DQZHAN技術(shù)訊：超級電容器在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)功率控制中的應用
摘要：并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的波動性和隨機性給并網(wǎng)后系統(tǒng)穩(wěn)定性、光伏發(fā)電消納以及光伏電站電能質(zhì)量等方面帶來了負面影響，制約了光伏發(fā)電的發(fā)展。針對這一問題，將超級電容器作為功率調(diào)節(jié)裝置，控制光伏并網(wǎng)系統(tǒng)按指定值平滑、準確地輸出功率，使光伏發(fā)電具有可調(diào)度性。在分析了超級電容特性、系統(tǒng)構(gòu)成和雙向DC/DC變換器狀態(tài)空間平均小信號模型的基礎(chǔ)上，提出功率、電流雙閉環(huán)反饋滯環(huán)電流控制策略，控制超級電容器吸收或補充輸出功率的波動成分。在PSCAD/EMTDC電力系統(tǒng)仿真軟件中構(gòu)建仿真模型，對提出的系統(tǒng)和控制策略進行了仿真分析，良好的仿真結(jié)果驗證了方法的可行性。
超級電容器也被稱為電化學電容（electrochemicalcapacitors）或雙電層電容器（electricaldoublelayerca-pacitor）。超級電容器具有功率密度極高、循環(huán)壽
命長、環(huán)境無污染和免維護等優(yōu)點，在一些短時電力儲能場合得到廣泛應用[1]。光伏發(fā)電技術(shù)日趨成熟，由于其具有清潔無污染、施工周期短、投資靈活、占地少、具有較好的
經(jīng)濟效益和社會效益等優(yōu)勢，已成為解決電力供應的有效途徑之一[2]。太陽能是一種不穩(wěn)定的能源，由于日照輻射度決定光伏組件的*大輸出功率，光照強度的變化使光伏電池的輸出功率發(fā)生變化，具有很大的隨機性[2]，這給光伏并網(wǎng)后系統(tǒng)的穩(wěn)定性、光伏發(fā)電消納以及光伏電站電能質(zhì)量等方面帶來了障礙，制約了光伏發(fā)電的發(fā)展。如何使光伏發(fā)電的輸出功率穩(wěn)定、可控是光伏發(fā)電技術(shù)中一個必須解決的問題。引入儲能裝置可以使光伏電源的功率輸出較平滑，有效改變或緩解光伏發(fā)電輸出功率的隨機性與波動性。研究表明，位于0.01～1Hz的波動功率對電網(wǎng)電能質(zhì)量及穩(wěn)定性的影響*大[3]，采用超級電容作為短時儲能裝置可以平抑該頻段功率波動[1]。超級電容和其它儲能形式聯(lián)合，構(gòu)成混合儲能配置到光伏發(fā)電系統(tǒng)中，能增強光伏并網(wǎng)系統(tǒng)功率的可調(diào)度性[4]。相對于跨區(qū)域電網(wǎng)輸電線路、調(diào)峰調(diào)頻機組、負荷端管理來說，在并網(wǎng)光伏系統(tǒng)加入超級電容，可以有效調(diào)峰，提高電網(wǎng)柔性和本地電網(wǎng)消納光伏發(fā)電的能力。無論是混合儲能還是短時儲能，超級電容器在功率調(diào)節(jié)的準確性方面都尤為重要。針對超級電容器應用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的文獻已有不少，但大多是利用超級電容器進行直流母線電壓的穩(wěn)定控制[5-6]，進而控制功率的平穩(wěn)輸出，但輸出功率值的準確可控方面仍有所欠缺。本文應用超級電容功率調(diào)節(jié)裝置對光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率進行調(diào)節(jié)，以按指定值平滑、準確地輸出功率，使其具有可調(diào)度性為目的，針對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和雙向DC/DC變換器模型，提出采用功率、電流雙閉環(huán)滯環(huán)電流的控制策略。
1超級電容器的性能
超級電容器將能量儲存在雙層電極的電解質(zhì)界面處。存儲容量與極板面積成正比，與電容器正負兩極板之間的距離成反比。電容值可由式（1）計算。
超級電容器具有以下特點：①電容量很大，已有電容量達2300F的超級電容器；②和普通電容器相比，具有很高的能量密度，是普通電容的10～100倍，一般可達20～70MJ/m；③漏電流極小，具有電壓記憶功能，電壓保持時間長；④充放電性能好，無需限流和充放電控制回路，不受充電電流限制，可快速充電，通常幾十秒；⑤儲存和使用壽命長，維修費用很小；⑥使用溫度范圍廣，可達–40～85℃，而電池僅為0～40℃；⑦比蓄電池**，即使短路，超級電容器也不會爆炸。在超級電容器充放電時，可以簡化等效為電容器C與內(nèi)阻Rs的串聯(lián)[7]，如圖1所示。圖中，Uc(t)為超級電容器的電壓；Is1、Is2分別為超級電容器的充放電電流。
2˙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行原理
2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由1個或多個基本單元組成，每個單元的容量約為0.3~1.0MW。大面積的光伏列陣組件通過直流升壓斬波（boost）DC/DC變換器，調(diào)節(jié)光伏列陣的輸出電壓，進行MPPT控制，實施光電轉(zhuǎn)換后經(jīng)直流母線匯集后分配給逆變部分，再由逆變器及濾波裝置轉(zhuǎn)換為滿足電能質(zhì)量要求的交流電，經(jīng)變壓器升壓后并網(wǎng)[8]。帶有超級電容器調(diào)節(jié)裝置的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。超級電容器組作為直流側(cè)的儲能元件，并聯(lián)于直流母線，與雙向DC/DC變換器構(gòu)成功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可在兩象限內(nèi)調(diào)節(jié)功率流動。雙向DC/DC變換器采用功率、電流雙閉環(huán)反饋滯環(huán)電流控制方式，響應速度快，結(jié)構(gòu)簡單。當功率P0波動時，為使系統(tǒng)輸出恒定或大小可控制于功率數(shù)值Pref，超級電容器調(diào)節(jié)裝置在控制器的控制下通過雙向DC/DC變換器進行功率的吸收或補償，吸收或補償?shù)墓β蕿棣，即
該裝置有以下2種工作模式。
（1）當功率大于指定功率Pref時，ΔP為正，功率差值由儲能裝置吸收，超級電容器充電，雙向DC/DC變換器工作在降壓斬波（buck）模式。
（2）當功率小于指定的輸出功率Pref時，ΔP為負，功率差值由儲能裝置補充，超級電容器放電，雙向DC/DC變換器工作在升壓斬波（boost）模式。
2.2雙向DC/DC變換器模型
雙向DC/DC變換器（Bi-directionalDC-DCconvert，BDC）是DC/DC變換器的雙象限運行，它的輸入、輸出電壓極性不變，輸入、輸出電流的方向可以改變。BDC實現(xiàn)了能量的雙向傳輸，在功能上相當于兩個單向DC/DC變換器，是典型的“一機兩用”設(shè)備。以控制光伏并網(wǎng)系統(tǒng)按指定功率平滑、準確地輸出功率為目的，采用Boost型BDC變換器來調(diào)控系統(tǒng)的能量流動，Boost型BDC變換器電路由圖3所示。
通過狀態(tài)平均法，經(jīng)過平均—小信號擾動—線性化處理，建立到Boost型BDC變換器的狀態(tài)空間平均小信號數(shù)學模型[9]如式（8）所示。
雙向DC/DC變換器是二階電路，取輸出功率和電感電流兩種反饋信號，實現(xiàn)雙閉環(huán)控制是符合*優(yōu)控制規(guī)律的。其中電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，相當于一個自動穩(wěn)流電源，實現(xiàn)電感電流的自動調(diào)節(jié)。功率環(huán)為外環(huán)，用來控制超級電容器吸收或補充輸出功率的波動成分，按指定功率輸出。為調(diào)節(jié)功率波動運行情況下系統(tǒng)的性能，可以增加前向通路中所含的積分環(huán)節(jié)數(shù)，即采用PI控制器來進行補償。
2.3滯環(huán)電流控制方法
滯環(huán)控制是一種應用很廣的閉環(huán)電流跟蹤控制方法[10]。基于滯環(huán)電流控制，制定雙向DC/DC變換器的控制策略，結(jié)構(gòu)簡單且反應快。采用恒定環(huán)寬變頻滯環(huán)電流控制時，電感電流i0作為反饋量與給定電流iref進行比較，再經(jīng)兩態(tài)滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制信號控制開關(guān)管通斷。在完整的控制過程中，以滯環(huán)電流控制作為系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，通過外環(huán)作用為滯環(huán)控制單元提供瞬時電流參考信號iref，作為滯環(huán)比較器的輸入，通過與實際電感電流反饋信號比較，產(chǎn)生相應的開關(guān)指令脈沖序列。在V1和VD1構(gòu)成降壓斬波電路時，V2導通狀態(tài)下，電感電流iL近似直線上升，當達到預定的滯環(huán)帶上限時，V1關(guān)斷，VD1續(xù)流，從而電感電流開始衰減。同樣，隨著電流減至滯環(huán)下限，又返回前一種狀態(tài)，如此周而復始進行，迫使電感電流跟蹤參考電流而變化，換言之，將電感電流限定于以參考電流為中心的滯環(huán)帶以內(nèi)，如圖4所示。同理，V2和VD2構(gòu)成升壓斬波電路時，電感電流也會限定于以參考電流為中心的滯環(huán)帶以內(nèi)。
2.4控制策略
以光伏并網(wǎng)系統(tǒng)輸出功率為控制目標，雙向DC/DC換流器采用功率、電流雙閉環(huán)反饋滯環(huán)電流控制方式，其控制框圖如圖5所示。光伏電池陣列輸出功率P0低于額定值時，并聯(lián)于直流母線的DC/DC雙向換流器工作于升壓（boost）狀態(tài)，超級電容器釋放能量給直流母線；光伏電池陣列輸出功率P0高于額定值時，控制DC/DC雙向換流器工作于降壓（buck）狀態(tài)，超級電容器吸收直流母線的多余功率。將檢測到的光伏電池陣列輸出功率P0與參考功率Pref比較，得到偏差信號，以此作為PI調(diào)節(jié)器的輸入，PI調(diào)節(jié)器的輸出結(jié)果與電感電流比較，經(jīng)兩態(tài)滯環(huán)比較器產(chǎn)生相應的開關(guān)指令脈沖序列，驅(qū)動雙向DC/DC換流器開關(guān)。
3˙仿真分析
在PSCAD/EMTDC電力系統(tǒng)仿真軟件中建立了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)以輸出功率為控制量的仿真模型。仿真主要參數(shù)為：光伏系統(tǒng)額定有功功率4.2kW，直流母線電壓400V，超級電容器儲能單元的參數(shù)為電容量0.5F、電壓300V，斬波器串聯(lián)電感為30μH，IGBT開關(guān)頻率為3000Hz。未接入超級電容功率調(diào)節(jié)裝置時，光照波動情況下光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的工作情況如圖6(a)所示：1~3s，系統(tǒng)恒定輸出有功功率4.2kW；3~4s，光照變強，系統(tǒng)輸出有功功率5.8kW；4.5s，光照變?nèi)酰夥到y(tǒng)輸出有功功率3.5kW，整個過程功率的輸出有功功率有巨**動。接入超級電容功率調(diào)節(jié)裝置時，光照波動情況下光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的工作情況如圖6(b)所示：在光照波動的過程中，輸出有功功率基本穩(wěn)定在參考值4.2kW，3s有微小波動后迅速恢復穩(wěn)定。由上述仿真結(jié)果可知，當光照發(fā)生變化時，光伏電池陣列輸出功率隨之降低或者升高，超級電容器功率調(diào)節(jié)裝置通過DC/DC雙向變換器釋放或吸收能量，可以快速地調(diào)節(jié)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)按指定值平滑、準確地輸出功率，使該系統(tǒng)具有可調(diào)度性。
4˙結(jié)論
以超級電容器作為功率調(diào)節(jié)裝置，提出功率-電流雙閉環(huán)置換電流控制策略，通過DC/DC雙向變換器并聯(lián)于直流母線，充分發(fā)揮超級電容器性能優(yōu)勢，抑制并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的波動性和隨機性。基于PSCAD/EMTDC建立了仿真模型，仿真結(jié)果驗證了系統(tǒng)和控制策略的可行性，超級電容功率調(diào)節(jié)裝置快速吸收或補充輸出功率的波動成分，控制光伏并網(wǎng)系統(tǒng)按指定值平滑、準確地輸出功率，使光伏發(fā)電系統(tǒng)具有可調(diào)度性。為光伏并網(wǎng)后系統(tǒng)穩(wěn)定性、光伏發(fā)電消納以及光伏電站電能質(zhì)量的提高提供了好的參考。
