基于OLTC与储能系统协调的配电网电压控制方法

基于oltc与储能系统协调的配电网电压控制方法
技术领域
1.本发明属于电力系统稳定控制技术领域，尤其涉及一种基于oltc与储能系统协调的配电网电压控制方法。


背景技术：

2.随着光伏发电技术的蓬勃发展和推广应用，分布式光伏发电系统在中压配电网中的接入容量逐年增大。然而，光伏容量的快速增加给配电网电压控制带来了不利影响，一方面，光伏系统在发电高峰期向配电网注入大量有功功率，引起反向潮流，进而导致电压越限；另一方面，由于输电线路的高阻抗比，光伏出力的随机性也会导致接入点电压快速而频繁的波动，严重影响配电网的电压质量和供电可靠性。因此，研究高比例光伏发电系统接入下的配电网电压控制对于提升配电网的电压质量以及供电可靠性具有重要意义。
3.针对高比例光伏接入配电网引起的电压问题，传统电压控制方法，即有载调压变压器分接头(on-load tap changer，oltc)动作，响应速度慢且受到投切次数的限制，难以即时响应光伏接入后电压快速而频繁的变化。因此，凭借快速灵活的响应特性和逐渐降低的成本，在光伏接入点配置电池储能系统(battery energy storage system,bess)被认为是当前解决中压配电网电压控制问题的有效手段。在考虑储能装置容量和荷电状态(state of charge，soc)的前提下，通过调节储能系统的有功功率可以削峰填谷，快速控制电压水平。
4.现有的电压控制方法忽略了储能系统与oltc的协调或仅在储能系统调压失败的情况下启用oltc，一定程度上降低了配电网的整体电压调节能力。因此，本技术提出了一种基于oltc与储能系统协调的配电网电压控制方法，通过oltc与储能系统的协调，有效控制电压水平的同时实现配电网内资源的合理利用。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提出了一种基于oltc与储能系统协调的配电网电压控制方法。
6.本发明解决所述技术问题所采用的技术方案如下：
7.一种基于oltc与储能系统协调的配电网电压控制方法，该方法在执行步骤1～3的同时执行步骤4，实现oltc与储能系统的协调控制；
8.步骤1：建立包含oltc、储能系统与光伏系统的配电网模型，采集配电网中各节点负荷的有功功率和无功功率以及光伏系统的有功功率，根据配电网潮流计算方法计算配电网中各个节点电压；判断节点电压是否发生电压越限，若没有发生电压越限，则重新采集节点负荷的有功功率和无功功能以及光伏系统的有功功率，计算各个节点电压；若发生电压越限，则执行步骤2和3；
9.步骤2：采集配电网中所有储能系统的荷电状态，根据式(4)计算配电网中各个节点电压的权重wi；
[0010][0011]
其中，δvi为节点电压vi与参考值的偏差，δsoci为节点i处储能系统荷电状态偏差，若节点处不包含储能系统，则储能系统的荷电状态取值为0；sign表示两者乘积符号；
[0012]
利用式(5)计算所有节点电压的加权平均值v
avg
；
[0013][0014]
其中，n为节点数量；
[0015]
步骤3：根据式(6)计算电压误差；根据式(7)计算oltc所需调整的抽头位置k，通过抽头位置调整oltc动作，以改变oltc二次侧电压；
[0016]
e ＝ v
ref-v
avg
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0017][0018]
其中，v
ref
为oltc二次侧电压参考值，v
step
为oltc每个抽头步长的电压改善量；
[0019]
步骤4：对储能系统进行控制，计算储能系统的有功功率，将储能系统的有功功率作为逆变器的有功功率参考值进行输出；
[0020]
储能系统包含电压控制和soc控制两种模式；当储能系统所在节点的电压低于系统电压最小值或高于系统电压最大值时，储能系统采用电压控制模式，pi控制器的输入为节点电压vi与pi控制器参考电压的偏差，输出为储能系统的有功功率；电压控制模式下储能系统的有功功率p
bess
为：
[0021][0022]
其中，p
pi
为pi控制器输出的有功功率，soc
min
、soc
max
分别表示储能系统荷电状态的最小值和最大值，soci为节点i处储能系统的荷电状态；
[0023]
当储能系统所在节点的电压在系统电压允许范围内，储能系统采用soc控制模式，通过充电或放电使储能系统的荷电状态达到参考值soc
ref
，soc控制模式下储能系统的有功功率p
bess
为：
[0024]
p
bess
＝s
t
r(soc
i-soc
ref
) (10)
[0025]
其中，r是常数，s
t
是比例因子。
[0026]
进一步的，步骤4中，pi控制器参考电压v
pi,ref
的取值满足式(8)；
[0027][0028]
其中，v
max
、v
min
分别表示系统电压的最大值和最小值。
[0029]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0030]
1)本发明所提出的基于oltc与储能系统协调的电压控制方法，利用电压偏差与储能系统soc偏差计算配电网中各个节点电压的权重，进而求得所有节点电压的加权平均值，并反馈到oltc的控制中，在这个过程中通过赋予需要oltc立即动作的节点更高权重的方式
实现了oltc与储能系统的协调控制。
[0031]
2)本发明基于节点电压信息和储能系统soc状态为储能系统设计了电压控制模式和soc控制两种模式，能够充分利用储能系统的快速响应能力，通过调节储能系统的有功功率实现光伏系统接入点电压的快速控制。
[0032]
3)ieee 13节点配电网的仿真验证结果表明，与常规的无协调控制方法相比，本发明方法通过对oltc的合理利用，改善了整个配电网的电压水平，同时降低了储能系统的放电深度，提高了循环寿命，获得了良好的控制效果，实现了设备的合理利用。
附图说明
[0033]
图1是oltc的控制流程图；
[0034]
图2是储能系统的控制流程图；
[0035]
图3是ieee 13节点配电网的拓扑结构图；
[0036]
图4是配电网中光伏出力与负荷曲线图；
[0037]
图5是两种控制方法下节点634的电压曲线图；
[0038]
图6是两种控制方法下节点634处储能系统的soc曲线图；
[0039]
图7是两种控制方法下一天中oltc抽头位置变化图；
[0040]
图8是两种控制方法下储能系统24h吸收/释放的总能量对比图。
具体实施方式
[0041]
下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案进行详细描述，但并不以此限定本技术的保护范围。
[0042]
本发明为一种基于oltc与储能系统协调的配电网电压控制方法，在执行步骤1～3的同时执行步骤4，实现oltc与储能系统的协调控制；
[0043]
步骤1：建立包含oltc、储能系统与光伏系统的配电网模型，配电网中各个节点负荷采用恒功率因数类型，光伏系统采用最大功率跟踪控制，储能系统采用pq控制策略，储能系统的无功功率恒定为0；
[0044]
采用oltc进行电压控制可以兼顾配电网中不同节点的电压分布，通常选取oltc二次侧或负载节点作为关键节点，利用关键节点的电压计算得到全网电压参考值，通过oltc动作将全网电压参考值保持在额定范围内；全网电压参考值满足下式：
[0045]-ε≤v
n-vr≤ε (1)
[0046]
式中，vn为配电网额定电压，vr为全网电压参考值，[-ε,ε]为电压水平额定范围；
[0047]
储能系统的功率响应速度为毫秒级，且功率调节精度高，被广泛用于解决配电网的电压问题；储能系统的有功功率调节需要同时考虑有功功率与荷电状态，储能系统的有功功率与荷电状态的关系为：
[0048][0049]
式中，soc(t)为t时刻储能系统的荷电状态，soc(t-δt)为前一时刻储能系统的荷电状态，δsoc(t)为荷电状态变化量，δt为时间间隔，p
bess
(t)为t时刻储能系统的有功功
率，w
bess
为储能系统容量；
[0050]
采集配电网中各节点负荷的有功功率pd和无功功率qd以及各个光伏系统的有功功率pg，根据配电网潮流计算方法计算配电网各个节点电压vi，1≤i≤n，n为节点数量；
[0051]
根据节点电压vi判断是否发生电压越限，若没有发生电压越限，则重新采集节点负荷的有功功率和无功功能以及光伏系统的有功功率，计算各个节点电压；若发生电压越限，则执行步骤2和3；电压越限是指节点电压超过系统电压的最大值，故节点电压vi应满足下述条件：
[0052]vmin
≤vi≤v
max
ꢀꢀ
(3)
[0053]
其中，v
max
、v
min
分别表示系统电压的最大值和最小值；
[0054]
步骤2：采集配电网中所有储能系统的荷电状态，根据各个节点的电压偏差和储能系统荷电状态偏差计算各个节点电压的权重，再根据各个节点电压的权重计算所有节点电压的加权平均值；
[0055]
采集配电网中所有储能系统的荷电状态，节点i处储能系统的荷电状态记为soci，若节点i处不包含储能系统，则储能系统的荷电状态取0；
[0056]
根据式(4)计算配电网中各个节点电压的权重wi，以表征在电压控制过程中的优先级；节点的电压越限程度越高或节点储能系统的可用荷电状态容量越小，分配的权重越高；
[0057][0058]
其中，δvi为节点i的电压偏差，即节点电压vi与参考值v
i,ref
的偏差，δvi＝v
i,ref-vi；δsoci为节点i处储能系统荷电状态偏差，δsoci＝soc
ref-soci，soc
ref
为荷电状态参考值；sign表示两者乘积符号；
[0059]
利用式(5)计算所有节点电压的加权平均值v
avg
；
[0060][0061]
步骤3：根据所有节点电压的加权平均值计算电压误差，电压误差为所有节点电压的加权平均值与oltc二次侧电压参考值v
ref
的偏差，故电压误差表示为：
[0062][0063]
根据式(7)计算所需调整的抽头位置k，通过抽头位置调整oltc动作，以改变oltc二次侧电压，进而改变全网电压；
[0064][0065]
其中，v
step
为oltc每个抽头步长的电压改善量；
[0066]
步骤4：对储能系统进行控制，计算储能系统的有功功率，将储能系统的有功功率作为逆变器的有功功率参考值进行输出；
[0067]
基于局部信息控制储能系统，控制原理图参见图2，储能系统以有功功率控制运行，包含电压控制和soc控制两种模式；
[0068]
当储能系统所在节点的电压低于系统电压最小值v
min
或高于系统电压最大值v
max
时，储能系统采用电压控制模式；即利用pi控制器控制储能系统的有功功率，pi控制器的输入为节点电压vi与pi控制器参考电压v
pi,ref
的偏差，输出为储能系统的有功功率；pi控制器参考电压v
pi,ref
的取值满足式(8)；
[0069][0070]
研究表明，储能系统的放电深度与soc的预期平均循环次数成反比，因此，为了最大化储能系统的周期数，提高储能系统寿命，通过荷电状态最小值soc
min
和荷电状态最大值soc
max
来限制储能系统的放电深度；当储能系统采用电压控制模式时，利用soc限制器检查储能系统的荷电状态是否超过限制，进而得到考虑soc限制的储能系统有功功率，即电压控制模式下储能系统的有功功率p
bess
为：
[0071][0072]
其中，p
pi
为pi控制器输出的有功功率；
[0073]
当储能系统的荷电状态超过限制时，储能系统无法通过提供有功功率来维持节点电压水平，此时该节点电压偏差δvi和荷电状态偏差δsoci均增加，进而提高了式(5)中该节点电压的权重，此时通过oltc抽头位置变化调节该节点电压水平；当储能系统的荷电状态达到极限时，储能系统的功率被切断，从而避免了储能系统的过度充放电；
[0074]
当储能系统所在节点的电压在系统电压允许范围内，即v
min
≤vi≤v
max
时，储能系统采用soc控制模式，通过充电或放电使储能系统的荷电状态达到参考值soc
ref
，soc控制模式下储能系统的有功功率p
bess
为：
[0075]
p
bess
＝s
t
r(soc
i-soc
ref
) (10)
[0076]
其中，r是常数，由储能系统的热极限决定，r决定了soc控制模式下储能系统的最大充电/放电速率；s
t
是比例因子，保证了储能系统在soc控制模式下不会导致电压上升/下降；
[0077]
将上述得到的储能系统的有功功率作为逆变器的有功功率参考值进行输出。
[0078]
仿真验证
[0079]
本实施例以改进的ieee 13节点配电网为例进行说明，其拓扑结构如图3所示；图3中，通过oltc将110kv高压电网与10kv三相配电网相连，在4条支路末端均设有光伏系统与储能系统，输电线路型号为lgj-50架空线路，单位阻抗为(0.63+j0.368)ω/km，阻抗比r/x＝1.7；光伏系统与储能系统的相关参数如表1所示。
[0080]
表1光伏与储能系统相关参数
[0081]
[0082]
在matlab/simulink中搭建了如图3所示的配电网模型，根据gb/t 33593-2017《分布式电源并网技术要求》系统电压的最大允许偏差为5％，因此v
max
＝1.05pu，v
min
＝0.95pu；储能系统荷电状态的限制范围为参考值的40％～80％；储能系统采用电压控制模式，数据采集间隔与仿真时间尺度均为1min，忽略由oltc和储能系统运行引起的电压瞬时变化，对配电网电压控制进行仿真，配电网中部分光伏出力与负荷曲线如图4所示。
[0083]
为了验证本发明方法的优越性，分别采用常规的无协调控制方法和本发明方法进行仿真验证；常规的无协调方法的全网电压未考虑储能系统的荷电状态，对于储能系统的控制，无论节点电压大小，均是采用电压控制模式。
[0084]
图5、6分别为两种控制方法下节点634的电压曲线和储能系统的soc曲线；结合图4中负荷曲线与光伏出力情况进行分析，从6h到12h，光伏出力不断增大，而此时负荷相对较小，常规的无协调控制方法中储能系统通过吸收能量维持节点电压，当储能系统的荷电状态达到上限后，部分节点开始产生过电压现象，在中午12h左右光伏出力达到峰值；随后光伏出力逐渐减小且负荷逐渐增大，到夜晚21h时左右负荷达到峰值，而此时光伏出力为0，储能系统通过释放能量维持节点电压，当储能系统的荷电状态达到下限后，部分节点在19h开始出现欠电压现象，到夜晚22h负荷不断减小，在23h左右配电网电压恢复正常。从图5可知，采用本发明方法仅在11h有短暂的电压越限，且储能系统的荷电状态始终保持在最优值附近。
[0085]
图7为两种控制方法下oltc抽头位置曲线；与常规的无协调控制方法相比，本发明方法通过多次调整oltc抽头位置解决电压越限问题，避免了储能系统的过度充放电。虽然全天oltc抽头操作次数从4次变为10次，但仍在一天允许的最大操作次数(通常为20)之内。
[0086]
为量化比较两个控制方法下储能系统利用率，选择储能系统全天吸收/释放的总能量(kw
·
h)作为性能指标，结果如图8所示。与常规的无协调控制方法相比，本发明方法中储能系统全天吸收/释放的总能量明显降低，这是因为本发明方法通过改变oltc抽头使节点电压更接近系统电压的上、下限，储能系统仅需吸收/释放少量功率即可将电压水平调节到允许范围内。此外，在本发明方法中储能系统在大部分时间内以低功率水平运行，降低了放电深度，有利于提高储能系统的循环寿命。
[0087]
上述分析表明，本发明方法能够有效控制配电网内节点电压水平，降低电压越限的时间和幅值，有利于配电网系统的电压稳定。此外，通过oltc与储能系统的协调，大幅降低了储能系统的放电深度，即储能系统以低功率水平运行，提高了系统的整体调压能力，有利于储能系统循环寿命的提高，实现了设备的合理利用。
[0088]
本发明未尽事宜为公知技术。