超級電容在風力發(fā)電功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的應用

陶夢江，張曉，呼小亮，秦魏

（中國礦業(yè)大學信電學院，江蘇 徐州 221116）

1 引言

風力發(fā)電是技術最成熟、經(jīng)濟效益最好的新能源技術。但是由于風能的間歇性導致風電機組輸出功率不穩(wěn)定，影響風機并網(wǎng)。且并網(wǎng)風機容量越大，對電網(wǎng)的穩(wěn)定運行危害也越大，所以保證風機組輸出功率穩(wěn)定是風電技術推廣的關鍵。

目前，調(diào)節(jié)風機功率技術主要有直接調(diào)節(jié)風力渦輪機、并聯(lián)無功補償裝置等，但上述方法在調(diào)節(jié)能力、平抑有功上無法進一步滿足系統(tǒng)要求［1］。儲能技術是目前調(diào)節(jié)功率的重要手段，可以對風機組輸出的功率削峰填谷，使注入電網(wǎng)的功率穩(wěn)定。相對于蓄電池、飛輪和超導儲能技術，超級電容作為新興儲能元件，具有循環(huán)壽命長、充放電快等特點［2］。在風電系統(tǒng)中，可以對系統(tǒng)進行瞬時功率平衡控制，提高穩(wěn)定性。超級電容儲能系統(tǒng)可以保持直流母線電壓穩(wěn)定，平衡系統(tǒng)功率，結構簡單，控制方便［3］。超級電容儲能系統(tǒng)能量在并網(wǎng)時可采用電流前饋解耦和有功無功控制，對風電系統(tǒng)發(fā)出的功率進行削峰填谷，使并入電網(wǎng)的功率恒定，具有良好的應用前景。

2 超級電容儲能系統(tǒng)

儲能系統(tǒng)結構如圖1所示，主要包括超級電容組、雙向直流變換器、逆變器。雙向直流變換器作為超級電容與直流側能量交換的通道可以提高電容的利用率［3］。逆變器采用有功無功控制，在整流和逆變狀態(tài)之間切換。

圖1 超級電容儲能系統(tǒng)Fig.1 Supercapacitor energy storage system

2.1 超級電容

超級電容的基本工作原理是雙電層原理，儲能過程可逆。在分析時，采用如圖2所示的RC模型。包括理想電容C、等效串聯(lián)內(nèi)阻RESR、等效并聯(lián)內(nèi)阻REPR。RESR影響超級電容充放電效率，REPR影響電容自放電，即長期靜止儲能。本系統(tǒng)中超級電容短時儲能，故 REPR可忽略［2，4］。

圖2 超級電容經(jīng)典模型Fig.2 The supercapacitorclassic model

2.2 互補控制的雙向Buck/Boost變換器

如圖3所示，雙向Buck/Boost變換器在功率傳輸上相當于2個單向Buck，Boost變換器，可以大幅減輕系統(tǒng)的體積重量和成本，提高系統(tǒng)效率［5］。

圖3 雙向Buck/Boost變換器拓撲結構Fig.3 Bi-directional Buck/Boost converter topology

在單向變換器的開關管上反并聯(lián)二極管，在二極管上反并聯(lián)開關管就可以得到雙向變換器。雙向Buck/Boost電路有3種工作模式［5-6］：Buck工作模式、Boost工作模式、交替工作方式。分別對應2種控制方法［3-5］：1）獨立PWM控制，與不同時作用，一組工作另一組封鎖；2）互補PWM控制，兩組開關管互補工作，同時動作。相較于獨立PWM控制，互補控制可以獲得軟開關工作條件，動態(tài)性能更好，不會出現(xiàn)電流斷續(xù)。風電系統(tǒng)中，超級電容需要快速充放電，頻繁吸收/發(fā)出有功，所以本文適合采用互補PWM控制。

采用狀態(tài)空間平均法，可以獲得Buck變換器的控制模型［6-8］。輸入到輸出的傳遞函數(shù)為

從控制到輸出的傳遞函數(shù)為

Boost電路與之相似。雙向Buck/Boost電路采用雙閉環(huán)的電流模式。圖4中直流母線電壓給定值與實際輸出電壓Udc的偏差通過PI電壓調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)，最終得到電流的給定值與實際電流IL的偏差通過PI電流調(diào)節(jié)器所得到的輸出，經(jīng)過脈寬調(diào)制產(chǎn)生雙向DC/DC變換器開關器件的控制信號。如圖4所示，結合工程設計方法［8］電流環(huán)校正為典型Ⅰ系統(tǒng)，電壓環(huán)校正成典型Ⅱ系統(tǒng)。

圖4 雙向Buck/Boost變換器控制框圖Fig.4 Bi-directional DC-DC converter control block diagram

3 逆變器解耦與有功無功控制

逆變器并網(wǎng)要求逆變器輸出正弦波電流，并網(wǎng)電流實時跟蹤電網(wǎng)電壓頻率、相位和并網(wǎng)容量給定的變化，總畸變率要低。

3.1 逆變器數(shù)學模型

如圖5所示ea，eb，ec為三相電網(wǎng)電動勢，L為濾波電感，R為線路與開關管的等效電阻，Cdc為直流側穩(wěn)壓電容，Sa，b，c為開關函數(shù)。

在三相靜止坐標系下，逆變器的電路平衡方程，由三相靜止坐標系到兩相同步旋轉d-q坐標系獲得逆變器數(shù)學模型：

式中：ed，eq為三相電網(wǎng)電動勢矢量的d，q分量；ud，uq為逆變器輸出端基波相電壓矢量的d，q分量；id，iq為三相電流合成矢量的d，q分量；Sd，Sq為開關函數(shù)（Sa，Sb，Sc）的d，q分量。ud，uq和直流側電壓Udc滿足ud=SdUdc，uq=SqUdc的關系。

3.2 逆變器前饋解耦和有功無功控制

在三相三線制系統(tǒng)中，將從abc坐標系經(jīng)Clarke變換到αβ坐標系中，如圖6所示，在αβ坐標系中電流電壓矢量表達式分別為

圖6 α-β坐標系與d-q坐標定向矢量Fig.6 α-βcoordinate system and orientation vector d-q coordinate

有功、無功表達式為

由Park變換后進一步可得：

如果三相電網(wǎng)電壓合成矢量E與d-q坐標中的d軸重合同向，對于三相平衡系統(tǒng)，逆變器輸出的有功功率和無功功率可以表示為

輸出的有功可由d軸電流進行調(diào)節(jié)，當id＞0時，工作在逆變狀態(tài)，功率由直流側流向電網(wǎng)；當id＜0時工作在整流狀態(tài)，功率從電網(wǎng)測流入直流側。無功由q軸電流調(diào)節(jié)，無功電流iq絕對值越小，功率因數(shù)越高；當iq=0時逆變器工作在單位功率因數(shù)狀態(tài)。因此在同步旋轉坐標系下通過控制d，q軸電流就可以控制并網(wǎng)系統(tǒng)輸送到電網(wǎng)的有功和無功。

從模型可知d-q軸變量相互耦合，電壓無法進行單獨控制，控制器設計較為困難。為此引入有功電流id、無功電流iq的前饋解耦控制如圖7所示，解耦方程為

圖7 電流解耦控制框圖Fig.7 Current decoupling control block diagram

由于2個電流PI調(diào)節(jié)器具有對稱性，因此設計方法以及參數(shù)相同［8］，電流控制器設計典型Ⅰ系統(tǒng)?？傻媚孀兤饔泄o功控制框圖如圖8所示。

圖8 逆變器有功無功控制框圖Fig.8 Inverter PQ control block diagram

4 系統(tǒng)實驗分析

4.1 儲能系統(tǒng)抑制直流母線電壓波動

仿真參數(shù)設計：模擬母線電壓100 V，正負波動10%，超級電容采用1800 F/2.7 V共50只超級電容串聯(lián)組成的超級電容組額定電壓為135 V，等效串聯(lián)內(nèi)阻RESR=0.35Ω，開關頻率f=20 kHz，L=116.64×10-6H，C=40 F。最終仿真電路如圖9所示。

圖9 直流母線電壓波動抑制實驗仿真電路Fig.9 DC bus voltage fluctuation suppression simulation system

由圖10、圖11可知，實際輸出直流母線電壓正負波動由10%降至2.4%左右，最終直流母線電壓基本穩(wěn)定在100 V，電壓偏差信號也穩(wěn)定在0?？梢娨种颇妇€電壓波動的目標已經(jīng)實現(xiàn)。

圖10 不加入超級電容時直流母線電壓波動±10%Fig.10 ±10%ofbus voltage fluctuations withoutsuper capacitor

圖11 加入超級電容后電壓波動由10%降為2.4%Fig.11 InstallSCES voltage fluctuations from 10%to 2.4%

如圖12、圖13所示超級電容電壓在100 V至2 V之間變化，在充放電狀態(tài)之間不斷轉換，始終為正，電感電流同時也在正負之間不斷變換，可知超級電容通過雙向直流變換器和直流母線之間實現(xiàn)能量雙向傳輸。

圖12 超級電容電壓在100 V和2 V之間變化Fig.12 Supercapacitorvoltage between 100 V and 2 V

圖13 電感電流在正負之間變化Fig.13 Inductor current between positive and negative

4.2 風電場功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)設計

參數(shù)設計：超級電容器模型組整體指標，容量4.35 F，額定電壓540 V，最大電壓583.2 V，儲能量738.72 kJ，內(nèi)阻R＜1 Ω。設計系統(tǒng)功率為15 kW；直流側電壓給定值為630 V；三相電網(wǎng)為220 V，50 Hz；并網(wǎng)電感 L=0.11 H，R=0.05Ω 。LBDC=5×10-3H，CBDC=3 F。PQ控制給定分別為：有功功率P=1500 W上下大幅波動；無功Q=300 W。功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖如圖14、圖15所示。

圖14 風電場超級電容功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)Fig.14 Wind farm super capacitor power conditioning system

圖15 風電場超級電容功率調(diào)節(jié)仿真系統(tǒng)Fig.15 Wind farm super capacitor power conditioning simulation system

如圖16所示系統(tǒng)輸出電壓電流波形存在一定的相位差，與無功指令Q不為零的設計相符。如圖17～圖19所示，超級電容電壓在工作初始階段1～1.5 s間有一次大的跌落，這是由于超級電容和交流側能量交換不是直接進行的，而是通過直流測的濾波電容做為中間單元實現(xiàn)的，在初始階段超級電容需要為濾波電容充電，所以在圖17中超級電容電壓有一次大的跌落，之后在498 V上下波動，處在充放電變化狀態(tài)。

同時圖18所示直流側濾波電感電流在0 A上下正負波動，與超級電容電壓相對應，可知超級電容輸出功率時正時負與充放電狀態(tài)對應。

圖16 逆變器輸出A相電壓電流Fig.16 Inverter out put of A phase voltage and current

圖17 超級電容電壓Fig.17 Super capacitor voltage

圖18 直流側電感電流波形Fig.18 DC side of the inductor current

圖19 直流母線電壓Fig.19 DC bus voltage

由圖20～圖21可知，雖然有功功率P給定始終處在波動狀態(tài)，但直流母線電壓在濾波電容充電完成后，基本穩(wěn)定在雙向DC/DC控制給定的630 V，由于風力發(fā)電功率波動時常導致直流母線電壓的突然增加，在加入超級電容儲能系統(tǒng)后，得到了解決。

圖20 模擬風電場輸出有功功率波動波形Fig.20 The analog wind farm active power fluctuations

觀察圖20～圖21，逆變器輸出的有功功率波形與模擬風電場輸出有功功率的波形反相，疊加后相互抵消為零，實現(xiàn)了設計功率調(diào)節(jié)器削峰填谷的目標，消除風電場輸出功率的波動部分，穩(wěn)定并網(wǎng)功率。

圖21 逆變器輸出有功功率P和無功Q的波形Fig.21 Inverter out put active and reactive power

5 結論

針對風能的隨機性和間歇性導致風電機組輸出功率的波動，對風機并網(wǎng)產(chǎn)生十分不利的影響。本文設計了基于超級電容儲能的風電系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該功率系統(tǒng)目標是對風電場的輸出功率實現(xiàn)削峰填谷，盡可能地減少風電場輸出的有功無功的波動即將風電場輸出功率分為恒定部分和波動部分，剝離二者，吸收波動，為電網(wǎng)和負荷提供恒定的功率。最后使用Matlab/Simulink仿真結果證明系統(tǒng)的可行性和實用性。

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