Vol. 37, No. 1Jan., 2021
第37卷第1期2021年1月电力科学与工程
Electric Power Science and Engineering doi: 10.3969/j.ISSN.1672-0792.2021.01.008
问题的方案研究
朱晓彤，张曼，吴俊，魏旭东
(南京南瑞继保电气有限公司江苏南京211102)
摘 要：配电网10 kV 线路低电压出现的主要原因是配网线路长和负载重。传统的无功补偿负 载重，导致低电压情况下效果有限，而重建线路成本较高、建设周期长且施工难度大。本文具
体剖析了 10 kV 配网线路发生低电压的机理，提出了一种应用于10 kV 配电网解决线路低电压 问题的电池储能方案。考虑放电深度和效率，方案采用磷酸铁锂电池，基于电池储能投入后的
补偿电压原理，提出储能额定功率和容量的计算方法。为了充分利用储能的容量和PCS (power
conversion system )的无功能力，制定了储能控制策略。以典型的10 kV 辐射式配电网线路为
例进行建模仿真，结果验证了该解决方案能够很好解决线路供电半径长和负荷重导致的严重低 电压问题，提出的储能额定功率、容量和控制策略的规划方法合理。 关键词：电池储能；储能变流器；配电网；低电压；控制策略
中图分类号：TM715
文献标识码：A 文章编号：1672-0792(2021)01-0072-07
Study on the Solution of Battery Energy Storage for Solving the
Low Voltage Problem in 10 kV Distribution Network
ZHU Xiaotong, ZHANG Man, WU Jun, WEI Xudong
(NR Electric Co., Ltd., Nanjing 211102, China)
Abstract: The main reasons for the low voltage of the 10 kV distribution line are long power supply
radius and heavy load of the line. The traditional reactive power compensation has limited effect when the peak load is heavy and the voltage is too low. And the investment of rebuilding the line is relatively large,
as the construction period is long and the construction is difficult. In this paper, the mechanism of low voltage is analyzed in detail, and a battery energy storage system (BESS) solution applied to the 10 kV
distribution network is proposed to solve the problem. Considering the discharge depth and efficiency,
lithium iron phosphate battery is selected as the energy storage type. Based on the compensation voltage
principle of BESS, the methods for calculating the rated power and capacity of BESS are put forward. In
收稿日期：2020-09-23
作者简介：朱晓彤（1976—），男，高级工程师，从事电网保护控制系统及电力系统工程设计的研究管
理工作;
张曼（1989—），男，工程师，研究方向为大电网安全稳定分析与控制，新能源、储能微网规划;
吴 俊（1979—），男，高级工程师，从事电力系统工程设计工作；
魏旭东（1983—），男，高级工程师，从事电力系统工程设计工作。
第1期朱晓彤，等：电池储能应用于10kV配电网解决低电压问题的方案研究73
order to make full use of the energy storage capacity and the reactive power of the power conversion system(PCS),the control strategy is also proposed.Taking a typical10kV radial distribution network line as an example,the simulation study is carried out.The results verified that the scheme can solve the serious low voltage problem caused by the long supply radius and heavy load,and the planning method of the rated power,capacity and control strategy of BESS are reasonable.
Key words:battery energy storage system(BESS);power conversion system(PCS);distribution network;
low voltage;control strategy
0引言
配电网由于负荷增长快、线路长，造成电压低、损耗大等问题［1-3］，严重影响电能质量，投诉问题依然突出。尤其对以居民负荷和不连续生产行业的配网线路，呈现出季节性高负荷（春节、迎峰度夏）和日早、晚高峰负荷等明显特征，负荷高峰时期线路重载，同时线路功率因数偏低，用户低电压现象比较严重。文献［4］通过优化控制策略，采用合理的运行维护及治理手段，缓解配电网“低电压”问题。文献［5］采用串联电容器补偿装置提高10kV配网线路末端电压，研究了串补装置的安装点、容抗值范围。文献［6］重点研究了串并联混合电容器的补偿原理，给出补偿电压和无功功率的计算方法，并进一步研究了串联和并联电容器的最佳安装位置。
目前普遍采取的治理措施主要是在线路安装调压器，在线路或负载侧装设并补装置（如并联电容器、SVC等），串联补偿装置，或重新架设线路，就近重建电源点等。对于高峰负荷明显的10kV线路，低电压出现的主要原因是线路重载，仅通过无功补偿改善10kV线路末端电压的效果一般，而改造或新建线路建设周期长、施工难度大且花费较大。
电池储能具有控制响应速度快，有功、无功四象限解耦控制的优异性能。文献⑺针对电网存在的电能质量问题提出了一种新型并网结构的储能系统。文献［8］研究了电池储能应用在用户侧的容量配置及运行优化，节省用电成本。文献［9］提出一种计及电热柔性负荷的区域综合能源系统储能配置方法，降低系统的能源消耗成本和设备投资成本。文献［10-12］基于储能灵活的调节特性，重点研究了储能在削峰填谷、平滑负荷、降低网损等方面的应用，并提出其容量优化方法。此外，储能在高渗透率可再生
能源［13］、主动配电网［14］、直流微电网［15］、大电网调峰调频［16］等场景，也能够很好地发挥其作用。针对配电网低电压问题，通过合理的调度和控制策略，在用电低谷时储能充电，在用电高峰时段放电，就地消纳一部分有功，可以起到削峰填谷、降低线路负载率的作用；同时，储能变流器PCS可以作为动态无功补偿设备，发出无功功率，调节线路的功率因素在合理范围。
本文详细分析配电网低电压产生的机理，基于储能调节特性，提出了一种应用于10kV配电网解决线路低电压问题的电池储能方案。基于电池储能投入后的补偿电压原理，提出储能额定功率和容量的计算方法，并制定储能控制策略。以典型的10kV辐射式配电网线路为例，采用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC开展配网建模及案例仿真，对提出方案进行适应性分析。
1电压降落原因分析
1.1电压降落原理
如图1所示为10kV配电线路等值电路，不考虑对地电容。
图1简化网络示意图
Fig.1Simplified network diagram
在配电网线路中，忽略横分量的影响，电压损耗可按下式计算：
A U=（1）
74电力科学与工程2021年
式中：A U为电压降；R为线路电阻；X为线路电抗；P为有功功率；Q为无功功率；U2为线路末端电压。
1.2低电压产生原因分析
通过以上分析，配电线路低电压的主要原因可分为以下几类：
（1）供电半径长、导线半径小
由公式（1）推导可知，电压降落与线路阻抗成正比例关系，当配电网供电半径长、导线半径小时，线路阻抗会增大，电压损耗增加，导致配电网线路末端电压偏低。
（2）线路和变压器重载过载
对于呈现出季节性高负荷（春节、迎峰度夏）和早、晚高峰的负荷，在负荷高峰易出现变压器、线路重载甚至过载，从而增大变压器或线路的电压损耗，导致线路末端的电压下降，引起低电压问题。
（3）缺乏无功补偿，配电线路的功率因数偏低
由于缺乏无功补偿，导致10kV配电线路的功率因数偏低，也是出现低电压的原因之一。
综合以上分析及现场调研，10kV配电线路低电压出现的主要原因是供电半径长、导线半径小及负荷过重导致线路重载，仅通过无功补偿提高功率因素效果一般。
2储能解决低电压方案研究
2.1储能类型选择及成本、效率分析
对比目前主流电化学储能的类型，铅碳电池单位造价低，但是放电深度浅，效率不及磷酸铁锂电池；全钒液流电池放电深度高，然而效率低，单位造价高；磷酸铁锂电池的放电深度可以达到90%，系统效率也为三者最高，单位造价适中。
储能成本主要包含电池及电池管理系统BMS、双向变流器PCS及升压变压器、能量管理系统EMS、土建成本等，磷酸铁锂储能单位容量成本约为1.5元/W・h〜2.3元/W・h，未来随着磷酸铁锂储能的大规模应用及产业链的日趋成熟，电池成本还有继续下降的趋势。
磷酸铁锂储能的整体效率主要受两方面影响：电池充放电回路效率与电池辅控系统用电能耗。PCS作为电池充放电回路中的重要环节，目前的效率可高达97.5%；在电池辅控用电系统中，针对不同电池组散热结构进行温控设计，可有效降低能耗，提高储能电站效率。根据实际项目经验，目前磷酸铁锂储能的整体效率可达到85%〜90%。考虑项目需求，结合目前的技术成熟度以及成本考虑，拟采用磷酸铁锂电池。
2・2储能解决低电压的原理分析
电池储能具有控制响应速度快，有功功率和无功功率四象限解耦控制的优异性能，通过合理的调度及控制方式，在负荷低谷时利用储能充电，在负荷高峰时利用储能放电，就地消纳一部分有功，可以很好地起到削峰填谷的作用；同时，储能变流器PCS可以作为动态无功补偿设备，发出无功功率，调节线路的功率因素在合理范围。
如图2所示，储能接入点选择在线路末端电压。储能放电时，10kV配电线路上的电压降可表示为：
A U-（P—A ess）r+（0l—q bess）x_
=U2=
P l R+Q l X_△ess r+q bess X（2）
U2U2
式中：A U为电压降；R为线路电阻；X为线路电抗；P l为负载有功功率；Q l为负载无功功率；U2为线路末端电压；P bess为储能发出的有功功率；Q bess为储能发出的无功功率；耳ESS恥Q bess X
U2
为储能的补偿电压量。
X L R尸B ESs+j0BESS —（壬）-------------------------------"储能接入点
1p^Q
图2储能接入配网示意图
Fig.2Distribution network with BESS diagram
因此，储能不仅可以在高峰时期补充有功，而且可以用无功功率来提高功率因素，从而降低电压降落值，提高线路电压。
2・3储能额定功率及容量配置
合理选择储能的额定功率及容量配置也非常重要，为了保证经济性，储能配置需要尽量保证储能容量的利用率。
第1期朱晓彤，等：电池储能应用于10kV配电网解决低电压问题的方案研究75
(1)储能功率配置
根据上节的计算结果，储能的补偿电压量按
以下考虑：
孤S R；°BESS兀辿U exmx(3)
U2
式中：A U exmax为线路末端最低电压偏离下限的电压差值。
由于PCS具有1.1倍的过载能力，因此在有功功率输出额定值时，PCS仍然具有0.45倍容量的无功能力，此时功率因数约为0.91，因此储能PCS的无功输出按一定的功率因数计算：
BESS BESS2
cos串
综上，计算得到，储能的额定功率为:
叽亠-1
cos串
式中:cos y为功率因素，考虑一定裕度按0.93计算。
在实际运行过程中，储能PCS输出的无功功率可根据线路实际的功率因素情况进行出力调整，保证线路功率因素在合理范围。
(2)储能容量配置
考虑工程经济性，且P bess的计算过程己经考虑了最大电压缺额下的极端情况，由于负荷最尖峰持续时
间较短，实际情况下储能岀力不会一直维持在额定岀力，因此储能额定容量可按1h配置，兼顾经济性和可靠性：
%ESS=^BESS(
6)式中：W bess为储能额定容量。
2.4储能控制策略
为了充分利用储能的容量和PCS的无功能力，储能控制策略按以下原则执行，如图3所示。
(1)首先判断目前是否处于负荷低谷时段，一般地区可按00:00~07:00设置，特殊配网线路可以根据负荷特性具体设置。
(2)若处于负荷低谷时段，需判断安装点电压是否大于9.4kV(考虑0.1kV的裕度)，若安装点电压大于9.4kV，则执行充电指令，并实时监测储能电量状态SOC，当满足SOC M95%时，储能充电结束；若在充电前或者充电过程中电压小于9.4kV，可利用PCS输出容性无功以提高电压，若极端情况下电压仍然小于9.4kV需停止充电。
“N9.4k
N
；OCN95‘
|结束充电UW9.3kV
丄电压阈值2
UW9.4kV
（运回电压）
免否处于低谷时昌
\00:00—07:00x
1.PCS动态调整无功:
2•储能出力賈冬严=0。
I.PCS电爪控制模式,
0WO45P h2
2•储能放电PWP曲。
检测B ess
女装点电压u储能充电
图3储能控制策略示意图
Fig.3Control strategy of BESS diagram
(3)当目前不在负荷低谷时段时，实时监测储能安装点电压U。
(4)若9.3kV W U W10.7kV，则将储能有功出力置零，储能PCS工作在电压控制模式，根据电压情况动态调整无功出力，尽可能将电压控制在10kV附近。
(5)若U W9.3kV，为了节省储能存储电量，储能应优先以PCS进行无功调节，PCS工作在电压控制模式，补偿容性无功，且Q W0.45P bess(无功输岀不影响额定有功输岀)。在负荷次高峰时段，线路末端低电压越限幅度不大，此时储能仅补偿容性无功来提高线路的功率因数，即可将电压控制在规定范围内。
(6)在负荷高峰时段，线路末端低电压情况最严重。若在PCS无功出力达到上限时，电压仍然不合格，储能开始放电，输岀有功功率根据实时电压调节，且满足P W P bess。
(7)当U M9.4kV(返回电压)时，程序返回，重新开始执行步骤(3)，即重新检测电压并进行判别。
3案例分析
以典型的10kV辐射式配电网线路为例进行
76电力科学与工程2021 年
建模仿真验证，如图4所示，采用电磁暂态软件 PSCAD/EMTDC 建立配电网仿真模型，仿真研究电
池储能应用于10 kV 配电网解决低电压问题的方案。
lOkVBUS |储能接入|
U 。
LGJ120-5 km
U 4
LGJ120-2 km LGJ120-2 kmLGJ120-l km
LGJ120LGJ120LGJ120100 m 100 m 200 m .5
U 2 L 件
+J0
尸2+j02
B+J2
LGJ120300 m 巴
+J0
图4线路示意图
Fig. 4 10 kV Distribution network line diagram
该供电网络共有4部分用电负荷，每部分都
有若干个距离较近的台区组成，线路型号及长度
如图4所示。
3.1低电压情况仿真
（1）负荷高峰
假设在负荷高峰时段，负荷P 1，P 2, P 3, P 4
分别为 0.9 MW , 0.9 MW , 0.9 MW , 3 MW 。线
路首端功率因数为0.896。
根据规定，20 kV 及以下三相供电电压偏
差为标称电压的±7%。即10 kV 电压合格范围
9.3 kV 〜10.7 kV 。
由表1结果可知，U 1，U 2，U 3，U 4均不合格,
其中U 4低于电压最低限值1.37 kV 。
表1加装储能之前低电压情况-负荷高峰Tab. 1 Low voltage condition before installation of
BESS-peak load
节点U U 1U
U U 4
电压值/kV
10.518.99
8.498.09
7.93
（2）负荷次高峰
假设在负荷次高峰时段，负荷P 1，P 2, P 3,P 4 分别为 0.9 MW , 0.9 MW , 0.9 MW , 1.65 MW 。
线路首端功率因数为0.91。
根据规定，20 kV 及以下三相供电电压偏
差为标称电压的士7%，即10 kV 电压合格范围
9.3 kV 〜10.7 kV 。
由表2结果可知，U 1，U 2, U 3, U 4均不合格, 其中U 4低于电压最低限值0.5 kV 。
表2加装储能之前低电压情况-负荷次高峰
Tab. 2 Low voltage condition before installation of
BESS-sub-peak load
节点
U 0
U 1U U U 4电压值/kV 10.519.459.12
8.88
8.80
3.2储能应用效果分析
（1） 储能容量及接入点
由公式（3）〜（5）储能功率的计算公式，储 能的配置选定为3 MW/3 MW-h 。接入点在P 4负
荷主干线路处，如图4所示。
（2） 负荷高峰
在负荷高峰时，PCS 若按照0.45倍容量补
偿容性无功1.35 MVar ，通过仿真，末端电压为
8.57 kV 仍然不能满足要求。根据控制策略，储能 需输出有功功率，当P =3 MW 时，各节点的电压
情况如表3所示。
表3加装储能后电压情况-负荷高峰
Tab. 3 Voltage after installation of BESS-peak load
节点U 0U 1U U U 4
电压值/kV
10.49
9.989.859.80
9.81
此时线路首端的功率因素为 0.97。各节点的
电压均控制在9.3 kV 以上，满足要求。
（3）负荷次高峰
在负荷次高峰， PCS 若按照 0.45 倍容量补偿
容性无功1.35 MVar ，各节点的电压情况如表4
所示。
表4加装储能后电压情况-负荷次高峰
Tab. 4 Voltage after installation of BESS-sub-peak load
节点
U 0U 1U U U 4
电压值/kV 10.50
9.749.539.429.40
此时线路首端的功率因素为 0.99，各节点的
电压均控制在9.3 kV 以上，满足要求。
4结论
本文提出了一种应用于10 kV 配电网解决线 路低电压问题的电池储能方案，制定了储能功率
和容量的规划方法、控制策略。
选取某典型10 kV 配电网线路为仿真案例，
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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