基于儲能的無功補償技術綜述

葉 暉，李愛魁，張 忠

（大連理工大學，遼寧大連 116000）

為應對能源危機，緩解環(huán)境壓力，各國大力發(fā)展可再生能源。我國提出發(fā)展以新能源為主的新型電力系統，這是實現我國能源結構轉型升級，完成能源生產與消費革命的關鍵。根據“雙碳”目標規(guī)劃，2030 年碳達峰時風電和太陽能發(fā)電總裝機容量達到12 億千瓦以上，2060 年碳中和時新能源將是主力電源。間歇性、波動性新能源占比持續(xù)增加將對整個電力系統帶來重大改變和挑戰(zhàn)，儲能可從根本上解決新能源帶來的電力系統穩(wěn)定運行和可靠供電問題。

無功補償技術是利用無功補償設備提供的無功來補償系統缺少的無功功率，或吸收系統多余的無功功率維持無功平衡。實際應用中應根據不同需求采用不同的補償裝置及策略，來使得系統無功功率達到平衡狀態(tài)，從而維持電壓穩(wěn)定、降低網損和提升功率因數?，F有的無功補償設備分為旋轉無功補償設備和靜止無功補償設備[1]。旋轉無功補償設備包含同步發(fā)電機和同步調相機等；靜止無功補償設備包含機械投切類無源補償裝置、SVC、SVG/STATCOM等。常見無功補償裝置的原理及性能比較見表1[2-4]。隨著能源結構轉型，風電等間歇性、波動性新能源機組占比增加，火電等傳統機組占比下降，用于維持電網電壓的可靠穩(wěn)定無功源不足，因此需要更多適用于電網新形態(tài)的無功補償技術和設備。儲能變流器是交/直流可控的四象限運行變流裝置，可根據需要調節(jié)電流與電壓的相位差，進行有功無功輸出，兼顧無功補償與有功平衡[5]，近年來發(fā)展迅速。

表1 常見無功補償裝置性能比較Table 1 Performance comparison of reactive power compensation devices

儲能具備毫秒級響應的功率快速調節(jié)能力，對于電網不同類型的電能質量問題具有顯著的技術優(yōu)勢，同時儲能電站為一個連續(xù)可調無功源[6-7]，可兼顧有功無功的實時平衡，符合新型電力系統的技術需求。本文按照儲能類型和應用場景，綜述了儲能以及混合無功補償技術研究的現狀，并展望了儲能無功補償技術的應用前景。

1 儲能無功補償簡介

1.1 儲能無功補償機理

新型儲能技術多以直流器件存儲能量，需要通過電力電子裝置實現與電網時能量交互。儲能變流器(power converter system，PCS)為儲能系統的關鍵組成部分，其四象限運行功能可以實現無功功率的發(fā)出和吸收[8]，即通過控制儲能變流器輸出電壓的幅值和與電網電壓矢量的夾角，調節(jié)電網電壓與變流器輸出電流之間的相位差以及輸出電流的幅值大小，同時可以控制交直流側有功功率和無功功率的傳遞[9]。

圖1中，E、EL分別為網側電壓、負載電動勢；UL、U、Udc分別為網側電感壓降、交流測電壓、直流側母線電壓；I、Idc分別為網側電流、直流側電流；L為網側電感；RL為負載電阻[6,10]。

圖1 儲能變流器理想模型電路Fig.1 Ideal model circuit of energy storage converter

由圖2可知，當以網側電壓E為參考量時，通過改變交流測矢量U控制網側電流矢量I，網側電壓E與電流I相位差變化，儲能變流器與電網進行有功功率和無功功率交換，實現無功補償功能。

圖2 儲能變流器典型矢量狀態(tài)[10]Fig.2 Typical vector state of energy storage converter[10]

1.2 儲能變流器拓撲

儲能變流器作為儲能系統的無功發(fā)生器件，其拓撲結構分類方式如下：AC/DC 型(單級型)和DC/DC-AC/DC型(雙級型)變流器，或兩電平、三電平、多電平拓撲結構等，典型拓撲結構如圖3所示。

圖3 儲能變流器典型拓撲結構Fig.3 Typical topology of energy storage converter

單級型儲能變流器具有結構簡單，控制容易等優(yōu)點[10]，但其電壓工作范圍較小。目前研究較多的AC/DC 變流器為三電平拓撲結構，其又分為I 型NPC拓撲(即二極管鉗位型三電平拓撲)和T型NPC拓撲，T型NPC三電平變流器用可控的開關器件代替鉗位二極管，提升了變流器的功率等級[11]。日本富士電機采用兩個逆阻型IGBT 反并聯實現中點鉗位，提出逆阻型NPC三電平拓撲,其較T-NPC拓撲每相橋臂少兩個鉗位二極管，減小了器件導通損耗、開關損耗等，渠展展等[12]進行了單級逆阻型NPC 儲能變流器的設計，搭建了樣機，實現了平滑的電壓、電流輸出，具備高轉換效率、高功率因數等特點。隨著儲能系統容量的增大，單級型變流器無法滿足需要，周京華等[13]、朱強等[14]都提出一種雙級型T型三電平為拓撲的PCS，其中DC/DC變換器采用兩相交錯并聯的Buck-Boost 電路，減小直流電流紋波，DC/AC 逆變器采用T型三電平儲能變流器，實現雙向穩(wěn)定運行，具有并/離網雙模式運行功能。前期研究主要針對單臺儲能變流器的無功功率控制策略，針對多臺儲能變流器被統一接入，集群聯合運行，徐明等[15]提出了一種規(guī)?；姵貎δ芟到y(各儲能機組直接并聯后通過一臺升壓變壓器連接到配電網)并網運行時的無功功率分配策略，并通過仿真和實驗驗證了該策略實時分配無功功率的能力。并聯拓撲受電池組端電壓限制，無法直接接入中壓電網，張紅艷等[16]提出通過子模塊級聯能夠達到較高電壓等級的能量轉換，避免利用變壓器升壓，從而在體積、占地及成本上具有明顯優(yōu)勢。

如圖4所示，儲能變流器常通過三相兩電平或三電平電路和濾波電路將儲能電池與電網相連，通過采樣變流器交流側電壓、電流值，經過坐標變換環(huán)節(jié)，控制環(huán)節(jié)，波形調制環(huán)節(jié)控制開關器件的通斷，實現無功功率的控制。

圖4 儲能變流器典型接線圖[12]Fig.4 Typical wiring diagram of energy storage converter[12]

2 儲能無功補償技術

1982年，江云等[17]提出了超導儲能將會用于電網的靜止無功補償器。1997年，Rabbani等[18]提出了一種基于模糊邏輯控制的超導磁儲能系統，仿真表明了儲能系統以及開關電容器組可根據系統需求提供無功功率，有效改善電力系統的電壓分布。2003 年，Senjyu 等[19]提出將超導磁儲能引入風力發(fā)電系統中，仿真結果表明，安裝儲能有效地補償發(fā)電機終端母線電壓波動。魯蓉等[20]于2006 年提出了超級電容器儲能系統的應用，其用于分布式發(fā)電系統和電力系統配電網可以在電網出現電能質量問題時進行快速(秒級)響應。2008年，阮軍鵬等[21]提出采用飛輪儲能系統實現風電機組輸出有功功率和無功功率的綜合快速補償，在風速快速變化和大范圍波動的情況下有效地改善并網風電場的電能質量。趙艷雷等[22]于2012 年提出將超級電容器與蓄電池組成快速儲能裝置，實現2 種儲能優(yōu)勢互補，該裝置控制風電接入點的無功功率實時補償，同時兼顧有功功率調節(jié)。

近年來，對電池儲能用于無功補償的研究也逐漸增多。如圖5所示，為貴州興義20 MW/10 MW·h儲能電站，儲能系統能夠保證接入更大容量沖擊負荷時電網的電壓穩(wěn)定。黃際元等[23]提出了儲能應用于電網調壓與動態(tài)無功支撐的協調控制策略，該策略將當前電網狀態(tài)分為五種工況并對應不同儲能無功出力方案，仿真表明該策略可將穩(wěn)定區(qū)間內波動的電壓合格率從54.72%提升至97.31%，對電網電壓改善效果顯著。實際應用中，負載常發(fā)生變化，針對負載持續(xù)增加的電力系統，Adewuyi 等[24]提出采用電池儲能系統可實現最優(yōu)有功和無功補償，IEEE14線系統仿真結果表明，投入儲能系統后保證其視在功率輸出最小情況下，各母線電壓由0.87～1.06 p.u變化為0.912～1.06 p.u，改善了整個電力系統的電壓穩(wěn)定性。楊俊等[7]提出一種儲能電站參與電網穩(wěn)態(tài)調壓的控制策略，該策略將儲能電站與電容/電抗器協調控制，避免電容器/電抗器頻繁投切以延長設備使用壽命，有效提升了電能質量。Pires等[25]提出將儲能系統集成到配電網和一種根據場景選取最優(yōu)解集中的適當解的后帕累托分析算法。仿真結果表明，將儲能系統用作無功補償后，偏差最大母線的最小電壓從0.87 p.u變化到0.928 p.u。投入儲能系統后，系統線損降低，電壓分布也得到了明顯的改善。

圖5 儲能電站實物圖Fig.5 Image of energy storage station

黑啟動為在系統全黑或部分停電的情況下安全、快速地恢復電網供電，黑啟動過程中，變流器和勵磁都需消耗大量無功。傳統黑啟動電源有常規(guī)水電、燃氣機組等，由于地域、資源等條件的限制[26]，多地區(qū)無法選用常規(guī)黑啟動電源，儲能為黑啟動開拓了新路徑。李延峰等[27]提出了一種配置儲能電站的風電場作為黑啟動電源的策略。劉力卿等[28]提出為大良風電場配置大容量電池儲能系統，并讓其作為黑啟動電源以帶動東海拉爾電廠熱電機組進行啟動的方案，仿真實驗表明，黑啟動過程中，儲能系統對無功沖擊、暫態(tài)過電壓及工頻過電壓響應迅速，維持電場的電壓及頻率穩(wěn)定。在此基礎上，米增強等[29]對黑啟動電源為配置儲能風電場的配置方法進行了研究，在滿足黑啟動過程中最大有功和無功功率的需求的前提下，降低了儲能的配置成本。劉英培等[30]研究光儲聯合發(fā)電系統的黑啟動能力，其中儲能平衡無功負荷，維持系統無功平衡，同時提出一種以負荷功率跟蹤與MPPT相結合的協調控制算法，提高光能利用率的同時降低了對儲能容量的要求，提高了系統的經濟性。此前多為儲能系統聯合新能源等作為黑啟動電源，貴州興義清水河儲能電站完成了由儲能電站中單一儲能模塊或多機并聯為黑啟動電源，在空載狀態(tài)下零壓啟動建立交流母線電壓，恢復系統功率的實時平衡，其多機并聯控制框圖及零壓軟啟動波形圖如圖7 所示。世界首例儲能輔助9F 級重型燃氣輪機黑啟動在我國中電投珠海橫琴熱電有限公司完成，黑啟動過程中無功功率消耗量大，啟動電流大，變流器多機并聯易發(fā)生環(huán)流、功率分配不均等問題，都需儲能系統進行快速響應，儲能系統通過零起升壓，可穩(wěn)定建立廠用電，避免了勵磁涌流沖擊，保證黑啟動成功完成[31]。

圖6 多機PCS并聯控制框圖Fig.6 Block diagram of multi-parallel PCS control

圖7 儲能PCS零壓軟啟動波形圖[32]Fig.7 Curve of energy storage PCS Zero voltage soft starting[32]

作為新型的電網無功補償技術，儲能的應用提高了電力系統的穩(wěn)定性，增加了電網黑啟動能力。儲能同時具有有功無功特性，基于經濟性等因素考慮，儲能的應用主要為有功控制，進而實現電力電量在時間尺度上的解耦，使電網更加柔性化，成為高彈性電網。因此儲能與其他無功源協同運行成為儲能主要的無功補償方式。

3 儲能混合無功補償技術

項恩新等[33]提出將化學儲能裝置于其他無功補償裝置協同規(guī)劃，如儲能與有無功調節(jié)能力的新能源場站、與SVG/STATCOM 等無功補償設備等協調運行方式，都能在維持電網穩(wěn)定的同時提高系統無功補償配置的經濟性。

儲能系統與STATCOM 等無功補償裝置的組合，不僅改善了無功補償設備自身的不足，還實現了有功無功的協調控制，對改善電網電能質量效果顯著。Bharadwaj 提出由儲能系統與STATCOM 組成的E-STATCOM可被視為提高可再生能源主導電網電壓和保持頻率穩(wěn)定的可行選擇[34]。在此基礎上，張曉紅等[35]將蓄電池組直接并聯于靜止無功發(fā)生器直流側電容兩端，并將其作為整體補償裝置用于風電發(fā)電系統，仿真表明，投入STATCOM-BESS后，電網電壓擾動情況下通過有功無功協調控制使并網電壓從0.8 p.u.升至0.9 p.u.附近，風速變動及頻率波動情況下STATCOM-BESS根據風電場實際情況進行無功補償，維持并網點電壓穩(wěn)定。Raju等[36]提出用于風力發(fā)電系統的組合功補償結構及控制策略，該結構為儲能系統通過直流-直流逆變器與DSTATCOM 相連，在所有運行情況下都能在并網點注入精準的補償電流保持電網電壓水平，其系統的簡化框圖如圖8所示。對于提高三相平衡配電網的電能質量問題，Mahela 等[37]提出采用帶有電池儲能系統的DSTATCOM，仿真表明，加裝帶有電池組儲能的DSTATCOM 后，負載變換過程中電壓暫降降低60%，風速波動情況下可有效改善電壓水平下降。對于三相不平衡的主動配電網運行性能，劉歡歡等[38]提出含電池儲能系統的DSTATCOM 用于單相光伏滲透率為31.9%的低壓配電網，實現有功無功協調控制，使各個節(jié)點的電壓運行在標稱值附近。

圖8 系統的簡化框圖[37]Fig.8 GeneraIized block diagram of the proposed system[37]

此外，風電等新能源的波動性、隨機性等導致的電場動態(tài)無功不足，是引起系統電壓波動或失穩(wěn)的重要原因[39]。雙饋風力機(DFIG)無功功率在一定范圍是可調的[40]，因此其可看作是一個連續(xù)可調的無功源，但當風電場規(guī)模較小或其并網電網為強電網時，其調節(jié)能力無法滿足電網電壓的調節(jié)需求，黃磊等[41]提出一種儲能系統與雙饋風電場無功協調控制策略，該策略兼顧風電場與儲能系統的無功調節(jié)能力，將所需無功功率在儲能系統、風電場和外部電網間進行協調，如圖9所示，充分發(fā)揮了各系統的調節(jié)能力。Jerbi等[42]提出將飛輪儲能系統連接在風力發(fā)電機在直流母線上，仿真驗證了加入儲能系統的風機無功支撐能力、改善節(jié)點電壓水平能力增強。王鵬等[43]提出將混合儲能系統并聯到風機直流側，儲能系統通過吸收故障期間不平衡功率來提高風機的無功發(fā)生能力，儲能型風機配合STATCOM進行無功協調控制，使并網點電壓穩(wěn)定性和風機故障穿越能力提高。Khaki 等[44]對儲能系統和風力機配置的不同規(guī)模和位置對電壓分布的影響進行了研究，并通過仿真，提出了將降低成本和減小網損的無功優(yōu)化方法。

圖9 無功功率的整體控制方案[41]Fig.9 Reactive power control structure[41]

電網形態(tài)逐漸源荷互動化、配網有源化、電力電子化，電力電子型器件運行消耗大量無功，波動性新能源無功調節(jié)能力有限等，都對系統無功平衡提出更高要求。儲能與其他無功源的協同運行，既充分利用了無功源的無功性能，還可對系統進行有功無功協調控制，同時為儲能系統成本較高提供了有效解決方案。

4 展望

隨著電網能源結構轉型及間歇性新能源的大規(guī)模發(fā)展，遠距離特高壓輸電、電網電力電子化、源網儲荷一體化對無功補償技術的補償容量、響應速度、協調策略等方面提出更高的要求。面向未來電網形態(tài)，基于儲能的無功補償技術主要發(fā)展方向簡述如下。

電力儲能系統將逐步發(fā)展為電網無功補償的重要組成部分。儲能系統爬坡速度快，作為電壓源可實現零壓啟動，支撐新能源、微網、多能互補式園區(qū)并網/離網運行，實現電網就地無功平衡。因此儲能設備可能會替代部分動態(tài)無功補償設備，成為電網的主要無功補償裝置之一。

電力儲能將逐步成為黑啟動常規(guī)主電源。黑啟動過程對無功功率需求量及響應時間都提出高要求，儲能系統規(guī)模容量可控、響應速度快且兼具有功無功提供能力，可保證黑啟動過程安全可靠完成。

儲能、新能源機組及無功補償裝置的暫態(tài)穩(wěn)態(tài)協同控制是未來新能源場站無功補償主要形態(tài)。隨著新能源大規(guī)模推廣應用，風電等新能源機組將成為未來電網主電源，其本身的無功補償能力有待進一步挖掘，為提高新能源場站靈活性而配置的儲能系統也具備無功補償功能。儲能電站與其他無功源之間的協調控制策略以及聯合規(guī)劃屬于非線性混合整數規(guī)劃問題，其求解與優(yōu)化都十分復雜，還需進一步深入思考與研究。