电池储能系统改善微电网电能质量的研究

梁加本

摘要：本文主要分析了电池储能系统结构和特征，重点介绍了微电网电能质量改善的措施，其不仅可以使微电网的功率平衡得到有效维持，而且还可以有效提高微电网的电能质量。通过对改善微电网电能质量的措施进行分析，以期为电池储能系统的安全运行提供可靠保障，并实现经济与社会效益的最大化。

关键词：电池储能系统;结构;微电网;电能质量

微电网一般是基于分布式发电技术，以用户的小型电站或靠近分散型能源为主体，根据终端用户能源梯级和电能质量管理借助相关技术手段来构建的分散式、小型模块化的供能网络。通常情况下，微电网不仅可以孤岛运行，而且也可以并网运行。如今，微电网逐渐发展成为解决电力系统运行过程中安全稳定问题的关键，是实现能源高效利用的主要技术手段。在保证分布式发电系统效率和供电质量方面，储能技术发挥着不可替代的作用，并逐渐发展成为提高输配电系统电能质量和推动可再生能源应用的重要手段。同时，借助电池储能系统还可以使电压骤降等电能质量问题得到有效解决。借助电池储能系统还可以实现对功率的有效调节，进而达到提高电能质量的目的。

1.电池储能系统结构

通常情况下，电池储能系统一般是由并联逆变器、串联逆变器以及电池储能装置构成，具体如图1所示。通过对图1进行分析可以发现，us代表的是等效电源电压，其含有谐波电压分量。在电池储能系统中，udc表示直流侧的电压。

图1中uc表示补偿电压，其能够对电源us中负序电压和谐波电压进行补偿，uL表示并联部分接入点位置的电压。iL与is分别表示非线性负荷电流和电源电流，ic表示并联逆变器注入的补偿电流。Lf1表示联逆变器所产生的滤波电感，该过程将补偿电流ic中所存在的高频谐波分量给予滤除掉，Cf2、Lf2组合成了输出滤波器，其能够将串联逆变器输出电压中所产生的开关谐波给予滤除掉。

通过电池储能系统的直流侧可以实现并联逆变器与串联逆变器的背靠背连接。其中，并联逆变器与主电路实现并联接入，并根据受控电流源方式来开展相关工作，此时非线性负荷电流iL中所产生的谐波可以达到补偿微电网的目的，进而确保了系统侧的电流质量，同时结合实际情况输出适量无功和有功功率。而串联逆变器可以借助变压器T来实现与主电路串联，并根据受控电流源方式来对配网侧渗透的谐波电压进行补偿，进而确保了负荷侧的电压质量。

2.电池储能系统特性

电池储能系统一般是通过储存于电池中的化学能与电能间的转换，来达到存储/释放能量的目的，其具有维护比较简单、技术相对成熟、效率相对较高的储能方式，目前在国内微电网中取得了比较好的应用效果。结合所用化学物质的差异，可以将电池储能系统中的蓄电池分为钠硫电池、铅酸电池、液流电池、锂离子电池等。目前，国内电池储能系统主要以锂离子电池和铅酸电池为主。不管是锂离子电池还是铅酸电池，都存在放电电压不可过低、充电电压不可过高以及快速充放电会对其使用寿命产生不利影响等问题，此时为了提高电池储能系统使用寿命，就需要对微电网电能质量给予有效改善。

3.微电网电能质量改善方案

通常情况下，微电网一般是由多个微电源组合而成，少数微电源选择了基于无功-电压（Q-U）和有功-频率（P-f）下的电压/频率（V/f）控制。如果微电网在运行过程中，由于负荷或事故的投切而导致微电网中功率发生改变时，此时可以选择相关策略来对每个微电源输出的功率进行科学、合理分类，以此来有效提高微电网电能质量。对于微电网而言，如果要求微电源输出的有功功率大于额定有功功率极限值 Pmax时，将会导致微电网电压的频率偏差f无法有效满足微电网运行需求。此时最好通过电池储能系统来把有功功率注入到微电网中，进而达到稳定微电网频率，提高微电网电能质量的目的。通过将主電路的补偿电流ic注入到图1中的并联逆变器时，可以使上述功能得到有效实现，该补偿电流指令信号生成过程如图2所示。

通过对图2进行分析得知，iLa、iLb、iLc均属于电池储能系统中比较重要的并联接入点位置所产生的三相负荷电流。实际上，在对iLha、iLhb、iLhc谐波成分进行检测过程中，选择了基于瞬时无功理论的dq0 检测法，并采用了与电源A相电压usa具有相同相位的正余弦信号，该过程中所产生的检测结果一般不会受电压波形畸变干扰，进而存在比较好的实时性。

对于串联逆变器而言，其主要作用是基于配电网侧谐波电压渗透作用下，对微电网电能质量所产生的影响给予削弱或消除，与串联型有源电力滤波器具有相似的功能。图3描述的是电压补偿信号生成示意图。

结合期望的微电网侧电压幅值与配电网侧电压usa的相位，借助电压指令计算过程，可以获取微电网侧所产生的期望基波电压信号ura、urb与urc，随后通过与配电网侧的实际电压进行相减就可以获得串联逆变器所对应的补偿电压输出指令信号u*ca、u*cb和u*cc，其能够对需要补偿的基波电压和谐波电压给予直观的反映。

4.算例仿真和分析

结合微电网结构特点，制定了一个简单微电网（如图4），其中Us表示配电网侧等效电压源，T表示微电网与配电网间的连接变压器，S表示隔离开关。对于电池储能系统而言，其中的串联部分可以借助耦合变压器T1来实现与公共连接点（PCC）的有效连接，S1表示非线性负荷，S2表示线性负荷。

对该微电网电能质量改善方案借助Matlab/Simulink软件进行仿真研究，其对应的参数如下：微电网线电压Um=380V，微电源MS1允许有功功率极限值Pmax1=6kW，MS2输出功率PMS2=6kW，QMS2=0kvar。对于配电网电压Us而言，其5次谐波电压含有率UHRU5=7%，7次谐波电压含有率 UHRU7=4%;S1表示恒阻抗负荷，其中Xd=3.3，Rd=17.5;非线性负荷选择了三相桥式不控整流电路，其直流电压 Ud=200V，滤波电感L=0.03H，负荷电阻R=10。

通过对图5进行分析得知，如果串联逆变器不作用时，所产生的总谐波电压畸变率UTHD≈8.1%，电压UPCC的UHRU5≈7%，UHRU7≈4%。而基于串联逆变器作用后，将会导致电压UPCC的谐波含量呈现不断程度的下降，UTHD≈1.7%，UHRU7≈0.7%，UHRU5≈0.9%。由此可以发现，对于电池储能系统而言，选择串联逆变器，可以使配电网侧渗透的谐波电压得到有效隔离，进而确保了微电网电能质量。

参考文献：

[1]姚勇，朱桂萍，刘秀成.电池储能系统在改善微电网电能质量中的应用[J].电工技术学报，2012，27（01）：85-89.

[2]吴青峰，孙孝峰，王雅楠.基于分布式下垂控制的微电网分布式储能系统SOC平衡策略[J].电工技术学报，2018，33 （6）：1247-1256.