进行电压调节[5]。文献[6-7]通过控制用户可控负载从而实现电压调节。文献[8]中对于储能系统在可再生能源微电网中的作用和应用情况进行了综述和分析。其中，电池储能系统凭借其响应速度、能量密度等方面的优势，在新能源发电并网、电网的运行辅助等方面得到了广泛的应用[9-10]。文献[11]提出一种协调控制储能系统和光伏发电输出实现配电网电压越限的调节方法，并实现储能容量最小化。文献[12]分析了光伏接入对配电网产生的影响，以及储能系统配电网电压调节的机理，并验证了储能对电压的调节效果。文献[13]以最小储能配置容量为目标针对储能装置容量进行了优化配置，实现平滑发电输出以及负荷削峰填谷。文献[14]结合新能源并网功率波动、储能充放电效率及荷电状态，提出了平抑波动的储能优化配置方法。

但是受电池技术所限，电池的使用寿命、充放电次数有限，如何平衡电池充放电次数以及配电网电压调节的关系十分重要[15]。据此，提出一种基于排序算法的电池储能系统参与配电网电压调节方法；将节点电压排序以确定电压调节的优先级，优先调节节点电压变化较大的节点；并根据节点的电压值设定储能系统的充放电阈值，在越限节点调节完成后仍未解决电压越限问题时，调节未越限节点辅助解决电压越限问题；并根据电池SOC并选择合适的电池充放电组合。通过控制电池储能系统的充放电功率实现节点电压的调节，削弱配电网电压的波动。

1 分布式发电系统对配电网影响

传统的配电网体系结构是由配电站到用户的单向配电结构，并使用户节点的电压保持在一个正常的电压范围。通常，节点电压的正常范围为0.9～1.1p.u.；当节点电压大于1.1p.u.或小于0.9p.u.，且持续时间超过一分钟的情况，定义为节点电压越限情况。随着分布式光伏发电系统的大量接入，传统的单向配电结构也随之改变。

如图1所示的配电网结构，分布式光伏发电系统产生的电力直接输送至用户负荷，为用户提供电力。当用户的负荷低于产生的电力时，分布式光伏发电系统将向电力网输送电力产生逆向潮流，可能导致配电网出现电压过压问题。当用户的电力负荷需求增加，分布式发电系统无法满足其电力需求时，配电网流入电流增加则可能导致出现欠压的情况。

图1 配电网结构

2 电压调节算法

2.1 潮流计算

电力系统潮流计算的主要作用是根据给定的运行条件确定系统的运行状态，是电路系统运行和分析中最基本的计算。通过潮流计算能够得到系统的运行状态，例如节点的电压、功率损耗以及功率损耗等。电力系统的潮流计算包括牛顿-拉夫逊法、P-Q分解法、前推迭代法等计算方法；其中，牛顿-拉夫逊法潮流计算具有较好的收敛速度以及收敛精度。

牛顿-拉夫逊法潮流计算是以节点导纳矩阵为基础的，节点导纳矩阵可以表示为：

节点有功和无功功率方程分别表示为：

式中，δij=δi-δj为节点i、j电压的相角差；Vi、Vj分别为节点i、j的电压幅值。

牛顿-拉夫逊潮流计算的修正方程为：

其中，J-1为雅克比矩阵的逆矩阵，其中的各元素均为节点电压的函数，在迭代过程中元素值不断改变。

通过修正量修正节点电压，并进行下一次迭代运算，直到满足收敛判据。

2.2 节点电压排序调节算法

针对特定节点的电压调节方法主要有两种，一种直接调节该节点的参数，例如负载、变压器以及电池组的充放电功率等直接调节该节点处的电压；另一种则是通过调节其他节点的参数，从而实现对特定节点的电压调节[16]。

在配电网进行电力传输时，距离配电站距离越远的用户节点的电压越不稳定，越容易出现电压越限问题。并且距离配电站距离越远的用户节点对于配电结构中的其他用户电压值的影响也越大。因此，在节点电压调节中采用节点电压排序算法，通过节点电压排序确定电压调节的优先级，优先调节节点电压变化较大的节点，减少电池充放电次数。

节点电压排序调节流程如图2所示。将节点电压排序，当出现过压越限问题时，从电压值最大的节点开始调节；出现欠压越限问题时，则从节点电压值最小的节点开始调节。由于储能系统的充放电功率有限，当储能系统调节完存在越限问题的节点时，仍可能未解决电压越限问题。为此，通过节点的电压值设定电池储能系统的充放电阈值，从而使得未越限节点辅助参与节点的电压调节。

图2 节点电压排序调节算法

当节点电压Vmax_i＞1.1p.u.时，即该节点电压越限时，设定电池储能系统的充电阈值Vmax=Vmax1；当越限节点储能系统调节完成后仍未解决越限问题时，分别设定[1.05,1.1]p.u.、[1,1.05]p.u.范围内节点的储能系统充电阈值Vmax为Vmax2、Vmax3，通过调节未越限节点储能系统的充电功率，从而辅助解决电压越限问题。同理，根据节点电压的范围设定储能系统的放电阈值Vmin，分别设定[0.8,0.9]p.u.、[0.9,0.95]p.u.和[0.95,1]p.u.范围内节点的放电阈值Vmin为Vmin1、Vmin2和Vmin3。

根据节点的充放电阈值，计算节点的电压调节功率，并通过储能系统进行电压调节。该节点调节完成后通过潮流计算判断是否解决电压越限问题；如果已解决电压越限问题，则退出此次电压调节，未解决则继续调节下一节点。

2.3 电压调节功率ΔPvi

电池储能系统的充放电功率是根据节点电压值确定的，假设用户节点电压为Vi(t)，节点的电压的正常范围：

假设电池储能系统充电阈值电压为Vmax，放电阈值电压为Vmin；当节点电压产生越限问题时，电池储能系统充放电功率：

其中，Vnom代表配电网节点的标称电压，为任意时刻DPGS发电功率，为用户的负载功率。

参与电压调节电池组个数：

其中，ΔPvi(t)为电压调节功率，Pb为电池组的充放电功率。

2.4 储能系统调节

储能系统调节则主要通过电池SOC选择合适的电池充放电组合，并控制电池组合充放电实现节点电压调节。为了防止电池过充、过放造成电池的损坏，通常根据SOC将电池分为三个充放电状态。当SOC≥90%，电池为可放电不可充电状态；10%＜SOC＜90%时，电池可充电可放电；SOC≤10%时，电池可充电不可放电。

SOC与电池的充放电功率(Pcharge、Pdischarge)、初始SOC(SOCstart)、电池容量Bcapcity以及充放电时间（time）有关。任意时刻的电池SOC可用下式进行估算：

储能系统调节流程如图3所示，在储能系统参与电压调节时，根据节点所需的充放电功率进行充放电电池组的选择；通过电池组充放电实现节点电压的调节，并对电池的SOC信息进行检测，及时切换充放电状态，避免过充、过放。

图3 储能系统调节流程图

3 算例分析

3.1 测试环境及参数

本文中采用IEEE33节点配电网模型以验证该节点电压调节策略，IEEE33节点配电网模型如图4所示。将节点1设置为平衡节点，节点电压值为1p.u.且保持不变，其余节点均为用户节点，节点电压的正常范围为[0.9,1.1]p.u.。

图4 IEEE 33节点配电网络模型

在用户节点处安装分布式光伏发电系统以及电池储能系统。图5为24小时内的分布式光伏发电系统发电量以及用户负荷功率数据，其峰值发电功率为10.5MW，峰值负荷功率为3.8MW。

图5 24小时发电和负荷数据

设置仿真时长为24小时，采样时间5分钟，共计采样点288个，对该配电系统的用户节点电压进行仿真。设计三种仿真情况，分别为无电压调节情况、未改进的储能系统调节情况以及改进的储能系统参与电压调节情况，无电压调节情况作为对照以验证本策略的电压调节效果。

3.2 仿真结果及分析

如图6所示，在10:00～14:00，由于光照充足光伏发电系统的发电量大于用户的负荷功率，导致部分用户节点电压出现多次超出正常电压范围的情况。在18:00～22:00时，由于日落光伏发电系统的发电量逐渐降低，随着用户负载功率的增加，部分用户节点低于节点电压的正常范围，出现电压欠压越限情况。

图6 无电压调节情况

图7、图8分别为未优化的储能系统电压调节结果和储能系统参与电压调节的次数。结果表明，电池储能系统可以通过控制其充放电从而使节点电压维持在正常的范围。但储能系统参与电压调节次数较多，对其使用寿命以及电池容量的损耗影响较大。

图7 未优化的电压调节情况

图8 未优化的储能系统调节次数

图9、图10显示了本文改进的基于节点电压排序调节的储能系统调节结果。结果表明，经过改进的调节算法能够利用储能系统实现用户节点的电压调节，并且与未改进的算法相比能够减少电池储能系统的调节次数，延长电池储能系统的使用寿命。

图9 改进储能系统调节方法

图10 改进算法储能系统调节次数

4 结语

本文提出一种基于排序算法的电池储能系统参与配电网电压调节策略。根据在IEEE 33节点配电网络模型中的仿真结果可以得到，所提出的电压调节策略能够实现节点电压的调节，将节点电压约束在正常范围内，并能够减少电池储能系统参与节点电压调节的次数以延长其使用寿命，也能避免出现过充、过放情况。