BESS-STATCOM无功功率提升策略：基于单级PCS的无功补偿能力增强研究

《IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Industrial Electronics》：A Reactive Power Boosting Strategy for BESS-STATCOMs

为解决单级功率转换系统（PCS）的BESS-STATCOM在电池低荷电状态（SoC）下无功功率输出能力下降的问题，研究人员提出了一种无功功率提升控制策略（RBCS）。该策略通过断开电池组并将直流链路电容充电至额定电压，使系统在SoC=20%时无功出力提升约3倍。该方法无需硬件改造即可实现无功能力的动态恢复，为电网电压支撑提供了创新解决方案。

　　

随着可再生能源渗透率的不断提高，电网对快速动态无功补偿的需求日益迫切。传统静止同步补偿器（STATCOM）与电池储能系统（BESS）结合的BESS-STATCOM因其兼具有功/无功调节能力而备受关注。然而，为降低成本与体积，工业界普遍采用单级功率转换系统（PCS）直接连接电池组与电网，这种设计却埋藏着隐患：当电池因放电导致荷电状态（SoC）降低时，其端电压随之下降，直接制约直流链路电压水平，进而削弱变流器通过调制产生交流电压的能力，最终使无功输出能力大幅衰减。研究表明，在电网电压为0.9 pu时，SoC从100%降至20%会导致BESS-STATCOM的最大无功出力从4.49 MVar锐减至1.64 MVar，衰减幅度高达63%。这一特性迫使工程实践中常需过度配置设备容量，造成资源浪费。

为解决这一矛盾，挪威科技大学Joseph Kiran Banda等研究人员在《IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Industrial Electronics》发表论文，提出了一种创新的无功功率提升控制策略（RBCS）。该策略的核心创新在于：通过智能控制直流接触器，在检测到系统无功需求且电池SoC较低时，自动将电池组从PCS断开，同时利用电网电能将直流链路电容充电至额定电压（对应SoC=100%状态），使变流器重新获得全额无功输出能力。整个过程在零电池电流条件下完成模式切换，无需额外配置直流断路器，既保障了设备安全，又实现了成本控制。

研究团队通过理论分析、动态能力曲线计算、MATLAB/Simulink仿真（5 MVA系统）和实验验证（32.5 kVA缩比平台）等多维度验证了策略的有效性。关键技术方法包括：建立含LCL滤波器的VSC（电压源型变流器）数学模型，推导考虑电压/电流约束的PQ能力曲线；设计基于电池SoC和电网电压的RBCS逻辑算法，实现正常模式与Boost模式的无缝切换；采用电网跟随控制（GFL）架构，通过外环功率调节器和内环电流调节器实现精确功率控制；针对三电平NPC（中性点钳位）变流器拓展应用，引入电容电压平衡控制算法。

系统描述与BESS-STATCOM的理论分析

研究人员首先建立了单级BESS-STATCOM的数学模型（公式1-7），分析了影响其无功出力的关键因素。计算表明：变流器最大输出电压|v_cdq|受直流电压V_dc和调制指数（MI）共同约束，而电池SoC变化会直接改变V_dc值。通过动态PQ能力曲线绘制（图2、3），量化揭示了SoC对无功能力的显著影响：当V_s=0.9 pu时，SoC=100%/80%/20%对应的Q_max分别为4.49/2.68/1.64 MVar。仿真结果（图5、6）验证了理论分析的准确性，表明系统在SoC=100%时受电流限制，而在低SoC时受电压限制。

无功功率提升策略的设计与实现

提出的RBCS策略（图4、8）通过实时监测电池电压、SoC和电网电压，动态计算系统无功能力。当检测到电网电压跌落且PCS达到电压/电流限制时，系统依次执行：将有功/无功参考值置零→确认电池电流为零后断开直流接触器B_dc→切换外环控制为直流电压调节模式→将电容电压提升至额定值→恢复无功参考值至最大允许值。相量图分析（图7）直观展示了策略效果：Boost模式下系统可输出与SoC=100%时间级别的无功功率（Q_pcs100），较SoC=20%时提升约2.7倍。

仿真与实验验证

5 MVA系统仿真显示（图9、10），在SoC=20%且电网电压0.9 pu条件下，启用RBCS后无功出力从1.5 MVar提升至4.4 MVar，同时并网点电压从0.95 pu恢复至1.0 pu。32.5 kVA实验平台（图11-13）进一步验证了策略的工程可行性：在同等条件下，无功出力从12.5 kVar提升至32 kVar（提升2.56倍），且模式切换过程未产生冲击电流。对比分析（图14、15）凸显了RBCS的显著优势：无需硬件改造即可实现无功能力的本质提升。

多电平变流器的拓展应用

针对三电平NPC变流器（图16）的仿真研究（图17）表明，RBCS策略同样适用于多电平拓扑。通过增加电容电压平衡控制，该策略在实现无功提升的同时保持了直流侧电容电压的稳定，验证了其在不同变流器架构中的普适性。

本研究通过理论创新与控制策略设计，成功解决了单级PCS架构BESS-STATCOM在低SoC工况下无功出力受限的行业难题。RBCS策略不仅将系统无功能力恢复至满电荷状态水平，还通过零电流切换机制避免了额外硬件投入。仿真与实验数据证实，该方案可使SoC=20%系统的无功出力提升约3倍，且适用于多类变流器拓扑。这一成果为电网强度薄弱区域的无功补偿提供了新思路，对促进高比例新能源接入背景下电网稳定运行具有重要实践意义。