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高压直流输电系统电池储能STATCOM应用研究

2025-06-09 105 上传者：管理员

摘要：传统STATCOM(静止同步补偿器，Static Synchronous Compensator)在进行大容量无功补偿时，会影响直流侧电压的控制精度并导致直流侧电压大幅波动。为此，提出利用电池储能STATCOM(STATCOM/BESS)，给出STATCOM/BESS主电路拓扑结构，推导出数学模型及控制方法并进行建模，其中采用Shepherd模型作为STATCOM/BESS中的储能电池，并针对STATCOM/BESS可能存在的电池荷电状态(SOC)不均衡问题，提出了相间SOC均衡控制和相内子模块SOC均衡控制方法。最后在PSCAD/EMTDC仿真软件中对STATCOM/BESS进行换相失败抑制测试，验证了STATCOM/BESS抑制换相失败的有效性和优越性。

关键词：
STATCOM/BESS
储能技术
换相失败
电池荷电状态
高压直流输电
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传统STATCOM在进行大容量无功补偿时,会影响直流侧电压外环的控制精度,从而导致直流侧电压大幅振荡,同时也会导致输出电流中存在大量的谐波成分,接入传统STATCOM仅对无功功率进行补偿,对电网电压的支撑效果将不太理想[1]｡STATCOM本身没有控制和补偿有功功率的能力,而储能技术与无功补偿技术结合的储能型STATCOM可以弥补传统STATCOM在HVDC系统应用中的不足｡文献[2]研究了储能型STATCOM对抑制弱电网中电压相位变化的效果,通过试验和仿真发现当系统故障时,相比于传统STATCOM,储能型STATCOM抑制了电压相位突变,同时电压跌落减少了7%

本文根据已有的研究成果基础,并结合实际系统需求设计了一种角型级联H桥结构的STATCOM/BESS,对其进行建模并通过仿真验证所设计的STATCOM/BESS性能｡

1、STATCOM/BESS拓扑结构及数学模型

1.1DC/DC部分

STATCOM/BESS每相含有36/42个级联H桥模块,数量多｡因此综合装置成本和技术实现难度,采用储能电池并联电容的方式直接接入STATCOM直流侧,其中并联电容起到能量缓冲的作用,平抑H桥模块和储能电池模块之间的功率差额｡

1.2DC/AC部分

在高压直流输电系统中通常采用多电平拓扑结构｡这种结构使得每个开关器件所承受的电压等级更小｡图1为角型级联H桥STATCOM/BESS拓扑结构｡

图1STATCOM/BESS拓扑结构

1.3STATCOM/BESS数学模型

假设角型级联STATCOM/BESS各相参数完全一致,为便于数学模型的分析推导,可将一个三相STATCOM分解为三个单相STATCOM,现以AB相为例,其单相等效电路如图2所示｡

图2单相电路结构图

角型级联结构下单相桥链压降为并网点线电压us,uab为桥链输出电压,iab为并网相电流｡由基尔霍夫电压定理得:

设Gj1开关状态导通时为1,关断时为0,Gj3同理,此时利用Gj1和Gj3的开关状态之差来定义整个H桥模块的开关状态Hj[3],则Hj为:

式(3)可求得第j个H桥子模块并联的直流电容器电流icj:

由式(3)可得电容电压状态方程,其中udabj为AB桥链上第j个H桥模块的电容电压;

定义各级联H桥开关状态之和为该相变换器开关状态N,则:

式(6)可求得第j个H桥子模块输出电压uabj:

设桥链内各模块电容电压相等,udab为该桥链上所有模块电容电压之和,结合式(5)可得桥链输出电压uab:

2、储能元件SOC均衡控制

链式STATCOM/BESS模块众多,可能导致每相储能电池以及相内子模块电池的充放电时间不同｡特别是当并网电压不对称时,储能电池之间充放电不均衡现象会更加严重,降低储能电池的工作效率｡因此提出了适用于STATCOM/BESS的荷电状态(SOC)均衡控制策略,如图3所示｡

图3STATCOM/BESSSOC均衡控制

图3(a)中,SOCab-SOCca为各相的SOC,SOC0为相平均SOC,其计算式分别为式(10)和式(11):

相间SOC均衡控制的基本思想为:每相SOCm与相平均SOC0的差值经过PI控制器Gsoc(s)后得到该相SOC均衡有功电流指令Isocm,该电流指令随后被送入电流内环控制｡若SOCm小于SOC0,则得到正的有功指令,该相储能电池整体表现为充电状态,从而使得SOCm增加,实现该相的SOC均衡;反之亦然｡

图3(b)中,SOCmi为相内子模块电池的SOC,SOCm0为该相子模块电池SOC的平均值｡相内子模块SOC控制的基本思想为:如果SOCmi大于SOCm0,则所得差值经过比例控制后得到子模块SOC调节附加调制信号vsocmi,而因为vsocmi超前于该链节对应的线电压,该子模块将向电网输出有功,SOCmi降低,从而实现子模块的SOC均衡;反之亦然｡

表1LCC-HVDC系统参数

3、仿真分析

本文利用PSCAD/EMTDC软件搭建电磁暂态仿真模型,HVDC系统主电路采用的是单极十二脉波结构,主要参数如表1所示｡直流控制系统与CIGRE标准模型中的控制器相同

受限于仿真速度,本文中STATCOM/BESS电磁暂态仿真模型每相设置3个H桥模块,总容量为150Mvar,通过35/525kV变压器接入LCC-HVDC逆变侧交流母线｡

设置2s时逆变侧交流系统发生三相接地故障,故障持续0.2s,图4给出了故障前后逆变侧交流电压有效值､换相关断角和系统传输功率｡图4(a)中,故障发生后,接入STATCOM/BESS较接入传统逆变侧交流电压跌落减小,且更快恢复正常供电｡图4(b)中,接入传统STATCOM时,关断角γ在故障发生后降为0°并发生首次换相失败,在2.15s时再次降为0°,可知在故障过程中发生连续换相失败;接入STATCOM/BESS后,故障发生时关断角γ约为11°,且始终没有低于10°,换相失败得到抑制｡图4(c)中,在接入传统STATCOM时系统传输功率较单相接地故障时跌落严重,接入STATCOM/BESS后明显提高了系统运行稳定性和安全性｡由该组仿真可知当逆变侧发生较为严重的三相接地短路时,接入STATCOM/BESS后可以有效支撑受端电压,并且抑制可能造成的连续换相失败｡

图4三相故障时典型特征量

4、结论

本文对STATCOM/BESS进行数学建模,提出SOC均衡控制策略,并在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建模型并进行功能测试:

1)提出SOC均衡控制策略,提高了储能电池工作效率｡

2)相比传统STATCOM只能进行无功补偿的特点,STATCOM/BESS能够在需要有功出力时跟踪有功指令并快速响应,同时也能在发生严重故障时快速进行无功补偿,从而支撑电网电压,抑制换相失败,对改善弱受端交直流系统运行稳定性具有重要意义｡

参考文献:

[1]李宁宁,纪延超,王建赜,等.带蓄电池储能装置的静止同步补偿器(STATCOM/BESS)的概况综述[J].电工电能新技术,2014,33(4):48-53.

[3]何志兴.级联多电平静止同步补偿器关键技术及应用研究[D].长沙:湖南大学,2016.

文章来源:陈俊澔.高压直流输电系统电池储能STATCOM应用研究[J].灯与照明,2025,49(03):131-134.