基于储能的微电网电能质量治理研究综述_王耿耿.pdf

基于储能的微电网电能质量治理研究综述王耿耿1,徐 泽1,袁 全2(1.国网响水供电公司,江苏 盐城2 2 4 6 0 0;2.南京工程学院电力工程学院,江苏 南京2 1 1 1 6 7)摘 要:微电网由于自身惯性小、容量小,其电能质量受外界干扰较为明显。作为微电网内的特殊微电源,储能为治理微电网电能质量提供了新思路。首先,介绍了微电网存在的电能质量问题,并从电源波动、电力电子装置、非线性负载等角度分析产生的原因;其次,分析了储能用于解决微电网电能质量的可行性与技术优势;随后,概述了利用储能解决微电网综合电能质量问题的研究现状及发展趋势;最后,对微电网电能质量治理的发展进行展望。关键词:微电网;储能;电能质量;综合治理中图分类号:TM 7 1 1;TM 4 6 D O I:1 0.1 9 7 6 8/j.c n k i.d g j s.2 0 2 3.0 2.0 2 3R e v i e wo fP o w e rQ u a l i t yG o v e r n a n c eo fM i c r o g r i dB a s e do nE n e r g yS t o r a g eWAN GG e n g g e n g1,XUZ e1,YUANQ u a n2(1.S t a t eG r i dX i a n g s h u iP o w e rS u p p l yC o m p a n y,Y a n c h e n g2 2 4 6 0 0,C h i n a;2.S c h o o l o fE l e c t r i cP o w e rE n g i n e e r i n g,N a n j i n gI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y,N a n j i n g2 1 1 1 6 7,C h i n a)A b s t r a c t:D u e t o i t s s m a l l i n e r t i a a n dc a p a c i t y,t h ep o w e r q u a l i t yo fm i c r o g r i d i s o b v i o u s l yd i s t u r b e db y t h eo u t s i d ew o r l d.A sas p e c i a lm i c r op o w e rs u p p l y i nm i c r o g r i d,e n e r g ys t o r a g ep r o v i d e san e wi d e a f o r c o n t r o l l i n g t h ep o w e rq u a l i t yo fm i-c r o g r i d.F i r s t l y,t h ep o w e rq u a l i t yp r o b l e m so fm i c r o g r i da r e i n t r o d u c e d.T h e c a u s e s a r ea n a l y z e d f r o mt h ep e r s p e c t i v e so fp o w e r f l u c t u a t i o n,p o w e re l e c t r o n i cd e v i c e sa n dn o n l i n e a r l o a d.S e c o n d l y,t h e f e a s i b i l i t ya n d t e c h n i c a l a d v a n t a g e so fu s i n ge n e r g ys t o r a g e t os o l v e t h ep o w e r q u a l i t yo fm i c r o g r i da r e a n a l y z e d.T h i r d l y,t h e r e s e a r c hs t a t u s a n dd e v e l o p m e n t t r e n do fu s i n ge n e r g ys t o r a g e t o s o l v e t h e c o m p r e h e n s i v ep o w e r q u a l i t yp r o b l e mo fm i c r o g r i da r e s u mm a r i z e d.F i n a l l y,t h ed e v e l o p-m e n to fm i c r o g r i dp o w e rq u a l i t yc o n t r o l i sp r o s p e c t e d.K e yw o r d s:m i c r o g r i d;e n e r g ys t o r a g e;p o w e rq u a l i t y;c o m p r e h e n s i v ec o n t r o l收稿日期:2 0 2 2-0 5-0 7作者简介:王耿耿(1 9 9 6-),硕士,从事微电网电能质量治理研究工作。0引言微电网可以调和分布式发电与大电网的矛盾,有效提高分布式发电利用率。微电网从某种意义上来讲,是集分布式电源、能量转换装置、储能装置、监测和保护装置以及相关负荷于一体的小型发配电系统1-3,一般包括并网运行和离网运行两种工作模式。然而,相较于大电网,微电网内部的新能源分布式发电大都具有间歇性和波动性特征以及微电网内部负荷的复杂性,包括各种不平衡负载、非线性负载、直流负载和敏感负载,再加上微电网惯性小、容量小,更易受到外界系统干扰,特别是对公共连接点(P o i n t o fC o mm o nC o u p l i n g,P C C)处的电压稳定性产生影响4。微电网内部主要存在的电能质量问题有电压偏差、电压波动与闪变、电压暂降、谐波、频率偏差、三相不平衡5。这些电能质量问题会对微电网内的用电设备造成影响,使其无法工作在正常状态,在一定情况下,甚至会对用电设备造成损坏,影响系统的供电可靠性。作为微电网内的特殊微电源,储能系统在微电网中提供长短期能量保持供电可靠性的同时仍可能存在一定的剩余容量。当微电网内部功率平衡而无需储能出力时,储能装置将处于闲置状态,造成浪费,因此考虑使储能系统在原有功能基础上兼具微电网电能质量综合治理功能,改善微电网并网点处的电能质量,达到储能装置一机多用的目的6。本文针对利用储能装置的剩余容量治理微电网电能质量问题进行综述,探索微电网内部电能质量存在的问题、储能系统治理微电网电能质量问题的技术优势,评估目前储能系统在治理微电网电能质量问题过程中的方法和标准,为基于储能系统的微电网电能质量治理研究提供参考。1微电网电能质量产生原因分析1.1分布式电源功率波动对电能质量的影响微电网中的分布式电源通过逆变器为微电网内部负载供电,微电网内分布式电源各种输出特性的变化都可能恶化电能质量,比如光伏发电与风力发电输出功率的变化会引起电压波动。文献7 建立了微电网内部分布式发电并网等效电路和电压向量图,对于光伏发电,外界光照强度、温度都会77电力自动化 电工技术 对其输出功率造成影响,根据文献中电压波动公式,光伏电池输出功率的变化会造成微电网电压的波动,从而引发电压问题。而对于风力发电,影响其输出功率的原因有很多,包括风电机组类型以及转矩波动等,比如恒速风电机组与变速风电机组受到3P频率的影响就会明显不同,从而产生的功率波动也不同8。1.2电力电子变换装置对电能质量的影响微电网内部分布式电源要实现并网运行以及对内部本地负载的可靠供电,必然使用由大量电力电子器件构成的逆变电路,然而电力电子器件会造成高次谐波注入,导致微电网内部总负荷电流中的谐波电流占比过大,加剧谐波电流不能在各逆变器间均匀分配,影响系统的稳定运行。微电网三相变流器的主电路如图1所示。根据文献8,对于三相变流器工作时已经确定的开关函数,对于微电网内因电力电子变换装置注入的高次谐波,可得出在储能变流器系统侧将产生6k1次特征谐波电流的结论。图1三相变流器主电路1.3非线性负载对电能质量的影响除了大量电力电子器件的使用造成微电网内谐波问题外,微电网内的非线性负载也是一个重要原因,微电网内常见的非线性负载主要包括变频器、二极管整流负载等。本文以二极管整流负载分析非线性负载对微电网电能质量的影响。为简化分析,将微电网等效为微型电源Um与阻抗Zm串联,非线性负载用谐波电流源IL与阻抗ZL并联等效,其接入微电网的等效示意图如图2所示。图2非线性负载接入微电网等效示意图对二极管整流负载工作特性进行分析。二极管整流负载工作时会在微电网内产生3、5、7等高次电流谐波,高次电流谐波经过串联阻抗Zm时,会在Zm上产生谐波电压Uh,因此微电网输出电压U转变为Um与Uh之和,导致U包含谐波电压。此外,其他负载接入微电网后,输出电压中包含的谐波电压将在其他负载中形成新的高次谐波电流9-1 0。非线性负载产生的谐波电压与谐波电流在微电网内相互转化,造成微电网内的谐波次数在低频与高频之间宽范围分布,进一步加剧微电网内的谐波问题。2储能治理微电网电能质量技术优势从某种意义上讲,作为微电网重要组成部分的储能装置在微电网中也扮演着特殊微电源的角色。储能系统能够协调传统电网与分布式能源并网的矛盾,调控分布式能源因自身输出特性造成的功率波动等问题,大幅度提高新能源的利用 率,减 少 其 在 并 网 过 程 中 给 传 统 电 网 带 来 的冲击。储能系统在微电网中通过双向变流器完成控制要求,其主要作用有以下几个方面:为本地负荷提供短时能量供应,以满足微电网内部瞬时能量平衡的需求;提供长期能量,实现微电网内部的削峰填谷;平抑微电网内部因分布式能源间歇性与波动性造成的功率波动;提高微电网的供电可靠性1 1。储能系统治理微电网中常见的电能质量问题具有的技术优势如图3所示1 2。图3储能提升微电网电能质量技术优势随着控制理论的完善以及储能技术的迅猛发展,储能装置的综合应用成本不断下降,这进一步促进了储能系统的商业化运行。文献1 2 给出了目前常见的几种储能系统综合发电成本预测,到2 0 3 0年,锂电池以及铅酸电池的应用成本将会降低至0.3元/(k Wh),因此利用电池储能治理微电网电能质量问题的经济性会大大提高。3储能治理微电网电能质量研究现状改善微电网电能质量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(R L C)无源滤波器等。这类设备原理简单,建设和维护费用均较低,但在应用中存在较多不足。对于 电 力 电 子 电 路 而 言,电 能 质 量 调 节 设 备 包 括D V R、A P F、S T A T C OM以及S V G。此类电能质量调节设备补偿精度高、调控范围大、控制灵活,但成本较高,尚难以大面积推广1 3。鉴于储能系统在微电网电能质量治理中应用的诸多优势,利用闲置的储能容量治理微电网电能质量问 题,国 内 外 学 者 对 其 控 制 方 式 与 策 略 展 开 了研究。87电工技术 电力自动化 文献1 4 基于微电网系统中电压偏差与有功功率之间的关系,构建电-氢混合储能系统模型改善多微电网之间的有功功率分配,提出了基于功率跟随控制的反下垂控制方法,最后通过试验验证了所提控制策略的有效性;文献1 5 提出的调频控制策略为模糊控制优化储能系统后利用区域控制偏差(A C E)分配储能内部功率参与电网调频。文献1 6 针对微电网内部出现的频率偏差问题,提出一种基于动态任务系数的储能参与一次调频的综合控制策略,通过储能荷电状态(S O C)和系统最大频差来调整负惯性控制单位调节功率,有效改善了频率偏差问题。文献1 7针对交直流混合微电网出现的三相不平衡问题,采用了一种计及恒功率交互、混合微电网电压、频