李建林，等利用储能系统提升电网电能质量研究综述 各自存在着一些推广阻碍，如DVR技术要求复杂， 无论是光伏系统，还是包含光伏系统和新能源 投资较高，并且当暂降超过50%后难以补偿：UPS 的直流微网，本质上依然是不确定的直流电源，与储 一般功率小，应用场景有限制，大功率应用场景需要 能相比，更适合采用电网综合电能质量调节器。在 单独定制，成本极高；而SSTS只进行暂降线路的切 上述研究的基础上，本文提出了混合储能系统的一 换，没能从根本上解决暂降问题。 种新型串并联并网结构，利用能量型储能和功率型 DVR的工作原理是通过串联侧储能元件进行 储能不同的技术特点和优势，在进行调峰、调频等常 电压恢复。文献[52]结合最小能量补偿法，在发生 规应用的同时，实现对电网各类电能质量问题的综 电压暂降后，实现储能能量优化配置，以保证储能型 合治理。其原理性拓扑结构示意和内部逻辑关系分 DVR的补偿时间。文献[53-54]提出新型软开关 别如图3和图4所示，图3中VSC1,VSC3,VSC5 DVR,并提出了利用前馈控制器来控制储能电压进 为串联侧变流器；VSC2,VSC4,VSC6为并联侧变 行快速能量补偿的方法。 流器。 文献[55]提出了基于集成超级电容器(UCAP) 的功率调节器，有助于提供刚性的直流环节电压。 仿真及实验证明了该装置可提供快速有功/无功支 公共直 检测 撑，从而有效补偿了系统电压暂降/陡升。 流母线 模块 VSCI 储能系统与电网的能量交互一般都采用并联方 检测数据 式，而进行电压暂降治理需串联电网。因此，在满足 电网典型应用的同时，进行电压暂降治理，可借鉴统 AC 一电能质量调节器(UPQC)的串并联结构，构建串 处理决策 VSC5 DC 并混联储能系统，在串联侧实现DVR功能，在并联 AC 侧实现电网能量交互功能的同时也实现AP℉和 VSC7 驱动指令 能量型 DC SVG功能。 能量管 储能 DC VSC8 1理软件 混合储能 3.3综合电能质量 功率变换模块 UPQC具有综合电能质量调节能力[6-5)，它既 图3新型串并联混合储能系统拓扑结构 可以在并联侧补偿以改善电网电流品质，也可以在 Fig.3 Topology of novel hybrid series-parallel energy storage system 串联侧补偿以改善电压品质，串并联侧通过直流母 线相连接，综合治理各类电能质量问题)。近年 检测模块 来，国内外开展了大量关于UPQC的研究工作。文 电能质 潮流信 设备运 献[59]提出了一种在微网中应用的UPQC,设计了 量检测 息检测 行工况 运行日标 约束条件 相应的控制指令，使其能够利用光伏系统发出的多 检测数据 系统潮流约束州 余能量，对微网中的多种电能质量问题进行有效治 储能与电网 的能量交互 理。文献[60-61]改进了UPQC串联侧变流器的结 节点电压约束 能量管理软件 构和控制方式，进一步提升了UPQC对电压暂降的 综合电能质 支路电流约束 量治理 治理能力。然而，当电网电压较长时间处于极低电 驱动指令 储能状态 储能荷电状态约束 压水平时，UPQC并联侧难以为串联侧提供足够的 能量交换 功率变换 混合储能 能量支撑，其调节性能将会大幅下降。直流母线需 模块 单元 要引入刚性电源支撑。 协调运行 文献[62]提出了一种UPQC与电网和交直流 图4新型串并联混合储能系统逻辑结构 Fig.4 Logical structure of novel hybrid series-parallel 微网互联的新架构，直流微网接人UPQC的直流母 energy storage system 线，UPQC连接电网与交流微网（终端负载），这一 架构由于有直流微网的支撑作用，可保证交流微网 稳态运行时，能量型储能通过并联侧变流器执 在极端情况乃至孤岛下的可靠供电和电能质量。文 行常规能量交互和稳态电能质量调节。动态电能质 献[63]提出将单级光伏单元集成到UPQC结构中， 量扰动发生时，检测模块及能量管理软件将对串/并 设计了并网/孤岛时的控制策略，开发了相应样机， 联侧变流器发出驱动指令，针对性地对不同相线电 并通过实验验证了并网功率与串并联电能质量协调 压和电流进行快速调节，采用分频策略控制功率型/ 控制性能。 能量型储能以支撑直流母线电压。 http://www.aeps-info.com 19http://www.aeps-info.com 各自存在着一些推广阻碍,如 DVR 技术要求复杂, 投资较高,并且当暂降超过50%后难以补偿;UPS 一般功率小,应用场景有限制,大功率应用场景需要 单独定制,成本极高;而SSTS只进行暂降线路的切 换,没能从根本上解决暂降问题。 DVR的工作原理是通过串联侧储能元件进行 电压恢复。文献[52]结合最小能量补偿法,在发生 电压暂降后,实现储能能量优化配置,以保证储能型 DVR的补偿 时 间。文 献 [53-54]提 出 新 型 软 开 关 DVR,并提出了利用前馈控制器来控制储能电压进 行快速能量补偿的方法。 文献[55]提出了基于集成超级电容器(UCAP) 的功率调节器,有助于提供刚性的直流环节电压。 仿真及实验证明了该装置可提供快速有功/无功支 撑,从而有效补偿了系统电压暂降/陡升。 储能系统与电网的能量交互一般都采用并联方 式,而进行电压暂降治理需串联电网。因此,在满足 电网典型应用的同时,进行电压暂降治理,可借鉴统 一电能质量调节器(UPQC)的串并联结构,构建串 并混联储能系统,在串联侧实现 DVR 功能,在并联 侧实 现 电 网 能 量 交 互 功 能 的 同 时 也 实 现 APF 和 SVG 功能。 3.3 综合电能质量 UPQC具有综合电能质量调节能力[56-57],它既 可以在并联侧补偿以改善电网电流品质,也可以在 串联侧补偿以改善电压品质,串并联侧通过直流母 线相连接,综 合 治 理 各 类 电 能 质 量 问 题[58]。近 年 来,国内外开展了大量关于 UPQC的研究工作。文 献[59]提出了一种在微网中应用的 UPQC,设计了 相应的控制指令,使其能够利用光伏系统发出的多 余能量,对微网中的多种电能质量问题进行有效治 理。文献[60-61]改进了 UPQC串联侧变流器的结 构和控制方式,进一步提升了 UPQC对电压暂降的 治理能力。然而,当电网电压较长时间处于极低电 压水平时,UPQC并联侧难以为串联侧提供足够的 能量支撑,其调节性能将会大幅下降。直流母线需 要引入刚性电源支撑。 文献[62]提出了一种 UPQC 与电网和交直流 微网互联的新架构,直流微网接入 UPQC的直流母 线,UPQC连接电网与交流微网(终端负载),这一 架构由于有直流微网的支撑作用,可保证交流微网 在极端情况乃至孤岛下的可靠供电和电能质量。文 献[63]提出将单级光伏单元集成到 UPQC结构中, 设计了并网/孤岛时的控制策略,开发了相应样机, 并通过实验验证了并网功率与串并联电能质量协调 控制性能。 无论是光伏系统,还是包含光伏系统和新能源 的直流微网,本质上依然是不确定的直流电源,与储 能相比,更适合采用电网综合电能质量调节器。在 上述研究的基础上,本文提出了混合储能系统的一 种新型串并联并网结构,利用能量型储能和功率型 储能不同的技术特点和优势,在进行调峰、调频等常 规应用的同时,实现对电网各类电能质量问题的综 合治理。其原理性拓扑结构示意和内部逻辑关系分 别如图3和图4所示,图3中 VSC1,VSC3,VSC5 为串联侧变流器;VSC2,VSC4,VSC6 为并联侧变 流器。 VSC3 VSC4 VSC5 AC VSC6 DC AC DC AC DC AC DC 6F 6 VSC1 VSC2 AC DC AC DC , " 3 VSC7 VSC8 " )0 (  # 6 O ( 6 "  6F0 )D DC DC DC DC 图3 新型串并联混合储能系统拓扑结构 Fig.3 Topologyofnovelhybridseries-parallel energystoragesystem 6F0)D (   # 6  AD= D=, 6*4 +6F 3 24$"3 7%*3 C*"3 68*'3
6F " " O 6' *6B F" $" " @D = 4 *6B F!) 图4 新型串并联混合储能系统逻辑结构 Fig.4 Logicalstructureofnovelhybridseries-parallel energystoragesystem 稳态运行时,能量型储能通过并联侧变流器执 行常规能量交互和稳态电能质量调节。动态电能质 量扰动发生时,检测模块及能量管理软件将对串/并 联侧变流器发出驱动指令,针对性地对不同相线电 压和电流进行快速调节,采用分频策略控制功率型/ 能量型储能以支撑直流母线电压。 19 李建林,等 利用储能系统提升电网电能质量研究综述