智能儲能式低電壓治理系統(tǒng)研究及應(yīng)用

肖浩宇，彭 鋼，桂小強(qiáng)，顏 樂，姜佳越，劉長文

（國網(wǎng)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(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，但由于農(nóng)村地區(qū)電網(wǎng)的發(fā)展速度沒有跟上經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度，使得農(nóng)村地區(qū)低壓配電網(wǎng)的建設(shè)速度落后于負(fù)荷增長的速度。目前很多農(nóng)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(biāo)的臺區(qū)。隨著農(nóng)村居民負(fù)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(yuǎn)山區(qū)，住戶分散，10kV 線路遠(yuǎn)離零星用戶，投資改造投入過大，因此用戶側(cè)低電壓現(xiàn)象依然突出。

1 研究現(xiàn)狀分析

為了解決農(nóng)村配電網(wǎng)的低電壓的問題，國家電網(wǎng)在2010 年和2014 年2 次對低電壓問題進(jìn)行整治。一般情況下，電網(wǎng)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(kuò)大配電網(wǎng)的輸電線的導(dǎo)線半徑以及劃分臺區(qū)等。這些方法雖能解決配電網(wǎng)末端的低電壓問題，但具體實(shí)施起來，所耗費(fèi)的人力、物力和財(cái)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(bǔ)償裝置或調(diào)壓器。文獻(xiàn)[1]在MATLAB/Simulink 上搭建了配電網(wǎng)的無功補(bǔ)償?shù)姆抡婺Ｐ?，并?yàn)證了模型的可行性。文獻(xiàn)[2]在配電網(wǎng)末端測試了不同的低電壓治理方法的調(diào)壓效果，同時提出了有功補(bǔ)償和無功補(bǔ)償與調(diào)壓器相結(jié)合的低電壓的治理方法。文獻(xiàn)[3]以電力電子技術(shù)為基礎(chǔ)，對低壓配電網(wǎng)的低電壓問題進(jìn)行治理。目前，一些研究者從問題的根本入手，將光伏風(fēng)電等分布式電源接入到配電網(wǎng)的末端，以此來解決低電壓的問題。例如，文獻(xiàn)[4]結(jié)合分布式光伏的建設(shè)，提出分布式光伏并網(wǎng)來解決農(nóng)村配電網(wǎng)的低電壓現(xiàn)象。文獻(xiàn)[5]提出了基于光儲的低電壓治理技術(shù)方案。文獻(xiàn)[6]在配電網(wǎng)中接入分布式光伏來對低電壓進(jìn)行治理，建立了以配電網(wǎng)中總的電壓偏差最小為目標(biāo)函數(shù)，使用粒子群算法尋找光伏接入配電網(wǎng)的最優(yōu)位置。

2 系統(tǒng)各部分原理介紹

本文旨在解決農(nóng)村低電壓的問題，尤其是針對偏遠(yuǎn)山區(qū)，改造難度大、投資大的地區(qū)。本文所研制的智能儲能式低電壓治理系統(tǒng)將光伏與儲能相結(jié)合，以電力電子技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了相關(guān)的電路與末端配電網(wǎng)相連接，同時可通過手機(jī)APP 遠(yuǎn)程了解和控制該系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。智能儲能式低電壓治理系統(tǒng)主要包含3個部分：直流系統(tǒng)、交流系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)的原理圖如圖1 所示。

圖1 智能儲能式低電壓治理系統(tǒng)原理框圖

2.1 直流系統(tǒng)

在直流系統(tǒng)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(tǒng)

在直流系統(tǒng)中，有2 組PV 接入到了系統(tǒng)的直流系統(tǒng)中，以PV 為起點(diǎn)，可以將PV 發(fā)出的電能的去向分為2 種情況。

情況一：當(dāng)配電網(wǎng)出現(xiàn)低電壓狀態(tài)時，此時DCAC 電路處于逆變狀態(tài)，PV 發(fā)出的電能經(jīng)DC-AC 逆變向配電網(wǎng)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(wǎng)和用戶供電。

情況二：當(dāng)配電網(wǎng)的電壓處于正常范圍時，PV 發(fā)出的電能通過2 個DC-DC 變換電路對電池組進(jìn)行充電，若當(dāng)PV 提供電能不足時，且電網(wǎng)電價處于低價狀態(tài)時，此時AC-DC 電路處于整流狀態(tài)，配電網(wǎng)的電能經(jīng)過AC-DC 整流電路后，再經(jīng)過DC-DC 降壓電路對電池組進(jìn)行充電。

2.2 交流系統(tǒng)

在交流系統(tǒng)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(hù)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(tǒng)視為電源，則可分為2 種情況。

情況一：當(dāng)智能儲能式低電壓治理系統(tǒng)發(fā)出的功率大于用戶負(fù)載時，此時智能儲能式低電壓治理系統(tǒng)也向配電網(wǎng)提供一定的功率，智能電表的功率流向?yàn)榕潆娋W(wǎng)，可以減輕配電網(wǎng)的負(fù)荷狀態(tài)抬升配電網(wǎng)的電壓，同時流向配電網(wǎng)的部分可以獲得一定的收益。

情況二：當(dāng)智能儲能式低電壓治理系統(tǒng)發(fā)出的功率小于用戶負(fù)載時，此時智能儲能式低電壓治理系統(tǒng)僅對用戶負(fù)載進(jìn)行供電，智能電表的功率流向?yàn)橛脩糌?fù)載，可以抬升用戶端的電壓，在一定程度上緩解配電網(wǎng)負(fù)荷狀態(tài)。

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

當(dāng)智能儲能式低電壓治理系統(tǒng)作為負(fù)荷時，此時用戶端電壓應(yīng)在正常范圍內(nèi)，且PV 和配電網(wǎng)均可向電池組進(jìn)行充電。交流系統(tǒng)部分傳感器的作用主要是檢測電壓電流的狀態(tài)，方便系統(tǒng)對其進(jìn)行狀態(tài)評估，避免智能儲能式低電壓治理系統(tǒng)處于孤島狀態(tài)。

2.3 控制系統(tǒng)

在控制系統(tǒng)部分，主要包括PV 變換器控制單元、主控模塊、電池管理系統(tǒng)（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(cè)電壓信號，根據(jù)采集的信號進(jìn)行線路上的狀態(tài)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(hù)器的開合，保護(hù)智能儲能式低電壓治理系統(tǒng)的電路安全。

主控模塊作為智能儲能式低電壓治理系統(tǒng)的主要控制中心，相當(dāng)于人類的大腦，是信號的處理中心和發(fā)出中心，其基本功能圖如圖3 所示。用戶通過操作系統(tǒng)進(jìn)行交互，進(jìn)而控制單片機(jī)（microcontroller unit，MCU），MCU 發(fā)出相應(yīng)的輸出信號對BMS 系統(tǒng)和金屬-氧化物-半導(dǎo)體（metal oxide semiconduct，MOS）管進(jìn)行控制，同時MCU 通過檢測電路發(fā)出的反饋信號，又進(jìn)一步調(diào)整輸出信號，使得整個系統(tǒng)安全高效地運(yùn)行。用戶既可以通過嵌入在智能儲能式低電壓治理系統(tǒng)中的LCD 屏對能源管理系統(tǒng)中各個模塊進(jìn)行操作和了解設(shè)備狀態(tài)信息，又可以通過WiFi 或以太網(wǎng)接入到互聯(lián)網(wǎng)中，通過互聯(lián)網(wǎng)可以在手機(jī)APP 上實(shí)時了解智能儲能式低電壓治理系統(tǒng)中各個模塊的狀態(tài)和控制每個模塊的動作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(jìn)行單獨(dú)管理，均衡各個電池的荷電狀態(tài)（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(tài)（state of power，SOP）進(jìn)行估算，與均衡模塊協(xié)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(tǒng)也可以進(jìn)行人機(jī)交互，可以通過液晶顯示（liquid crystal display，LCD）屏了解每個電池的狀態(tài)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(tǒng)以并聯(lián)的方式接入到配電網(wǎng)中，為了簡化分析，可以將智能儲能式低電壓治理系統(tǒng)簡化為一個并聯(lián)在電路中的電壓源，并將其視為一個補(bǔ)償器。在不加入補(bǔ)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(bǔ)償器時電路原理圖

其中，配電網(wǎng)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(wǎng)變壓器出口處電壓Voc=240 V，用戶負(fù)載電阻Rload=10 Ω，則可計(jì)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(bǔ)償器后，電路原理圖如圖6 所示。

圖6 加入補(bǔ)償器時電路原理圖

其中，補(bǔ)償器的輸出電壓Vcom=205 V，配電變壓器的出口電流為

可計(jì)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(bǔ)償器需要輸出的功率為

再由式（9）和式（10）可計(jì)算得出補(bǔ)償器的補(bǔ)償比例為

設(shè)備補(bǔ)償功率與電網(wǎng)補(bǔ)償功率比為

則線路上的損耗為

式中：0.08 為電池組的轉(zhuǎn)化效率，30 W 為待機(jī)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(jié)束語

本文將光伏和儲能裝置相結(jié)合，并通過電力電子電路與配電網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)了在負(fù)荷較大電壓偏低時，儲能裝置向配電網(wǎng)輸出功率，以此將配電網(wǎng)的末端電壓進(jìn)行抬升；在負(fù)荷較小電壓偏高時，配電網(wǎng)對儲能裝置進(jìn)行充電，以此將配電網(wǎng)末端電壓進(jìn)行降低。目前本文所研制的智能儲能式低電壓治理系統(tǒng)已應(yīng)用于十幾戶用戶，同時距離10 kV 線路2 km 以上臺區(qū)改造需要近百萬的臺區(qū)作為應(yīng)用場地，系統(tǒng)安裝后節(jié)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(jìn)行了更有效的解決，特別是偏遠(yuǎn)山區(qū)，改造難度大及投資大的地區(qū)，得到了全面有效的根治，同時對新能源接入、儲能技術(shù)、微網(wǎng)技術(shù)、鋰電池管理系統(tǒng)和鋰電池修復(fù)等領(lǐng)域的技術(shù)開發(fā)有了一定的理論和技術(shù)儲備。