微網(wǎng)超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的滑?？刂撇呗匝芯?/h1>

2017-08-09 01:34:14丁玉成丁冠西

傳感器與微系統(tǒng)訂閱 2017年7期 收藏

關(guān)鍵詞：微網(wǎng)滑模電容器

吳 俊， 丁玉成， 丁冠西

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島125105；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司 遼陽(yáng)供電公司，遼寧 遼陽(yáng) 111000)

?

微網(wǎng)超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的滑?？刂撇呗匝芯?/p>

吳 俊1， 丁玉成1， 丁冠西2

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島125105；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司 遼陽(yáng)供電公司，遼寧 遼陽(yáng) 111000)

為改善微網(wǎng)運(yùn)行不穩(wěn)定的問(wèn)題，針對(duì)與微網(wǎng)連接的超級(jí)電容器組儲(chǔ)能裝置的控制策略進(jìn)行研究。儲(chǔ)能裝置由超級(jí)電容器組通過(guò)雙向DC/DC變換器連接DC/AC變換器，通過(guò)濾波、升壓后連入電網(wǎng)。通過(guò)對(duì)雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器滑?？刂频难芯?，使得任意操作條件均能正常工作，同時(shí)對(duì)運(yùn)行中的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。最后，在Matlab中Simulink搭建儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真模型，驗(yàn)證了本文控制策略的可行性。

微網(wǎng)； 超級(jí)電容器； 儲(chǔ)能； 滑模控制

0 引 言

隨著分布式電源的大量接入電網(wǎng)，使得傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式發(fā)生改變。微網(wǎng)是分布式電源接入電網(wǎng)的較好解決方案[1]。微電網(wǎng)內(nèi)部電源主要由電力電子器件負(fù)責(zé)能量的轉(zhuǎn)換，并提供必須的控制。微電網(wǎng)相對(duì)于外部電網(wǎng)表現(xiàn)為單一的受控單元，可同時(shí)滿足用戶對(duì)電能質(zhì)量和供電安全的要求[2]。微網(wǎng)相對(duì)于大電網(wǎng)存在著并網(wǎng)運(yùn)行，解列獨(dú)立運(yùn)行，重新并網(wǎng)等多種運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)于微網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，儲(chǔ)能系統(tǒng)起到了很大的作用，作為實(shí)現(xiàn)剛性電力系統(tǒng)柔性化調(diào)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)隨機(jī)非平滑輸出特性的新能源柔性接入電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，以及作為未來(lái)智能電網(wǎng)的重要組成部分，其在電力系統(tǒng)中的作用越來(lái)越重要。儲(chǔ)能系統(tǒng)可以平抑微網(wǎng)的功率波動(dòng)，微網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)保持微網(wǎng)的頻率穩(wěn)定；在微網(wǎng)內(nèi)部電壓波動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以提供無(wú)功補(bǔ)償，提高電能質(zhì)量。

由于微電網(wǎng)規(guī)模較小，系統(tǒng)慣性不大，網(wǎng)絡(luò)以及負(fù)荷經(jīng)常發(fā)生波動(dòng)就顯得十分嚴(yán)重，對(duì)于整個(gè)微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在負(fù)荷低落時(shí)存儲(chǔ)電源的多余電能，而在負(fù)荷高峰時(shí)回饋給微電網(wǎng)以調(diào)整功率需求。

針對(duì)系統(tǒng)故障引發(fā)的瞬時(shí)停電，電壓驟降、驟升等問(wèn)題，本文利用超級(jí)電容器提供快速功率緩沖，吸收或補(bǔ)充電能，提供有功功率支撐進(jìn)行有功或無(wú)功補(bǔ)償，以穩(wěn)定、平滑電網(wǎng)電壓波動(dòng)[3]。

1 超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

如圖1所示，超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置主要包括超級(jí)電容器組、雙向DC/DC 變換器、DC/AC逆變器以及控制單元。整個(gè)裝置并聯(lián)在微網(wǎng)中的電源與負(fù)荷之間的母線上。超級(jí)電容器組通過(guò)buck-boost雙向DC/DC電路升壓連接一個(gè)三相DC/AC逆變器[4]，經(jīng)過(guò)濾波后變壓升壓至電網(wǎng)。

超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本原理[5]是：正常工作時(shí)，超級(jí)電容器組將整流器提供的直流能量以電場(chǎng)能的形式儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)微網(wǎng)中出現(xiàn)故障或負(fù)荷功率波動(dòng)較大時(shí)，再通過(guò)逆變器將存儲(chǔ)的能量釋放出來(lái)，準(zhǔn)確快速地補(bǔ)償系統(tǒng)所需要的有功和無(wú)功[6]，從而使電能得到平衡與穩(wěn)定的控制。

圖1 超級(jí)電容器組儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如果逆變出來(lái)的電壓高于系統(tǒng)電壓，逆變器就向系統(tǒng)提供功率；反之，則吸收功率。由于在充放電過(guò)程中超級(jí)電容器組兩端的電壓變化范圍很大，并且超級(jí)電容器具有功率雙向限流動(dòng)的儲(chǔ)能和釋能的特點(diǎn)，因此，必須通過(guò)功率變換器將超級(jí)電容器組接入直流高壓側(cè)，以提供恒定的直流母線電壓。圖2所示為雙向DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，儲(chǔ)能側(cè)電壓高于直流側(cè)電壓UDC，在降壓模式時(shí)向儲(chǔ)能裝置提供功率，在升壓模式時(shí)向儲(chǔ)能裝置吸收功率[7]。

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)的滑模控制策略

由圖2可知，系統(tǒng)依賴于開(kāi)關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)雙向DC/DC變換器升壓模式與降壓模式的控制從而實(shí)現(xiàn)能量流動(dòng)方向的改變。這兩種模式可以由統(tǒng)一模型來(lái)表達(dá)

(1)

式中Sω=1為開(kāi)關(guān)閉合狀態(tài)，Sω=0為打開(kāi)。當(dāng)Sω<50 %時(shí)，說(shuō)明雙向DC/DC變換器工作模式為降壓，反之為升壓。

超級(jí)電容器組儲(chǔ)能裝置控制須考慮3種條件[8，9]：

1)啟動(dòng)狀態(tài)：超級(jí)電容器從0A充電至恒定電流過(guò)程；此時(shí)雙向DC/DC變換器工作在降壓模式，滑動(dòng)面選取為S(IL)=ISCmax-IL=0,加入開(kāi)關(guān)狀態(tài)為Sω=(sign(ISCmax-IL)+1)/2，得到等效控制結(jié)果為

天津食品集團(tuán)認(rèn)真踐行“一帶一路”倡議和農(nóng)業(yè)“走出去”戰(zhàn)略，將推動(dòng)“16+1”合作為己任，以建設(shè)和平之路、繁榮之路、開(kāi)放之路、創(chuàng)新之路、文明之路為目標(biāo)，用好國(guó)內(nèi)國(guó)外兩種資源、兩個(gè)市場(chǎng)，積極探索資源、生產(chǎn)、銷售的全球配置，通過(guò)打造農(nóng)業(yè)合作示范區(qū)，圍繞“農(nóng)工科貿(mào)”進(jìn)行產(chǎn)業(yè)鏈布局，發(fā)揮中國(guó)與保加利亞及中東歐優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品

(2)

式(2)在滑模域內(nèi)滿足0≤Sωeq≤1，0≤UES≤UDC成立。

(3)

(4)

(5)

在滑模域內(nèi)應(yīng)滿足

(6)

成立。將等效控制結(jié)果代入式(1)中，有

(7)

4) 綜合控制策略：選取的開(kāi)關(guān)切換率為Sω=(sign(Iref,i-IL)+1)/2當(dāng)啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)，有

Iref1=ISCmax

(8)

當(dāng)恒功率狀態(tài)時(shí)，有

(9)

當(dāng)電壓下限模式時(shí)，有

(10)

當(dāng)電壓上限模式時(shí)，有

(11)

3 仿真結(jié)果

仿真數(shù)據(jù)設(shè)為直流母線電壓UDC為700V，電感LES為4.3mH，直流側(cè)電容CDC為2mF，超級(jí)電容器組電容CES為1.7F，串聯(lián)電阻為120mΩ，最大電壓絕對(duì)值570V，最小運(yùn)行電壓200V，最大輸出電流19A。

啟動(dòng)狀態(tài)：超級(jí)電容器預(yù)充電達(dá)到恒定電流，直到達(dá)到最低工作電壓。將超級(jí)電容器預(yù)充電電流設(shè)定為10A。圖3(a)所示為啟動(dòng)時(shí)，電流升至10A,圖3(b)所示為超級(jí)電容器組電壓升至200V。圖4(a) 所示為雙向DC/DC正常工作時(shí)，超級(jí)電容器平均功率，圖4(b)所示為電感電流波形。圖5所示為將超級(jí)電容器電壓維持在400V，電感電流情況。

圖3 啟動(dòng)過(guò)程波形

圖4 恒功率過(guò)程波形

圖5 電壓限制時(shí)波形

從仿真分析圖中可知，針對(duì)雙向DC/DC變換器的滑?？刂疲梢詫?shí)現(xiàn)任意條件下滿足微網(wǎng)正常工作。因此，滑?？刂齐p向DC/DC變換器調(diào)控超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)可行。

4 結(jié) 論

針對(duì)微網(wǎng)超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)超級(jí)電容器儲(chǔ)能裝置結(jié)構(gòu)和控制策略兩方面進(jìn)行研究，提出了將滑?？刂齐p向DC/DC變換器控制策略應(yīng)用到微網(wǎng)超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)中，能夠在滿足在任意操作條件下正常工作。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性與正確性，具有良好的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

[1] 王彥文，趙鐵英.變壓器有載合閘的超飽和現(xiàn)象及對(duì)變壓器差動(dòng)保護(hù)的影響[J].煤炭學(xué)報(bào),2013,38(7):2-5.

[2] 郭創(chuàng)新,朱傳柏,曹一家，等.基于多智能體的全面防誤策略及智能操作票生成系統(tǒng)[J].電網(wǎng)技術(shù),2006,30(4):2-3.

[3] 劉 強(qiáng),周 明,李庚銀，等.有計(jì)算分析功能的電網(wǎng)調(diào)度操作票系統(tǒng)[J].電網(wǎng)技術(shù),2005,29(4):2-5.

[4] 上官海洋,向鐵元,張 巍，等.基于智能優(yōu)化算法的FACTS設(shè)備多目標(biāo)優(yōu)化配置[J].電網(wǎng)技術(shù),2014,38(8):1-3.

[5] Ya-Chin C.Multi-objective optimal SVC installation for power system loading margin improvement[J].IEEE Transactions on Power Systems,2012,27(2):984-992.

[6] 王鹿軍,張 沖,呂征宇.電網(wǎng)諧波背景下單相并網(wǎng)逆變器的鎖相方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2013,37(14):1-5.

[7] Fernando A.Control of a supercapacitor energy storage system for microgrid applications[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2013(3):690-697.

[8] 戴蕭嫣，楊明亮.基于非共燒技術(shù)的高溫壓力傳感器設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng), 2016,35(2):94-96.

[9] 程建新，趙 濤，王志剛.基于CDC與ARM的微位移電容傳感信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2013,32(1):105-108.

[10] 陳 樹(shù)，王夫棟.基于滑模變結(jié)構(gòu)的WSNs跨層擁塞控制算法[J].傳感器與微系統(tǒng),2014,33(11):132-135.

Research on sliding mode control strategy for micro network super capacitor energy storage system

WU Jun1, DING Yu-cheng1, DING Guan-xi2

(1.Faculty of Electrical and Control Engineering,Liaoning Technical University,Huludao 125105，China;2.State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd,Liaoyang Power Supply Company,Liaoyang 111000，China)

To avoid the instability of micro-grid operation,research on control strategy for super capacitor bank energy storage device connected to the micro-grid is carried out.Energy storage device connects DC/AC converter by super capacitor bank throughing bidirectional DC/DC converter,through filtering, even after boosting connect into grid.By studying on control of bidirectional DC/DC converter sliding mode,it makes it possible to work under any operating conditions,and to analyze on running stability.Bye Matlab,Simulink simulation model for energy storage system is built to verify the feasibility of the control strategy.

micro-network; super capacitors; energy storage; sliding mode control

10.13873/J.1000—9787(2017)07—0026—03

2016—06—30

TM 71

A

1000—9787(2017)07—0026—03

吳 俊(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娊佑|理論及其應(yīng)用。

猜你喜歡

微網(wǎng)滑模電容器

電容器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

物理之友(2020年12期)2020-07-16 05:39:20

含有電容器放電功能的IC(ICX)的應(yīng)用及其安規(guī)符合性要求

電子制作(2019年22期)2020-01-14 03:16:28

無(wú)功補(bǔ)償電容器的應(yīng)用

山東冶金(2019年5期)2019-11-16 09:09:38

基于組合滑模控制的絕對(duì)重力儀兩級(jí)主動(dòng)減振設(shè)計(jì)

中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)(2019年6期)2019-03-04 09:50:06

測(cè)控技術(shù)(2018年4期)2018-11-25 09:47:26

并網(wǎng)逆變器逆系統(tǒng)自學(xué)習(xí)滑?？箶_控制

測(cè)控技術(shù)(2018年3期)2018-11-25 09:45:40

基于OMAP-L138的微網(wǎng)控制器設(shè)計(jì)

通信電源技術(shù)(2016年6期)2016-04-20 06:21:15

石墨烯在超級(jí)電容器中的應(yīng)用概述

通信電源技術(shù)(2016年6期)2016-04-20 06:21:10

基于改進(jìn)下垂法的微網(wǎng)并網(wǎng)控制策略研究

電測(cè)與儀表(2015年16期)2015-04-12 00:44:34

用于微網(wǎng)逆變器并聯(lián)的控制策略

電測(cè)與儀表(2014年12期)2014-04-04 12:10:18

傳感器與微系統(tǒng)2017年7期

傳感器與微系統(tǒng)的其它文章

改進(jìn)型卡爾曼濾波的PM 2.5濃度預(yù)測(cè)系統(tǒng)*

基于FPGA的多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

便攜式快速GC程序升溫中智能PID算法研究*

提高NTC熱敏電阻器測(cè)量響應(yīng)速度的方法*

電學(xué)層析成像中軟場(chǎng)效應(yīng)的度量與應(yīng)用*

基于ABC-PSO的ε-SVM在甲烷測(cè)量中的應(yīng)用*