帶蓄電池儲能裝置的靜止同步補償器(STATCOM/BESS)的概況綜述

李寧寧，紀延超，王建賾，劉一琦

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

帶蓄電池儲能裝置的靜止同步補償器(STATCOM/BESS)的概況綜述

李寧寧，紀延超，王建賾，劉一琦

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

帶蓄電池儲能裝置的靜止同步補償器(STATCOM/BESS)可以快速補償系統所需要的有功功率和無功功率，可以靈活地解決電力系統中的一些電能質量問題，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中各種類型直流側儲能電池接入方式、主電路拓撲結構及其在電力系統中的應用進行總結分析。

蓄電池儲能裝置;靜止同步補償器;電能質量;無功補償

1 引言

電能作為人們廣泛使用的能源，其應用程度是一個國家發(fā)展水平和綜合國力的主要標志之一［1］。在滿足國民經濟對電能需求量的同時，提高電能質量是增強用電效率、節(jié)能降損、改善環(huán)境、提高國民經濟的總體效益以及工業(yè)生產可持續(xù)發(fā)展的技術保證。靜止同步補償器(STATCOM)克服了傳統無功補償和諧波治理裝置存在的不足，為電網或用電負荷提供快速、連續(xù)有源動態(tài)無功補償和諧波濾波，可有效提高電網電壓暫態(tài)穩(wěn)定性、抑制母線電壓閃變、補償不平衡負荷、濾除負荷諧波及提高負荷功率因數［2］。但是STATCOM的電壓型逆變器主要與系統進行無功交換，當遇到阻性壓降導致的末端電壓降低、阻尼系統的有功振蕩、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的直流側引入蓄電池系統(BESS)，那么STATCOM就成為一種新的并聯補償裝置，帶蓄電池的靜止同步補償器(STATCOM/ BESS［4］、STATCOMBES［5］、ESTATCOM［6］)，本文中將其簡稱為STATCOM/BESS。STATCOM/BESS不僅可以快速補償系統無功，還可以補償有功電流，從而可以提供更加靈活多樣的電能調節(jié)功能。雖然加入儲能裝置的STATCOM具有如此多的優(yōu)點，但帶儲能裝置的STATCOM在電力系統中的應用卻十分少見，其中有兩大原因影響了STATCOM/BESS的實際應用［7］:第一，實際的電力系統是一個大的系統，有許多臺發(fā)電機組成，這些發(fā)電機可以滿足負荷的變化，系統逐漸向一個大的互聯系統發(fā)展，在這么大的一個系統中增加帶儲能的靜止同步補償器的經濟性還沒有被用戶認可;第二，STATCOM/BESS因為缺少實際應用，所以缺少理論上的研究。因此，對其拓撲結構和控制規(guī)律以及在電力系統中的應用開展研究是很有必要的，具有十分重要的理論意義和應用價值，本文主要對STATCOM/BESS從以下幾個方面進行闡述分析:

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

(2)STATCOM/BESS主電路的拓撲結構及其選擇;

(3)STATCOM/BESS目前主要的應用研究。

2 直流側蓄電池儲能的接入方式

STATCOM/BESS的直流側接入方式及蓄電池組的充放電管理決定STATCOM/BESS對電能質量控制能力的強弱，國內外對直流側并聯蓄電池的研究大體分為:直接并聯、經過直接 DC/DC并聯、經過隔離式DC/DC并聯。

2.1 蓄電池直接并聯在直流側［8］

圖1為蓄電池組直接并聯在STATCOM的直流側，通過控制STATCOM的輸出電壓與系統電壓的相位來控制蓄電池的充放電，直流側由于直接并聯蓄電池，直流側的控制就相對簡單。這種直流側直接并聯蓄電池的STATCOM/BESS拓撲結構的優(yōu)點是適于電網中分布式獨立電源并網，結構簡單，直流環(huán)節(jié)無變壓結構，能耗相對較低。該結構的主要缺點是系統體積大、造價高;儲能系統的容量選擇缺乏靈活性;電網側發(fā)生短路故障有可能在STATCOM/ BESS直流側產生短時大電流，對電池系統產生較大沖擊等。

圖1 蓄電池直接并聯在STATCOM直流側Fig．1 DC side of battery directly parallel in STATCOM

2.2 蓄電池組經直接DC/DC并聯在直流側［9-11］

圖2給出了一個蓄電池組經直接DC/DC變換器并聯在STATCOM直流側的拓撲結構，這種含直接DC/DC升降壓環(huán)節(jié)拓撲結構的STATCOM/BESS的主要優(yōu)點是適應性強，可以實現對多串并聯的電池模塊的充放電管理;由于 DC/DC環(huán)節(jié)可實現直流電壓的升、降，使得蓄電池的容量配置更加靈活;適于風電、光伏等波動性比較強的分布式電源的接入，抑制其直接并網可能帶來電壓波動。主要缺點是引入直接式 DC/DC環(huán)節(jié)，整個系統的能量轉換效率有所降低;大容量STATCOM/BESS的DC/DC 與DC/AC環(huán)節(jié)的開關頻率、容量及協調配合關系還有待研究。

圖2 蓄電池經過直接DC/DC變換器并聯在STATCOM直流側Fig．2 Battery connected in parallel to DC side of STATCOM through directly DC/DC converter

2.3 蓄電池組經隔離式DC/DC并聯在直流側［12-14］

圖3給出了一個蓄電池組經隔離式DC/DC變換器并聯在STATCOM直流側的拓撲結構，隔離型DC/DC變換器通過高頻或低頻變壓器進行升壓和隔離，可以實現電網與電池系統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)綜合技術指標影響較大。

圖3 蓄電池經隔離式DC/DC變換器并聯在STATCOM直流側Fig．3 Battery connected in parallel to DC side of STATCOM through isolated DC/DC converter

3 STATCOM/BESS的拓撲結構

STATCOM/BESS的拓撲結構也是國內外研究的重點，普通的兩電平STATCOM/BESS在低壓配電網絡最常用的拓撲結構，如圖4所示。它的優(yōu)點就是結構簡單，控制方式簡單，故障率低，易于大面積推廣應用。缺點是開關頻率高，開關器件開關應力高，開關損耗大，諧波含量高，容量和電壓等級?。?0］。

圖4 兩電平STATCOM/BESS的拓撲結構Fig．4 Two-level STATCOM/BESS topology

眾所周知多電平技術使得STATCOM/BESS輸出的波形具有更好的諧波頻譜，每個開關器件所承受的電壓應力較小，可避免大的 dv/dt所導致的各種問題。在STATCOM/BESS中應用多電平技術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、維護保養(yǎng)的費用會成倍提高。采用電池組串聯提升到高電壓的結構，在充放電的過程中會導致各個電池的充放電不均衡，而導致整個電池組的工作不穩(wěn)定。使用多電平技術的拓撲結構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)點就是在每個子模塊并聯蓄電池組可以減少直流側濾波電容的容量。經過多年的發(fā)展，目前STATCOM/BESS常見的多電平變換器拓撲，主要有三種基本結構:二極管鉗位型多電平變換器、級聯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的拓撲，由于采用了多個二極管對相應的開關元件進行鉗位，通過控制策略保證每次一個橋臂只有一個開關動作，實現多電平輸出。M電平二極管箝位型拓撲結構具有以下優(yōu)點:器件承受的關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;使用的主開關器件數目沒有增加。但是這種拓撲也有它固有的不足:二極管需要承受不同的反壓。器件所需額定電流不同，每相橋臂靠近中點的管子開通時間長;由于各種原因造成電容電壓不同，導致中點電壓發(fā)生偏移，嚴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拓撲Fig．5 Diode clamped STATCOM/BESS topology

該拓撲結構正常工作時，最外面的兩個電容是直流側與系統進行有功交換路徑，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 級聯型STATCOM/BESS［17-21］

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

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的拓撲，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而成。每個子模塊由兩個開關器件、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的拓撲具有的特點:允許高度的模塊化設計。系統具有良好的擴展性，整體設計非常靈活;允許較低的開關頻率，降低了開關損耗，提高了系統效率;橋臂電流工作于連續(xù)模式，當直流母線發(fā)生短路故障時，交流電抗器可以限制交流電流，起到保護作用;直流母線短路電流不會對電容、蓄電池組進行放電，所以故障恢復較快;采用合適的控制算法可以實現在更高的功率等級和電壓等級下應用。

圖6 級聯型STATCOM/BESS拓撲Fig．6 Cascaded STATCOM/BESS topology

圖7 模塊化多電平型STATCOM/BESS拓撲Fig．7 Modular multi-level STATCOM/BESS topology

4 STATCOM/BESS的應用［25-30］

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

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

(3)發(fā)電備用功能:電力系統的可靠運行需要有備用的火電廠，當其中有故障的電廠不能發(fā)電時，備用電廠能快速發(fā)電，彌補用電缺口。STATCOM/ BESS具有響應速度快、運行成本低等特點，將比火電機組更適合充當發(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)電系統的功率輸出特性，緩解風電、光電等可再生能源的間歇性和波動性與電力系統需要實時平衡之間的矛盾，降低其對電網的不利影響，增加電網對可再生能源的吸納程度。

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

(6)提高電能質量:STATCOM/BESS可實現高效的有功功率調節(jié)和無功控制，快速平衡系統中由于各種原因產生的不平衡功率，提高系統功率因數，消除系統諧波電流，抑制電壓的暫降和突升，減少擾動對電網的沖擊，改善用戶電能質量。

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

5 結論

STATCOM可以快速補償系統所需要的無功功率已經得到廣泛的認可，與蓄電池結合的 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節(jié)可以有效地解決電力系統低頻振蕩、提高供電質量、提高供電的可靠性，這些優(yōu)點都已經被學術界和現場的應用所證明。本文主要介紹了直流側蓄電池接入方式主要有三種，每種方式都有自己的特點，其中直接 DC/DC升降壓環(huán)節(jié)拓撲結構的STATCOM/BESS適應性強，其各種特殊拓撲結構也是未來研究的重點;主電路拓撲的對比，可以清楚地了解到在大容量、高電壓領域級聯型拓撲結構應用前景比較廣闊;最后介紹了STATCOM/BESS在電力系統中的各種應用。可以預見在未來電力系統中，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

科技部國際合作項目 (2010DFR70600)

李寧寧(1982-)，男，山東籍，博士研究生，主要研究方向為無功補償與諧波抑制;紀延超(1962-)，男，河南籍，教授，博士研究生導師，研究方向為FACTS、無功功率補償、電力電子技術在電力系統中的應用。