超級(jí)電容器在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)功率控制中的應(yīng)用

姜 喆，尹忠東

（華北電力大學(xué)，新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206）

超級(jí)電容器也被稱為電化學(xué)電容（electrochemical capacitors）或雙電層電容器（electrical double layer ca-pacitor）。超級(jí)電容器具有功率密度極高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、環(huán)境無(wú)污染和免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在一些短時(shí)電力儲(chǔ)能場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用[1]。

光伏發(fā)電技術(shù)日趨成熟，由于其具有清潔無(wú)污染、施工周期短、投資靈活、占地少、具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益等優(yōu)勢(shì)，已成為解決電力供應(yīng)的有效途徑之一[2]。太陽(yáng)能是一種不穩(wěn)定的能源，由于日照輻射度決定光伏組件的最大輸出功率，光照強(qiáng)度的變化使光伏電池的輸出功率發(fā)生變化，具有很大的隨機(jī)性[2]，這給光伏并網(wǎng)后系統(tǒng)的穩(wěn)定性、光伏發(fā)電消納以及光伏電站電能質(zhì)量等方面帶來(lái)了障礙，制約了光伏發(fā)電的發(fā)展。如何使光伏發(fā)電的輸出功率穩(wěn)定、可控是光伏發(fā)電技術(shù)中一個(gè)必須解決的問(wèn)題。引入儲(chǔ)能裝置可以使光伏電源的功率輸出較平滑，有效改變或緩解光伏發(fā)電輸出功率的隨機(jī)性與波動(dòng)性。

研究表明，位于0.01～1 Hz的波動(dòng)功率對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量及穩(wěn)定性的影響最大[3]，采用超級(jí)電容作為短時(shí)儲(chǔ)能裝置可以平抑該頻段功率波動(dòng)[1]。超級(jí)電容和其它儲(chǔ)能形式聯(lián)合，構(gòu)成混合儲(chǔ)能配置到光伏發(fā)電系統(tǒng)中，能增強(qiáng)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)功率的可調(diào)度性[4]。相對(duì)于跨區(qū)域電網(wǎng)輸電線路、調(diào)峰調(diào)頻機(jī)組、負(fù)荷端管理來(lái)說(shuō)，在并網(wǎng)光伏系統(tǒng)加入超級(jí)電容，可以有效調(diào)峰，提高電網(wǎng)柔性和本地電網(wǎng)消納光伏發(fā)電的能力。無(wú)論是混合儲(chǔ)能還是短時(shí)儲(chǔ)能，超級(jí)電容器在功率調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性方面都尤為重要。針對(duì)超級(jí)電容器應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的文獻(xiàn)已有不少，但大多是利用超級(jí)電容器進(jìn)行直流母線電壓的穩(wěn)定控制[5-6]，進(jìn)而控制功率的平穩(wěn)輸出，但輸出功率值的準(zhǔn)確可控方面仍有所欠缺。

本文應(yīng)用超級(jí)電容功率調(diào)節(jié)裝置對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，以按指定值平滑、準(zhǔn)確地輸出功率，使其具有可調(diào)度性為目的，針對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和雙向 DC/DC變換器模型，提出采用功率、電流雙閉環(huán)滯環(huán)電流的控制策略。

1 超級(jí)電容器的性能

超級(jí)電容器將能量?jī)?chǔ)存在雙層電極的電解質(zhì)界面處。存儲(chǔ)容量與極板面積成正比，與電容器正負(fù)兩極板之間的距離成反比。電容值可由式（1）計(jì)算。

超級(jí)電容器具有以下特點(diǎn)：①電容量很大，已有電容量達(dá)2300 F的超級(jí)電容器；②和普通電容器相比，具有很高的能量密度，是普通電容的10～100倍，一般可達(dá)20～70 MJ/m；③漏電流極小，具有電壓記憶功能，電壓保持時(shí)間長(zhǎng)；④充放電性能好，無(wú)需限流和充放電控制回路，不受充電電流限制，可快速充電，通常幾十秒；⑤儲(chǔ)存和使用壽命長(zhǎng)，維修費(fèi)用很?。虎奘褂脺囟确秶鷱V，可達(dá)–40～85 ℃，而電池僅為 0～40 ℃；⑦比蓄電池安全，即使短路，超級(jí)電容器也不會(huì)爆炸。

在超級(jí)電容器充放電時(shí)，可以簡(jiǎn)化等效為電容器C與內(nèi)阻Rs的串聯(lián)[7]，如圖1所示。圖中，Uc(t)為超級(jí)電容器的電壓；Is1、Is2分別為超級(jí)電容器的充放電電流。

圖1 超級(jí)電容器等值電路模型Fig.1 Equivalent circuit model of ultra-capacitor

設(shè)U0為電容器初始電壓，U1(t)和U2(t)為電容器充放電時(shí)的電壓，則電容器在充電和放電時(shí)，伏安特由式（2）、式（3）表示

超級(jí)電容器充放電時(shí)間可以按照式（4）、式（5）計(jì)算，即

式中，dv為超級(jí)電容的端電壓變化；t為超級(jí)電容的充放電時(shí)間，h。

設(shè)Uw、Uv分別為電容充電完成與放電完成時(shí)的電壓值，則電容器存儲(chǔ)的能量Wu可以表示為

根據(jù)特定充放電時(shí)間和電容充電完成與放電完成時(shí)的電壓Uw、Uv可以確定超級(jí)電容器的容量C。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由1個(gè)或多個(gè)基本單元組成，每個(gè)單元的容量約為0.3～1.0 MW。大面積的光伏列陣組件通過(guò)直流升壓斬波（boost）DC/DC變換器，調(diào)節(jié)光伏列陣的輸出電壓，進(jìn)行MPPT控制，實(shí)施光電轉(zhuǎn)換后經(jīng)直流母線匯集后分配給逆變部分，再由逆變器及濾波裝置轉(zhuǎn)換為滿足電能質(zhì)量要求的交流電，經(jīng)變壓器升壓后并網(wǎng)[8]。

帶有超級(jí)電容器調(diào)節(jié)裝置的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。超級(jí)電容器組作為直流側(cè)的儲(chǔ)能元件，并聯(lián)于直流母線，與雙向 DC/DC變換器構(gòu)成功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可在兩象限內(nèi)調(diào)節(jié)功率流動(dòng)。雙向 DC/DC變換器采用功率、電流雙閉環(huán)反饋滯環(huán)電流控制方式，響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

當(dāng)功率P0波動(dòng)時(shí)，為使系統(tǒng)輸出恒定或大小可控制于功率數(shù)值Pref，超級(jí)電容器調(diào)節(jié)裝置在控制器的控制下通過(guò)雙向 DC/DC變換器進(jìn)行功率的吸收或補(bǔ)償，吸收或補(bǔ)償?shù)墓β蕿棣，即

該裝置有以下2 種工作模式。

（1）當(dāng)功率大于指定功率Pref時(shí)，ΔP為正，功率差值由儲(chǔ)能裝置吸收，超級(jí)電容器充電，雙向DC/DC變換器工作在降壓斬波（buck）模式。

（2）當(dāng)功率小于指定的輸出功率Pref時(shí)，ΔP為負(fù)，功率差值由儲(chǔ)能裝置補(bǔ)充，超級(jí)電容器放電，雙向DC/DC變換器工作在升壓斬波（boost）模式。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic configuration of the system

2.2 雙向DC/DC變換器模型

雙向 DC/DC變換器（Bi-directional DC-DC convert，BDC）是 DC/DC變換器的雙象限運(yùn)行，它的輸入、輸出電壓極性不變，輸入、輸出電流的方向可以改變。BDC實(shí)現(xiàn)了能量的雙向傳輸，在功能上相當(dāng)于兩個(gè)單向DC/DC變換器，是典型的“一機(jī)兩用”設(shè)備。以控制光伏并網(wǎng)系統(tǒng)按指定功率平滑、準(zhǔn)確地輸出功率為目的，采用Boost型BDC變換器來(lái)調(diào)控系統(tǒng)的能量流動(dòng)，Boost型BDC變換器電路由圖3所示。通過(guò)狀態(tài)平均法，經(jīng)過(guò)平均—小信號(hào)擾動(dòng)—線性化處理，建立到Boost型BDC變換器的狀態(tài)空間平均小信號(hào)數(shù)學(xué)模型[9]如式（8）所示。

圖3 超級(jí)電容器直流儲(chǔ)能單元的電路拓?fù)銯ig. 3 The topology of DC circuit the energy storage unit with super-capacitors

雙向 DC/DC變換器是二階電路，取輸出功率和電感電流兩種反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)控制是符合最優(yōu)控制規(guī)律的。其中電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，相當(dāng)于一個(gè)自動(dòng)穩(wěn)流電源，實(shí)現(xiàn)電感電流的自動(dòng)調(diào)節(jié)。功率環(huán)為外環(huán)，用來(lái)控制超級(jí)電容器吸收或補(bǔ)充輸出功率的波動(dòng)成分，按指定功率輸出。為調(diào)節(jié)功率波動(dòng)運(yùn)行情況下系統(tǒng)的性能，可以增加前向通路中所含的積分環(huán)節(jié)數(shù)，即采用PI控制器來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。

2.3 滯環(huán)電流控制方法

滯環(huán)控制是一種應(yīng)用很廣的閉環(huán)電流跟蹤控制方法[10]。基于滯環(huán)電流控制，制定雙向 DC/DC變換器的控制策略，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且反應(yīng)快。采用恒定環(huán)寬變頻滯環(huán)電流控制時(shí)，電感電流i0作為反饋量與給定電流iref進(jìn)行比較，再經(jīng)兩態(tài)滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管通斷。

在完整的控制過(guò)程中，以滯環(huán)電流控制作為系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，通過(guò)外環(huán)作用為滯環(huán)控制單元提供瞬時(shí)電流參考信號(hào)iref，作為滯環(huán)比較器的輸入，通過(guò)與實(shí)際電感電流反饋信號(hào)比較，產(chǎn)生相應(yīng)的開(kāi)關(guān)指令脈沖序列。在 V1和VD1構(gòu)成降壓斬波電路時(shí)，V2導(dǎo)通狀態(tài)下，電感電流iL近似直線上升，當(dāng)達(dá)到預(yù)定的滯環(huán)帶上限時(shí)，V1關(guān)斷，VD1續(xù)流，從而電感電流開(kāi)始衰減。同樣，隨著電流減至滯環(huán)下限，又返回前一種狀態(tài)，如此周而復(fù)始進(jìn)行，迫使電感電流跟蹤參考電流而變化，換言之，將電感電流限定于以參考電流為中心的滯環(huán)帶以內(nèi)，如圖4所示。同理，V2和VD2構(gòu)成升壓斬波電路時(shí)，電感電流也會(huì)限定于以參考電流為中心的滯環(huán)帶以內(nèi)。

圖4 滯環(huán)電流跟蹤控制原理波形Fig.4 The principle waveform of hysteresis current tracking control

2.4 控制策略

以光伏并網(wǎng)系統(tǒng)輸出功率為控制目標(biāo)，雙向DC/DC換流器采用功率、電流雙閉環(huán)反饋滯環(huán)電流控制方式，其控制框圖如圖5所示。光伏電池陣列輸出功率P0低于額定值時(shí)，并聯(lián)于直流母線的DC/DC雙向換流器工作于升壓（boost）狀態(tài)，超級(jí)電容器釋放能量給直流母線；光伏電池陣列輸出功率P0高于額定值時(shí)，控制DC/DC雙向換流器工作于降壓（buck）狀態(tài)，超級(jí)電容器吸收直流母線的多余功率。將檢測(cè)到的光伏電池陣列輸出功率P0與參考功率Pref比較，得到偏差信號(hào)，以此作為PI調(diào)節(jié)器的輸入，PI調(diào)節(jié)器的輸出結(jié)果與電感電流比較，經(jīng)兩態(tài)滯環(huán)比較器產(chǎn)生相應(yīng)的開(kāi)關(guān)指令脈沖序列，驅(qū)動(dòng)雙向DC/DC換流器開(kāi)關(guān)IGBT的通斷。

圖5 功率-電流雙閉環(huán)反饋滯環(huán)電流控制框圖Fig.5 Block diagram of power and current double closed-loop with feedback hysteresis current control

3 仿真分析

在 PSCAD/EMTDC 電力系統(tǒng)仿真軟件中建立了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)以輸出功率為控制量的仿真模型。仿真主要參數(shù)為：光伏系統(tǒng)額定有功功率4.2 kW，直流母線電壓400 V，超級(jí)電容器儲(chǔ)能單元的參數(shù)為電容量0.5 F、電壓300 V，斬波器串聯(lián)電感為30 μH，IGBT開(kāi)關(guān)頻率為3000 Hz。未接入超級(jí)電容功率調(diào)節(jié)裝置時(shí)，光照波動(dòng)情況下光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的工作情況如圖6(a)所示：1～3 s，系統(tǒng)恒定輸出有功功率 4.2 kW；3～4 s，光照變強(qiáng)，系統(tǒng)輸出有功功率5.8 kW；4.5 s，光照變?nèi)?，光伏系統(tǒng)輸出有功功率3.5 kW，整個(gè)過(guò)程功率的輸出有功功率有巨大波動(dòng)。接入超級(jí)電容功率調(diào)節(jié)裝置時(shí)，光照波動(dòng)情況下光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的工作情況如圖6(b)所示：在光照波動(dòng)的過(guò)程中，輸出有功功率基本穩(wěn)定在參考值4.2 kW，3 s有微小波動(dòng)后迅速恢復(fù)穩(wěn)定。

圖6 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)輸出有功功率Fig.6 Exporting active power of photovoltaic grid-connected system

由上述仿真結(jié)果可知，當(dāng)光照發(fā)生變化時(shí)，光伏電池陣列輸出功率隨之降低或者升高，超級(jí)電容器功率調(diào)節(jié)裝置通過(guò) DC/DC雙向變換器釋放或吸收能量，可以快速地調(diào)節(jié)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)按指定值平滑、準(zhǔn)確地輸出功率，使該系統(tǒng)具有可調(diào)度性。

4 結(jié) 論

以超級(jí)電容器作為功率調(diào)節(jié)裝置，提出功率-電流雙閉環(huán)置換電流控制策略，通過(guò) DC/DC雙向變換器并聯(lián)于直流母線，充分發(fā)揮超級(jí)電容器性能優(yōu)勢(shì)，抑制并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的波動(dòng)性和隨機(jī)性?；赑SCAD/ EMTDC 建立了仿真模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)和控制策略的可行性，超級(jí)電容功率調(diào)節(jié)裝置快速吸收或補(bǔ)充輸出功率的波動(dòng)成分，控制光伏并網(wǎng)系統(tǒng)按指定值平滑、準(zhǔn)確地輸出功率，使光伏發(fā)電系統(tǒng)具有可調(diào)度性。為光伏并網(wǎng)后系統(tǒng)穩(wěn)定性、光伏發(fā)電消納以及光伏電站電能質(zhì)量的提高提供了好的參考。

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