[论文解读] Battery Placement on Performance of VAR Controls

Hen‐Geul Yeh, Son Doan|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2013

Microgrid Control and Optimization参考文献 15被引用 4

一句话总结

本文研究了在光伏（PV）接入的辐射状配电网中，电池位置对无功功率（VAR）控制性能的影响。通过采用动态全局与局部控制算法以最小化日有功功率损耗，仿真结果表明，与前端安装相比，后端电池布置可将电压波动降低最多13%，并提升15%的节能效果，尤其在中高光伏渗透水平下表现更优。

ABSTRACT

Battery's role in the development of smart grid is gaining greater attention as an energy storage device that can be integrated with a Photovoltaic (PV) cell in the distribution circuit. As more PVs are connected to the system, real power injection to the distribution can cause fluctuation in the voltage. Due to the rapid fluctuation of the voltage, a more advanced volt-ampere reactive (VAR) power control scheme on a fast time scale is used to minimize the voltage deviation on the distribution. Employing both global and local dynamic VAR control schemes in our previous work, we show the effects of battery placement on the performance of VAR controls in the example of a single branch radial distribution circuit. Simulations verify that having battery placement at the rear in the distribution circuit can provide smaller voltage variations and higher energy savings than front battery placement when used with dynamic VAR control algorithms.

研究动机与目标

• 评估电池位置（前端与后端）对高光伏渗透配电网中电压调节与能源效率的影响。
• 解决由于云层遮挡和负荷波动导致的光伏出力快速变化所引发的电压波动问题。
• 比较在不同电池布置策略下，全局与局部动态无功功率控制算法的性能表现。
• 量化在低、中、高光伏渗透水平下，节能效果与电压波动降低程度。
• 为电网运营商提供实用建议，推动后端节点电池安装激励政策，以提升电网稳定性。

提出的方法

• 建立一个包含30个母线的单辐射状配电线路模型，变电站位于前端（母线0），线路末端位于后端（母线30）。
• 构建全天优化问题，通过全局与局部动态无功功率控制算法最小化总总有功功率损耗。
• 在电路前端或后端集成电池系统与光伏逆变器，通过逆变器实现快速无功功率支撑，同时控制电池的充放电。
• 采用离散时间步长（如每小时或20分钟）模拟在不同太阳能发电与负荷条件下的实时电压与潮流动态。
• 应用控制变量，包括电池充放电速率（βj(t)）与逆变器无功功率输出（qjg(t)），以调节电压并降低损耗。
• 在三种光伏渗透水平（20%、50%、80%）及不同逆变器容量约束（smax = 1.1, 1.3, 1.5）下比较结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在辐射状配电馈线中，后端电池布置相比前端布置在降低电压波动方面表现如何？
• RQ2 在使用动态全局与局部无功功率控制算法时，电池布置对节能效果有何影响？
• RQ3 在低、中、高光伏渗透水平下，不同电池布置方式对电压波动与功率损耗的影响如何变化？
• RQ4 当电池布置在前端与后端时，动态控制算法能否有效调节馈线末端的电压？
• RQ5 为最大化配电网中的电压调节与能源效率，电池-PV系统的最优布置策略是什么？

主要发现

• 在20%光伏渗透水平下（a=0.2，smax=1.1），后端电池布置相比前端布置可将峰值电压波动降低约12%。
• 在50%光伏渗透水平下（a=0.5，smax=1.1），后端电池布置相比前端布置可将峰值电压波动降低13%，平均波动降低9%。
• 在中等光伏渗透水平下（a=0.5），在相同逆变器容量约束下，后端电池布置相比前端布置可实现15%的节能效果。
• 在所有光伏渗透水平与电池布置方式下，全局控制算法在电压调节与节能方面均优于局部控制。
• 当未施加控制时，电压波动随馈线向后端增加，但后端布置电池可显著缓解该现象。
• 后端电池布置可更有效地利用光伏有功功率与逆变器无功功率支撑，实现对远端节点电压的有效调节。