带蓄电池储能装置的静止同步补偿器(STATCOM/BESS)的概况综述

李宁宁，纪延超，王建赜，刘一琦

(哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

带蓄电池储能装置的静止同步补偿器(STATCOM/BESS)的概况综述

李宁宁，纪延超，王建赜，刘一琦

(哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

带蓄电池储能装置的静止同步补偿器(STATCOM/BESS)可以快速补偿系统所需要的有功功率和无功功率，可以灵活地解决电力系统中的一些电能质量问题，并且也可以平抑新能源发电的波动性。本文主要针对STATCOM/BESS中各种类型直流侧储能电池接入方式、主电路拓扑结构及其在电力系统中的应用进行总结分析。

蓄电池储能装置;静止同步补偿器;电能质量;无功补偿

1 引言

电能作为人们广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发展水平和综合国力的主要标志之一［1］。在满足国民经济对电能需求量的同时，提高电能质量是增强用电效率、节能降损、改善环境、提高国民经济的总体效益以及工业生产可持续发展的技术保证。静止同步补偿器(STATCOM)克服了传统无功补偿和谐波治理装置存在的不足，为电网或用电负荷提供快速、连续有源动态无功补偿和谐波滤波，可有效提高电网电压暂态稳定性、抑制母线电压闪变、补偿不平衡负荷、滤除负荷谐波及提高负荷功率因数［2］。但是STATCOM的电压型逆变器主要与系统进行无功交换，当遇到阻性压降导致的末端电压降低、阻尼系统的有功振荡、延长事故状态下的支持时间、提高新能源的穿透功率极限等问题时［3］，STATCOM就显得无能为力了。

如果在 STATCOM的直流侧引入蓄电池系统(BESS)，那么STATCOM就成为一种新的并联补偿装置，带蓄电池的静止同步补偿器(STATCOM/ BESS［4］、STATCOMBES［5］、ESTATCOM［6］)，本文中将其简称为STATCOM/BESS。STATCOM/BESS不仅可以快速补偿系统无功，还可以补偿有功电流，从而可以提供更加灵活多样的电能调节功能。虽然加入储能装置的STATCOM具有如此多的优点，但带储能装置的STATCOM在电力系统中的应用却十分少见，其中有两大原因影响了STATCOM/BESS的实际应用［7］:第一，实际的电力系统是一个大的系统，有许多台发电机组成，这些发电机可以满足负荷的变化，系统逐渐向一个大的互联系统发展，在这么大的一个系统中增加带储能的静止同步补偿器的经济性还没有被用户认可;第二，STATCOM/BESS因为缺少实际应用，所以缺少理论上的研究。因此，对其拓扑结构和控制规律以及在电力系统中的应用开展研究是很有必要的，具有十分重要的理论意义和应用价值，本文主要对STATCOM/BESS从以下几个方面进行阐述分析:

(1)STATCOM/BESS直流侧 BESS接入的方式以及不同功率等级的直流侧接入方式的选择;

(2)STATCOM/BESS主电路的拓扑结构及其选择;

(3)STATCOM/BESS目前主要的应用研究。

2 直流侧蓄电池储能的接入方式

STATCOM/BESS的直流侧接入方式及蓄电池组的充放电管理决定STATCOM/BESS对电能质量控制能力的强弱，国内外对直流侧并联蓄电池的研究大体分为:直接并联、经过直接 DC/DC并联、经过隔离式DC/DC并联。

2.1 蓄电池直接并联在直流侧［8］

图1为蓄电池组直接并联在STATCOM的直流侧，通过控制STATCOM的输出电压与系统电压的相位来控制蓄电池的充放电，直流侧由于直接并联蓄电池，直流侧的控制就相对简单。这种直流侧直接并联蓄电池的STATCOM/BESS拓扑结构的优点是适于电网中分布式独立电源并网，结构简单，直流环节无变压结构，能耗相对较低。该结构的主要缺点是系统体积大、造价高;储能系统的容量选择缺乏灵活性;电网侧发生短路故障有可能在STATCOM/ BESS直流侧产生短时大电流，对电池系统产生较大冲击等。

图1 蓄电池直接并联在STATCOM直流侧Fig．1 DC side of battery directly parallel in STATCOM

2.2 蓄电池组经直接DC/DC并联在直流侧［9-11］

图2给出了一个蓄电池组经直接DC/DC变换器并联在STATCOM直流侧的拓扑结构，这种含直接DC/DC升降压环节拓扑结构的STATCOM/BESS的主要优点是适应性强，可以实现对多串并联的电池模块的充放电管理;由于 DC/DC环节可实现直流电压的升、降，使得蓄电池的容量配置更加灵活;适于风电、光伏等波动性比较强的分布式电源的接入，抑制其直接并网可能带来电压波动。主要缺点是引入直接式 DC/DC环节，整个系统的能量转换效率有所降低;大容量STATCOM/BESS的DC/DC 与DC/AC环节的开关频率、容量及协调配合关系还有待研究。

图2 蓄电池经过直接DC/DC变换器并联在STATCOM直流侧Fig．2 Battery connected in parallel to DC side of STATCOM through directly DC/DC converter

2.3 蓄电池组经隔离式DC/DC并联在直流侧［12-14］

图3给出了一个蓄电池组经隔离式DC/DC变换器并联在STATCOM直流侧的拓扑结构，隔离型DC/DC变换器通过高频或低频变压器进行升压和隔离，可以实现电网与电池系统或分布式电源之间的电气隔离，不存在对地漏电流，因而更安全。采用低频变压器造价较高、体积较大、噪音较大;而高频变压器的性能对DC/DC环节综合技术指标影响较大。

图3 蓄电池经隔离式DC/DC变换器并联在STATCOM直流侧Fig．3 Battery connected in parallel to DC side of STATCOM through isolated DC/DC converter

3 STATCOM/BESS的拓扑结构

STATCOM/BESS的拓扑结构也是国内外研究的重点，普通的两电平STATCOM/BESS在低压配电网络最常用的拓扑结构，如图4所示。它的优点就是结构简单，控制方式简单，故障率低，易于大面积推广应用。缺点是开关频率高，开关器件开关应力高，开关损耗大，谐波含量高，容量和电压等级小［20］。

图4 两电平STATCOM/BESS的拓扑结构Fig．4 Two-level STATCOM/BESS topology

众所周知多电平技术使得STATCOM/BESS输出的波形具有更好的谐波频谱，每个开关器件所承受的电压应力较小，可避免大的 dv/dt所导致的各种问题。在STATCOM/BESS中应用多电平技术的主要原因是减少电池组的电压等级，随着蓄电池组电压等级的提升，所占的体积、重量、维护保养的费用会成倍提高。采用电池组串联提升到高电压的结构，在充放电的过程中会导致各个电池的充放电不均衡，而导致整个电池组的工作不稳定。使用多电平技术的拓扑结构可以有效地减少每个电池组的容量和电压等级，另一个优点就是在每个子模块并联蓄电池组可以减少直流侧滤波电容的容量。经过多年的发展，目前STATCOM/BESS常见的多电平变换器拓扑，主要有三种基本结构:二极管钳位型多电平变换器、级联型多电平变换器和模块化多电平变换器。

3.1 二极管钳位型STATCOM/BESS［15，16］

如图 5为五电平二极管钳位型 STATCOM/ BESS的拓扑，由于采用了多个二极管对相应的开关元件进行钳位，通过控制策略保证每次一个桥臂只有一个开关动作，实现多电平输出。M电平二极管箝位型拓扑结构具有以下优点:器件承受的关断电压为直流母线电压的1/(M－1)，很好地解决了电力电子开关器件耐压不够高的问题;输出电压为M +1个电平，各级电平间的幅值变化降低，较小的du/dt对电路的干扰小，同时输出谐波含量也小;使用的主开关器件数目没有增加。但是这种拓扑也有它固有的不足:二极管需要承受不同的反压。器件所需额定电流不同，每相桥臂靠近中点的管子开通时间长;由于各种原因造成电容电压不同，导致中点电压发生偏移，严重影响输出电压的对称性，增大线电压的谐波含量。

图5 二极管钳位型STATCOM/BESS拓扑Fig．5 Diode clamped STATCOM/BESS topology

该拓扑结构正常工作时，最外面的两个电容是直流侧与系统进行有功交换路径，通过一定的控制方式，有功可以在四个电容、两个蓄电池组、储能电抗中进行有效分配，储能电抗器容量的大小影响着蓄电池组的输入输出电流大小和电容电压的稳定时间，电抗器容量比较小的时候，最外面的两个电容的电压波动比较小，蓄电池组与电容、系统之间能量的交换比较频繁，流过蓄电池组的电流也比较大，可能会超过蓄电池组的额定电流;当电抗器的容量比较大的时候，流过蓄电池组的电流就会减小，但最外面两个电容的电压波动就比较大。

3.2 级联型STATCOM/BESS［17-21］

如图6为级联型STATCOM/BESS的拓扑，每相采用多个单相H桥电路的单元模块串联组成。每个子模块直流电源电压相等，换流器由N个H桥子模块级联而成，各子模块有各自独立的直流电源，总的输出电压为各子模块输出的叠加。其优点为:避免了多个电池组串联时的充放电不均衡的问题;控制方法相对简单，可分别对每一级进行PWM控制;利于模块化设计，便于故障快速处理;省掉了占地面积大、成本高的串联变压器。

3.3 模块化多电平型STATCOM/BESS［22，23］

如图7为模块化多电平型STATCOM/BESS的拓扑，该类型的STATCOM/BESS每相有上下两个桥臂，每个桥臂由多子模块级联而成。每个子模块由两个开关器件、一个电容、一个蓄电池组组成。MMC型STATCOM/BESS每时刻每相上下同时投入模块数目之和相同，电抗 Ls是为了抑制相间环流。MMC型STATCOM/BESS的储能单元的功率调节作用是通过对每个子模块中蓄电池组的充放电来完成的。MMC型STATCOM/BESS的拓扑具有的特点:允许高度的模块化设计。系统具有良好的扩展性，整体设计非常灵活;允许较低的开关频率，降低了开关损耗，提高了系统效率;桥臂电流工作于连续模式，当直流母线发生短路故障时，交流电抗器可以限制交流电流，起到保护作用;直流母线短路电流不会对电容、蓄电池组进行放电，所以故障恢复较快;采用合适的控制算法可以实现在更高的功率等级和电压等级下应用。

图6 级联型STATCOM/BESS拓扑Fig．6 Cascaded STATCOM/BESS topology

图7 模块化多电平型STATCOM/BESS拓扑Fig．7 Modular multi-level STATCOM/BESS topology

4 STATCOM/BESS的应用［25-30］

(1)负荷快速跟踪能力:比常规的发电方式敏捷，能在毫秒级时间内迅速变化，并通过充电和放电模式，可以高效地满足负荷上升和下降的双向需求，以实现快速负荷跟踪。

(2)频率调节功能:调节电力供给与需求之间的差异，就可以发挥类似发电机对电网的频率调节作用。

(3)发电备用功能:电力系统的可靠运行需要有备用的火电厂，当其中有故障的电厂不能发电时，备用电厂能快速发电，弥补用电缺口。STATCOM/ BESS具有响应速度快、运行成本低等特点，将比火电机组更适合充当发电备用的角色。

(4)提高新能源的穿透功率极限:改善新能源发电系统的功率输出特性，缓解风电、光电等可再生能源的间歇性和波动性与电力系统需要实时平衡之间的矛盾，降低其对电网的不利影响，增加电网对可再生能源的吸纳程度。

(5)电压支撑功能:电力系统稳定运行的前提条件就是电压稳定在一定范围内，STATCOM/BESS可以快速地提供无功功率、有功功率，保证补偿点的电压稳定。

(6)提高电能质量:STATCOM/BESS可实现高效的有功功率调节和无功控制，快速平衡系统中由于各种原因产生的不平衡功率，提高系统功率因数，消除系统谐波电流，抑制电压的暂降和突升，减少扰动对电网的冲击，改善用户电能质量。

(7)提高供电的可靠性:在系统电压出现连续几个周波的供电中断时，STATCOM/BESS可以快速输出有功，保证负荷供电的可靠性。

5 结论

STATCOM可以快速补偿系统所需要的无功功率已经得到广泛的认可，与蓄电池结合的 STATCOM/BESS可以同时提供有功功率和无功功率。通过对有功和无功的综合调节可以有效地解决电力系统低频振荡、提高供电质量、提高供电的可靠性，这些优点都已经被学术界和现场的应用所证明。本文主要介绍了直流侧蓄电池接入方式主要有三种，每种方式都有自己的特点，其中直接 DC/DC升降压环节拓扑结构的STATCOM/BESS适应性强，其各种特殊拓扑结构也是未来研究的重点;主电路拓扑的对比，可以清楚地了解到在大容量、高电压领域级联型拓扑结构应用前景比较广阔;最后介绍了STATCOM/BESS在电力系统中的各种应用。可以预见在未来电力系统中，STATCOM/BESS会发挥更大的作用。

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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

科技部国际合作项目 (2010DFR70600)

李宁宁(1982-)，男，山东籍，博士研究生，主要研究方向为无功补偿与谐波抑制;纪延超(1962-)，男，河南籍，教授，博士研究生导师，研究方向为FACTS、无功功率补偿、电力电子技术在电力系统中的应用。