超級電容器在光伏并網系統功率控制中的應用

姜 喆，尹忠東

（華北電力大學，新能源電力系統國家重點實驗室，北京102206）

超級電容器也被稱為電化學電容（electrochemical capacitors）或雙電層電容器（electrical double layer ca-pacitor）。超級電容器具有功率密度極高、循環壽命長、環境無污染和免維護等優點，在一些短時電力儲能場合得到廣泛應用[1]。

光伏發電技術日趨成熟，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]。太陽能是一種不穩定的能源，由于日照輻射度決定光伏組件的最大輸出功率，光照強度的變化使光伏電池的輸出功率發生變化，具有很大的隨機性[2]，這給光伏并網后系統的穩定性、光伏發電消納以及光伏電站電能質量等方面帶來了障礙，制約了光伏發電的發展。如何使光伏發電的輸出功率穩定、可控是光伏發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電輸出功率的隨機性與波動性。

研究表明，位于0.01～1 Hz的波動功率對電網電能質量及穩定性的影響最大[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合，構成混合儲能配置到光伏發電系統中，能增強光伏并網系統功率的可調度性[4]。相對于跨區域電網輸電線路、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的準確性方面都尤為重要。針對超級電容器應用于光伏發電系統的文獻已有不少，但大多是利用超級電容器進行直流母線電壓的穩定控制[5-6]，進而控制功率的平穩輸出，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裝置對光伏發電系統的輸出功率進行調節，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，針對系統結構和雙向 DC/DC變換器模型，提出采用功率、電流雙閉環滯環電流的控制策略。

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2300 F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20～70 MJ/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比蓄電池安全，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[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。

圖1 超級電容器等值電路模型Fig.1 Equivalent circuit model of ultra-capacitor

設U0為電容器初始電壓，U1(t)和U2(t)為電容器充放電時的電壓，則電容器在充電和放電時，伏安特由式（2）、式（3）表示

超級電容器充放電時間可以按照式（4）、式（5）計算，即

式中，dv為超級電容的端電壓變化；t為超級電容的充放電時間，h。

設Uw、Uv分別為電容充電完成與放電完成時的電壓值，則電容器存儲的能量Wu可以表示為

根據特定充放電時間和電容充電完成與放電完成時的電壓Uw、Uv可以確定超級電容器的容量C。

2 系統結構和運行原理

2.1 系統結構

并網光伏發電系統一般由1個或多個基本單元組成，每個單元的容量約為0.3～1.0 MW。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裝置的并網光伏發電系統結構如圖2所示。超級電容器組作為直流側的儲能元件，并聯于直流母線，與雙向 DC/DC變換器構成功率調節系統，可在兩象限內調節功率流動。雙向 DC/DC變換器采用功率、電流雙閉環反饋滯環電流控制方式，響應速度快，結構簡單。

當功率P0波動時，為使系統輸出恒定或大小可控制于功率數值Pref，超級電容器調節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。

圖2 系統結構示意圖Fig.2 Schematic configuration of the system

2.2 雙向DC/DC變換器模型

雙向 DC/DC變換器（Bi-directional DC-DC convert，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變換器來調控系統的能量流動，Boost型BDC變換器電路由圖3所示。通過狀態平均法，經過平均—小信號擾動—線性化處理，建立到Boost型BDC變換器的狀態空間平均小信號數學模型[9]如式（8）所示。

圖3 超級電容器直流儲能單元的電路拓撲Fig. 3 The topology of DC circuit the energy storage unit with super-capacitors

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，實現雙閉環控制是符合最優控制規律的。其中電流環為內環，相當于一個自動穩流電源，實現電感電流的自動調節。功率環為外環，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。為調節功率波動運行情況下系統的性能，可以增加前向通路中所含的積分環節數，即采用PI控制器來進行補償。

2.3 滯環電流控制方法

滯環控制是一種應用很廣的閉環電流跟蹤控制方法[10]。基于滯環電流控制，制定雙向 DC/DC變換器的控制策略，結構簡單且反應快。采用恒定環寬變頻滯環電流控制時，電感電流i0作為反饋量與給定電流iref進行比較，再經兩態滯環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，以滯環電流控制作為系統的內環，通過外環作用為滯環控制單元提供瞬時電流參考信號iref，作為滯環比較器的輸入，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導通狀態下，電感電流iL近似直線上升，當達到預定的滯環帶上限時，V1關斷，VD1續流，從而電感電流開始衰減。同樣，隨著電流減至滯環下限，又返回前一種狀態，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帶以內。

圖4 滯環電流跟蹤控制原理波形Fig.4 The principle waveform of hysteresis current tracking control

2.4 控制策略

以光伏并網系統輸出功率為控制目標，雙向DC/DC換流器采用功率、電流雙閉環反饋滯環電流控制方式，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，并聯于直流母線的DC/DC雙向換流器工作于升壓（boost）狀態，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，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調節器的輸入，PI調節器的輸出結果與電感電流比較，經兩態滯環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IGBT的通斷。

圖5 功率-電流雙閉環反饋滯環電流控制框圖Fig.5 Block diagram of power and current double closed-loop with feedback hysteresis current control

3 仿真分析

在 PSCAD/EMTDC 電力系統仿真軟件中建立了光伏并網系統以輸出功率為控制量的仿真模型。仿真主要參數為：光伏系統額定有功功率4.2 kW，直流母線電壓400 V，超級電容器儲能單元的參數為電容量0.5 F、電壓300 V，斬波器串聯電感為30 μH，IGBT開關頻率為3000 Hz。未接入超級電容功率調節裝置時，光照波動情況下光伏并網系統的工作情況如圖6(a)所示：1～3 s，系統恒定輸出有功功率 4.2 kW；3～4 s，光照變強，系統輸出有功功率5.8 kW；4.5 s，光照變弱，光伏系統輸出有功功率3.5 kW，整個過程功率的輸出有功功率有巨大波動。接入超級電容功率調節裝置時，光照波動情況下光伏并網系統的工作情況如圖6(b)所示：在光照波動的過程中，輸出有功功率基本穩定在參考值4.2 kW，3 s有微小波動后迅速恢復穩定。

圖6 光伏并網系統輸出有功功率Fig.6 Exporting active power of photovoltaic grid-connected system

由上述仿真結果可知，當光照發生變化時，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，可以快速地調節光伏并網系統按指定值平滑、準確地輸出功率，使該系統具有可調度性。

4 結 論

以超級電容器作為功率調節裝置，提出功率-電流雙閉環置換電流控制策略，通過 DC/DC雙向變換器并聯于直流母線，充分發揮超級電容器性能優勢，抑制并網光伏發電系統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和控制策略的可行性，超級電容功率調節裝置快速吸收或補充輸出功率的波動成分，控制光伏并網系統按指定值平滑、準確地輸出功率，使光伏發電系統具有可調度性。為光伏并網后系統穩定性、光伏發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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