储能科学与技术, 2021, 10(6): 2209-2217 doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0197

储能系统与工程

基于储能的无功补偿技术综述

叶晖,, 李爱魁,, 张忠

大连理工大学，辽宁 大连 116000

Overview of reactive power compensation technology based on energy storage

YE Hui,, LI Aikui,, ZHAGN Zhong

Dalian University of Technology, Dalian 116000, Liaoning, China

收稿日期: 2021-05-07   修回日期: 2021-05-24   网络出版日期: 2021-11-03

基金资助: 国家电网公司总部科技项目.  4000-202116062A-0-0-00
中央高校基本科研业务费资助（DUT19RC（3）073）

Received: 2021-05-07   Revised: 2021-05-24   Online: 2021-11-03

作者简介 About authors

叶晖（1998—），女，硕士研究生，研究方向为电力储能技术，E-mail：yh@mail.dlut.edu.cn E-mail：yh@mail.dlut.edu.cn。

李爱魁，研究员，研究方向为新能源及储能，E-mail：liaikui@dlut.edu.cn。 E-mail：liaikui@dlut.edu.cn。

摘要

基于无功补偿的无功功率实时平衡是电力系统安全稳定运行的重要保障。储能变流器具有四象限运行功能，可同时输出或吸收无功及有功功率，具有调频调压功能。基于储能的无功补偿技术具有响应速度快，连续可调、规模可控等优点，适用于高比例新能源和高电力电子化的新型电力系统。本文基于储能无功补偿原理，介绍了多种拓扑结构储能变流器的无功控制策略、串并联模块化放大以及中高压级联技术等研究进展。按照储能类型和应用场景，综述了储能以及储能混合无功补偿技术的发展进程及趋势，早期储能无功补偿主要采用超导储能、超级电容器及飞轮储能等短时间尺度的储能技术，电池储能技术的发展使其在电网调压、黑启动等无功补偿领域具有应用前景。基于经济性考虑，储能与STATCOM、新能源机组协同运行实现有功无功联合调压，保障系统电压水平，改善电能质量。新能源为主的新型电力系统给予储能无功补偿技术更重要的角色。储能、新能源机组及无功补偿装置的暂态稳态协同控制是未来新能源场站无功补偿主要形态。储能与其他无功源之间的协调控制策略以及联合规划问题的求解与优化都将是储能无功补偿技术的研究重点。

关键词： 储能 ; 无功补偿 ; 电压控制 ; 混合 ; 变流器

Abstract

The real-time balance of reactive power based on reactive power compensation is critical to power systems' safe and stable operation. The energy storage converter has a four-quadrant operation function that allows it to output or absorbs reactive and active power simultaneously. It has the function of frequency and voltage regulation. Reactive power compensation technology based on energy storage has the advantages of fast response speed, continuously adjustable, and scale controllable, etc., and is suitable for new power systems with a high proportion of new energy and high electronization. Based on the principle of reactive power compensation for energy storage, this paper introduces reactive power control strategy, serie-parallel modular amplification, and medium, and high voltage cascade technology of energy storage converters of various topology structures. According to the types of energy storage and application scenarios, energy storage reactive power compensation technology and energy storage hybrid reactive power compensation technology is reviewed, and its development process and trend of the research status are mentioned. The early storage reactive compensation mainly adopts short-time scale energy storage technology, such as superconducting energy storage, super-capacitor energy storage, and flywheel energy storage. The advancement of battery energy storage technology can have a positive impact on power grid voltage regulation, black start, and other reactive power compensation fields. Energy storage, static synchronous compensator, and new energy units collaborate based on economic considerations to realize combined voltage regulation of active and reactive power to ensure system voltage level and improve power quality. The new power system based on new energy gives the reactive power compensation technology of energy storage a more crucial role. Transient steady-state cooperative control of energy storage, new energy units, and reactive power compensation devices is the main form of reactive power compensation of new energy stations in the future. The research focuses on energy storage reactive power compensation technology will be the coordinated control strategy between energy storage and other reactive power sources and the solution and optimization of joint programming problems.

Keywords： energy storage ; reactive power compensation ; voltage control ; hybrid ; converter

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本文引用格式

叶晖, 李爱魁, 张忠. 基于储能的无功补偿技术综述[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(6): 2209-2217

YE Hui. Overview of reactive power compensation technology based on energy storage[J]. Energy Storage Science and Technology, 2021, 10(6): 2209-2217

为应对能源危机，缓解环境压力，各国大力发展可再生能源。我国提出发展以新能源为主的新型电力系统，这是实现我国能源结构转型升级，完成能源生产与消费革命的关键。根据“双碳”目标规划，2030年碳达峰时风电和太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上，2060年碳中和时新能源将是主力电源。间歇性、波动性新能源占比持续增加将对整个电力系统带来重大改变和挑战，储能可从根本上解决新能源带来的电力系统稳定运行和可靠供电问题。

无功补偿技术是利用无功补偿设备提供的无功来补偿系统缺少的无功功率，或吸收系统多余的无功功率维持无功平衡。实际应用中应根据不同需求采用不同的补偿装置及策略，来使得系统无功功率达到平衡状态，从而维持电压稳定、降低网损和提升功率因数。现有的无功补偿设备分为旋转无功补偿设备和静止无功补偿设备[1]。旋转无功补偿设备包含同步发电机和同步调相机等；静止无功补偿设备包含机械投切类无源补偿装置、SVC、SVG/STATCOM等。常见无功补偿装置的原理及性能比较见表1[2-4]。随着能源结构转型，风电等间歇性、波动性新能源机组占比增加，火电等传统机组占比下降，用于维持电网电压的可靠稳定无功源不足，因此需要更多适用于电网新形态的无功补偿技术和设备。储能变流器是交/直流可控的四象限运行变流装置，可根据需要调节电流与电压的相位差，进行有功无功输出，兼顾无功补偿与有功平衡[5]，近年来发展迅速。

表1   常见无功补偿装置性能比较

Table 1  Performance comparison of reactive power compensation devices

名称工作原理响应速度优点缺点
调相机调节励磁系统所提供的励磁电流，实现欠励磁或过励磁运行较慢可增加系统惯量；实现连续调节；补偿容量大噪声大；损耗大；运维复杂
并联电容器断路器分级投切电容快技术成熟；价格便宜不可连续调节；仅能提供容性无功
TCR型SVC调整触发角的大小改变电抗器所吸收的无功分量较快可分相调节；可无级补偿产生谐波；结构复杂，运维复杂
TSC型SVC分级用可控硅在电压过零时投入电容快无涌流；级数足够细化，基本可以实现无级调节电压突变情况下易误导通而被涌流损坏；
STATCOM/SVG通过调节其输出电压幅值与系统电压幅值的关系来确定输出功率的性质快输出无功受系统电压影响小；连续平滑调节制造技术复杂；成本高
储能通过储能变流器控制网侧电压电流相位差，实现四象限运行功能快连续平滑调节；受系统状态影响小；兼具有功无功调节功能需聚合控制；成本高

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储能具备毫秒级响应的功率快速调节能力，对于电网不同类型的电能质量问题具有显著的技术优势，同时储能电站为一个连续可调无功源[6-7]，可兼顾有功无功的实时平衡，符合新型电力系统的技术需求。本文按照储能类型和应用场景，综述了储能以及混合无功补偿技术研究的现状，并展望了储能无功补偿技术的应用前景。

1 储能无功补偿简介

1.1　储能无功补偿机理

新型储能技术多以直流器件存储能量，需要通过电力电子装置实现与电网时能量交互。储能变流器(power converter system，PCS)为储能系统的关键组成部分，其四象限运行功能可以实现无功功率的发出和吸收[8]，即通过控制储能变流器输出电压的幅值和与电网电压矢量的夹角，调节电网电压与变流器输出电流之间的相位差以及输出电流的幅值大小，同时可以控制交直流侧有功功率和无功功率的传递[9]。

图1中，E、EL分别为网侧电压、负载电动势；UL、U、Udc分别为网侧电感压降、交流测电压、直流侧母线电压；I、Idc分别为网侧电流、直流侧电流；L为网侧电感；RL为负载电阻[6, 10]。

图1

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图1   储能变流器理想模型电路

Fig. 1   Ideal model circuit of energy storage converter


由图2可知，当以网侧电压E为参考量时，通过改变交流测矢量U控制网侧电流矢量I，网侧电压E与电流I相位差变化，储能变流器与电网进行有功功率和无功功率交换，实现无功补偿功能。

图2

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图2   储能变流器典型矢量状态[10]

Fig. 2   Typical vector state of energy storage converter[10]


1.2　储能变流器拓扑

储能变流器作为储能系统的无功发生器件，其拓扑结构分类方式如下：AC/DC型(单级型)和DC/DC-AC/DC型(双级型)变流器，或两电平、三电平、多电平拓扑结构等，典型拓扑结构如图3所示。

图3

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图3   储能变流器典型拓扑结构

Fig. 3   Typical topology of energy storage converter


单级型储能变流器具有结构简单，控制容易等优点[10]，但其电压工作范围较小。目前研究较多的AC/DC变流器为三电平拓扑结构，其又分为I型NPC拓扑(即二极管钳位型三电平拓扑)和T型NPC拓扑，T型NPC三电平变流器用可控的开关器件代替钳位二极管，提升了变流器的功率等级[11]。日本富士电机采用两个逆阻型IGBT反并联实现中点钳位，提出逆阻型NPC三电平拓扑,其较T-NPC拓扑每相桥臂少两个钳位二极管，减小了器件导通损耗、开关损耗等，渠展展等[12]进行了单级逆阻型NPC储能变流器的设计，搭建了样机，实现了平滑的电压、电流输出，具备高转换效率、高功率因数等特点。随着储能系统容量的增大，单级型变流器无法满足需要，周京华等[13]、朱强等[14]都提出一种双级型Ｔ型三电平为拓扑的PCS，其中DC/DC变换器采用两相交错并联的Buck-Boost电路，减小直流电流纹波，DC/AC逆变器采用Ｔ型三电平储能变流器，实现双向稳定运行，具有并/离网双模式运行功能。前期研究主要针对单台储能变流器的无功功率控制策略，针对多台储能变流器被统一接入，集群联合运行，徐明等[15]提出了一种规模化电池储能系统(各储能机组直接并联后通过一台升压变压器连接到配电网)并网运行时的无功功率分配策略，并通过仿真和实验验证了该策略实时分配无功功率的能力。并联拓扑受电池组端电压限制，无法直接接入中压电网，张红艳等[16]提出通过子模块级联能够达到较高电压等级的能量转换，避免利用变压器升压，从而在体积、占地及成本上具有明显优势。

如图4所示，储能变流器常通过三相两电平或三电平电路和滤波电路将储能电池与电网相连，通过采样变流器交流侧电压、电流值，经过坐标变换环节，控制环节，波形调制环节控制开关器件的通断，实现无功功率的控制。

图4

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图4   储能变流器典型接线图[12]

Fig. 4   Typical wiring diagram of energy storage converter[12]


2 储能无功补偿技术

1982年，江云等[17]提出了超导储能将会用于电网的静止无功补偿器。1997年，Rabbani等[18]提出了一种基于模糊逻辑控制的超导磁储能系统，仿真表明了储能系统以及开关电容器组可根据系统需求提供无功功率，有效改善电力系统的电压分布。2003年，Senjyu等[19]提出将超导磁储能引入风力发电系统中，仿真结果表明，安装储能有效地补偿发电机终端母线电压波动。鲁蓉等[20]于2006年提出了超级电容器储能系统的应用，其用于分布式发电系统和电力系统配电网可以在电网出现电能质量问题时进行快速(秒级)响应。2008年，阮军鹏等[21]提出采用飞轮储能系统实现风电机组输出有功功率和无功功率的综合快速补偿，在风速快速变化和大范围波动的情况下有效地改善并网风电场的电能质量。赵艳雷等[22]于2012年提出将超级电容器与蓄电池组成快速储能装置，实现2种储能优势互补，该装置控制风电接入点的无功功率实时补偿，同时兼顾有功功率调节。

近年来，对电池储能用于无功补偿的研究也逐渐增多。如图5所示，为贵州兴义20 MW/10 MW·h储能电站，储能系统能够保证接入更大容量冲击负荷时电网的电压稳定。黄际元等[23]提出了储能应用于电网调压与动态无功支撑的协调控制策略，该策略将当前电网状态分为五种工况并对应不同储能无功出力方案，仿真表明该策略可将稳定区间内波动的电压合格率从54.72%提升至97.31%，对电网电压改善效果显著。实际应用中，负载常发生变化，针对负载持续增加的电力系统，Adewuyi等[24]提出采用电池储能系统可实现最优有功和无功补偿，IEEE14线系统仿真结果表明，投入储能系统后保证其视在功率输出最小情况下，各母线电压由0.87～1.06 p.u变化为0.912～1.06 p.u，改善了整个电力系统的电压稳定性。杨俊等[7]提出一种储能电站参与电网稳态调压的控制策略，该策略将储能电站与电容/电抗器协调控制，避免电容器/电抗器频繁投切以延长设备使用寿命，有效提升了电能质量。Pires等[25]提出将储能系统集成到配电网和一种根据场景选取最优解集中的适当解的后帕累托分析算法。仿真结果表明，将储能系统用作无功补偿后，偏差最大母线的最小电压从0.87 p.u变化到0.928 p.u。投入储能系统后，系统线损降低，电压分布也得到了明显的改善。

图5

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图5   储能电站实物图

Fig. 5   Image of energy storage station


黑启动为在系统全黑或部分停电的情况下安全、快速地恢复电网供电，黑启动过程中，变流器和励磁都需消耗大量无功。传统黑启动电源有常规水电、燃气机组等，由于地域、资源等条件的限制[26]，多地区无法选用常规黑启动电源，储能为黑启动开拓了新路径。李延峰等[27]提出了一种配置储能电站的风电场作为黑启动电源的策略。刘力卿等[28]提出为大良风电场配置大容量电池储能系统，并让其作为黑启动电源以带动东海拉尔电厂热电机组进行启动的方案，仿真实验表明，黑启动过程中，储能系统对无功冲击、暂态过电压及工频过电压响应迅速，维持电场的电压及频率稳定。在此基础上，米增强等[29]对黑启动电源为配置储能风电场的配置方法进行了研究，在满足黑启动过程中最大有功和无功功率的需求的前提下，降低了储能的配置成本。刘英培等[30]研究光储联合发电系统的黑启动能力，其中储能平衡无功负荷，维持系统无功平衡，同时提出一种以负荷功率跟踪与MPPT相结合的协调控制算法，提高光能利用率的同时降低了对储能容量的要求，提高了系统的经济性。此前多为储能系统联合新能源等作为黑启动电源，贵州兴义清水河储能电站完成了由储能电站中单一储能模块或多机并联为黑启动电源，在空载状态下零压启动建立交流母线电压，恢复系统功率的实时平衡，其多机并联控制框图及零压软启动波形图如图7所示。世界首例储能辅助9F级重型燃气轮机黑启动在我国中电投珠海横琴热电有限公司完成，黑启动过程中无功功率消耗量大，启动电流大，变流器多机并联易发生环流、功率分配不均等问题，都需储能系统进行快速响应，储能系统通过零起升压，可稳定建立厂用电，避免了励磁涌流冲击，保证黑启动成功完成[31]。

图6

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图6   多机PCS并联控制框图

Fig. 6   Block diagram of multi-parallel PCS control


图7

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图7   储能PCS零压软启动波形图 [32]

Fig. 7   Curve of energy storage PCS Zero voltage soft starting[32]


作为新型的电网无功补偿技术，储能的应用提高了电力系统的稳定性，增加了电网黑启动能力。储能同时具有有功无功特性，基于经济性等因素考虑，储能的应用主要为有功控制，进而实现电力电量在时间尺度上的解耦，使电网更加柔性化，成为高弹性电网。因此储能与其他无功源协同运行成为储能主要的无功补偿方式。

3 储能混合无功补偿技术

项恩新等[33]提出将化学储能装置于其他无功补偿装置协同规划，如储能与有无功调节能力的新能源场站、与SVG/STATCOM等无功补偿设备等协调运行方式，都能在维持电网稳定的同时提高系统无功补偿配置的经济性。

储能系统与STATCOM等无功补偿装置的组合，不仅改善了无功补偿设备自身的不足，还实现了有功无功的协调控制，对改善电网电能质量效果显著。Bharadwaj提出由储能系统与STATCOM组成的E-STATCOM可被视为提高可再生能源主导电网电压和保持频率稳定的可行选择[34]。在此基础上，张晓红等[35]将蓄电池组直接并联于静止无功发生器直流侧电容两端，并将其作为整体补偿装置用于风电发电系统，仿真表明，投入STATCOM-BESS后，电网电压扰动情况下通过有功无功协调控制使并网电压从0.8 p.u.升至0.9 p.u.附近，风速变动及频率波动情况下STATCOM-BESS根据风电场实际情况进行无功补偿，维持并网点电压稳定。Raju等[36]提出用于风力发电系统的组合功补偿结构及控制策略，该结构为储能系统通过直流-直流逆变器与DSTATCOM相连，在所有运行情况下都能在并网点注入精准的补偿电流保持电网电压水平，其系统的简化框图如图8所示。对于提高三相平衡配电网的电能质量问题，Mahela等[37]提出采用带有电池储能系统的DSTATCOM，仿真表明，加装带有电池组储能的DSTATCOM后，负载变换过程中电压暂降降低60%，风速波动情况下可有效改善电压水平下降。对于三相不平衡的主动配电网运行性能，刘欢欢等[38]提出含电池储能系统的DSTATCOM用于单相光伏渗透率为31.9%的低压配电网，实现有功无功协调控制，使各个节点的电压运行在标称值附近。

图8

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图8   系统的简化框图[37]

Fig. 8   GeneraIized block diagram of the proposed system[37]


此外，风电等新能源的波动性、随机性等导致的电场动态无功不足，是引起系统电压波动或失稳的重要原因[39]。双馈风力机(DFIG)无功功率在一定范围是可调的[40]，因此其可看作是一个连续可调的无功源，但当风电场规模较小或其并网电网为强电网时，其调节能力无法满足电网电压的调节需求，黄磊等[41]提出一种储能系统与双馈风电场无功协调控制策略，该策略兼顾风电场与储能系统的无功调节能力，将所需无功功率在储能系统、风电场和外部电网间进行协调，如图9所示，充分发挥了各系统的调节能力。Jerbi等[42]提出将飞轮储能系统连接在风力发电机在直流母线上，仿真验证了加入储能系统的风机无功支撑能力、改善节点电压水平能力增强。王鹏等[43]提出将混合储能系统并联到风机直流侧，储能系统通过吸收故障期间不平衡功率来提高风机的无功发生能力，储能型风机配合STATCOM进行无功协调控制，使并网点电压稳定性和风机故障穿越能力提高。Khaki等[44]对储能系统和风力机配置的不同规模和位置对电压分布的影响进行了研究，并通过仿真，提出了将降低成本和减小网损的无功优化方法。

图9

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图9   无功功率的整体控制方案[41]

Fig. 9   Reactive power control structure[41]


电网形态逐渐源荷互动化、配网有源化、电力电子化，电力电子型器件运行消耗大量无功，波动性新能源无功调节能力有限等，都对系统无功平衡提出更高要求。储能与其他无功源的协同运行，既充分利用了无功源的无功性能，还可对系统进行有功无功协调控制，同时为储能系统成本较高提供了有效解决方案。

4 展望

随着电网能源结构转型及间歇性新能源的大规模发展，远距离特高压输电、电网电力电子化、源网储荷一体化对无功补偿技术的补偿容量、响应速度、协调策略等方面提出更高的要求。面向未来电网形态，基于储能的无功补偿技术主要发展方向简述如下。

电力储能系统将逐步发展为电网无功补偿的重要组成部分。储能系统爬坡速度快，作为电压源可实现零压启动，支撑新能源、微网、多能互补式园区并网/离网运行，实现电网就地无功平衡。因此储能设备可能会替代部分动态无功补偿设备，成为电网的主要无功补偿装置之一。

电力储能将逐步成为黑启动常规主电源。黑启动过程对无功功率需求量及响应时间都提出高要求，储能系统规模容量可控、响应速度快且兼具有功无功提供能力，可保证黑启动过程安全可靠完成。

储能、新能源机组及无功补偿装置的暂态稳态协同控制是未来新能源场站无功补偿主要形态。随着新能源大规模推广应用，风电等新能源机组将成为未来电网主电源，其本身的无功补偿能力有待进一步挖掘，为提高新能源场站灵活性而配置的储能系统也具备无功补偿功能。储能电站与其他无功源之间的协调控制策略以及联合规划属于非线性混合整数规划问题，其求解与优化都十分复杂，还需进一步深入思考与研究。

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