用于超級電容器儲能系統(tǒng)變流器的控制策略設(shè)計

李軍徽，蔣 蓮，李翠萍，張?zhí)煅?，李鴻?/p>

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司培訓(xùn)中心，吉林 長春 130022)

用于超級電容器儲能系統(tǒng)變流器的控制策略設(shè)計

李軍徽1，蔣 蓮1，李翠萍1，張?zhí)煅?，李鴻博2

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司培訓(xùn)中心，吉林 長春 130022)

超級電容器儲能系統(tǒng)具有快速的功率響應(yīng)能力，是改善以風(fēng)電、光伏為代表的分布式電源出力品質(zhì)的有效手段。采用雙向DC/DC變換器和DC/AC電壓源型變流器作為功率調(diào)整裝置，實現(xiàn)對超級電容器儲能系統(tǒng)功率吞吐和直流側(cè)電壓的控制。首先對超級電容器儲能系統(tǒng)處于不同工作模式時的能量分布進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。以穩(wěn)定直流側(cè)電壓為目標(biāo)，基于單端穩(wěn)壓雙向功率流的控制方法設(shè)計了雙向DC/DC變流器的控制器；采用雙閉環(huán)解耦控制方法對DC/AC變流器有功/無功功率解耦控制。基于PSCAD/EMTDC軟件搭建仿真系統(tǒng)，結(jié)果表明超級電容器儲能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對指定充放電功率準(zhǔn)確快速的響應(yīng)，直流側(cè)電壓工作穩(wěn)定，工作效率高。

超級電容器；功率調(diào)整；雙向DC/DC變換器；DC/AC變流器

隨著化石燃料枯竭、全球氣候變暖的問題日益嚴(yán)峻，風(fēng)電、光伏等可再生能源發(fā)展受到了高度關(guān)注。目前的電力系統(tǒng)中，以風(fēng)電、光伏為代表的新能源比例越來越高，但由于其本身波動性、隨機性等特征使得電能供應(yīng)品質(zhì)惡化，從而限制了風(fēng)電、光伏的接入[1-4]。

儲能系統(tǒng)由于可以對能量實現(xiàn)時空平移，而被視為改善分布式電源平滑并網(wǎng)的有效手段之一，近年來得到了高度的重視[5]。與普通的化學(xué)電池相比，超級電容器通過電荷的轉(zhuǎn)移和離子的取向控制電能的充放，電極表面沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，容量衰減幾乎為零，因此其循環(huán)壽命長、響應(yīng)速度快以及充放電效率高等特性是任何一種化學(xué)電源所無法比擬的。

基于超級電容器自身的優(yōu)勢，在改善分布式電源并網(wǎng)能力以及提高系統(tǒng)穩(wěn)定性方面已經(jīng)做了很多研究。文獻(xiàn)[6]利用超級電容器短時大功率充放電的特點，提高風(fēng)電并網(wǎng)低電壓穿越能力。文獻(xiàn)[7-8]分析了超級電容器可以根據(jù)風(fēng)電功率波動情況及時充放電使系統(tǒng)功率得以平衡。文獻(xiàn)[9-10]研究了超級電容器在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用并能配合鋰電池改善分布式電源并網(wǎng)引起的小干擾穩(wěn)定性問題。由此可見超級電容器對電力系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確的功率調(diào)節(jié)是使其能廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。因此，提高超級電容器準(zhǔn)確、快速、高效的功率調(diào)節(jié)能力對于實現(xiàn)分布式電源平滑并網(wǎng)具有重要的意義。

本文將超級電容器與雙向DC/DC變換器相連后，經(jīng)DC/AC變流器接入電網(wǎng)。本文利用雙閉環(huán)解耦的控制方法[11-12]，通過DC/AC變流器，準(zhǔn)確控制所要交換的有功、無功功率，同時對DC/DC變換器進(jìn)行單端穩(wěn)壓雙向功率流的控制，達(dá)到既能穩(wěn)定直流母線電壓，又能保證交換功率的雙向流動。實現(xiàn)超級電容器與交流系統(tǒng)功率的有效交換，改善新能源發(fā)電的電能品質(zhì)，提高新能源并網(wǎng)規(guī)模。

1 超級電容器儲能系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模

1.1 超級電容器工作原理

超級電容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。充電時電子通過外加電源從正極流向負(fù)極，且正負(fù)離子從溶液體中分離并分別移動到電極表面，形成兩個電層；放電時電子通過負(fù)載從負(fù)極流到正極，在外電路產(chǎn)生電流，正負(fù)離子從電極表面被釋放進(jìn)入溶液體而呈現(xiàn)電中性。

由于超級電容器內(nèi)部電阻和電容的等效機理涉及化學(xué)材料結(jié)構(gòu)的等效，且比較復(fù)雜，因此本文直接采用如圖2所示的超級電容器在儲能系統(tǒng)中的經(jīng)典模型。其中，Cf為理想等效電容器；R1為等效串聯(lián)電阻；R2為等效并聯(lián)電阻；Is為流過超級電容器的充放電電流。等效并聯(lián)電阻R2用來表征漏電流形成的靜態(tài)損耗，其值往往很小，本文研究中認(rèn)為R2無窮大，可做開路處理，最終可得超級電容器簡化等效模型如圖3所示。

圖4 超級電容器儲能系統(tǒng)主電路圖

1.2 超級電容器儲能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

超級電容器通過雙向DC/DC變換器，連接到DC/AC電壓源型變流器，然后并入電網(wǎng)。主電路結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

雙向DC/DC變換器的工作模式，如圖5所示。當(dāng)V1和VD2處于斷態(tài)、V2和VD1為開關(guān)狀態(tài)時，DC/DC變換器工作于升壓模式，如圖5(a)所示。當(dāng)V2和VD1為處于斷態(tài)、V1和VD2為開關(guān)狀態(tài)時，DC/DC變換器工作于降壓模式，如圖5(b)。

圖5 DC/DC變換器升降壓工作模式

無論電路處于升壓模式還是降壓模式，其數(shù)學(xué)模型相似，只是電流iL方向不同而已。因此以雙向DC/DC變換器的升壓模式(iL>0)為例，設(shè)V2的占空比為D，則根據(jù)狀態(tài)空間平均法得：

(1)

公式(1)為超級電容器儲能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，此模型為二階線性系統(tǒng)，其中，iL、udc為狀態(tài)量，占空比D為控制量，Ri、U為已知量。當(dāng)系統(tǒng)的控制變量被確定后，狀態(tài)變量即可求解。

DC/AC電壓源型變流器，如圖6所示。由于DC/AC變流器工作模式較多，且模型相似。因此，以A相為例。V1導(dǎo)通V2關(guān)斷，輸出電壓Udc為正；反之，Udc為負(fù)，如圖6所示。

圖6 DC/AC電壓源型變流器工作模式

因此分別設(shè)三相開關(guān)函數(shù)為ma、mb、mc，將其單相擴展為三相電壓源型變流器的數(shù)學(xué)模型

(2)

式中：Ea、Eb、Ec為交流系統(tǒng)電壓；ia、ib、ic為變流器相電流。為分析方便，將上述方程變換到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的變流器模型

(3)

公式(3)為DC/AC變流器數(shù)學(xué)模式，二階線性系統(tǒng)。Ed、Eq為電網(wǎng)電壓的d、q軸分量，且為已知量。id、iq為電網(wǎng)電流空間矢量的d、q軸分量，且為狀態(tài)量；ud、uq為變流器電壓的d、q軸分量，且為控制量?？梢?，當(dāng)變流器電壓被確定后，id、iq即可求解。

2 儲能變流器控制策略設(shè)計

2.1 雙向DC/DC變換器控制策略

單端穩(wěn)壓雙向功率流控制，適應(yīng)于對電壓要求比較嚴(yán)格的工作場景[13-15]。為了保持分布式發(fā)電系統(tǒng)中變流器正常工作，本文引入單端穩(wěn)壓雙向功率流控制，保持恒定的直流母線電壓。超級電容器儲能系統(tǒng)所具有的快速轉(zhuǎn)換功率方向的特點，非常適應(yīng)于這種單端穩(wěn)壓，正、負(fù)雙向功率流調(diào)節(jié)的應(yīng)用場合。

雙向DC/DC變換器的控制目標(biāo)是實現(xiàn)直流側(cè)電壓Udc恒定，同時通過對占空比D的控制實現(xiàn)DC/DC變換器兩種工作模式的切換，進(jìn)而實現(xiàn)超級電容器的充放電功能。以儲能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，實現(xiàn)單端穩(wěn)壓雙向功率流的控制。V2的占空比為D，超級電容器端電感電流，如公式(4)。

(4)

當(dāng)D<1-Uc/Udc時，DC/DC變換器工作于降壓模式，iL<0，功率流向超級電容器端；當(dāng)D>1-Uc/Udc時，DC/DC變換器工作于升壓模式，iL>0，功率流向直流母線端。因此，實現(xiàn)功率的雙向流動。

雙向DC/DC變換器控制框圖,如圖7所示。通過開關(guān)管V2的占空比控制儲能系統(tǒng)電感電流參考值iL-ref，通過電流變量獲得V2占空比的控制策略過于繁瑣[13]。因此本文采用電壓變量獲得開關(guān)管的占空比，見公式(4)。

圖7 雙向DC/DC變換器的控制框圖

為保持直流側(cè)母線電壓恒定，實測量Udc作為反饋量被控制。通過電壓調(diào)節(jié)器獲得滿足電壓恒定值的參考電流idc-ref(如式6)，根據(jù)功率守恒原理和直流變換器占空比的定義，可得到超級電容器儲能系統(tǒng)充放電參考電流iL-ref，再與實際充放電電流iL相比，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器和PWM脈寬調(diào)節(jié)產(chǎn)生控制DC/DC變換器開關(guān)器件的控制信號，達(dá)到直流母線電壓恒定的目標(biāo)。

(5)

idc-ref=kp(udc-ref-udc)+ki∫(udc-ref-udc)dt.

(6)

2.2DC/AC電壓源型變流器控制設(shè)計

基于DC/AC電壓源型變流器數(shù)學(xué)模型，L、R相對較小，基于瞬時功率理論，變流器與交流系統(tǒng)間交換的瞬時有功功率p和瞬時無功功率：

(7)

當(dāng)電網(wǎng)電壓空間矢量幅值E是恒定值時，可通過有功電流id和無功電流iq來分別反應(yīng)有功功率和無功功率的變化。圖8為DC/AC變流器控制框圖，外環(huán)控制器用于實現(xiàn)超級電容器儲能系統(tǒng)與交流系統(tǒng)之間指定功率的設(shè)定與跟蹤，實現(xiàn)超級電容器儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。根據(jù)指定參考值與實際值間的誤差，經(jīng)功率調(diào)節(jié)器得到滿足指定交換功率的電流參考值，即內(nèi)環(huán)控制器的輸入?yún)⒖茧娏鱥dref、iqref,對電網(wǎng)擾動電壓Ed、Eq采取前饋補償，同時引入d、q軸電壓耦合補償項ΔUd、ΔUq，實現(xiàn)d、q軸電流的獨立解耦控制，進(jìn)而實現(xiàn)有功功率、無功功率的解耦控制。DC/AC變流器的電壓控制方程

(8)

電壓耦合補償量

(9)

圖8 DC/AC變流器控制框圖

將Ud、Uq從兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系逆變到三相靜止坐標(biāo)系下得Ua、Ub、Uc，再通過PWM脈寬調(diào)制的參考值，產(chǎn)生變流器的控制信號，實現(xiàn)DC/AC變流器指定工作模式的轉(zhuǎn)換。

3 仿真驗證與分析

針對上述研究在PSCAD/EMTDC軟件中建立容量為30 kW、500 ms超級電容器儲能系統(tǒng)。開關(guān)管IGBT的仿真參數(shù)選用富士公司生產(chǎn)的型號為2MBI 25L-120即額定電流25 A額定電壓1 200 V的開關(guān)器件。系統(tǒng)其它參數(shù)，如表1所示。

表1 超級電容器儲能系統(tǒng)參數(shù)

仿真設(shè)置：直流母線電壓參考值為700 V。當(dāng)t<0.3 s時，參考功率Pref=20 kW、Qref=0 kVar；當(dāng)t≥0.3 s時，參考功率P=-10 kW、Q=10 kVar。

功率響應(yīng)波形，如圖9所示。實際響應(yīng)功率可對參考值準(zhǔn)確跟蹤，穩(wěn)定后有功功率和無功功率波動幅值約為±5%。由圖9(b)功率局部放大波形可見，有功功率響應(yīng)時間為0.4 ms，超調(diào)量為9.7%；而無功功率響應(yīng)時間為0.35 ms，超調(diào)量為7.2%。圖10為交流側(cè)A相電壓電流曲線圖，功率傳輸效果較為理想，系統(tǒng)電流正弦度較好，諧波總畸變率為1.3%。

圖9 交流側(cè)功率響應(yīng)波形

圖10 交流側(cè)A相電壓與電流

超級電容器側(cè)功率和電壓響應(yīng)波形，如圖11(a)所示。當(dāng)指定功率由正變負(fù)，超級電容器可準(zhǔn)確響應(yīng)指定功率的變化，并由仿真結(jié)果可得：在超級電容器釋能時，交流系統(tǒng)側(cè)功率略低于指定功率；反之超級電容器儲能時，超級電容器側(cè)功率略低于指定功率：均由變流器引起的功率損耗所致。直流母線電壓udc仿真波形，如圖11(b)所示。直流母線電壓在t=0.305 s時上升到0.74 kV，持續(xù)15 ms后恢復(fù)至穩(wěn)定值。主要由于有功功率方向變化而引起直流母線電壓的上升，最大波動量0.04 kV，超調(diào)量為5.7%。

圖11 超級電容器側(cè)功率仿真圖

圖12 變流器的傳輸效率

在超級電容器同一工作模式下不同傳輸功率所對應(yīng)的傳輸效率，如圖12所示。隨傳輸功率的增加，變流器的傳輸效率逐步提升，并在接近儲能變流器額定功率值時，效率逐漸穩(wěn)定，最終穩(wěn)定在0.975附近。

4 結(jié) 論

本文針對超級電容器儲能系統(tǒng)不同工作模型下的電路結(jié)構(gòu)，分別設(shè)計了雙向DC/DC變換器和DC/AC變流器功率控制策略。通過仿真算例分析表明，在交流系統(tǒng)功率發(fā)生躍變時超級電容器儲能系統(tǒng)可迅速切換工作模式，達(dá)到準(zhǔn)確充放電的控制目的，超級電容器儲能系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快和傳輸效率高的特點。

[1] 劉健，張小慶，同向前，等.含分布式電源配電網(wǎng)的故障定位[J].電力系統(tǒng)自動化，2013，37(2)：36-42+48.

[2] 陸輿.考慮分布式電源不確定性的電力系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化模型[J].智能電網(wǎng)，2016，4(1)：44-49.

[3] 康錫石.分析分布式電源入網(wǎng)對系統(tǒng)配網(wǎng)電壓質(zhì)量的影響[J].電子測試，2016，27(3)：70+67.

[4] 孫亮，袁文強，吳長鵬.兩級式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)建模及關(guān)鍵環(huán)節(jié)的設(shè)計[J].東北電力大學(xué)學(xué)報，2016,36(2)：26-32.

[5] 王超，蘇偉，鐘國彬，等.超級電容器及其在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用[J].廣東電力，2015，28(12)：46-52.

[6] 王利猛，喬黎明，劉久成.應(yīng)用超級電容提高風(fēng)電機組故障穿越能力研究[J].電測與儀表，2015，52(24)：35-39+45.

[7] 蔣瑋，陳武，胡仁杰.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[J].電力自動化設(shè)備，2014，34(1)：85-90.

[8] Wei Li，Géza Joós，Chad Abbey.Wind Power Impact on System Frequency Deviation and an ESS based Power Filtering Algorithm Solution[C]//Power Systems Conference and Exposition，2006 IEEE PES，2006，55(9/10)：2077-2084.

[9] 張穎超，龍江濤，郭振，等.基于新型混合儲能結(jié)構(gòu)的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)[J].太陽能學(xué)報，2014，35(12)：2461-2467.

[10] 王琪，孫玉坤，黃永紅，等.蓄電池-超級電容器復(fù)合電源儲能獨立光伏系統(tǒng)研究[J].機械科學(xué)與技術(shù)，2014，33(2)：239-242.

[11] 嚴(yán)干貴，李軍徽，蔣桂強，等.背靠背電壓源型變流器的非線性解耦矢量控制[J].電工技術(shù)學(xué)報，2010，25(5)：129-135.

[12] 沈陽武，彭曉濤，楊軍，等.超級電容器儲能系統(tǒng)的功率實時控制[J].電力自動化設(shè)備，2011，31(11)：28-32+37.

[13] S.Hamasaki，R.Mukai，M.Tsuji.Control of power leveling unit with super capacitor using bidirectional buck/boost DC/DC converter[C]//Renewable Energy Research and Applications (ICRERA).2013 International Conference on，2013，36(66)：1-6.

[14] 張慧妍.超級電容器直流儲能系統(tǒng)分析與控制技術(shù)的研究[D].北京：中國科學(xué)研電工研究所，2006.

[15] 馮天舒，劉芳.基于復(fù)合儲能的微電網(wǎng)運行的切換控制策略[J].東北電力大學(xué)學(xué)報，2016,36(3)：11-15.

Control Strategy Designed for Converter of Super Capacitor Energy Storage System

Li Junhui1，Jiang Lian1，Li Cuiping1，Zhang Tianyang1，Li Hongbo2

(1.Electrical Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012；2.State Grid Training Center of Jilin Electric Power，Changchun Jilin 130022)

The super capacitor energy storage system has a fast power response capability，which is an effective means to improve the output quality of distributed power generation represented by wind power and PV.In this paper，the bidirectional DC/DC converter and the DC/AC voltage source converter are applied to the power adjusting device to realize the control of the power throughput and the DC side voltage of the super capacitor energy storage system.The mathematical model of the super capacitor energy storage system is established based on analying the energy distribution of the system in different work modes.Based on the control method of single ended power flow，the controller of the bidirectional DC/DC converter is designed.The purpose is to stabilize the DC bus voltage.Decoupling control of active power and reactive power of DC/AC converter is based on double closed loop decoupling control method.Simulation system is built based on PSCAD/EMTDC software.The experimental results show that the super capacitor energy storage system can achieve accurate and has fast response to the specified charging and discharging power，and the DC side voltage is stable and the work efficiency is high.

Super capacitor；Power adjustment；Bidirectional DC/DC converter；DC/AC converter

2017-03-12

吉林省教育廳“十三五”科學(xué)技術(shù)研究項目(吉教合字[2016]第88號)；吉林市科技發(fā)展計劃(201464038)

李軍徽(1976-)，男，博士，副教授，主要研究方向：新能源發(fā)電與運行控制、儲能在新能源發(fā)電中的應(yīng)用.

1005-2992(2017)04-0032-07

TM614

A

電子郵箱： lijunhui@neepu.edu.cn(李軍徽);1532559607@qq.com(蔣蓮);licuipingabc@163.com(李翠萍);1193613197@qq.com(張?zhí)煅?;274439383@qq.com(李鴻博)