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發(fā)布日期:2022-10-21 點擊率:25
DQZHAN技術訊:超級電容器在光伏并網系統(tǒng)功率控制中的應用
摘要:并網光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的波動性和隨機性給并網后系統(tǒng)穩(wěn)定性、光伏發(fā)電消納以及光伏電站電能質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節(jié)裝置,控制光伏并網系統(tǒng)按指定值平滑、準確地輸出功率,使光伏發(fā)電具有可調度性。在分析了超級電容特性、系統(tǒng)構成和雙向DC/DC變換器狀態(tài)空間平均小信號模型的基礎上,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的波動功率對電網電能質量及穩(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,構成混合儲能配置到光伏發(fā)電系統(tǒng)中,能增強光伏并網系統(tǒng)功率的可調度性[4]。相對于跨區(qū)域電網輸電線路、調峰調頻機組、負荷端管理來說,在并網光伏系統(tǒng)加入超級電容,可以有效調峰,提高電網柔性和本地電網消納光伏發(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節(jié)裝置對光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率進行調節(jié),以按指定值平滑、準確地輸出功率,使其具有可調度性為目的,針對系統(tǒng)結構和雙向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??;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)結構和運行原理
2.1系統(tǒng)結構
并網光伏發(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,調節(jié)光伏列陣的輸出電壓,進行MPPT控制,實施光電轉換后經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換為滿足電能質量要求的交流電,經變壓器升壓后并網[8]。帶有超級電容器調節(jié)裝置的并網光伏發(fā)電系統(tǒng)結構如圖2所示。超級電容器組作為直流側的儲能元件,并聯(lián)于直流母線,與雙向DC/DC變換器構成功率調節(jié)系統(tǒng),可在兩象限內調節(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,結構簡單。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值Pref,超級電容器調節(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,吸收或補償的功率為ΔP,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”設備。以控制光伏并網系統(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,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,結構簡單且反應快。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,再經兩態(tài)滯環(huán)比較器產生控制信號控制開關管通斷。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,產生相應的開關指令脈沖序列。在V1和VD1構成降壓斬波電路時,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,如圖4所示。同理,V2和VD2構成升壓斬波電路時,電感電流也會限定于以參考電流為中心的滯環(huán)帶以內。
2.4控制策略
以光伏并網系統(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調節(jié)器的輸入,PI調節(jié)器的輸出結果與電感電流比較,經兩態(tài)滯環(huán)比較器產生相應的開關指令脈沖序列,驅動雙向DC/DC換流器開關。
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系統(tǒng)以輸出功率為控制量的仿真模型。仿真主要參數為: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為電容量0.5F、電壓300V,斬波器串聯(lián)電感為30μH,IGBT開關頻率為3000Hz。未接入超級電容功率調節(jié)裝置時,光照波動情況下光伏并網系統(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,光照變弱,光伏系統(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節(jié)裝置時,光照波動情況下光伏并網系統(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,可以快速地調節(jié)光伏并網系統(tǒng)按指定值平滑、準確地輸出功率,使該系統(tǒng)具有可調度性。
4˙結論
以超級電容器作為功率調節(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,仿真結果驗證了系統(tǒng)和控制策略的可行性,超級電容功率調節(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)具有可調度性。為光伏并網后系統(tǒng)穩(wěn)定性、光伏發(fā)電消納以及光伏電站電能質量的提高提供了好的參考。
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