基于超級電容光伏并網(wǎng)系統(tǒng)低電壓穿越的仿真

李海珠

（內(nèi)蒙古電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系,呼和浩特010070）

1 引言

超級電容器具有快速充放電的特點，當電網(wǎng)電壓發(fā)生對稱跌落時，通過控制雙向DC/DC變換器，使得超級電容器快速吸收直流側(cè)堆積的能量，從而穩(wěn)定直流母線電壓，同時與并網(wǎng)逆變器的控制相協(xié)調(diào)，實時監(jiān)測電網(wǎng)電壓跌落的深度，并發(fā)出相應(yīng)的無功功率來支撐并網(wǎng)點電壓，保障低電壓穿越。最后在MATLAB/SIMULINK仿真平臺上搭建模型進行仿真，驗證控制策略的正確性。

2 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)計算

選用系統(tǒng)為雙級式三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，它由四個部分組成，分別為：光伏陣列[1]、直流升壓、三項電壓型逆變器、超級電容儲能系統(tǒng)。該系統(tǒng)的詳細結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙級式三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)

2.1 直流側(cè)電容的設(shè)計

為人們所熟知的電壓紋波公式如下：

根據(jù)直流側(cè)電壓紋波不大于直流母線電壓的5%的規(guī)定[2-3]，則直流側(cè)電容滿足

2.2 DC/AC電路中開關(guān)器件選擇

綜上，選擇西門康生產(chǎn)的型號為SKM50GB123D的IGBT，其額定技術(shù)指標為50A/1200V/2U。

3 超級電容儲能系統(tǒng)的工作原理及參數(shù)計算

超級電容儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。由圖可知，超級電容儲能系統(tǒng)由三部分組成[4]，分別為超級電容器組、雙向DC/DC變換器、控制器。

3.1 超級電容器的特點

超級電容和普通電容器以及電池的特性比較如表1所示。

圖2 超級電容器儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

表1 超級電容特點

由表1的比較可知，超級電容與電池相比充放電時間明顯縮短，并且相同質(zhì)量的條件下放出的功率更多，循環(huán)使用壽命是電池的一千倍以上，充放電效率也比電池高。另外，超級電容器的工作溫度范圍為-40℃～70℃，在此范圍內(nèi)電容值C幾乎不變。正是由于此原因，超級電容器幾乎可以在任何環(huán)境下，任何地方正常工作[5]。

3.2 超級電容儲能系統(tǒng)的控制策略

超級電容與直流母線通過雙向DC/DC變換器連接，其控制策略采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略，控制框圖如圖3所示。

圖3 互補型PWM控制框圖

4 電網(wǎng)電壓對稱跌落時低電壓穿越控制策略

4.1 基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制分析

根據(jù)瞬時功率理論,并網(wǎng)逆變器輸出的瞬時有功功率為p、無功功率為q,計算表達式如下式所示:

電壓定向矢量控制框圖見圖4。

圖4 電壓定向矢量控制框圖

由圖4可知,電網(wǎng)電壓q 軸分量eq=0,則式(4)簡化為:

由式(5)可知，當電網(wǎng)電壓穩(wěn)定時，逆變器輸出的有功功率受控制，無功功率受控制。

根據(jù)功率平衡關(guān)系，若不考慮逆變器本身的損耗,則逆變器直流側(cè)輸入的有功功率與并網(wǎng)側(cè)輸出的有功功率應(yīng)相等,即：

4.2 直流側(cè)電壓波動的抑制

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的功率關(guān)系圖如圖5所示。

圖5 功率關(guān)系圖

超級電容儲能系統(tǒng)會吸收直流側(cè)多余的電量，從而維持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。

4.3 逆變器有功電流和無功電流的協(xié)調(diào)控制

如圖6所示為德國的E.ON標準中有關(guān)電網(wǎng)電壓跌落的深度與所需無功電流百分比的關(guān)系圖。從圖中我們可知：當電網(wǎng)電壓跌落深度為50%～90%范圍內(nèi)時，隨著跌落深度的增加，所需的無功電流百分比越小。當電網(wǎng)電壓跌落為0%～50%范圍時，不管跌落深度為多少，無功電流百分比為100%。

圖6 無功電流百分比與電壓跌落深度的關(guān)系圖

與圖6所對應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系式為：

為了保證逆變器的安全、可靠運行，在發(fā)生三相對稱跌落的時候，其輸出電流必須限制在其額定電流的1.1倍以內(nèi)[6]。因此當已知的時候，可以計算出相應(yīng)的計算式為

5 仿真研究

未采用LVRT控制策略時，電網(wǎng)電壓在0.2s發(fā)生三相對稱跌落，跌落深度為25%，在0.4s時電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常，仿真結(jié)果如圖7、圖8、圖9及圖10所示。

圖7 電網(wǎng)電壓

圖8 逆變器輸出電流

圖9 直流母線電壓

圖10 逆變器輸出的有功、無功功率

由各圖可知，在0.2s～0.4s電網(wǎng)電壓發(fā)生對稱跌落這段時間內(nèi)，逆變器輸出電流會變大，直流側(cè)電壓也會增加，逆變器輸出的有功功率會下降，無功功率基本不變化[7]。

采用LVRT控制策略后，從0.2s～0.4s電壓跌落期間，逆變器輸出電流和以往相比基本無變化,如圖11所示，控制系統(tǒng)抑制了電流的增加，使得逆變器輸出電流不過流。直流側(cè)多余的能量被超級電容吸收，保證了直流母線電壓的穩(wěn)定如圖12所示。并且在此期間，逆變器發(fā)出相應(yīng)的無功功率，支撐并網(wǎng)點電壓如圖13所示。超級電容儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓跌落期間，吸收直流側(cè)多余的能量使得其兩端電壓升高如圖14所示。

圖11 加入超級電容后電網(wǎng)輸出電流

圖12 加超級電容儲能系統(tǒng)后直流母線電壓

圖13 加超級電容后逆變器輸出的有功、無功功率

圖14 超級電容兩端電壓波形

根據(jù)以上仿真波形的對比，驗證了當電網(wǎng)電壓發(fā)生三相對稱跌落時，采用基于超級電容儲能系統(tǒng)的低電壓穿越控制策略的正確性[8]。

6 結(jié)束語

主要闡述了在電網(wǎng)電壓對稱跌落時，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)合超級電容儲能系統(tǒng)并且在相應(yīng)的控制作用下實現(xiàn)了低電壓穿越，最后在MATLAB/SIMULINK環(huán)境中實現(xiàn)了仿真，成功驗證了理論的正確性。

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