低壓配電網中分布式光儲系統的電壓協調控制策略

李風洲，李永富

（深能南京能源控股有限公司，江蘇 南京）

引言

低壓配電網電壓跳變是一種局部的、相互聯系的現象，單純的有功控制和無功控制在電壓調控方面所起到的作用非常有限，現有的控制手段在很多時候都無法適應大規模分布式光伏并網的運行需求[1-2]。近年來，隨著儲能技術日趨成熟、成本不斷下降，分布式儲能在提高低壓配電系統電壓品質、促進新能源消納等方面受到廣泛關注。為深化分布式光儲系統的推廣應用，下文將對此展開研究。

1 建立分布式光伏系統并網模型

在儲能系統中，直流變換器（DC-DC）所發揮的作用是十分重要的，通常情況下，在使用中，將直流變換器劃分為兩種類型，其中一種為隔離式變換器，另一種為非隔離式變換器，相比前者，后者的結構更為簡單，且更容易操作、控制，因此，在綜合考慮后，選擇非隔離式變換器作為儲能系統的主要構成[3-4]。其中非隔離式變換器的拓撲結構如圖1 所示。

圖1 非隔離式變換器的拓撲結構示意

通常情況下，非隔離式變換器的運行模式有兩種，分別為升壓模式、降壓模式，根據變換器的拓撲結構，在Simulink 中，輔助計算機，進行光儲系統變換器模型中元件參數的設置，如表1 所示。

表1 光儲系統變換器模型中元件參數設置

在此過程中，應明確光儲系統變換器模型中直流變換器雙向控制的目的是維持負載一側，直流電壓的輸出穩定，因此，可以將控制環的外環稱之為電壓環，為實現對電感電流的有效控制，并確保電感電流在有效、合理范圍內波動，將電感電流控制環稱之為內環，通過對內環、外環的結合控制，實現直流變換器的雙向控制，控制邏輯如圖2 所示。

圖2 直流變換器的雙向控制邏輯

將圖1 與圖2 所示的內容進行結合，將其在Simulink 中進行模型的構建，即可生成分布式光伏系統并網模型[5]。

2 電壓協調控制策略

2.1 基于光伏逆變器剩余容量的電壓控制策略

在低壓配電網中分布式光儲系統的光伏逆變器有功功率輸出可以起到電壓提升的作用。另外，光伏逆變器輸出的無功既可以像無功補償裝置那樣提升電壓，又可以像負荷那樣從電網中吸收無功，進而降低電壓。所以，對于電壓越限，即電壓不在規定的允許范圍內，要綜合考慮降低調壓成本的因素，優先利用光伏逆變器自身的可用剩余容量，調節電壓[6]。考慮到目前大部分戶用光伏并網逆變器都具有通信調度的特性，通過外部方式實現光伏逆變器的無功外環控制。在此基礎上，針對光伏逆變器的剩余容量，采用電壓控制策略對其進行控制，從而產生無功指令Qref 及有功指令Plim。在控制過程中，首先對光伏逆變器并網的電壓、電流值進行采集。其次，在電壓控制裝置中，判斷電壓是否在規定的范圍內出現了越限情況[7]。隨后，通過電壓控制策略得到調節電壓在合理范圍內所需有功功率限值和無功功率。最后，將得到的參數傳遞給光伏逆變器，以此達到調節電壓的目的。

無功功率中包含兩個分量，分別為 Qref 1和 Qref2。在電壓出現越上限的情況時，此時無功功率 Qref1為0，因此最終的無功功率 Qref的輸出設定為兩個分量之和。同理，當電壓出現越下限的情況時，此時無功功率 Qref 2為0，因此最終的無功功率 Qref 輸出也可設定為兩個分量之和。通過這種方式可以有效降低控制的難度。結合上述邏輯，繪制無功功率隨電壓變化的曲線圖，如圖3 所示。

2.2 儲能參與調壓的控制策略

在上述基于光伏逆變器剩余容量的電壓控制邏輯基礎上，若光伏逆變器當中的可用剩余容量存在無法將電壓越限問題完全消除的情況，再選擇利用儲能實現電壓控制調節。將儲能荷電狀態變化量定義為△ S OC，△ SOC 為一致性變量。這一變量的應用不僅能夠充分考慮到儲能安裝容量的差異問題，同時還能夠實現對儲能功率與SOC 的同步控制。

當光伏逆變器的剩余電量用完后，若主導節點的電壓超過上限值問題仍未解決，那么就會把減少的有功部分存儲到儲能電池中，對儲能進行充電，從而提高SOC。當系統中的主導節點電壓超出下限的問題仍未得到解決時，系統將會釋放能量，從而使系統的SOC 降低。相應的主導節點儲能SOC 計算為：

式中：S OCmin代表儲能SOC 下限值；S OCmax代表儲能SOC 上限值。

2.3 光伏逆變器與儲能協調的電壓控制策略

在充分考慮經濟因素的前提下，當低壓配網發生電壓越限時，優先選擇使用光伏逆變器的剩余容量來調節電壓。當電網剩余容量較小，且過壓現象仍然存在時，可在電網中引入蓄電系統，通過蓄電系統的充電和放電，使電網的電壓保持在一個合理的范圍。在此部分中，提出一種以光伏逆變器和鋰離子電池為基礎的協同電壓控制方法。本文提出的電壓協調控制方法分兩個階段進行，在發現有過高電壓時，從經濟角度進行研究。對光伏逆變器進行電壓控制的研究，如果光伏逆變器的剩余容量已用完，但過壓問題仍然沒有得到有效的解決，再進行能量儲存的電壓控制，實現對電壓的有效控制。具體如下：

第一階段：當電壓超過下限值時，此時光伏逆變器的有功一直處于MPPT 狀態。除此之外，光伏逆變器還會輸出電容式無功。這個時候，就會使用Qmax進行限制，如果剩余容量耗盡，仍然會出現電壓過下限的問題。其次，引進鋰離子電池的儲能，將這些儲能釋放出來，通過兩者的配合，來實現對電壓的調整。

第二階段：當電壓超過上限值時，光伏逆變器輸出感性無功，非必要不減少有功功率。此時，以Spv限幅，如果剩余容量耗盡，仍然存在電壓越上限問題，則削減其有功功率，給儲能電池充電，將其儲存到鋰離子電池中備用，通過協調來滿足電壓調節需求。

3 電壓協調控制效果分析

繪制某一測試時段內的電壓協調控制前、電壓協調控制后的光儲系統儲能電池輸出電壓波形圖，如圖4 所示。

圖4 某一測試時段內的電壓協調控制前、電壓協調控制后的光儲系統儲能電池輸出電壓波形

結束語

根據此次研究，得到如下所示的結論：根據圖4光儲系統儲能電池輸出電壓波形圖中的兩條曲線變化趨勢可以看出，在測試時段內，協調控制前的系統儲能電池輸出電壓整體波動趨勢較大，而協調控制后的系統儲能電池輸出電壓整體波動趨勢較小，基本可以在光儲系統運行中將儲能電池的輸出電壓控制在一個相對穩定數值，由此可見，本文設計的電壓協調控制方法可以在應用中達到預期效果，實現對輸出電壓的協調控制。