李寧寧，紀(jì)延超，王建賾，劉一琦

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

帶蓄電池儲能裝置的靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM/BESS)的概況綜述

李寧寧，紀(jì)延超，王建賾，劉一琦

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

帶蓄電池儲能裝置的靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM/BESS)可以快速補(bǔ)償系統(tǒng)所需要的有功功率和無功功率，可以靈活地解決電力系統(tǒng)中的一些電能質(zhì)量問題，并且也可以平抑新能源發(fā)電的波動性。本文主要針對STATCOM/BESS中各種類型直流側(cè)儲能電池接入方式、主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)分析。

蓄電池儲能裝置;靜止同步補(bǔ)償器;電能質(zhì)量;無功補(bǔ)償

1 引言

電能作為人們廣泛使用的能源，其應(yīng)用程度是一個國家發(fā)展水平和綜合國力的主要標(biāo)志之一［1］。在滿足國民經(jīng)濟(jì)對電能需求量的同時，提高電能質(zhì)量是增強(qiáng)用電效率、節(jié)能降損、改善環(huán)境、提高國民經(jīng)濟(jì)的總體效益以及工業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)保證。靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)克服了傳統(tǒng)無功補(bǔ)償和諧波治理裝置存在的不足，為電網(wǎng)或用電負(fù)荷提供快速、連續(xù)有源動態(tài)無功補(bǔ)償和諧波濾波，可有效提高電網(wǎng)電壓暫態(tài)穩(wěn)定性、抑制母線電壓閃變、補(bǔ)償不平衡負(fù)荷、濾除負(fù)荷諧波及提高負(fù)荷功率因數(shù)［2］。但是STATCOM的電壓型逆變器主要與系統(tǒng)進(jìn)行無功交換，當(dāng)遇到阻性壓降導(dǎo)致的末端電壓降低、阻尼系統(tǒng)的有功振蕩、延長事故狀態(tài)下的支持時間、提高新能源的穿透功率極限等問題時［3］，STATCOM就顯得無能為力了。

如果在 STATCOM的直流側(cè)引入蓄電池系統(tǒng)(BESS)，那么STATCOM就成為一種新的并聯(lián)補(bǔ)償裝置，帶蓄電池的靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM/ BESS［4］、STATCOMBES［5］、ESTATCOM［6］)，本文中將其簡稱為STATCOM/BESS。STATCOM/BESS不僅可以快速補(bǔ)償系統(tǒng)無功，還可以補(bǔ)償有功電流，從而可以提供更加靈活多樣的電能調(diào)節(jié)功能。雖然加入儲能裝置的STATCOM具有如此多的優(yōu)點(diǎn)，但帶儲能裝置的STATCOM在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用卻十分少見，其中有兩大原因影響了STATCOM/BESS的實(shí)際應(yīng)用［7］:第一，實(shí)際的電力系統(tǒng)是一個大的系統(tǒng)，有許多臺發(fā)電機(jī)組成，這些發(fā)電機(jī)可以滿足負(fù)荷的變化，系統(tǒng)逐漸向一個大的互聯(lián)系統(tǒng)發(fā)展，在這么大的一個系統(tǒng)中增加帶儲能的靜止同步補(bǔ)償器的經(jīng)濟(jì)性還沒有被用戶認(rèn)可;第二，STATCOM/BESS因?yàn)槿鄙賹?shí)際應(yīng)用，所以缺少理論上的研究。因此，對其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制規(guī)律以及在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用開展研究是很有必要的，具有十分重要的理論意義和應(yīng)用價值，本文主要對STATCOM/BESS從以下幾個方面進(jìn)行闡述分析:

(1)STATCOM/BESS直流側(cè) BESS接入的方式以及不同功率等級的直流側(cè)接入方式的選擇;

(2)STATCOM/BESS主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其選擇;

(3)STATCOM/BESS目前主要的應(yīng)用研究。

2 直流側(cè)蓄電池儲能的接入方式

STATCOM/BESS的直流側(cè)接入方式及蓄電池組的充放電管理決定STATCOM/BESS對電能質(zhì)量控制能力的強(qiáng)弱，國內(nèi)外對直流側(cè)并聯(lián)蓄電池的研究大體分為:直接并聯(lián)、經(jīng)過直接 DC/DC并聯(lián)、經(jīng)過隔離式DC/DC并聯(lián)。

2.1 蓄電池直接并聯(lián)在直流側(cè)［8］

圖1為蓄電池組直接并聯(lián)在STATCOM的直流側(cè)，通過控制STATCOM的輸出電壓與系統(tǒng)電壓的相位來控制蓄電池的充放電，直流側(cè)由于直接并聯(lián)蓄電池，直流側(cè)的控制就相對簡單。這種直流側(cè)直接并聯(lián)蓄電池的STATCOM/BESS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是適于電網(wǎng)中分布式獨(dú)立電源并網(wǎng)，結(jié)構(gòu)簡單，直流環(huán)節(jié)無變壓結(jié)構(gòu)，能耗相對較低。該結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)體積大、造價高;儲能系統(tǒng)的容量選擇缺乏靈活性;電網(wǎng)側(cè)發(fā)生短路故障有可能在STATCOM/ BESS直流側(cè)產(chǎn)生短時大電流，對電池系統(tǒng)產(chǎn)生較大沖擊等。

圖1 蓄電池直接并聯(lián)在STATCOM直流側(cè)Fig．1 DC side of battery directly parallel in STATCOM

2.2 蓄電池組經(jīng)直接DC/DC并聯(lián)在直流側(cè)［9-11］

圖2給出了一個蓄電池組經(jīng)直接DC/DC變換器并聯(lián)在STATCOM直流側(cè)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種含直接DC/DC升降壓環(huán)節(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的STATCOM/BESS的主要優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)對多串并聯(lián)的電池模塊的充放電管理;由于 DC/DC環(huán)節(jié)可實(shí)現(xiàn)直流電壓的升、降，使得蓄電池的容量配置更加靈活;適于風(fēng)電、光伏等波動性比較強(qiáng)的分布式電源的接入，抑制其直接并網(wǎng)可能帶來電壓波動。主要缺點(diǎn)是引入直接式 DC/DC環(huán)節(jié)，整個系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率有所降低;大容量STATCOM/BESS的DC/DC 與DC/AC環(huán)節(jié)的開關(guān)頻率、容量及協(xié)調(diào)配合關(guān)系還有待研究。

圖2 蓄電池經(jīng)過直接DC/DC變換器并聯(lián)在STATCOM直流側(cè)Fig．2 Battery connected in parallel to DC side of STATCOM through directly DC/DC converter

2.3 蓄電池組經(jīng)隔離式DC/DC并聯(lián)在直流側(cè)［12-14］

圖3給出了一個蓄電池組經(jīng)隔離式DC/DC變換器并聯(lián)在STATCOM直流側(cè)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，隔離型DC/DC變換器通過高頻或低頻變壓器進(jìn)行升壓和隔離，可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與電池系統(tǒng)或分布式電源之間的電氣隔離，不存在對地漏電流，因而更安全。采用低頻變壓器造價較高、體積較大、噪音較大;而高頻變壓器的性能對DC/DC環(huán)節(jié)綜合技術(shù)指標(biāo)影響較大。

圖3 蓄電池經(jīng)隔離式DC/DC變換器并聯(lián)在STATCOM直流側(cè)Fig．3 Battery connected in parallel to DC side of STATCOM through isolated DC/DC converter

3 STATCOM/BESS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

STATCOM/BESS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也是國內(nèi)外研究的重點(diǎn)，普通的兩電平STATCOM/BESS在低壓配電網(wǎng)絡(luò)最常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4所示。它的優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡單，控制方式簡單，故障率低，易于大面積推廣應(yīng)用。缺點(diǎn)是開關(guān)頻率高，開關(guān)器件開關(guān)應(yīng)力高，開關(guān)損耗大，諧波含量高，容量和電壓等級小［20］。

圖4 兩電平STATCOM/BESS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig．4 Two-level STATCOM/BESS topology

眾所周知多電平技術(shù)使得STATCOM/BESS輸出的波形具有更好的諧波頻譜，每個開關(guān)器件所承受的電壓應(yīng)力較小，可避免大的 dv/dt所導(dǎo)致的各種問題。在STATCOM/BESS中應(yīng)用多電平技術(shù)的主要原因是減少電池組的電壓等級，隨著蓄電池組電壓等級的提升，所占的體積、重量、維護(hù)保養(yǎng)的費(fèi)用會成倍提高。采用電池組串聯(lián)提升到高電壓的結(jié)構(gòu)，在充放電的過程中會導(dǎo)致各個電池的充放電不均衡，而導(dǎo)致整個電池組的工作不穩(wěn)定。使用多電平技術(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以有效地減少每個電池組的容量和電壓等級，另一個優(yōu)點(diǎn)就是在每個子模塊并聯(lián)蓄電池組可以減少直流側(cè)濾波電容的容量。經(jīng)過多年的發(fā)展，目前STATCOM/BESS常見的多電平變換器拓?fù)洌饕腥N基本結(jié)構(gòu):二極管鉗位型多電平變換器、級聯(lián)型多電平變換器和模塊化多電平變換器。

3.1 二極管鉗位型STATCOM/BESS［15，16］

如圖 5為五電平二極管鉗位型 STATCOM/ BESS的拓?fù)?，由于采用了多個二極管對相應(yīng)的開關(guān)元件進(jìn)行鉗位，通過控制策略保證每次一個橋臂只有一個開關(guān)動作，實(shí)現(xiàn)多電平輸出。M電平二極管箝位型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn):器件承受的關(guān)斷電壓為直流母線電壓的1/(M－1)，很好地解決了電力電子開關(guān)器件耐壓不夠高的問題;輸出電壓為M +1個電平，各級電平間的幅值變化降低，較小的du/dt對電路的干擾小，同時輸出諧波含量也小;使用的主開關(guān)器件數(shù)目沒有增加。但是這種拓?fù)湟灿兴逃械牟蛔?二極管需要承受不同的反壓。器件所需額定電流不同，每相橋臂靠近中點(diǎn)的管子開通時間長;由于各種原因造成電容電壓不同，導(dǎo)致中點(diǎn)電壓發(fā)生偏移，嚴(yán)重影響輸出電壓的對稱性，增大線電壓的諧波含量。

圖5 二極管鉗位型STATCOM/BESS拓?fù)銯ig．5 Diode clamped STATCOM/BESS topology

該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)正常工作時，最外面的兩個電容是直流側(cè)與系統(tǒng)進(jìn)行有功交換路徑，通過一定的控制方式，有功可以在四個電容、兩個蓄電池組、儲能電抗中進(jìn)行有效分配，儲能電抗器容量的大小影響著蓄電池組的輸入輸出電流大小和電容電壓的穩(wěn)定時間，電抗器容量比較小的時候，最外面的兩個電容的電壓波動比較小，蓄電池組與電容、系統(tǒng)之間能量的交換比較頻繁，流過蓄電池組的電流也比較大，可能會超過蓄電池組的額定電流;當(dāng)電抗器的容量比較大的時候，流過蓄電池組的電流就會減小，但最外面兩個電容的電壓波動就比較大。

3.2 級聯(lián)型STATCOM/BESS［17-21］

如圖6為級聯(lián)型STATCOM/BESS的拓?fù)?，每相采用多個單相H橋電路的單元模塊串聯(lián)組成。每個子模塊直流電源電壓相等，換流器由N個H橋子模塊級聯(lián)而成，各子模塊有各自獨(dú)立的直流電源，總的輸出電壓為各子模塊輸出的疊加。其優(yōu)點(diǎn)為:避免了多個電池組串聯(lián)時的充放電不均衡的問題;控制方法相對簡單，可分別對每一級進(jìn)行PWM控制;利于模塊化設(shè)計(jì)，便于故障快速處理;省掉了占地面積大、成本高的串聯(lián)變壓器。

3.3 模塊化多電平型STATCOM/BESS［22，23］

如圖7為模塊化多電平型STATCOM/BESS的拓?fù)?，該類型的STATCOM/BESS每相有上下兩個橋臂，每個橋臂由多子模塊級聯(lián)而成。每個子模塊由兩個開關(guān)器件、一個電容、一個蓄電池組組成。MMC型STATCOM/BESS每時刻每相上下同時投入模塊數(shù)目之和相同，電抗 Ls是為了抑制相間環(huán)流。MMC型STATCOM/BESS的儲能單元的功率調(diào)節(jié)作用是通過對每個子模塊中蓄電池組的充放電來完成的。MMC型STATCOM/BESS的拓?fù)渚哂械奶攸c(diǎn):允許高度的模塊化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性，整體設(shè)計(jì)非常靈活;允許較低的開關(guān)頻率，降低了開關(guān)損耗，提高了系統(tǒng)效率;橋臂電流工作于連續(xù)模式，當(dāng)直流母線發(fā)生短路故障時，交流電抗器可以限制交流電流，起到保護(hù)作用;直流母線短路電流不會對電容、蓄電池組進(jìn)行放電，所以故障恢復(fù)較快;采用合適的控制算法可以實(shí)現(xiàn)在更高的功率等級和電壓等級下應(yīng)用。

圖6 級聯(lián)型STATCOM/BESS拓?fù)銯ig．6 Cascaded STATCOM/BESS topology

圖7 模塊化多電平型STATCOM/BESS拓?fù)銯ig．7 Modular multi-level STATCOM/BESS topology

4 STATCOM/BESS的應(yīng)用［25-30］

(1)負(fù)荷快速跟蹤能力:比常規(guī)的發(fā)電方式敏捷，能在毫秒級時間內(nèi)迅速變化，并通過充電和放電模式，可以高效地滿足負(fù)荷上升和下降的雙向需求，以實(shí)現(xiàn)快速負(fù)荷跟蹤。

(2)頻率調(diào)節(jié)功能:調(diào)節(jié)電力供給與需求之間的差異，就可以發(fā)揮類似發(fā)電機(jī)對電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)作用。

(3)發(fā)電備用功能:電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行需要有備用的火電廠，當(dāng)其中有故障的電廠不能發(fā)電時，備用電廠能快速發(fā)電，彌補(bǔ)用電缺口。STATCOM/ BESS具有響應(yīng)速度快、運(yùn)行成本低等特點(diǎn)，將比火電機(jī)組更適合充當(dāng)發(fā)電備用的角色。

(4)提高新能源的穿透功率極限:改善新能源發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出特性，緩解風(fēng)電、光電等可再生能源的間歇性和波動性與電力系統(tǒng)需要實(shí)時平衡之間的矛盾，降低其對電網(wǎng)的不利影響，增加電網(wǎng)對可再生能源的吸納程度。

(5)電壓支撐功能:電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提條件就是電壓穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，STATCOM/BESS可以快速地提供無功功率、有功功率，保證補(bǔ)償點(diǎn)的電壓穩(wěn)定。

(6)提高電能質(zhì)量:STATCOM/BESS可實(shí)現(xiàn)高效的有功功率調(diào)節(jié)和無功控制，快速平衡系統(tǒng)中由于各種原因產(chǎn)生的不平衡功率，提高系統(tǒng)功率因數(shù)，消除系統(tǒng)諧波電流，抑制電壓的暫降和突升，減少擾動對電網(wǎng)的沖擊，改善用戶電能質(zhì)量。

(7)提高供電的可靠性:在系統(tǒng)電壓出現(xiàn)連續(xù)幾個周波的供電中斷時，STATCOM/BESS可以快速輸出有功，保證負(fù)荷供電的可靠性。

5 結(jié)論

STATCOM可以快速補(bǔ)償系統(tǒng)所需要的無功功率已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可，與蓄電池結(jié)合的 STATCOM/BESS可以同時提供有功功率和無功功率。通過對有功和無功的綜合調(diào)節(jié)可以有效地解決電力系統(tǒng)低頻振蕩、提高供電質(zhì)量、提高供電的可靠性，這些優(yōu)點(diǎn)都已經(jīng)被學(xué)術(shù)界和現(xiàn)場的應(yīng)用所證明。本文主要介紹了直流側(cè)蓄電池接入方式主要有三種，每種方式都有自己的特點(diǎn)，其中直接 DC/DC升降壓環(huán)節(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的STATCOM/BESS適應(yīng)性強(qiáng)，其各種特殊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也是未來研究的重點(diǎn);主電路拓?fù)涞膶Ρ龋梢郧宄亓私獾皆诖笕萘?、高電壓領(lǐng)域級聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用前景比較廣闊;最后介紹了STATCOM/BESS在電力系統(tǒng)中的各種應(yīng)用?？梢灶A(yù)見在未來電力系統(tǒng)中，STATCOM/BESS會發(fā)揮更大的作用。

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Overview of integrating STATCOM with battery energy storage system(STATCOM/BESS)

LI Ning-ning，JI Yan-chao，WANG Jian-ze，LIU Yi-qi
(School of Electrical Engineering and Automation，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China)

STATCOM has played a huge role in compensation for reactive power in power system，It can not provide active support because there is no active power storage in DC side．Battery energy storage system can provide active support for the system，but for a few studies of reactive power compensation，it can not support the reactive power for the power system．The integration of an battery energy storage(BESS)and a STATCOM can compensate system with both active and reactive power which system needs as quick as possible，It can solve power quality problems in the power systems flexibly．A comprehensive active and reactive power regulation can solve the power system oscillations，improve power quality，improve the reliability of power supply，and also can stabilize the fluctuation of new energy generation．This paper will introduce the BESS integrating methods，the characteristics of a variety of access methods for analysis，the main circuit topology and the characteristics of various topologies and finally the analysis of its application in power system．

battery energy storage;STATCOM;power quality;reactive power compensation

TM464

A

1003-3076(2014)04-0048-06

2013-05-16

科技部國際合作項(xiàng)目 (2010DFR70600)

李寧寧(1982-)，男，山東籍，博士研究生，主要研究方向?yàn)闊o功補(bǔ)償與諧波抑制;紀(jì)延超(1962-)，男，河南籍，教授，博士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)镕ACTS、無功功率補(bǔ)償、電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。