電池儲能應(yīng)用于10 kV配電網(wǎng)解決低電壓問題的方案研究

朱曉彤，張 曼，吳 俊，魏旭東

（南京南瑞繼保電氣有限公司 江蘇 南京 211102）

0 引言

配電網(wǎng)由于負荷增長快、線路長，造成電壓低、損耗大等問題[1-3]，嚴重影響電能質(zhì)量，投訴問題依然突出。尤其對以居民負荷和不連續(xù)生產(chǎn)行業(yè)的配網(wǎng)線路，呈現(xiàn)出季節(jié)性高負荷（春節(jié)、迎峰度夏）和日早、晚高峰負荷等明顯特征，負荷高峰時期線路重載，同時線路功率因數(shù)偏低，用戶低電壓現(xiàn)象比較嚴重。文獻[4]通過優(yōu)化控制策略，采用合理的運行維護及治理手段，緩解配電網(wǎng)“低電壓”問題。文獻[5]采用串聯(lián)電容器補償裝置提高10 kV配網(wǎng)線路末端電壓，研究了串補裝置的安裝點、容抗值范圍。文獻[6]重點研究了串并聯(lián)混合電容器的補償原理，給出補償電壓和無功功率的計算方法，并進一步研究了串聯(lián)和并聯(lián)電容器的最佳安裝位置。

目前普遍采取的治理措施主要是在線路安裝調(diào)壓器，在線路或負載側(cè)裝設(shè)并補裝置（如并聯(lián)電容器、SVC等），串聯(lián)補償裝置，或重新架設(shè)線路，就近重建電源點等。對于高峰負荷明顯的10 kV線路，低電壓出現(xiàn)的主要原因是線路重載，僅通過無功補償改善10 kV線路末端電壓的效果一般，而改造或新建線路建設(shè)周期長、施工難度大且花費較大。

電池儲能具有控制響應(yīng)速度快，有功、無功四象限解耦控制的優(yōu)異性能。文獻[7]針對電網(wǎng)存在的電能質(zhì)量問題提出了一種新型并網(wǎng)結(jié)構(gòu)的儲能系統(tǒng)。文獻[8]研究了電池儲能應(yīng)用在用戶側(cè)的容量配置及運行優(yōu)化，節(jié)省用電成本。文獻[9]提出一種計及電熱柔性負荷的區(qū)域綜合能源系統(tǒng)儲能配置方法，降低系統(tǒng)的能源消耗成本和設(shè)備投資成本。文獻[10-12]基于儲能靈活的調(diào)節(jié)特性，重點研究了儲能在削峰填谷、平滑負荷、降低網(wǎng)損等方面的應(yīng)用，并提出其容量優(yōu)化方法。此外，儲能在高滲透率可再生能源[13]、主動配電網(wǎng)[14]、直流微電網(wǎng)[15]、大電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻[16]等場景，也能夠很好地發(fā)揮其作用。針對配電網(wǎng)低電壓問題，通過合理的調(diào)度和控制策略，在用電低谷時儲能充電，在用電高峰時段放電，就地消納一部分有功，可以起到削峰填谷、降低線路負載率的作用；同時，儲能變流器 PCS可以作為動態(tài)無功補償設(shè)備，發(fā)出無功功率，調(diào)節(jié)線路的功率因素在合理范圍。

本文詳細分析配電網(wǎng)低電壓產(chǎn)生的機理，基于儲能調(diào)節(jié)特性，提出了一種應(yīng)用于10 kV配電網(wǎng)解決線路低電壓問題的電池儲能方案?；陔姵貎δ芡度牒蟮难a償電壓原理，提出儲能額定功率和容量的計算方法，并制定儲能控制策略。以典型的10 kV輻射式配電網(wǎng)線路為例，采用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC開展配網(wǎng)建模及案例仿真，對提出方案進行適應(yīng)性分析。

1 電壓降落原因分析

1.1 電壓降落原理

如圖1所示為10 kV配電線路等值電路，不考慮對地電容。

圖1 簡化網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig. 1 Simplified network diagram

在配電網(wǎng)線路中，忽略橫分量的影響，電壓損耗可按下式計算：

式中：ΔU為電壓降；R為線路電阻；X為線路電抗；P為有功功率；Q為無功功率；U2為線路末端電壓。

1.2 低電壓產(chǎn)生原因分析

通過以上分析，配電線路低電壓的主要原因可分為以下幾類：

（1）供電半徑長、導(dǎo)線半徑小

由公式（1）推導(dǎo)可知，電壓降落與線路阻抗成正比例關(guān)系，當配電網(wǎng)供電半徑長、導(dǎo)線半徑小時，線路阻抗會增大，電壓損耗增加，導(dǎo)致配電網(wǎng)線路末端電壓偏低。

（2）線路和變壓器重載過載

對于呈現(xiàn)出季節(jié)性高負荷（春節(jié)、迎峰度夏）和早、晚高峰的負荷，在負荷高峰易出現(xiàn)變壓器、線路重載甚至過載，從而增大變壓器或線路的電壓損耗，導(dǎo)致線路末端的電壓下降，引起低電壓問題。

（3）缺乏無功補償，配電線路的功率因數(shù)偏低

由于缺乏無功補償，導(dǎo)致10 kV配電線路的功率因數(shù)偏低，也是出現(xiàn)低電壓的原因之一。

綜合以上分析及現(xiàn)場調(diào)研，10 kV配電線路低電壓出現(xiàn)的主要原因是供電半徑長、導(dǎo)線半徑小及負荷過重導(dǎo)致線路重載，僅通過無功補償提高功率因素效果一般。

2 儲能解決低電壓方案研究

2.1 儲能類型選擇及成本、效率分析

對比目前主流電化學(xué)儲能的類型，鉛碳電池單位造價低，但是放電深度淺，效率不及磷酸鐵鋰電池；全釩液流電池放電深度高，然而效率低，單位造價高；磷酸鐵鋰電池的放電深度可以達到90%，系統(tǒng)效率也為三者最高，單位造價適中。

儲能成本主要包含電池及電池管理系統(tǒng)BMS、雙向變流器PCS及升壓變壓器、能量管理系統(tǒng)EMS、土建成本等，磷酸鐵鋰儲能單位容量成本約為 1.5元/W·h～2.3元/W·h，未來隨著磷酸鐵鋰儲能的大規(guī)模應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)鏈的日趨成熟，電池成本還有繼續(xù)下降的趨勢。

磷酸鐵鋰儲能的整體效率主要受兩方面影響：電池充放電回路效率與電池輔控系統(tǒng)用電能耗。PCS作為電池充放電回路中的重要環(huán)節(jié)，目前的效率可高達97.5%；在電池輔控用電系統(tǒng)中，針對不同電池組散熱結(jié)構(gòu)進行溫控設(shè)計，可有效降低能耗，提高儲能電站效率。根據(jù)實際項目經(jīng)驗，目前磷酸鐵鋰儲能的整體效率可達到 85%～90%?？紤]項目需求，結(jié)合目前的技術(shù)成熟度以及成本考慮，擬采用磷酸鐵鋰電池。

2.2 儲能解決低電壓的原理分析

電池儲能具有控制響應(yīng)速度快，有功功率和無功功率四象限解耦控制的優(yōu)異性能，通過合理的調(diào)度及控制方式，在負荷低谷時利用儲能充電，在負荷高峰時利用儲能放電，就地消納一部分有功，可以很好地起到削峰填谷的作用；同時，儲能變流器PCS可以作為動態(tài)無功補償設(shè)備，發(fā)出無功功率，調(diào)節(jié)線路的功率因素在合理范圍。

如圖2所示，儲能接入點選擇在線路末端電壓。儲能放電時，10 kV配電線路上的電壓降可表示為：

式中：ΔU為電壓降；R為線路電阻；X為線路電抗；PL為負載有功功率；QL為負載無功功率；U2為線路末端電壓；PBESS為儲能發(fā)出的有功功率；QBESS為儲能發(fā)出的無功功率；為儲能的補償電壓量。

圖2 儲能接入配網(wǎng)示意圖Fig. 2 Distribution network with BESS diagram

因此，儲能不僅可以在高峰時期補充有功，而且可以用無功功率來提高功率因素，從而降低電壓降落值，提高線路電壓。

2.3 儲能額定功率及容量配置

合理選擇儲能的額定功率及容量配置也非常重要，為了保證經(jīng)濟性，儲能配置需要盡量保證儲能容量的利用率。

（1）儲能功率配置

根據(jù)上節(jié)的計算結(jié)果，儲能的補償電壓量按以下考慮：

式中：ΔUex.max為線路末端最低電壓偏離下限的電壓差值。

由于PCS具有1.1倍的過載能力，因此在有功功率輸出額定值時，PCS仍然具有0.45倍容量的無功能力，此時功率因數(shù)約為 0.91，因此儲能PCS的無功輸出按一定的功率因數(shù)計算：

綜上，計算得到，儲能的額定功率為：

式中：cosφ為功率因素，考慮一定裕度按0.93計算。

在實際運行過程中，儲能PCS輸出的無功功率可根據(jù)線路實際的功率因素情況進行出力調(diào)整，保證線路功率因素在合理范圍。

（2）儲能容量配置

考慮工程經(jīng)濟性，且PBESS的計算過程已經(jīng)考慮了最大電壓缺額下的極端情況，由于負荷最尖峰持續(xù)時間較短，實際情況下儲能出力不會一直維持在額定出力，因此儲能額定容量可按1 h配置，兼顧經(jīng)濟性和可靠性：

式中：WBESS為儲能額定容量。

2.4 儲能控制策略

為了充分利用儲能的容量和 PCS的無功能力，儲能控制策略按以下原則執(zhí)行，如圖3所示。

（1）首先判斷目前是否處于負荷低谷時段，一般地區(qū)可按00:00～07:00設(shè)置，特殊配網(wǎng)線路可以根據(jù)負荷特性具體設(shè)置。

（2）若處于負荷低谷時段，需判斷安裝點電壓是否大于9.4 kV（考慮0.1 kV的裕度），若安裝點電壓大于9.4 kV，則執(zhí)行充電指令，并實時監(jiān)測儲能電量狀態(tài)SOC，當滿足SOC≥95%時，儲能充電結(jié)束；若在充電前或者充電過程中電壓小于9.4 kV，可利用PCS輸出容性無功以提高電壓，若極端情況下電壓仍然小于9.4 kV需停止充電。

圖3 儲能控制策略示意圖Fig. 3 Control strategy of BESS diagram

（3）當目前不在負荷低谷時段時，實時監(jiān)測儲能安裝點電壓U。

（4）若9.3 kV≤U≤10.7 kV，則將儲能有功出力置零，儲能PCS工作在電壓控制模式，根據(jù)電壓情況動態(tài)調(diào)整無功出力，盡可能將電壓控制在10 kV附近。

（5）若U≤9.3 kV，為了節(jié)省儲能存儲電量，儲能應(yīng)優(yōu)先以PCS進行無功調(diào)節(jié)，PCS工作在電壓控制模式，補償容性無功，且Q≤0.45PBESS（無功輸出不影響額定有功輸出）。在負荷次高峰時段，線路末端低電壓越限幅度不大，此時儲能僅補償容性無功來提高線路的功率因數(shù)，即可將電壓控制在規(guī)定范圍內(nèi)。

（6）在負荷高峰時段，線路末端低電壓情況最嚴重。若在PCS無功出力達到上限時，電壓仍然不合格，儲能開始放電，輸出有功功率根據(jù)實時電壓調(diào)節(jié)，且滿足P≤PBESS。

（7）當U≥9.4 kV（返回電壓）時，程序返回，重新開始執(zhí)行步驟（3），即重新檢測電壓并進行判別。

3 案例分析

以典型的10 kV輻射式配電網(wǎng)線路為例進行建模仿真驗證，如圖4所示，采用電磁暫態(tài)軟件PSCAD/EMTDC建立配電網(wǎng)仿真模型，仿真研究電池儲能應(yīng)用于10 kV配電網(wǎng)解決低電壓問題的方案。

圖4 線路示意圖Fig. 4 10 kV Distribution network line diagram

該供電網(wǎng)絡(luò)共有4部分用電負荷，每部分都有若干個距離較近的臺區(qū)組成，線路型號及長度如圖4所示。

3.1 低電壓情況仿真

（1）負荷高峰

假設(shè)在負荷高峰時段，負荷P1，P2，P3，P4分別為0.9 MW，0.9 MW，0.9 MW，3 MW。線路首端功率因數(shù)為0.896。

根據(jù)規(guī)定，20 kV及以下三相供電電壓偏差為標稱電壓的±7%。即10 kV電壓合格范圍9.3 kV～10.7 kV。

由表1結(jié)果可知，U1，U2，U3，U4均不合格，其中U4低于電壓最低限值1.37 kV。

表1 加裝儲能之前低電壓情況-負荷高峰Tab. 1 Low voltage condition before installation of BESS-peak load

（2）負荷次高峰

假設(shè)在負荷次高峰時段，負荷P1，P2，P3，P4分別為0.9 MW，0.9 MW，0.9 MW，1.65 MW。線路首端功率因數(shù)為0.91。

根據(jù)規(guī)定，20 kV及以下三相供電電壓偏差為標稱電壓的±7%，即10 kV電壓合格范圍9.3 kV～10.7 kV。

由表2結(jié)果可知，U1，U2，U3，U4均不合格，其中U4低于電壓最低限值0.5 kV。

表2 加裝儲能之前低電壓情況-負荷次高峰Tab. 2 Low voltage condition before installation of BESS-sub-peak load

3.2 儲能應(yīng)用效果分析

（1）儲能容量及接入點

由公式（3）～（5）儲能功率的計算公式，儲能的配置選定為3 MW/3 MW·h。接入點在P4負荷主干線路處，如圖4所示。

（2）負荷高峰

在負荷高峰時，PCS若按照0.45倍容量補償容性無功1.35 MVar，通過仿真，末端電壓為8.57 kV仍然不能滿足要求。根據(jù)控制策略，儲能需輸出有功功率，當P=3 MW時，各節(jié)點的電壓情況如表3所示。

表3 加裝儲能后電壓情況-負荷高峰Tab. 3 Voltage after installation of BESS-peak load

此時線路首端的功率因素為 0.97。各節(jié)點的電壓均控制在9.3 kV以上，滿足要求。

（3）負荷次高峰

在負荷次高峰，PCS若按照0.45倍容量補償容性無功 1.35 MVar，各節(jié)點的電壓情況如表 4所示。

表4 加裝儲能后電壓情況-負荷次高峰Tab. 4 Voltage after installation of BESS-sub-peak load

此時線路首端的功率因素為 0.99，各節(jié)點的電壓均控制在9.3 kV以上，滿足要求。

4 結(jié)論

本文提出了一種應(yīng)用于10 kV配電網(wǎng)解決線路低電壓問題的電池儲能方案，制定了儲能功率和容量的規(guī)劃方法、控制策略。

選取某典型10 kV配電網(wǎng)線路為仿真案例，采用電磁暫態(tài)仿真軟件 PSCAD/EMTDC 進行建模仿真驗證，結(jié)果如下：

（1）在負荷高峰時段，線路末端低電壓情況最嚴重。若在PCS無功出力達到上限時，電壓仍然不合格，儲能開始放電，輸出有功功率根據(jù)實時電壓調(diào)節(jié)，且滿足P≤PBESS，可有效將各節(jié)點電壓控制在9.3 kV以上。

（2）在負荷次高峰時段，線路末端低電壓越限幅度不大，為了節(jié)省儲能存儲電量，儲能應(yīng)先優(yōu)先以PCS進行無功調(diào)節(jié)，PCS工作在電壓控制模式，補償容性無功，且Q≤0.45PBESS，可有效將各節(jié)點電壓控制在9.3 kV以上。

結(jié)果驗證了該解決方案能夠很好解決由于配電線路長、負載重導(dǎo)致的嚴重低電壓問題，提出的儲能額定功率、容量和控制策略的規(guī)劃方法在實際配網(wǎng)場景中有較好的適應(yīng)性和可用性。