智能儲能式低電壓治理系統研究及應用

肖浩宇，彭 鋼，桂小強，顏 樂，姜佳越，劉長文

（國網江西省電力有限公司蘆溪縣供電分公司，江西 蘆溪 337200）

近些年以來，我國的經濟飛速發展，電網規模不斷擴大，但由于農村地區電網的發展速度沒有跟上經濟發展的速度，使得農村地區低壓配電網的建設速度落后于負荷增長的速度。目前很多農村配變的容量較小，10 kV 主干線路、分支線以及低壓主干線路、接戶線的截面均過小，且位于供電半徑超標的臺區。隨著農村居民負荷增長，雖然采取了更換大容量變壓器的措施，但受線路卡脖子的制約，特別是偏遠山區，住戶分散，10kV 線路遠離零星用戶，投資改造投入過大，因此用戶側低電壓現象依然突出。

1 研究現狀分析

為了解決農村配電網的低電壓的問題，國家電網在2010 年和2014 年2 次對低電壓問題進行整治。一般情況下，電網公司對低電壓治理的基本方法為更換大容量的電力變壓器、新建變電站、擴大配電網的輸電線的導線半徑以及劃分臺區等。這些方法雖能解決配電網末端的低電壓問題，但具體實施起來，所耗費的人力、物力和財力都比較大，且施工周期長。一般采取的治理方法有在線路上安裝無功補償裝置或調壓器。文獻[1]在MATLAB/Simulink 上搭建了配電網的無功補償的仿真模型，并驗證了模型的可行性。文獻[2]在配電網末端測試了不同的低電壓治理方法的調壓效果，同時提出了有功補償和無功補償與調壓器相結合的低電壓的治理方法。文獻[3]以電力電子技術為基礎，對低壓配電網的低電壓問題進行治理。目前，一些研究者從問題的根本入手，將光伏風電等分布式電源接入到配電網的末端，以此來解決低電壓的問題。例如，文獻[4]結合分布式光伏的建設，提出分布式光伏并網來解決農村配電網的低電壓現象。文獻[5]提出了基于光儲的低電壓治理技術方案。文獻[6]在配電網中接入分布式光伏來對低電壓進行治理，建立了以配電網中總的電壓偏差最小為目標函數，使用粒子群算法尋找光伏接入配電網的最優位置。

2 系統各部分原理介紹

本文旨在解決農村低電壓的問題，尤其是針對偏遠山區，改造難度大、投資大的地區。本文所研制的智能儲能式低電壓治理系統將光伏與儲能相結合，以電力電子技術為基礎，設計了相關的電路與末端配電網相連接，同時可通過手機APP 遠程了解和控制該系統的運行狀態。智能儲能式低電壓治理系統主要包含3個部分：直流系統、交流系統和控制系統，其系統的原理圖如圖1 所示。

圖1 智能儲能式低電壓治理系統原理框圖

2.1 直流系統

在直流系統部分，主要由光伏（photovoltaic，PV）、電磁兼容（electro magnetic compatiblity，EMC）濾波器、DC-DC 變換電路和電池組組成，如圖2 所示的直流部分。

圖2 智能儲能式低電壓治理系統

在直流系統中，有2 組PV 接入到了系統的直流系統中，以PV 為起點，可以將PV 發出的電能的去向分為2 種情況。

情況一：當配電網出現低電壓狀態時，此時DCAC 電路處于逆變狀態，PV 發出的電能經DC-AC 逆變向配電網和用戶送出，若提供的電量有剩余，則再通過DC-DC 變換電路向電池組充電；若PV 所提供的電能不足，則電池組依次通過DC-DC 變換電路、DC-AC 逆變電路向配電網和用戶供電。

情況二：當配電網的電壓處于正常范圍時，PV 發出的電能通過2 個DC-DC 變換電路對電池組進行充電，若當PV 提供電能不足時，且電網電價處于低價狀態時，此時AC-DC 電路處于整流狀態，配電網的電能經過AC-DC 整流電路后，再經過DC-DC 降壓電路對電池組進行充電。

2.2 交流系統

在交流系統部分，如圖2 所示的交流部分，主要是由DC-AC 變換電路、電壓電流傳感器、EMC 濾波器、接地故障電流漏電保護器和智能電表組成。

在交流部分，若將智能儲能式低電壓治理系統視為電源，則可分為2 種情況。

情況一：當智能儲能式低電壓治理系統發出的功率大于用戶負載時，此時智能儲能式低電壓治理系統也向配電網提供一定的功率，智能電表的功率流向為配電網，可以減輕配電網的負荷狀態抬升配電網的電壓，同時流向配電網的部分可以獲得一定的收益。

情況二：當智能儲能式低電壓治理系統發出的功率小于用戶負載時，此時智能儲能式低電壓治理系統僅對用戶負載進行供電，智能電表的功率流向為用戶負載，可以抬升用戶端的電壓，在一定程度上緩解配電網負荷狀態。

在配電網斷電時，智能儲能式低電壓治理系統還可以作為應急電源（emergency power supply，EPS）電源，僅對重要的用戶負載進行一段時間的供電。

當智能儲能式低電壓治理系統作為負荷時，此時用戶端電壓應在正常范圍內，且PV 和配電網均可向電池組進行充電。交流系統部分傳感器的作用主要是檢測電壓電流的狀態，方便系統對其進行狀態評估，避免智能儲能式低電壓治理系統處于孤島狀態。

2.3 控制系統

在控制系統部分，主要包括PV 變換器控制單元、主控模塊、電池管理系統（battery management system，BMS）控制模塊和電池均衡模塊。

其中，PV 變換器控制單元的主要作用是采集PV輸出的電壓電流信號、直流母線的電壓電流信號、交流側電壓信號，根據采集的信號進行線路上的狀態評估，并控制DC-DC 變換電路、DC-AC 變換電路、繼電器和接地故障電流漏電保護器的開合，保護智能儲能式低電壓治理系統的電路安全。

主控模塊作為智能儲能式低電壓治理系統的主要控制中心，相當于人類的大腦，是信號的處理中心和發出中心，其基本功能圖如圖3 所示。用戶通過操作系統進行交互，進而控制單片機（microcontroller unit，MCU），MCU 發出相應的輸出信號對BMS 系統和金屬-氧化物-半導體（metal oxide semiconduct，MOS）管進行控制，同時MCU 通過檢測電路發出的反饋信號，又進一步調整輸出信號，使得整個系統安全高效地運行。用戶既可以通過嵌入在智能儲能式低電壓治理系統中的LCD 屏對能源管理系統中各個模塊進行操作和了解設備狀態信息，又可以通過WiFi 或以太網接入到互聯網中，通過互聯網可以在手機APP 上實時了解智能儲能式低電壓治理系統中各個模塊的狀態和控制每個模塊的動作，實現遠程操作和信息交互。

圖3 主控模塊功能框圖

BMS 控制模塊的主要作用是對電池組中的每個電池進行單獨管理，均衡各個電池的荷電狀態（state of charge，SOC），以及對每一個電池的健康狀況（state of health，SOH）和功率狀態（state of power，SOP）進行估算，與均衡模塊協同作用最大限度地保證整個電池組的供能效率；同時，BMS 控制系統也可以進行人機交互，可以通過液晶顯示（liquid crystal display，LCD）屏了解每個電池的狀態和整個電池組工作效率，也可以通過LCD 屏的交互界面控制每個電池具體的充放電功率，其原理框圖如圖4 所示。

3 算例分析

本文所研制的智能儲能式低電壓治理系統以并聯的方式接入到配電網中，為了簡化分析，可以將智能儲能式低電壓治理系統簡化為一個并聯在電路中的電壓源，并將其視為一個補償器。在不加入補償器的情況下，其電路原理圖可化簡，如圖5 所示。

圖5 未加入補償器時電路原理圖

其中，配電網輸電線的型號為LGJ300/25 的鋼芯鋁絞線，其電阻率ρ=1.3 Ω/km，線路的長度d=1.54 km，線路的總電阻為

配網變壓器出口處電壓Voc=240 V，用戶負載電阻Rload=10 Ω，則可計算得到線路電流

用戶端的電壓為

用戶的功率為

線路損耗為

線損率為

在加入補償器后，電路原理圖如圖6 所示。

圖6 加入補償器時電路原理圖

其中，補償器的輸出電壓Vcom=205 V，配電變壓器的出口電流為

可計算得出配電變壓器的輸出功率為

用戶的功率為

由式（8）和式（9）可以得出補償器需要輸出的功率為

再由式（9）和式（10）可計算得出補償器的補償比例為

設備補償功率與電網補償功率比為

則線路上的損耗為

式中：0.08 為電池組的轉化效率，30 W 為待機功耗。

線損率為

則由式（5）和式（13）可以得出線損降損率為

4 結束語

本文將光伏和儲能裝置相結合，并通過電力電子電路與配電網連接，實現了在負荷較大電壓偏低時，儲能裝置向配電網輸出功率，以此將配電網的末端電壓進行抬升；在負荷較小電壓偏高時，配電網對儲能裝置進行充電，以此將配電網末端電壓進行降低。目前本文所研制的智能儲能式低電壓治理系統已應用于十幾戶用戶，同時距離10 kV 線路2 km 以上臺區改造需要近百萬的臺區作為應用場地，系統安裝后節約投資40%以上，同時綜合降低線路損耗30%以上。同時本文對低電壓問題進行了更有效的解決，特別是偏遠山區，改造難度大及投資大的地區，得到了全面有效的根治，同時對新能源接入、儲能技術、微網技術、鋰電池管理系統和鋰電池修復等領域的技術開發有了一定的理論和技術儲備。