超級(jí)電容技術(shù)支持下電力儲(chǔ)能功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真

宋志峰，段衛(wèi)鋒，馬 磊

（1濮陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，2中國(guó)石化中原油田分公司天然氣處理廠，3濮陽(yáng)市公安局信息技術(shù)科，河南 濮陽(yáng) 457000）

電力儲(chǔ)能系統(tǒng)是將電能轉(zhuǎn)化為其他形式能量并存儲(chǔ)起來(lái)的單元式硬件模塊體系，能夠有效提高電力系統(tǒng)中的供電質(zhì)量與用電效率。不同于常規(guī)的化學(xué)類(lèi)電源，超級(jí)電容儲(chǔ)能過(guò)程中不涉及化學(xué)反應(yīng)，且能量存儲(chǔ)行為具有可逆特性，所以該類(lèi)型電池元件可以反復(fù)充放電數(shù)十萬(wàn)次[1]。此外，在超級(jí)電容技術(shù)支持下，電力系統(tǒng)雙電層的間距相對(duì)較小，即便在低電壓直流或是低頻場(chǎng)強(qiáng)中也可以作為儲(chǔ)能元件。

1 電力儲(chǔ)能功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的硬件單元仿真設(shè)計(jì)

1.1 電力部分的主電路

主電路提供電力儲(chǔ)能功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)所需的電量信號(hào)，可以同時(shí)調(diào)度有源濾波器與并網(wǎng)逆變器，從而在調(diào)節(jié)相電壓與相電流的同時(shí)，完成對(duì)儲(chǔ)能功率的穩(wěn)定性調(diào)節(jié)。但是完成儲(chǔ)能功率調(diào)節(jié)所需的相電壓、相電流水平相對(duì)較高，而電力儲(chǔ)能終端所負(fù)荷的電力水平較低，因此在設(shè)計(jì)主電路時(shí)，需利用雙向逆變結(jié)構(gòu)，完成對(duì)傳輸電壓與傳輸電流的轉(zhuǎn)換處理[2]。雙向逆變結(jié)構(gòu)作為主電路部分的核心部件組織，連接在雙相電網(wǎng)與電力儲(chǔ)能終端之間，當(dāng)儲(chǔ)能終端進(jìn)行電力轉(zhuǎn)換時(shí)，雙向逆變結(jié)構(gòu)改變雙相電網(wǎng)所輸出電力信號(hào)的負(fù)載形式，對(duì)其相電壓、相電流水平進(jìn)行分別調(diào)節(jié)，當(dāng)其電平狀態(tài)達(dá)到電力終端儲(chǔ)能需求后，所存儲(chǔ)電力信號(hào)才會(huì)經(jīng)由導(dǎo)線，進(jìn)入下級(jí)終端體系。完整的電力部分主電路連接情況如圖1所示。

圖1 電力部分的主電路連接示意圖Fig.1 Schematic diagram of the main circuitconnection of the power part

電力儲(chǔ)能功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，相電壓、相電流的傳輸方向始終由雙相電網(wǎng)端指向電力儲(chǔ)能終端，所以單位儲(chǔ)能周期內(nèi)，主電路逆變器結(jié)構(gòu)的連接方向不會(huì)發(fā)生變化。

1.2 儲(chǔ)能部分的有源濾波器

電力儲(chǔ)能功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)儲(chǔ)能部分的有源濾波器主要用來(lái)抑制動(dòng)態(tài)電壓與電流諧波，從而避免相電壓、相電流出現(xiàn)明顯波動(dòng)狀態(tài)，可以在補(bǔ)償儲(chǔ)能網(wǎng)絡(luò)無(wú)功功率的同時(shí)，避免電力信號(hào)負(fù)荷頻率出現(xiàn)變化，達(dá)到維穩(wěn)儲(chǔ)能功率的目的。相較于無(wú)源型的濾波器組件，有源濾波器在儲(chǔ)能過(guò)程中能夠?qū)﹄娏χC波進(jìn)行均分處理，并能夠產(chǎn)生與已存儲(chǔ)諧波分量大小相等、方向相反的補(bǔ)償電壓與補(bǔ)償電流，以用來(lái)代替原相電壓與相電流，從而使得電力網(wǎng)絡(luò)中處于傳輸狀態(tài)的只有基波分量，達(dá)到消除電力諧波的目的[3]。雖然，有源濾波器在儲(chǔ)能過(guò)程中會(huì)消耗一定的電力信號(hào)，但由于補(bǔ)償處理是一種動(dòng)態(tài)化行為模式，所以被消耗的電量會(huì)被主電路后續(xù)輸出的電力信號(hào)所填補(bǔ)，并不會(huì)造成儲(chǔ)能量缺失的問(wèn)題。對(duì)于儲(chǔ)能部分有源濾波器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 有源濾波器結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Structure model of active filter

儲(chǔ)能功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，四個(gè)有源電力部件(圖2 中的S1、S2、S3、S4)同時(shí)進(jìn)入穩(wěn)定負(fù)荷狀態(tài)，且每一個(gè)部件結(jié)構(gòu)均可以對(duì)電力信號(hào)進(jìn)行獨(dú)立負(fù)荷，所以即便是在主電路同時(shí)輸入大量相電壓、相電流的情況下，有源濾波器也不會(huì)表現(xiàn)出過(guò)量?jī)?chǔ)能行為。

2 基于超級(jí)電容技術(shù)的電力系統(tǒng)儲(chǔ)能功率調(diào)節(jié)方案

2.1 超級(jí)電容模型

RC 模型是最具代表性的超級(jí)電容模型，其中RES代表等效串聯(lián)電阻、C代表理想電容元件，如圖3所示。

圖3 超級(jí)電容RC模型Fig.3 Supercapacitor RC model

電力儲(chǔ)能功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)RES 等效電阻的運(yùn)行情況，可以確定超級(jí)電容器的發(fā)熱損耗特性，當(dāng)電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的超級(jí)電容器進(jìn)行充放電時(shí)，串聯(lián)等效電阻兩端產(chǎn)生電壓降；當(dāng)電力儲(chǔ)能系統(tǒng)超級(jí)電容器突然進(jìn)行恒流放電時(shí)，利用電壓降除以實(shí)時(shí)電流，就可以確定RES 的具體數(shù)值[4]。由此可以看出，RC 單元所應(yīng)用等效串聯(lián)電阻的數(shù)值越大，超級(jí)電容實(shí)際所能存儲(chǔ)的能量就越少，電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)時(shí)功率就越小。

設(shè)電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的電解質(zhì)離子為ψ，元電荷帶電量為C，RES 電阻的介電常數(shù)為x，電壓降為ξ，充放電向量為，開(kāi)爾文溫度為ω，開(kāi)爾文溫度下的儲(chǔ)能功率為vω，聯(lián)立上述物理量，可將超級(jí)電容模型表達(dá)式定義為：

由于電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行相對(duì)較為復(fù)雜，所以在針對(duì)儲(chǔ)能功率進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，有可能應(yīng)用不止一個(gè)超級(jí)電容模型。

2.2 串聯(lián)超級(jí)電容的電力脈沖功率控制

針對(duì)串聯(lián)超級(jí)電容的電力脈沖功率控制是一個(gè)連續(xù)控制行為，首先確定超級(jí)電容器在串聯(lián)電路中的電力表現(xiàn)，然后根據(jù)超級(jí)電容器電力表現(xiàn)進(jìn)行求導(dǎo)處理，最后確定電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率水平。

超級(jí)電容器電力表現(xiàn)計(jì)算見(jiàn)式(2)：

式中，m1、m2…mn分別表示不同串聯(lián)回路中的電容負(fù)載值，Amax表示超級(jí)電容器負(fù)載電平的最大值，A1、A2…An分別表示不同串聯(lián)回路中的負(fù)載電平。

超級(jí)電容器電力表現(xiàn)求導(dǎo)見(jiàn)式(3)：

式中,σ表示電感參數(shù)。

電力儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率計(jì)算見(jiàn)式(4)：

式中，Imax表示電力儲(chǔ)能系統(tǒng)傳輸電流的最大取值，表示超級(jí)電容器輸出電流的平均值。

聯(lián)立公式(1)～(4)，可將串聯(lián)超級(jí)電容的電力脈沖功率控制表達(dá)式定義為：

式中，P?表示電力儲(chǔ)能的實(shí)時(shí)脈沖功率，ΔQ表示儲(chǔ)能電力信號(hào)的單位脈沖強(qiáng)度。超級(jí)電容技術(shù)對(duì)于電力脈沖功率的控制作用沒(méi)有局限性，所以任何電力傳輸信號(hào)都能得到系統(tǒng)主機(jī)的調(diào)節(jié)處理。

3 結(jié) 論

在上述研究中，利用超級(jí)電容技術(shù)，對(duì)電力儲(chǔ)能功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。通過(guò)深入的研究與模擬系統(tǒng)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)在維持儲(chǔ)能功率穩(wěn)定性方面的有效性與可行性。這一新型技術(shù)手段的應(yīng)用，為電力資源的高效利用提供了有力支持。未來(lái)，相關(guān)科研單位可以在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，探索超級(jí)電容技術(shù)的其他應(yīng)用方向，力求在節(jié)約電力資源的同時(shí)，完成對(duì)儲(chǔ)能信號(hào)的合理利用，從而避免電能浪費(fèi)現(xiàn)象的出現(xiàn)。