基于超級電容器儲能的微網(wǎng)統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器

蔣 瑋，陳 武，胡仁杰

（東南大學 電氣工程學院，江蘇 南京 210096）

微網(wǎng)中逆變器的大量使用導致的諧波污染[1]、風機解并列時伴隨的沖擊電流帶來的電壓跌落和閃變[2-3]、燃料電池式的微電源可能導致偏低的功率因數(shù)[4]，以及風速變化導致的功率波動[5]都是不可忽視的電能質(zhì)量問題。經(jīng)典的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器UPQC（United Power Quality Conditioner）工作過程中自身不損耗有功能量，也不能向電網(wǎng)提供有功功率支撐[6]。使用電池儲能系統(tǒng)構(gòu)建的UPQC比功率較低，平抑功率波動對蓄電池功率配置的要求遠遠大于對電量配置的要求[7]。超級電容器儲能系統(tǒng)具有循環(huán)壽命長、儲能效率高、充放電速度快等特點，和光伏電池等微電源配合可治理微網(wǎng)中的多種電能質(zhì)量問題，并平抑微網(wǎng)中的功率波動[8-12]。

1 新型UPQC

1.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

本文提出的新型UPQC的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由光伏陣列、升降壓DC/DC變換器、超級電容器儲能模塊、雙向DC/DC變換器、并聯(lián)逆變器和能量管理系統(tǒng)EMS（Energy Management System）組成。傳統(tǒng)的UPQC使用并聯(lián)有源濾波器（APF）維持直流母線電容上的電壓恒定，系統(tǒng)內(nèi)部的有功功率是平衡的，新型UPQC中的直流母線電容為超級電容器，其母線電壓由光伏電池等微電源和并聯(lián)有源濾波器共同維持，超級電容器可向系統(tǒng)提供額外的有功功率。在微網(wǎng)負荷較輕時，微電源將多余的能量存儲在超級電容器中，在出現(xiàn)各種電能質(zhì)量問題時進行治理，并可利用超級電容器的高功率密度，快速平抑微網(wǎng)中的功率波動。

圖1 應用于微網(wǎng)的新型UPQC的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of UPQC for microgrid

圖1中，us是微網(wǎng)和配網(wǎng)連接處低壓側(cè)等效電源電壓，is是電源電流，ic是補償電流。光伏陣列1通過并聯(lián)逆變器1接入微網(wǎng)，向微網(wǎng)提供能量。光伏陣列2既可以通過并聯(lián)逆變器2接入微網(wǎng)，也可以通過升降壓變換器連接到超級電容器，并對超級電容器進行充電。超級電容器通過雙向DC/DC變換器連接到并聯(lián)逆變器3。超級電容器端電壓uuc隨著能量消耗而降低，此時雙向DC/DC變換器保證并聯(lián)逆變器3直流母線電壓udc穩(wěn)定，并可以將多余的功率回饋到超級電容器中。并聯(lián)逆變器3以受控電流源的形式向微網(wǎng)提供無功功率補償、有功功率補償以及諧波治理。EMS針對微網(wǎng)并網(wǎng)運行模式中的不同狀態(tài)，向各個逆變器發(fā)送控制指令。

1.2 能量管理策略

在圖1所示的微網(wǎng)系統(tǒng)中，超級電容器的能量來自于光伏陣列，在并聯(lián)補償過程中，超級電容器既可以作為電源，通過補償電流ic提供有功功率，又可以作為負載，將微網(wǎng)中多余的能量儲存起來。在EMS的控制下，系統(tǒng)有3種工作方式。

a.當超級電容器的荷電狀態(tài)SOC（State Of Charge）較低時，進入光伏電池對超級電容器的充電工作狀態(tài)。在充電過程中，系統(tǒng)控制器不斷檢測uuc，當上升到雙向DC/DC變換器低壓側(cè)的額定工作電壓范圍后，停止充電。在光伏電池對超級電容器充電停止后，光伏電池可通過其并聯(lián)逆變器向微網(wǎng)提供功率。

b.當負荷側(cè)出現(xiàn)電能質(zhì)量問題時，超級電容器作為電源，通過雙向DC/DC變換器將uuc升至并聯(lián)逆變器的額定直流母線電壓udc，通過并聯(lián)逆變器向微網(wǎng)提供補償電流ic，對電能質(zhì)量問題進行治理。當出現(xiàn)瞬時功率波動時，ic將包含有功分量，防止微網(wǎng)電流出現(xiàn)大的波動。

c.當微網(wǎng)上有功功率多余，可能影響電壓和頻率的穩(wěn)定時，并聯(lián)逆變器由逆變轉(zhuǎn)為整流工作方式，雙向DC/DC變換器能量傳輸方向改變，此時并聯(lián)逆變器向超級電容器提供能量，由超級電容器進行存儲。

在上述3種控制策略中，EMS采集系統(tǒng)運行狀態(tài)，向不同的變換器提供控制指令，如圖2所示。對于光伏并聯(lián)逆變器，EMS根據(jù)功率需求采用P/Q控制；對于UPQC并聯(lián)逆變器，EMS計算微網(wǎng)的無功功率補償、有功功率補償和諧波治理需求，計算補償電流，使用電流滯環(huán)控制；對于連接UPQC并聯(lián)逆變器和超級電容器的雙向DC/DC變換器，EMS根據(jù)功率的流向和大小計算移相角，進行移相控制。

圖2 能量管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)Fig.2 Functional structure of EMS

2 UPQC的控制

2.1 并聯(lián)逆變器和超級電容器的連接

經(jīng)典并聯(lián)型APF直流側(cè)母線電壓由傳統(tǒng)電容器建立，在APF開始工作之前逆變器首先工作在整流狀態(tài)向電容器充電，在諧波和無功補償過程中不消耗有功功率，直流母線電壓保持穩(wěn)定[13]。但是，在使用超級電容器建立直流母線電壓時，由于和傳統(tǒng)電容器相比超級電容器額定電壓較低，且隨著有功功率的輸出，端電壓下降較快，因此無法直接將超級電容器和逆變器直流母線并聯(lián)。隔離型對稱半橋雙向DC/DC變換器可控制功率在低壓側(cè)和高壓側(cè)之間雙向流動，適合作為連接超級電容器和并聯(lián)逆變器的中間環(huán)節(jié)。該變換器還具有器件損耗少、控制簡單、易于實現(xiàn)軟開關等特點[14]，變換器拓撲如圖3所示。

變換器左側(cè)為低壓側(cè)，右側(cè)為高壓側(cè)，低壓側(cè)向高壓側(cè)傳輸功率Po可以表示為：

圖3 隔離型對稱半橋雙向DC/DC變換器Fig.3 Topology of isolated symmetry half-bridge bidirectional DC/DC converter

其中，Ul為低壓側(cè)輸入電壓，ω為開關角頻率，Ls為升壓變壓器漏感，φ1為左右2個半橋?qū)ń侵g的相位差。從式（1）可以看出，通過調(diào)節(jié)φ1即可調(diào)節(jié)變換器功率的流向和大小[15]。因此，使用隔離型對稱半橋雙向DC/DC變換器連接超級電容器和并聯(lián)逆變器后，可以利用其高變比建立逆變器直流側(cè)電壓。同時調(diào)節(jié)φ1，在微網(wǎng)功率波動時使有功功率在超級電容器和微網(wǎng)之間雙向交換。

2.2 逆變器控制指令的生成

在超級電容器作為直流源向微網(wǎng)提供補償電流的過程中，需要同時控制雙向DC/DC變換器和并聯(lián)逆變器。由雙向DC/DC變換器決定能量流動方向并保持逆變器直流母線電壓穩(wěn)定，由逆變器根據(jù)EMS控制命令提供補償電流。根據(jù)以上需求，本文提出了一種同時產(chǎn)生并聯(lián)逆變器和隔離型對稱半橋雙向DC/DC變換器控制指令的方法，將隔離型對稱半橋雙向DC/DC變換器移相控制和三相交流電路的瞬時無功理論相結(jié)合，在一套控制系統(tǒng)中實現(xiàn)無功功率補償、有功功率補償、諧波治理和超級電容器充放電的功能，如圖4所示。

圖4 控制指令的生成Fig.4 Generation of control instruction

圖中，ia、ib、ic為并聯(lián)接入點處的負載電流，根據(jù)瞬時無功理論，使用式（2）可獲得旋轉(zhuǎn)坐標系下的電流有功分量ip和無功分量iq，經(jīng)過低通濾波器（LPF）后，獲得旋轉(zhuǎn)坐標系下的基波有功直流分量ibp和基波無功直流分量ibq。

如果系統(tǒng)需要檢測無功和諧波分量，則只需將基波有功直流分量ibp使用式（3）進行變換，圖4中的虛線表示ibq不參加運算，進而獲得實際電流中的基波有功電流分量 iapf、ibpf、icpf，使用式（4）獲得包含基波無功和諧波的電流指令 iad、ibd、icd。

將功率波動時需要超級電容器釋放/吸收的有功功率Preq與負載電壓uL的d軸分量uLd經(jīng)計算后得到輸出功率的電流參考值i*sbp。將i*sbp和當前負荷基波有功直流分量ibp之間的差值Δibp，作為超級電容器需要提供的有功電流，經(jīng)過C23C-1變換，轉(zhuǎn)換為iapfp、ibpfp、icpfp，加入 iapf、ibpf、icpf。 當 Δibp＞ 0 時，指令電流iad、ibd、icd中除了基波無功和諧波外，還將包含 Δibp部分代表的有功電流分量，即：

當Δibp＞0時，微網(wǎng)需要由超級電容器提供有功功率；當Δibp＜0時，超級電容器將吸收這一部分有功功率。由于Δibp代表了需要隔離型對稱半橋雙向DC/DC變換器傳輸?shù)挠泄β?，因此，將Δibp經(jīng)過比例調(diào)節(jié)，可以獲得變換器從超級電容器傳輸?shù)挠泄β蕝⒖贾礟*sc，P*sc和實際傳輸?shù)挠泄β蔖sc之間的差值，由PI控制器進行調(diào)節(jié)，可以獲得隔離型對稱半橋雙向DC/DC變換器的移相角φ1，它決定了超級電容器和并聯(lián)逆變器之間能量交換的方向和大小。

2.3 光伏電池對超級電容器的充電電路

傳統(tǒng)的光伏-蓄電池儲能系統(tǒng)往往使用雙向Buck/Boost電路在光伏電池和蓄電池間交換能量[16]。但是超級電容器沒有蓄電池那樣穩(wěn)定的端電壓，如果使用單級DC/DC變換器連接光伏電池和超級電容器，并控制光伏電池工作在最大功率點跟蹤（MPPT）狀態(tài)下，雖然可以使光伏電池輸出最大功率，但無法對變換器輸出電壓精確控制，而超級電容器的充電效率和端電壓關系很大，因此也無法保證超級電容器的充電效率。

使用由2個獨立開關器件組成的級聯(lián)變換器可以實現(xiàn)功率變換中不同工作模式的協(xié)調(diào)運行[17]?；诖怂悸?，本文提出了基于Boost級聯(lián)Buck變換器（BoCBB）的光伏電池對超級電容器的充電電路，如圖5所示。圖中，EDLC表示雙電層電容器。

在充電電路中，前一級Boost電路使用MPPT控制策略，使光伏電池工作在最大功率點，后級Buck電路使用最大功率轉(zhuǎn)移跟蹤MPTT（Maximum Power Transfer Track）充電策略，在保證超級電容器的充電電流不超過上限的前提下，最大限度地將光伏電池產(chǎn)生的能量充入超級電容器中。MPTT充電共分3個步驟：

a.充電初期，超級電容器電壓極低，Buck電路使用最小占空比仍不足以保證充電電流小于超級電容器最大充電電流Iscmax，此時短時接入限流電阻進行限流充電，使超級電容器端電壓快速上升；

b.限流充電結(jié)束后，直至超級電容器端電壓uuc升至uucIscmax≥pmppt之前，以略低于Iscmax的電流進行恒流充電；

c.在達到uucIscmax≥pmppt之后，使用恒功率充電，使光伏電池在MPPT控制下產(chǎn)生的能量盡可能存儲到超級電容器中去。

采用由以上3個步驟組成的MPTT充電策略后，光伏電池能夠在保證超級電容器安全的情況下，有效提高充電的效率。

3 仿真結(jié)果

為了對上述控制過程進行驗證，在圖1所示的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)基礎上，使用MATLAB/Simulink進行了仿真，仿真參數(shù)如下：電網(wǎng)線電壓有效值為380 V，負載為不控整流橋接阻性負載，逆變器輸出濾波電感為3mH，逆變器輸出濾波電容為1 μF，超級電容器端電壓為60 V，超級電容器容量為20 F，超級電容器最大充電電流為30 A，隔離型對稱半橋雙向DC/DC變換器變比為1∶5，光伏陣列額定功率為350 W。

3.1 諧波治理和無功補償

因為不控整流橋和變壓器的存在，負荷側(cè)的電流包含諧波分量，在沒有并聯(lián)補償?shù)那闆r下，因為負載電流全部由電網(wǎng)提供，因此電網(wǎng)電流也包含諧波分量，且功率因數(shù)小于1，負載電流畸變嚴重，電壓電流之間存在相位差。

圖5 光伏電池向超級電容器充電電路Fig.5 Charging circuit from photovoltaic cell to supercapacitors

對電流補償過程進行了0.1 s的仿真，在0.04 s時開始諧波補償，補償后的電網(wǎng)電壓和電流如圖6所示，可以看出0.04 s后，由于并聯(lián)補償?shù)淖饔?，電網(wǎng)電流只包含基波分量。

圖6 諧波補償前后的電源三相電壓、電流波形Fig.6 Waveforms of three-phase source voltage and current before and after harmonic compensation

設置并網(wǎng)控制系統(tǒng)中的基波無功直流分量ibq=0，指令電流中將同時包含補償諧波和無功功率的分量，補償后的a相電壓、電流如圖7所示，0.04 s之后功率因數(shù)為1。

圖7 諧波和無功補償前后的電網(wǎng)a相電壓、電流波形Fig.7 Waveforms of phase-a voltage and current before and after harmonic and reactive power compensation

3.2 有功支撐

負荷在0.04 s時由50 Ω 變?yōu)?.3 Ω，在 0.08 s時恢復，在只有無功和諧波補償時，電網(wǎng)電壓、電流波形如圖8所示。雖然并聯(lián)補償濾除了諧波，提高了功率因數(shù)，但是因為負荷波動的原因，電網(wǎng)電流出現(xiàn)了較大的波動，這顯然是需要避免的。

圖8 波動負荷作用下的電網(wǎng)電壓和電流波形Fig.8 Voltage and current waveforms of grid with fluctuating load

圖9是檢測到的功率波動信號ud和Δibp波形?？梢娫?.04s和0.08s有需要超級電容器補償?shù)墓β什▌印?.04～0.08 s之間，由于負荷驟增，因此Δibp＞0，超級電容器需要提供有功功率；0.08～0.2s之間，因為負荷的突然減小，Δibp低于0，超級電容器從電網(wǎng)吸收能量。

圖9 功率波動信號和Δibp波形Fig.9 Fluctuating power signal and Δibpwaveforms

圖10是在儲能系統(tǒng)提供有功支撐后的電網(wǎng)三相電流和負載三相電流波形，可以看出，因為超級電容器儲能系統(tǒng)提供了有功電流，雖然負荷的改變導致了負荷電流的波動，但是電網(wǎng)電流始終沒有變化。

圖10 有功補償前后的電網(wǎng)電流和負載電流波形Fig.10 Waveforms of grid and load currents before and after active power compensation

3.3 超級電容器的能量釋放/吸收

圖11顯示了超級電容器端電壓uuc隨Δibp的變化，0.04～0.08 s之間，由于向電網(wǎng)提供有功功率補償，超級電容器端電壓下降速度加快。0.08 s后，負荷突然變輕，Δibp變?yōu)樨撝?，此時實際是電網(wǎng)在向負荷提供有功功率的同時，向超級電容注入能量，uuc上升。可見控制系統(tǒng)能夠準確地根據(jù)補償電流的大小，調(diào)節(jié)隔離型對稱半橋雙向DC/DC變換器的移相角φ1的大小及其方向，使能量雙向流動。

圖11 超級電容器端電壓和Δibp波形Fig.11 Waveforms of supercapacitor terminal voltage and Δibp

3.4 光伏電池對超級電容器的充電

在系統(tǒng)啟動時，超級電容器電壓為0，需要使用光伏電池對超級電容器進行充電，對這一過程進行了2 s的仿真。超級電容器端電壓uuc、充電電流ic和充電功率Pc波形如圖12所示，可以看出在超級電容器端電壓達到uuc=10 V之前，在限流電阻和限流充電控制的共同作用下，實際上超級電容器是以最大充電電流Iscmax=30A恒流充電；在達到uuc=10 V之后，開始恒功率充電，最終充電功率穩(wěn)定在315 W，為光伏電池輸出最大功率的90%。仿真結(jié)果表明MPTT充電策略可以有效保障光伏電池對超級電容器的充電效率。

圖12 光伏電池對超級電容器的充電電壓、電流、功率波形圖Fig.12 Waveforms of charging voltage，current and power from photovoltaic cell to supercapacitors

4 結(jié)論

本文分析了微網(wǎng)因其網(wǎng)絡性質(zhì)和運行特點所可能導致的電能質(zhì)量問題，提出了在微電源現(xiàn)有功能之上增加補償電能質(zhì)量的功能。建立了一種新型的由光伏電池作為微電源、超級電容器作為儲能設備的并聯(lián)型UPQC，分析了不同工作狀態(tài)下的能量控制，對調(diào)節(jié)器在并網(wǎng)工作模式下的控制環(huán)節(jié)進行了設計，并給出了超級電容器和并聯(lián)逆變器的連接方法，以及光伏電池對超級電容器的充電電路。仿真結(jié)果表明，這種新型的UPQC能夠有效地完成諧波治理、無功功率補償和有功功率補償，確保超級電容器儲能裝置的安全可靠運行，并提高了光伏電池對超級電容器的充電效率。