電池儲能系統(tǒng)改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量的研究

梁加本

摘要：本文主要分析了電池儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和特征，重點介紹了微電網(wǎng)電能質(zhì)量改善的措施，其不僅可以使微電網(wǎng)的功率平衡得到有效維持，而且還可以有效提高微電網(wǎng)的電能質(zhì)量。通過對改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量的措施進行分析，以期為電池儲能系統(tǒng)的安全運行提供可靠保障，并實現(xiàn)經(jīng)濟與社會效益的最大化。

關(guān)鍵詞：電池儲能系統(tǒng);結(jié)構(gòu);微電網(wǎng);電能質(zhì)量

微電網(wǎng)一般是基于分布式發(fā)電技術(shù)，以用戶的小型電站或靠近分散型能源為主體，根據(jù)終端用戶能源梯級和電能質(zhì)量管理借助相關(guān)技術(shù)手段來構(gòu)建的分散式、小型模塊化的供能網(wǎng)絡(luò)。通常情況下，微電網(wǎng)不僅可以孤島運行，而且也可以并網(wǎng)運行。如今，微電網(wǎng)逐漸發(fā)展成為解決電力系統(tǒng)運行過程中安全穩(wěn)定問題的關(guān)鍵，是實現(xiàn)能源高效利用的主要技術(shù)手段。在保證分布式發(fā)電系統(tǒng)效率和供電質(zhì)量方面，儲能技術(shù)發(fā)揮著不可替代的作用，并逐漸發(fā)展成為提高輸配電系統(tǒng)電能質(zhì)量和推動可再生能源應(yīng)用的重要手段。同時，借助電池儲能系統(tǒng)還可以使電壓驟降等電能質(zhì)量問題得到有效解決。借助電池儲能系統(tǒng)還可以實現(xiàn)對功率的有效調(diào)節(jié)，進而達到提高電能質(zhì)量的目的。

1.電池儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通常情況下，電池儲能系統(tǒng)一般是由并聯(lián)逆變器、串聯(lián)逆變器以及電池儲能裝置構(gòu)成，具體如圖1所示。通過對圖1進行分析可以發(fā)現(xiàn)，us代表的是等效電源電壓，其含有諧波電壓分量。在電池儲能系統(tǒng)中，udc表示直流側(cè)的電壓。

圖1中uc表示補償電壓，其能夠?qū)﹄娫磚s中負(fù)序電壓和諧波電壓進行補償，uL表示并聯(lián)部分接入點位置的電壓。iL與is分別表示非線性負(fù)荷電流和電源電流，ic表示并聯(lián)逆變器注入的補償電流。Lf1表示聯(lián)逆變器所產(chǎn)生的濾波電感，該過程將補償電流ic中所存在的高頻諧波分量給予濾除掉，Cf2、Lf2組合成了輸出濾波器，其能夠?qū)⒋?lián)逆變器輸出電壓中所產(chǎn)生的開關(guān)諧波給予濾除掉。

通過電池儲能系統(tǒng)的直流側(cè)可以實現(xiàn)并聯(lián)逆變器與串聯(lián)逆變器的背靠背連接。其中，并聯(lián)逆變器與主電路實現(xiàn)并聯(lián)接入，并根據(jù)受控電流源方式來開展相關(guān)工作，此時非線性負(fù)荷電流iL中所產(chǎn)生的諧波可以達到補償微電網(wǎng)的目的，進而確保了系統(tǒng)側(cè)的電流質(zhì)量，同時結(jié)合實際情況輸出適量無功和有功功率。而串聯(lián)逆變器可以借助變壓器T來實現(xiàn)與主電路串聯(lián)，并根據(jù)受控電流源方式來對配網(wǎng)側(cè)滲透的諧波電壓進行補償，進而確保了負(fù)荷側(cè)的電壓質(zhì)量。

2.電池儲能系統(tǒng)特性

電池儲能系統(tǒng)一般是通過儲存于電池中的化學(xué)能與電能間的轉(zhuǎn)換，來達到存儲/釋放能量的目的，其具有維護比較簡單、技術(shù)相對成熟、效率相對較高的儲能方式，目前在國內(nèi)微電網(wǎng)中取得了比較好的應(yīng)用效果。結(jié)合所用化學(xué)物質(zhì)的差異，可以將電池儲能系統(tǒng)中的蓄電池分為鈉硫電池、鉛酸電池、液流電池、鋰離子電池等。目前，國內(nèi)電池儲能系統(tǒng)主要以鋰離子電池和鉛酸電池為主。不管是鋰離子電池還是鉛酸電池，都存在放電電壓不可過低、充電電壓不可過高以及快速充放電會對其使用壽命產(chǎn)生不利影響等問題，此時為了提高電池儲能系統(tǒng)使用壽命，就需要對微電網(wǎng)電能質(zhì)量給予有效改善。

3.微電網(wǎng)電能質(zhì)量改善方案

通常情況下，微電網(wǎng)一般是由多個微電源組合而成，少數(shù)微電源選擇了基于無功-電壓（Q-U）和有功-頻率（P-f）下的電壓/頻率（V/f）控制。如果微電網(wǎng)在運行過程中，由于負(fù)荷或事故的投切而導(dǎo)致微電網(wǎng)中功率發(fā)生改變時，此時可以選擇相關(guān)策略來對每個微電源輸出的功率進行科學(xué)、合理分類，以此來有效提高微電網(wǎng)電能質(zhì)量。對于微電網(wǎng)而言，如果要求微電源輸出的有功功率大于額定有功功率極限值 Pmax時，將會導(dǎo)致微電網(wǎng)電壓的頻率偏差f無法有效滿足微電網(wǎng)運行需求。此時最好通過電池儲能系統(tǒng)來把有功功率注入到微電網(wǎng)中，進而達到穩(wěn)定微電網(wǎng)頻率，提高微電網(wǎng)電能質(zhì)量的目的。通過將主電路的補償電流ic注入到圖1中的并聯(lián)逆變器時，可以使上述功能得到有效實現(xiàn)，該補償電流指令信號生成過程如圖2所示。

通過對圖2進行分析得知，iLa、iLb、iLc均屬于電池儲能系統(tǒng)中比較重要的并聯(lián)接入點位置所產(chǎn)生的三相負(fù)荷電流。實際上，在對iLha、iLhb、iLhc諧波成分進行檢測過程中，選擇了基于瞬時無功理論的dq0 檢測法，并采用了與電源A相電壓usa具有相同相位的正余弦信號，該過程中所產(chǎn)生的檢測結(jié)果一般不會受電壓波形畸變干擾，進而存在比較好的實時性。

對于串聯(lián)逆變器而言，其主要作用是基于配電網(wǎng)側(cè)諧波電壓滲透作用下，對微電網(wǎng)電能質(zhì)量所產(chǎn)生的影響給予削弱或消除，與串聯(lián)型有源電力濾波器具有相似的功能。圖3描述的是電壓補償信號生成示意圖。

結(jié)合期望的微電網(wǎng)側(cè)電壓幅值與配電網(wǎng)側(cè)電壓usa的相位，借助電壓指令計算過程，可以獲取微電網(wǎng)側(cè)所產(chǎn)生的期望基波電壓信號ura、urb與urc，隨后通過與配電網(wǎng)側(cè)的實際電壓進行相減就可以獲得串聯(lián)逆變器所對應(yīng)的補償電壓輸出指令信號u*ca、u*cb和u*cc，其能夠?qū)π枰a償?shù)幕妷汉椭C波電壓給予直觀的反映。

4.算例仿真和分析

結(jié)合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點，制定了一個簡單微電網(wǎng)（如圖4），其中Us表示配電網(wǎng)側(cè)等效電壓源，T表示微電網(wǎng)與配電網(wǎng)間的連接變壓器，S表示隔離開關(guān)。對于電池儲能系統(tǒng)而言，其中的串聯(lián)部分可以借助耦合變壓器T1來實現(xiàn)與公共連接點（PCC）的有效連接，S1表示非線性負(fù)荷，S2表示線性負(fù)荷。

對該微電網(wǎng)電能質(zhì)量改善方案借助Matlab/Simulink軟件進行仿真研究，其對應(yīng)的參數(shù)如下：微電網(wǎng)線電壓Um=380V，微電源MS1允許有功功率極限值Pmax1=6kW，MS2輸出功率PMS2=6kW，QMS2=0kvar。對于配電網(wǎng)電壓Us而言，其5次諧波電壓含有率UHRU5=7%，7次諧波電壓含有率 UHRU7=4%;S1表示恒阻抗負(fù)荷，其中Xd=3.3，Rd=17.5;非線性負(fù)荷選擇了三相橋式不控整流電路，其直流電壓 Ud=200V，濾波電感L=0.03H，負(fù)荷電阻R=10。

通過對圖5進行分析得知，如果串聯(lián)逆變器不作用時，所產(chǎn)生的總諧波電壓畸變率UTHD≈8.1%，電壓UPCC的UHRU5≈7%，UHRU7≈4%。而基于串聯(lián)逆變器作用后，將會導(dǎo)致電壓UPCC的諧波含量呈現(xiàn)不斷程度的下降，UTHD≈1.7%，UHRU7≈0.7%，UHRU5≈0.9%。由此可以發(fā)現(xiàn)，對于電池儲能系統(tǒng)而言，選擇串聯(lián)逆變器，可以使配電網(wǎng)側(cè)滲透的諧波電壓得到有效隔離，進而確保了微電網(wǎng)電能質(zhì)量。

參考文獻：

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