《电力系统自动化》：利用储能系统提升电网电能质量研究综述

第43卷第8期2019年4月25日 电力兼玩自动化 Vol.43No.8Apr.25,2019 D0I:10.7500/AEPS20180826002 Automation of Electric Power Systems 利用储能系统提升电网电能质量研究综述 李建林1，袁晓冬2，郁正纲3，葛乐14 (1.新能源与储能运行控制国家重点实验室（中国电力科学研究院有限公司），北京市100192： 2.国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，江苏省南京市211103： 3.国网江苏省电力有限公司连云港供电分公司，江苏省连云港市222004： 4.南京工程学院电力工程学院，江苏省南京市211167) 摘要：近年来，电力电子装置的广泛应用和可再生能源的高渗透接入已严重影响了电网的电能质 量。储能系统作为电网中重要的能量调节环节，为提升电网电能质量提供了新的思路。首先，概述 了不同类型储能的典型应用场景，针对电源、电网和用户侧储能应用特点，分析了其兼用于电网电 能质量提升的可行性；其次，分别评述了储能系统用于解决电网稳态和动态电能质量问题的研究现 状及发展趋势；提出了一种新型串并联并网结构的混合储能系统，在实现常规与电网能量交互的同 时，可有效解决电网综合电能质量问题。最后，结合典型示范工程，对需进一步深入研究和探索的 问题进行了探讨。 关键词：电能质量；储能；串并联并网结构；示范应用 0引言 除上述电能质量调节设备外，采用电压源换流 器(VSC)并网的光伏系统、风电机组、储能应用于电 随着经济社会的发展，全社会对电能质量的要 网电能质量提升，业已成为当前的研究热点31]。 求越来越高。非线性、冲击性负荷，尤其是电力电子 相对而言，储能系统提升电网电能质量主要有以下 变换装置的广泛应用，造成电网电能质量问题日益 两方面的优势：首先，电网的峰谷差加剧、高渗透可 凸显。分布式电源因其靠近用电负荷的特点，带来 的危害更加严重)。 再生能源的随机性和波动性均驱动了储能系统在电 力系统中的规模化配置和运行，提升电能质量可以 电能质量提升的传统手段包括有载调压变压 作为储能系统“一机多用”功能的一部分；其次，储能 器、并联电容器组、电阻-电感-电容(RLC)滤波器 系统在变流器提供广义无功两象限调节的同时，储 等。这类设备原理简单，建设和运维费用均较低，但 在应用中存在较多不足。对电力电子电路而言， 能本体可提供有功的两象限调节能力，使其不仅可 以实现APF和STATCOM功能，而且对于解决电 电能质量危害与调节是对立而又紧密相关的2个方 阻不可忽略的中低压配电网的电压质量问题也具有 面，应用先进的测量与控制技术，则可以将影响危害 难以替代的作用1们。 转化为治理调节。电力电子类电能质量调节设备包 因此，充分利用储能系统的本体和变流器资源， 括：动态电压恢复器(DVR)、有源电力滤波器 对有功/无功共同作用的电网电能质量问题有着更 (APF)、静止同步补偿器(STATCOM)/静止无功 好的调节效果，可显著降低新能源电站、电网和用户 发生器(SVG)等。其中，DVR串联于电网中，补偿 的重复投资，具有良好的经济性。本文首先概述了 暂降所需电压；APF和STATCOM/SVG并联于电 储能的典型应用场景，分析了其提升电网电能质量 网中，补偿电网谐波和无功电流。电力电子类电能 的可行性；分别评述了储能系统解决电网稳态和动 质量调节设备补偿精度高、范围大，控制灵活，但成 态电能质量问题的研究现状及技术发展方向：提出 本较高，尚难以大面积普及应用。 了一种新型串并联并网结构的混合储能系统，在实 现与电网能量交互的同时，可有效解决综合电能质 收稿日期：2018-08-26：修回日期：2019-02-20。 量问题。结合典型示范工程，对商业机制和需进一 上网日期：2019-03-06。 国家自然科学基金资助项目(51707089)：国家电网公司总部 步深入研究的技术问题进行了讨论。 科技项目(5210EF17001C), http://www.aeps-info.com 15

http://www.aeps-info.com 利用储能系统提升电网电能质量研究综述 李建林1,袁晓冬2,郁正纲3,葛 乐1,4 (1.新能源与储能运行控制国家重点实验室(中国电力科学研究院有限公司),北京市 100192; 2.国网江苏省电力有限公司电力科学研究院,江苏省南京市 211103; 3.国网江苏省电力有限公司连云港供电分公司,江苏省连云港市 222004; 4.南京工程学院电力工程学院,江苏省南京市 211167) 摘要:近年来,电力电子装置的广泛应用和可再生能源的高渗透接入已严重影响了电网的电能质 量。储能系统作为电网中重要的能量调节环节,为提升电网电能质量提供了新的思路。首先,概述 了不同类型储能的典型应用场景,针对电源、电网和用户侧储能应用特点,分析了其兼用于电网电 能质量提升的可行性;其次,分别评述了储能系统用于解决电网稳态和动态电能质量问题的研究现 状及发展趋势;提出了一种新型串并联并网结构的混合储能系统,在实现常规与电网能量交互的同 时,可有效解决电网综合电能质量问题。最后,结合典型示范工程,对需进一步深入研究和探索的 问题进行了探讨。 关键词:电能质量;储能;串并联并网结构;示范应用 收稿日期:2018-08-26;修回日期:2019-02-20。 上网日期:2019-03-06。 国家自然科学基金资助项目(51707089);国家电网公司总部 科技项目(5210EF17001C)。 0 引言 随着经济社会的发展,全社会对电能质量的要 求越来越高。非线性、冲击性负荷,尤其是电力电子 变换装置的广泛应用,造成电网电能质量问题日益 凸显。分布式电源因其靠近用电负荷的特点,带来 的危害更加严重[1]。 电能质量提升的传统手段包括有载调压变压 器、并联电容器组、电阻—电感—电容(RLC)滤波器 等。这类设备原理简单,建设和运维费用均较低,但 在应用中存在较多不足[2]。对电力电子电路而言, 电能质量危害与调节是对立而又紧密相关的2个方 面,应用先进的测量与控制技术,则可以将影响危害 转化为治理调节。电力电子类电能质量调节设备包 括:动 态 电 压 恢 复 器 (DVR)、有 源 电 力 滤 波 器 (APF)、静止同步补偿器(STATCOM)/静止无功 发生器(SVG)等。其中,DVR 串联于电网中,补偿 暂降所需电压;APF和STATCOM/SVG 并联于电 网中,补偿电网谐波和无功电流。电力电子类电能 质量调节设备补偿精度高、范围大,控制灵活,但成 本较高,尚难以大面积普及应用。 除上述电能质量调节设备外,采用电压源换流 器(VSC)并网的光伏系统、风电机组、储能应用于电 网电能质量提升,业已成为当前的研究热点[3-12]。 相对而言,储能系统提升电网电能质量主要有以下 两方面的优势:首先,电网的峰谷差加剧、高渗透可 再生能源的随机性和波动性均驱动了储能系统在电 力系统中的规模化配置和运行,提升电能质量可以 作为储能系统“一机多用”功能的一部分;其次,储能 系统在变流器提供广义无功两象限调节的同时,储 能本体可提供有功的两象限调节能力,使其不仅可 以实现 APF和 STATCOM 功能,而且对于解决电 阻不可忽略的中低压配电网的电压质量问题也具有 难以替代的作用[13]。 因此,充分利用储能系统的本体和变流器资源, 对有功/无功共同作用的电网电能质量问题有着更 好的调节效果,可显著降低新能源电站、电网和用户 的重复投资,具有良好的经济性。本文首先概述了 储能的典型应用场景,分析了其提升电网电能质量 的可行性;分别评述了储能系统解决电网稳态和动 态电能质量问题的研究现状及技术发展方向;提出 了一种新型串并联并网结构的混合储能系统,在实 现与电网能量交互的同时,可有效解决综合电能质 量问题。结合典型示范工程,对商业机制和需进一 步深入研究的技术问题进行了讨论。 15 第43卷 第8期 2019年4月25日 Vol.43No.8Apr.25,2019 DOI:10.7500/AEPS20180826002

2019,43(8) ·面向电网需求的储能系统规划、运行与调控关键技术· 1储能技术应用概述 置储能，形成与风电/光伏电站的协调控制和联合运 行也已成为当前共识们。张北国家风光储输示范 较高的发电成本一直是制约储能发展的重要因 工程以“电网友好型”新能源发电为目标，是目前世 素。美国国家能源部可再生能源实验室(NREL)发 界上规模最大的可再生能源综合示范工程。 布的储能系统综合发电成本预测数据如图1所示。 在电网侧，储能可以增加电网的柔性，将电能的 预计到2020年，锂离子电池储能综合发电成本将下 传输与分配从时空中分隔。与电源侧类似，电网侧 降到0.3元/(kW·h),完全具备规模化商业运营条 储能同样可参与调峰、调频运行。此外，电网侧配置 件。根据不同的出力特性，储能可以分为能量型和 储能装置可优化电网潮流分布，实现网络负载均衡， 功率型两大类。以铅酸电池、锂离子电池等为代表 减少或延缓电网基础建设投入。2018年7月，江苏 的能量型储能装置能量密度大、循环寿命较短，适用 镇江投运的国内最大的电网侧储能电站群 于平抑高能量、低频率的功率波动。以超级电容器、 (101MW/202MW·h)即是这方面的典型应用。 飞轮等为代表的功率型储能装置功率密度大、响应 除了改善电网稳态运行性能外，储能因其具备的四 时间极短、循环寿命长，适用于平抑低能量、高频率 的功率波动14-1]。 象限功率快速调节能力，在电网发生故障，尤其是特 高压直流受端电网双极闭锁等极端情况下，可提高 3 。一锂离子电池 ▲一先进铅酸电池 电网稳定性。 鼎压缩空气储能 ◆一液流电池 得益于分时电价政策，用户侧储能商业应用起 步最早，目前运营模式也相对最成熟。用户储能通 2 过“低储高发”方式套利运行，客观上也为电网提供 了调峰服务[1可。对于微网，储能是其离网运行的必 要保证。对于多样化的负荷需求，例如城镇建设临 时用电、海岛及边远无（少）人区、港口岸电、农村季 节性灌溉、水产养殖季节性增氧等，相对单纯电网供 电，储能应用具有更好的经济性。此外，储能也一直 04 2012 2015 20182021 202420272030 作为用户侧备用应急电源，保证关键负荷用电，提升 年份 用电可靠性。 图1储能柔性综合发电成本预测 综上所述，随着技术的发展和成本的下降，以及 Fig.1 Cost forecasting for comprehensive power generation of energy storage systems 电网应用需求的增加，储能正在从电网有益补充的 “辅助者”，逐步发展为“源-网-荷”整体电力与能源 储能在电源侧、电网侧、用户侧的典型应用场景 系统不可或缺的“生力军”。可以预见，未来电力系 如下所示：在电源侧，主要用于辅助火电深度调峰和 统储能的应用将呈现数量多、容量大和分布广的特 自动发电控制(AGC)调频、平滑新能源出力波动、 点。仅以江苏省为例，根据相关规划，到2020年， 跟踪新能源电站发电曲线：在电网侧，主要用于参与 “源、网、荷”将建成约2GW容量各类型储能电站。 系统调峰、调频、调压，提升新能源消纳能力，延缓电 这就决定了，不论是电网企业还是社会资本投资建 网升级改造投资，优化电网潮流分布，提供紧急功率 设储能，都需要最大化利用储能的技术优势，提高储 支撑：在用户侧，主要用于峰谷电价差套利运行、提 能系统的利用效率，获得更大的经济/社会价值。如 升用电可靠性、满足多样化供电需求、支撑微网离网 引言所述，储能应用于电网电能质量提升有着明显 运行。 的优势。更重要的是，提升电网电能质量对储能本 在电源侧，随着大规模可再生能源的高渗透接 体容量需求相对较小，常规应用中每日相当一部分 入，其出力的波动性大大增加了电网的调峰雄度。 时段内储能系统处于“空闲”状态，即便是处于调频、 储能系统辅助传统机组深度调峰，无须再采用“投 调峰运行过程，根据控制策略动态分配一定的本体 油”等昂贵技术手段。储能参与机组AGC运行，提 及变流器容量，即可对电网电能质量起到较好的提 高了调频响应速度和调节精度。调频和调峰辅助服 升作用。相对额外配置电力电子类电能质量调节设 务收益缩短了储能投资回收期，已初步呈现出较好 备，应用已建设的储能系统提升电网电能质量具有 的投资回报前景。大型风电/光伏电站出力的随机 更好的经济性和更好的调节效果。 性，给电网的机组组合和实时调控带来了挑战，除上 电能质量问题一般分为稳态和动态两类，其中 述支撑传统机组的调峰、调频外，新能源电站同步配 稳态电能质量问题一般包括频率偏差、电压偏差、谐 16

1 储能技术应用概述 较高的发电成本一直是制约储能发展的重要因 素。美国国家能源部可再生能源实验室(NREL)发 布的储能系统综合发电成本预测数据如图1所示。 预计到2020年,锂离子电池储能综合发电成本将下 降到0.3元/(kW·h),完全具备规模化商业运营条 件。根据不同的出力特性,储能可以分为能量型和 功率型两大类。以铅酸电池、锂离子电池等为代表 的能量型储能装置能量密度大、循环寿命较短,适用 于平抑高能量、低频率的功率波动。以超级电容器、 飞轮等为代表的功率型储能装置功率密度大、响应 时间极短、循环寿命长,适用于平抑低能量、高频率 的功率波动[14-15]。 J.*! EIF*! ""*! 4/!6 3 2012 2015 2018 2021 2024 2027 2 1 0  4  *  /(·(M W·h) -1 ) 2030 图1 储能柔性综合发电成本预测 Fig.1 Costforecastingforcomprehensivepower generationofenergystoragesystems 储能在电源侧、电网侧、用户侧的典型应用场景 如下所示:在电源侧,主要用于辅助火电深度调峰和 自动发电控制(AGC)调频、平滑新能源出力波动、 跟踪新能源电站发电曲线;在电网侧,主要用于参与 系统调峰、调频、调压,提升新能源消纳能力,延缓电 网升级改造投资,优化电网潮流分布,提供紧急功率 支撑;在用户侧,主要用于峰谷电价差套利运行、提 升用电可靠性、满足多样化供电需求、支撑微网离网 运行。 在电源侧,随着大规模可再生能源的高渗透接 入,其出力的波动性大大增加了电网的调峰难度。 储能系统辅助传统机组深度调峰,无须再采用“投 油”等昂贵技术手段。储能参与机组 AGC运行,提 高了调频响应速度和调节精度。调频和调峰辅助服 务收益缩短了储能投资回收期,已初步呈现出较好 的投资回报前景。大型风电/光伏电站出力的随机 性,给电网的机组组合和实时调控带来了挑战,除上 述支撑传统机组的调峰、调频外,新能源电站同步配 置储能,形成与风电/光伏电站的协调控制和联合运 行也已成为当前共识[16]。张北国家风光储输示范 工程以“电网友好型”新能源发电为目标,是目前世 界上规模最大的可再生能源综合示范工程。 在电网侧,储能可以增加电网的柔性,将电能的 传输与分配从时空中分隔。与电源侧类似,电网侧 储能同样可参与调峰、调频运行。此外,电网侧配置 储能装置可优化电网潮流分布,实现网络负载均衡, 减少或延缓电网基础建设投入。2018年7月,江苏 镇 江 投 运 的 国 内 最 大 的 电 网 侧 储 能 电 站 群 (101MW/202MW·h)即是这方 面 的 典 型 应 用。 除了改善电网稳态运行性能外,储能因其具备的四 象限功率快速调节能力,在电网发生故障,尤其是特 高压直流受端电网双极闭锁等极端情况下,可提高 电网稳定性。 得益于分时电价政策,用户侧储能商业应用起 步最早,目前运营模式也相对最成熟。用户储能通 过“低储高发”方式套利运行,客观上也为电网提供 了调峰服务[17]。对于微网,储能是其离网运行的必 要保证。对于多样化的负荷需求,例如城镇建设临 时用电、海岛及边远无(少)人区、港口岸电、农村季 节性灌溉、水产养殖季节性增氧等,相对单纯电网供 电,储能应用具有更好的经济性。此外,储能也一直 作为用户侧备用应急电源,保证关键负荷用电,提升 用电可靠性。 综上所述,随着技术的发展和成本的下降,以及 电网应用需求的增加,储能正在从电网有益补充的 “辅助者”,逐步发展为“源—网—荷”整体电力与能源 系统不可或缺的“生力军”。可以预见,未来电力系 统储能的应用将呈现数量多、容量大和分布广的特 点。仅以江苏省为例,根据相关规划,到 2020 年, “源、网、荷”将建成约2GW 容量各类型储能电站。 这就决定了,不论是电网企业还是社会资本投资建 设储能,都需要最大化利用储能的技术优势,提高储 能系统的利用效率,获得更大的经济/社会价值。如 引言所述,储能应用于电网电能质量提升有着明显 的优势。更重要的是,提升电网电能质量对储能本 体容量需求相对较小,常规应用中每日相当一部分 时段内储能系统处于“空闲”状态,即便是处于调频、 调峰运行过程,根据控制策略动态分配一定的本体 及变流器容量,即可对电网电能质量起到较好的提 升作用。相对额外配置电力电子类电能质量调节设 备,应用已建设的储能系统提升电网电能质量具有 更好的经济性和更好的调节效果。 电能质量问题一般分为稳态和动态两类,其中 稳态电能质量问题一般包括频率偏差、电压偏差、谐 16 2019,43(8) ·面向电网需求的储能系统规划、运行与调控关键技术·

李建林，等利用储能系统提升电网电能质量研究综述 波、三相不平衡等，动态电能质量问题一般包括电压 往往雄以有效实现电压控制，因此需要对有功功率 波动、电压暂降等。当然，实际电网中可能是上述多 进行调控。限制可再生能源出力是最为直接简单的 个问题的组合，一般称为综合电能质量问题。储能 方法，但不符合绿色能源发展的根本宗旨。针对这 参与电网调频，已是当前的一个热点应用领域，相关 一问题，文献[26]提出了光储系统柔性并网模型，通 研究综述参见文献[18-19]。本文所述电能质量取 过并网变流器P/Q解耦控制使全网节点电压满足 狭义的电压质量和电流质量及其综合问题的定义。 安全约束。储能可平衡最优并网有功功率与光伏最 储能系统因其具备功率的四象限快速调节能 大出力之间的差值。柔性并网光储系统结构参见附 力，对于电网不同类型的电能质量问题具有显著的 录A图A1。文献[27]为实现全网电压分布、经济 技术比较优势，具体如图2所示。 性和生态效益最大化，提出了光伏、储能综合优化配 储能进行有功/无功协调控制.更有利于 电压 置模型，提出的模糊带精英策略的非支配排序的遗 可再生能源高渗透电网的电压控制 偏差 传算法可较好解决储能设备的安全约束。文献[28] 储能利用变流器利余容量可实现与APF 定义了新的电压偏差因子(LVF),通过两层决策实 相同的有源滤被功能，无须重复配置APT 谐波 现了微网中分布式电源与储能位置与容量的优化， 串并联侧协调进行电压和电流平衡补 三相 保证了较低的电压偏差和更好的电压质量。 偿，所需参数更易获得，补偿精度高 不平衡 综上所述，相对于主网，未来配电网中的电压偏 (a)稳态电能质量问题 差治理需要进行有功功率/无功功率的同时优化，单 储能系统能快速实现有功/无功的支撑】 电压 纯的无功调节可能“失效”。因此，对于清洁能源高 适用面更大，可解决不同原因引起的电 被动 压波动 渗透的电缆化配电网的电压调节，储能将发挥难以 串并混联储能系统，串联侧可类似DVR 替代的作用29-3]。进一步研究中，需要在主动配电 电压 运行，并联侧可以支撑无功调整，治理 2 暂降 网和微网规划中将储能与传统调节设备（有载调压 效果更优 (b)动态电能质量问题 变压器(OLTC)和电容器)、分布式静止同步补偿器 (DSTATCOM)、柔性新能源、可控负荷、柔性互联 图2储能系统提升电网电能质量的技术优势 Fig.2 Technological advantages of energy storage 装置、能源路由器、电力电子变压器)等进行综合建 system for power quality improvement 模：在运行控制研究中，须计及不同类型调节资源在 成本、可靠性、响应时间尺度等方面的差异；对于决 2储能提升稳态电能质量技术 策模型存在的非凸问题，需要引入人工智能求解算 法[323)：在规划配置研究中，除计及电能质量日标， 2.1电压偏差 还应进一步考虑可靠性、潮流均衡、电网利用率等多 电压偏差在电网中通常表现为过电压和欠电压 个目标，规划的范围可拓展到包括储能系统与上述 这2种现象，一般是由网架结构不合理、大容量负荷 各类调节设备的整体。 投切、变压器分接头异常、高渗透率可再生能源并网 2.2谐波 等原因引发[20)。 电网中大量存在的非线性电气设备是谐波产生 利用并联电容器组和STATCOM/SVG,以及 的根源。电网侧，谐波会造成变压器损坏、保护误/ 并网变流器剩余容量进行无功补偿调节，是当前进 拒动作；用户侧，谐波会影响各类精密设备运行，严 行电压偏差治理的经典方案[20-2。文献[23]提出了 重时将可能中断生产。 一种基于Mamdani模糊推理的户用光伏无功控制 相对于RLC无源滤波器，APF是当前治理谐 策略，该策略将电压偏移量、光伏有功变化率进行分 波的先进技术设备。文献[34-35]分别从增大负载 析处理，控制各节点用户光伏逆变器实现电压偏差 侧等效阻抗和优化变流器控制策略这2个方面，提 治理；文献[24-25]从光伏系统辅助提供无功输出角 升了并联型AP℉的谐波治理效果。文献[36]提出 度，分别提出计及负荷特性及光伏无功成本的配电 基于等效电阻概念和功率平衡原理的串联型AP℉ 网电压协调控制方法和长时间尺度下考虑电压越限 新型控制策略，通过在负载侧检测谐波电压，产生与 风险的配电网无功优化调度模型。 其大小相等、方向相反的电压，用以抵消负载产生的 近年来，高渗透率清洁能源并网造成的电压偏 谐波电压。该控制策略不需要进行复杂的谐波检测 高问题日渐突出。由于配电网电缆线路具有阻抗比 和计算，通过简单的控制电路就可以获得参考信号， (R/X)较大的特点，有功/无功潮流都会对节点电 实现了电压谐波的自主补偿。 压产生较大影响，上述设备只能进行单纯无功调节， 光伏并网变流器在治理电网电流谐波上也取得 http://www.aeps-info.com 17

http://www.aeps-info.com 波、三相不平衡等,动态电能质量问题一般包括电压 波动、电压暂降等。当然,实际电网中可能是上述多 个问题的组合,一般称为综合电能质量问题。储能 参与电网调频,已是当前的一个热点应用领域,相关 研究综述参见文献[18-19]。本文所述电能质量取 狭义的电压质量和电流质量及其综合问题的定义。 储能系统因其具备功率的四象限快速调节能 力,对于电网不同类型的电能质量问题具有显著的 技术比较优势,具体如图2所示。 (b) *6BFKM (a) /*6BFKM 6E=AU *6#P#E*4+* 6* "F (APF , +#$"6UMFF4APF 5AE=* *"== UL8U=1P *  A" , = * " * K 6246E(+U E*LU ? B+* " #5624U5 1DVR D=U5 AU!)  图2 储能系统提升电网电能质量的技术优势 Fig.2 Technologicaladvantagesofenergystorage systemforpowerqualityimprovement 2 储能提升稳态电能质量技术 2.1 电压偏差 电压偏差在电网中通常表现为过电压和欠电压 这2种现象,一般是由网架结构不合理、大容量负荷 投切、变压器分接头异常、高渗透率可再生能源并网 等原因引发[20]。 利用并联电容器组和 STATCOM/SVG,以及 并网变流器剩余容量进行无功补偿调节,是当前进 行电压偏差治理的经典方案[20-24]。文献[23]提出了 一种基于 Mamdani模糊推理的户用光伏无功控制 策略,该策略将电压偏移量、光伏有功变化率进行分 析处理,控制各节点用户光伏逆变器实现电压偏差 治理;文献[24-25]从光伏系统辅助提供无功输出角 度,分别提出计及负荷特性及光伏无功成本的配电 网电压协调控制方法和长时间尺度下考虑电压越限 风险的配电网无功优化调度模型。 近年来,高渗透率清洁能源并网造成的电压偏 高问题日渐突出。由于配电网电缆线路具有阻抗比 (R/X)较大的特点,有功/无功潮流都会对节点电 压产生较大影响,上述设备只能进行单纯无功调节, 往往难以有效实现电压控制,因此需要对有功功率 进行调控。限制可再生能源出力是最为直接简单的 方法,但不符合绿色能源发展的根本宗旨。针对这 一问题,文献[26]提出了光储系统柔性并网模型,通 过并网变流器P/Q 解耦控制使全网节点电压满足 安全约束。储能可平衡最优并网有功功率与光伏最 大出力之间的差值。柔性并网光储系统结构参见附 录 A 图 A1。文献[27]为实现全网电压分布、经济 性和生态效益最大化,提出了光伏、储能综合优化配 置模型,提出的模糊带精英策略的非支配排序的遗 传算法可较好解决储能设备的安全约束。文献[28] 定义了新的电压偏差因子(LVF),通过两层决策实 现了微网中分布式电源与储能位置与容量的优化, 保证了较低的电压偏差和更好的电压质量。 综上所述,相对于主网,未来配电网中的电压偏 差治理需要进行有功功率/无功功率的同时优化,单 纯的无功调节可能“失效”。因此,对于清洁能源高 渗透的电缆化配电网的电压调节,储能将发挥难以 替代的作用[29-31]。进一步研究中,需要在主动配电 网和微网规划中将储能与传统调节设备(有载调压 变压器(OLTC)和电容器)、分布式静止同步补偿器 (DSTATCOM)、柔性新能源、可控负荷、柔性互联 装置、能源路由器、电力电子变压器)等进行综合建 模;在运行控制研究中,须计及不同类型调节资源在 成本、可靠性、响应时间尺度等方面的差异;对于决 策模型存在的非凸问题,需要引入人工智能求解算 法[32-33] ;在规划配置研究中,除计及电能质量目标, 还应进一步考虑可靠性、潮流均衡、电网利用率等多 个目标,规划的范围可拓展到包括储能系统与上述 各类调节设备的整体。 2.2 谐波 电网中大量存在的非线性电气设备是谐波产生 的根源。电网侧,谐波会造成变压器损坏、保护误/ 拒动作;用户侧,谐波会影响各类精密设备运行,严 重时将可能中断生产。 相对于 RLC 无源滤波器,APF 是当前治理谐 波的先进技术设备。文献[34-35]分别从增大负载 侧等效阻抗和优化变流器控制策略这2个方面,提 升了并联型 APF的谐波治理效果。文献[36]提出 基于等效电阻概念和功率平衡原理的串联型 APF 新型控制策略,通过在负载侧检测谐波电压,产生与 其大小相等、方向相反的电压,用以抵消负载产生的 谐波电压。该控制策略不需要进行复杂的谐波检测 和计算,通过简单的控制电路就可以获得参考信号, 实现了电压谐波的自主补偿。 光伏并网变流器在治理电网电流谐波上也取得 17 李建林,等 利用储能系统提升电网电能质量研究综述

2019,43(8) ·面向电网需求的储能系统规划、运行与调控关键技术· 了一定的应用。文献[37]提出光伏并网与谐波治理 分别对三相电压和三相电流进行分相治理，具有参 统一控制策略。根据光照强度，合理分配变流器剩 数更易获得、补偿精度更高的优势。未来随着储能 余容量进行谐波补偿，可满足电网和用户的实际 成本的进一步下降，尤其是在农村电网应用中，一方 需要。 面可提高用户供电可靠性，另一方面可有效解决长 同理，储能系统利用变流器剩余容量可实现与 期困扰供电企业的农村电网三相负载不平衡问题。 APF相同的有源滤波功能，无须再单独配置AP℉， 3储能提升动态电能质量技术 从而大大降低电网和用户的谐波治理成本。 文献[38]详细分析了储能系统功率平滑与有源 3.1电压波动/闪变 滤波统一控制的原理，采用幅度钳位算法(ACA)并 大型冲击性负载的接入、电网故障、大自然中的 充分利用变流器的剩余容量进行电网谐波补偿，其 雷击以及可再生能源出力的随机性都可能会引起电 统一控制结构参见附录A图A2。文献[39]建立了 压的随机波动。闪变的本质也是电压波动，是人眼 一种多重同步参考系(MSRF),可快速准确地生成 对电压波动的主观感受。电压波动会增加电网损 所有间谐波和谐波电流的正序分量和负序分量（补 耗，造成用电设备的运行异常甚至损坏。 偿参考信号)，该方法在储能变流器的控制系统中得 对于无功功率引起的电压波动，主要通过SVC 到了实验验证。 和SVG/STATCOM等进行快速无功功率调整，实 在工程应用中，储能变流器用于谐波治理时还 现波动平抑，维持电网电压稳定)。文献[46]提出 存在隔离变压器对特定次补偿谐波阻断的实际问 了一套考虑快速动态无功补偿装置的二级电压控制 题。此外高频谐波补偿对控制算法的响应速度有较 体系，该体系利用SVC和STATCOM的优势，进行 高要求，并且在控制过程中又须考虑基波的控制精 暂态电压的稳定控制，以解决电压波动等多种电压 度，因此在变流器可接受成本的前提下，更好地兼顾 暂态问题。 两方面的需求，还有进一步研究提升的空间。 有功功率引起的电压波动，多在可再生能源并 2.3三相不平衡 网的场景下发生，当波动严重时，为控制有功出力， 电网故障、不平衡负荷接入均可能产生三相不 弃风、弃光现象时有发生。面对可再生能源的高渗 平衡现象[0)。电网三相不平衡会导致电网网损增 透接入所引起的电压波动问题，文献[47]应用飞轮 大，影响继电保护动作，并可能导致敏感负荷的异常 储能对有功功率进行快速调节，平滑电压波动的同 运行甚至损坏。 时兼顾了储能的使用寿命，提升了经济性。文 三相不平衡包括三相电压不平衡和三相电流不 献[48]提出了基于超级电容器-蓄电池混合储能的 平衡。对于电压不平衡问题，一般有选择地投切电 电能质量调节系统，通过分析风电场出力波动量与 容器或电抗器以改变线路参数，实现对三相不平衡 储能容量配置间的关系，设计了相应的控制环节平 的调整，但是该类方法补偿精度低，难以彻底消除不 抑电压波动。文献[49]应用混合储能系统平抑波浪 平衡现象四。此外，对配电网对地参数进行准确测 能发电功率的波动，并提出了基于动态速率限制器 量难度大，补偿效果受不可控因素影响较大。通过 的能量管理方法，仿真实验表明该方法可有效减少 接入电容器的方法可以治理电流不平衡，但由于低 功率波动，提升并网电能质量，降低损耗。 压配电系统存在大量的感性负载，且运行工况复杂， 综上所述，储能在平抑电压波动方面的应用，主 使得补偿装置很难达到理想效果，还会造成谐波污 要集中在解决可再生能源出力波动性造成的电压波 染、低频谐振和无功倒送等系统问题[4]。 动问题。未来，可充分利用储能系统PQ四象限快 近年来，利用储能对各相电流和电压进行调整， 速调节能力，综合解决有功/无功功率波动共同作用 实现三相电流与电压的平衡，成为治理三相不平衡 的复杂电压波动问题，是重要的研究方向之一。 问题的新手段。文献[41]利用储能变流器对公共耦 3.2电压暂降 合点不平衡电压进行治理，并提出了通过负序电压 电压暂降通常由大容量设备的投切、雷击等自 控制，实现公共耦合点不平衡电压综合治理策略。 然灾害以及电网故障引起，且危害较电压波动更加 文献[44]通过采用基于谐振控制的VSC多目标分 严重。近年来，电压暂降给敏感工业用户带来了很 频控制策略，使得储能变流器可以根据指令和自身 大的损失，已逐渐被认为是危害用电设备安全稳定 容量计算出补偿电流，进而对三相不平衡进行补偿， 运行最严重的电能质量问题50-门。 系统结构及电流补偿原理参见附录A图A3。 常见的电压暂降问题治理装备有DVR、不间断 综上所述，储能应用其有功/无功调节能力，可 电源(UPS)、固态切换开关(SSTS)等。这些装备也 18

了一定的应用。文献[37]提出光伏并网与谐波治理 统一控制策略。根据光照强度,合理分配变流器剩 余容量进 行 谐 波 补 偿,可 满 足 电 网 和 用 户 的 实 际 需要。 同理,储能系统利用变流器剩余容量可实现与 APF相同的有源滤波功能,无须再单独配置 APF, 从而大大降低电网和用户的谐波治理成本。 文献[38]详细分析了储能系统功率平滑与有源 滤波统一控制的原理,采用幅度钳位算法(ACA)并 充分利用变流器的剩余容量进行电网谐波补偿,其 统一控制结构参见附录 A 图 A2。文献[39]建立了 一种多重同步参考系(MSRF),可快速准确地生成 所有间谐波和谐波电流的正序分量和负序分量(补 偿参考信号),该方法在储能变流器的控制系统中得 到了实验验证。 在工程应用中,储能变流器用于谐波治理时还 存在隔离变压器对特定次补偿谐波阻断的实际问 题。此外高频谐波补偿对控制算法的响应速度有较 高要求,并且在控制过程中又须考虑基波的控制精 度,因此在变流器可接受成本的前提下,更好地兼顾 两方面的需求,还有进一步研究提升的空间。 2.3 三相不平衡 电网故障、不平衡负荷接入均可能产生三相不 平衡现象[40-41]。电网三相不平衡会导致电网网损增 大,影响继电保护动作,并可能导致敏感负荷的异常 运行甚至损坏。 三相不平衡包括三相电压不平衡和三相电流不 平衡。对于电压不平衡问题,一般有选择地投切电 容器或电抗器以改变线路参数,实现对三相不平衡 的调整,但是该类方法补偿精度低,难以彻底消除不 平衡现象[42]。此外,对配电网对地参数进行准确测 量难度大,补偿效果受不可控因素影响较大。通过 接入电容器的方法可以治理电流不平衡,但由于低 压配电系统存在大量的感性负载,且运行工况复杂, 使得补偿装置很难达到理想效果,还会造成谐波污 染、低频谐振和无功倒送等系统问题[43]。 近年来,利用储能对各相电流和电压进行调整, 实现三相电流与电压的平衡,成为治理三相不平衡 问题的新手段。文献[41]利用储能变流器对公共耦 合点不平衡电压进行治理,并提出了通过负序电压 控制,实现公共耦合点不平衡电压综合治理策略。 文献[44]通过采用基于谐振控制的 VSC 多目标分 频控制策略,使得储能变流器可以根据指令和自身 容量计算出补偿电流,进而对三相不平衡进行补偿, 系统结构及电流补偿原理参见附录 A 图 A3。 综上所述,储能应用其有功/无功调节能力,可 分别对三相电压和三相电流进行分相治理,具有参 数更易获得、补偿精度更高的优势。未来随着储能 成本的进一步下降,尤其是在农村电网应用中,一方 面可提高用户供电可靠性,另一方面可有效解决长 期困扰供电企业的农村电网三相负载不平衡问题。 3 储能提升动态电能质量技术 3.1 电压波动/闪变 大型冲击性负载的接入、电网故障、大自然中的 雷击以及可再生能源出力的随机性都可能会引起电 压的随机波动。闪变的本质也是电压波动,是人眼 对电压波动的主观感受。电压波动会增加电网损 耗,造成用电设备的运行异常甚至损坏。 对于无功功率引起的电压波动,主要通过 SVC 和SVG/STATCOM 等进行快速无功功率调整,实 现波动平抑,维持电网电压稳定[45]。文献[46]提出 了一套考虑快速动态无功补偿装置的二级电压控制 体系,该体系利用SVC和STATCOM 的优势,进行 暂态电压的稳定控制,以解决电压波动等多种电压 暂态问题。 有功功率引起的电压波动,多在可再生能源并 网的场景下发生,当波动严重时,为控制有功出力, 弃风、弃光现象时有发生。面对可再生能源的高渗 透接入所引起的电压波动问题,文献[47]应用飞轮 储能对有功功率进行快速调节,平滑电压波动的同 时兼 顾 了 储 能 的 使 用 寿 命,提 升 了 经 济 性。 文 献[48]提出了基于超级电容器—蓄电池混合储能的 电能质量调节系统,通过分析风电场出力波动量与 储能容量配置间的关系,设计了相应的控制环节平 抑电压波动。文献[49]应用混合储能系统平抑波浪 能发电功率的波动,并提出了基于动态速率限制器 的能量管理方法,仿真实验表明该方法可有效减少 功率波动,提升并网电能质量,降低损耗。 综上所述,储能在平抑电压波动方面的应用,主 要集中在解决可再生能源出力波动性造成的电压波 动问题。未来,可充分利用储能系统 PQ 四象限快 速调节能力,综合解决有功/无功功率波动共同作用 的复杂电压波动问题,是重要的研究方向之一。 3.2 电压暂降 电压暂降通常由大容量设备的投切、雷击等自 然灾害以及电网故障引起,且危害较电压波动更加 严重。近年来,电压暂降给敏感工业用户带来了很 大的损失,已逐渐被认为是危害用电设备安全稳定 运行最严重的电能质量问题[50-51]。 常见的电压暂降问题治理装备有 DVR、不间断 电源(UPS)、固态切换开关(SSTS)等。这些装备也 18 2019,43(8) ·面向电网需求的储能系统规划、运行与调控关键技术·

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 19

http://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