低压配电网中分布式光储系统的电压协调控制策略

李风洲，李永富

（深能南京能源控股有限公司，江苏 南京）

引言

低压配电网电压跳变是一种局部的、相互联系的现象，单纯的有功控制和无功控制在电压调控方面所起到的作用非常有限，现有的控制手段在很多时候都无法适应大规模分布式光伏并网的运行需求[1-2]。近年来，随着储能技术日趋成熟、成本不断下降，分布式储能在提高低压配电系统电压品质、促进新能源消纳等方面受到广泛关注。为深化分布式光储系统的推广应用，下文将对此展开研究。

1 建立分布式光伏系统并网模型

在储能系统中，直流变换器（DC-DC）所发挥的作用是十分重要的，通常情况下，在使用中，将直流变换器划分为两种类型，其中一种为隔离式变换器，另一种为非隔离式变换器，相比前者，后者的结构更为简单，且更容易操作、控制，因此，在综合考虑后，选择非隔离式变换器作为储能系统的主要构成[3-4]。其中非隔离式变换器的拓扑结构如图1 所示。

图1 非隔离式变换器的拓扑结构示意

通常情况下，非隔离式变换器的运行模式有两种，分别为升压模式、降压模式，根据变换器的拓扑结构，在Simulink 中，辅助计算机，进行光储系统变换器模型中元件参数的设置，如表1 所示。

表1 光储系统变换器模型中元件参数设置

在此过程中，应明确光储系统变换器模型中直流变换器双向控制的目的是维持负载一侧，直流电压的输出稳定，因此，可以将控制环的外环称之为电压环，为实现对电感电流的有效控制，并确保电感电流在有效、合理范围内波动，将电感电流控制环称之为内环，通过对内环、外环的结合控制，实现直流变换器的双向控制，控制逻辑如图2 所示。

图2 直流变换器的双向控制逻辑

将图1 与图2 所示的内容进行结合，将其在Simulink 中进行模型的构建，即可生成分布式光伏系统并网模型[5]。

2 电压协调控制策略

2.1 基于光伏逆变器剩余容量的电压控制策略

在低压配电网中分布式光储系统的光伏逆变器有功功率输出可以起到电压提升的作用。另外，光伏逆变器输出的无功既可以像无功补偿装置那样提升电压，又可以像负荷那样从电网中吸收无功，进而降低电压。所以，对于电压越限，即电压不在规定的允许范围内，要综合考虑降低调压成本的因素，优先利用光伏逆变器自身的可用剩余容量，调节电压[6]。考虑到目前大部分户用光伏并网逆变器都具有通信调度的特性，通过外部方式实现光伏逆变器的无功外环控制。在此基础上，针对光伏逆变器的剩余容量，采用电压控制策略对其进行控制，从而产生无功指令Qref 及有功指令Plim。在控制过程中，首先对光伏逆变器并网的电压、电流值进行采集。其次，在电压控制装置中，判断电压是否在规定的范围内出现了越限情况[7]。随后，通过电压控制策略得到调节电压在合理范围内所需有功功率限值和无功功率。最后，将得到的参数传递给光伏逆变器，以此达到调节电压的目的。

无功功率中包含两个分量，分别为 Qref 1和 Qref2。在电压出现越上限的情况时，此时无功功率 Qref1为0，因此最终的无功功率 Qref的输出设定为两个分量之和。同理，当电压出现越下限的情况时，此时无功功率 Qref 2为0，因此最终的无功功率 Qref 输出也可设定为两个分量之和。通过这种方式可以有效降低控制的难度。结合上述逻辑，绘制无功功率随电压变化的曲线图，如图3 所示。

2.2 储能参与调压的控制策略

在上述基于光伏逆变器剩余容量的电压控制逻辑基础上，若光伏逆变器当中的可用剩余容量存在无法将电压越限问题完全消除的情况，再选择利用储能实现电压控制调节。将储能荷电状态变化量定义为△ S OC，△ SOC 为一致性变量。这一变量的应用不仅能够充分考虑到储能安装容量的差异问题，同时还能够实现对储能功率与SOC 的同步控制。

当光伏逆变器的剩余电量用完后，若主导节点的电压超过上限值问题仍未解决，那么就会把减少的有功部分存储到储能电池中，对储能进行充电，从而提高SOC。当系统中的主导节点电压超出下限的问题仍未得到解决时，系统将会释放能量，从而使系统的SOC 降低。相应的主导节点储能SOC 计算为：

式中：S OCmin代表储能SOC 下限值；S OCmax代表储能SOC 上限值。

2.3 光伏逆变器与储能协调的电压控制策略

在充分考虑经济因素的前提下，当低压配网发生电压越限时，优先选择使用光伏逆变器的剩余容量来调节电压。当电网剩余容量较小，且过压现象仍然存在时，可在电网中引入蓄电系统，通过蓄电系统的充电和放电，使电网的电压保持在一个合理的范围。在此部分中，提出一种以光伏逆变器和锂离子电池为基础的协同电压控制方法。本文提出的电压协调控制方法分两个阶段进行，在发现有过高电压时，从经济角度进行研究。对光伏逆变器进行电压控制的研究，如果光伏逆变器的剩余容量已用完，但过压问题仍然没有得到有效的解决，再进行能量储存的电压控制，实现对电压的有效控制。具体如下：

第一阶段：当电压超过下限值时，此时光伏逆变器的有功一直处于MPPT 状态。除此之外，光伏逆变器还会输出电容式无功。这个时候，就会使用Qmax进行限制，如果剩余容量耗尽，仍然会出现电压过下限的问题。其次，引进锂离子电池的储能，将这些储能释放出来，通过两者的配合，来实现对电压的调整。

第二阶段：当电压超过上限值时，光伏逆变器输出感性无功，非必要不减少有功功率。此时，以Spv限幅，如果剩余容量耗尽，仍然存在电压越上限问题，则削减其有功功率，给储能电池充电，将其储存到锂离子电池中备用，通过协调来满足电压调节需求。

3 电压协调控制效果分析

绘制某一测试时段内的电压协调控制前、电压协调控制后的光储系统储能电池输出电压波形图，如图4 所示。

图4 某一测试时段内的电压协调控制前、电压协调控制后的光储系统储能电池输出电压波形

结束语

根据此次研究，得到如下所示的结论：根据图4光储系统储能电池输出电压波形图中的两条曲线变化趋势可以看出，在测试时段内，协调控制前的系统储能电池输出电压整体波动趋势较大，而协调控制后的系统储能电池输出电压整体波动趋势较小，基本可以在光储系统运行中将储能电池的输出电压控制在一个相对稳定数值，由此可见，本文设计的电压协调控制方法可以在应用中达到预期效果，实现对输出电压的协调控制。