基于超級電容的船用光伏并網系統功率控制

湯旭晶， 劉雄航， 孫玉偉， 邱爰超， 袁成清,b,c

(武漢理工大學 a.能源與動力工程學院； b.國家水運安全工程技術研究中心；c.交通運輸部船舶動力工程技術交通行業重點實驗室， 武漢 430063)

為應對能源危機和排放所帶來的環境污染[1]，各航運國家不斷探索新能源技術在船舶領域中的應用，光伏發電以其獨特的能源優勢和環保優勢被認為是最具有潛力的綠色船舶技術之一。當前，應用于各型船舶和水上設施平臺的光伏系統容量不斷增大，系統集成方案也逐步由離網型向并網型發展。[2-3]隨著光伏滲透率的逐步提高，光伏發電間歇性、不確定性和突變性等特點對船舶電力系統的穩定性造成的不利影響也在加劇。[4]因此，引入儲能裝置平抑光伏并網系統輸出功率波動是保障光伏并網系統船舶平臺工程化應用的技術途徑。目前，常規的解決方案是在船用光伏并網系統中配置磷酸鐵鋰電池儲能裝置。鋰電池能量密度較大，但其循環壽命和充放電效率低，當光伏發電功率突變時，不能較好地吸收功率高頻分量。[5]超級電容作為一種新型儲能元件，通過極化電解質溶液儲存電能，其儲能過程不發生化學反應。[6]儲能元件性能指標比較見表1。對比表1所列磷酸鐵鋰電池和超級電容性能指標[7]可看出：

1)超級電容充放電速度快，功率密度大，電能利用效率高。

2)超級電容循環壽命長，使用過程安全可靠，維護成本低。

3)超級電容的工作溫度為-40～75 ℃，適用于船舶艙室或機艙環境。

因此，將超級電容儲能集成在高滲透率船用光伏并網系統中，對光伏發電功率突變進行高頻補償更具技術和成本優勢。

表1 儲能元件性能指標比較

本文研究采用超級電容作為船用光伏并網系統的儲能裝置，當光伏控制器輸出功率發生突變時，利用超級電容對功率突變進行吸收或補償，使光伏并網功率平緩輸出。建立超級電容-光伏-船舶電力系統并網模型，對基于超級電容儲能的船用光伏并網系統和其控制策略進行仿真分析，并搭建試驗平臺以驗證超級電容在光伏控制器輸出功率突變情況下的功率平衡調控效果。

1 船用光伏并網系統結構

基于超級電容的船用光伏并網系統結構見圖1。光伏電池陣列將太陽能轉化為直流電能，由光伏控制器跟蹤最大功率并輸出至直流母線；超級電容和雙向DC/DC變換器構成功率調節裝置，補償或吸收光伏發電功率波動，使光伏并網功率按設定速率平緩輸出；光伏并網逆變器將直流母線上的電能逆變為與船舶電網同頻同相位的三相正弦交流電后，經三相升壓變壓器并入到船舶電站匯流排。

圖1 基于超級電容的船用光伏并網系統結構

2 系統核心設備數學模型及控制策略

2.1 光伏電池數學模型和輸出最大功率點控制

光伏電池等效電路圖見圖2。圖2中：Ipv和Id分別為光生電流和流過二極管的電流；Rs為串聯電阻；Rsh為旁漏電阻；U和I分別為光伏電池輸出電壓和電流。

圖2 光伏電池等效電路圖

依據光伏電池在標準測試條件(Standard Testing Conditions，STC)下的短路電流Isc、開路電壓Vsc、最大功率點電流Im和最大功率點電壓Vm，建立其數學模型[8]為

I=Isc{1-C1[exp(V/C2Voc)-1]}

(1)

(2)

(3)

根據實際運行環境對光伏電池參數的影響，對式(1)～式(3)的相應參數加以修正，為

(4)

光伏電池輸出特性易受環境因素影響。為最大限度地利用光伏電池產生的能量，對其輸出最大功率點(Maximum Power Point Tracking，MPPT)進行追蹤，本文利用擾動觀察法[9]的思想追蹤光伏最大功率點。

2.2 超級電容功率調節裝置及控制策略

超級電容和雙向DC/DC變換器所構成的功率調節裝置拓撲結構見圖3。直流母線位于高壓側，超級電容位于低壓側，半橋式雙向DC/DC變換器在其工作象限內，輸入輸出電壓極性不變，電流方向雙向變化，實現能量的雙向流動。[10]

在光伏并網系統中，電能在光伏控制器、超級電容和逆變器之間流動，不考慮變換器件功率損耗，系統運行時的功率平衡關系為

Psc=Ppv-Pac

(5)

式(5)中：Psc為超級電容輸出功率；Ppv為光伏控制器輸出功率；Pac為逆變器輸出功率。當Psc為正值時，電能由直流母線流向超級電容，雙向DC/DC變換器工作在BUCK模式；當Psc為負值時，電能由超級電容流向直流母線，DC/DC變換器工作在BOOST模式。[11]

超級電容功率調節裝置的充放電實際上是對雙向DC/DC變換器的工作模式進行控制。雙向DC/DC變換器以抑制并網輸出功率突變為控制目標，采用功率外環和電流內環的控制方式[12]，其控制結構框圖見圖4。

圖4 功率外環、電流內環控制結構框圖

功率外環將檢測到的超級電容輸出功率Psc與超級電容參考功率Pscref相比較。功率偏差信號經比例積分(Proportional Integral,PI)調節后作為電流內環的參考電流，考慮超級電容充放電的最大允許電流限制，參考電流進行限幅得Iscref，Iscref與超級電容電流Isc比較的偏差信號輸入電流調節器(PI環節)運算輸出調制信號，調制信號經脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation, PWM)輸出控制絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)。

2.3 并網逆變器恒功率控制

光伏并網逆變器采用恒功率PQ控制策略，原理見圖5。[13]

圖5 PQ控制策略原理圖

控制電路通過PLL鎖相技術從電網處獲取三相電壓頻率和相位，三相電壓Uabc和電流Iabc經dq變換得到電壓分量ud、uq和電流分量id、iq。Uabc經dq變換得：

(6)

由式(6)可知：靜止坐標系下的三相電壓ua、ub和uc經dq變換所得的電壓分量ud、uq不存在耦合關系，且d軸分量ud等于相電壓的幅值Um，q軸分量uq為0。

根據瞬時功率理論[14]，逆變輸出有功功率P和無功功率Q在靜止dq直角坐標系下為

(7)

將式(7)中的P和Q引入功率控制環節，與功率外環參考值Pref和Qref相比較，經PI運算得到內環電流參考信號Idref和Iqref，電流參考信號與實際電流id和iq相比較，經電流控制環節后輸出參考電壓Udref和Uqref，參考電壓經dp反變換得到調制信號Uref，再經正弦脈沖寬度調制(Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM)生成6路PWM信號控制三相逆變器輸出。

3 系統仿真算例設置

本文建立超級電容-光伏-船舶電力系統并網模型(見圖6)。該同步發電機功率為900 kW(有功功率720 kW)。從驗證并網功率控制有效性的角度考慮，不考慮多臺發電機組并聯的工況，僅將光伏發電并入由1臺同步發電機建立的船舶電力系統。光伏陣列采用18串20并的組合形式，在STC下的峰值功率為102.6 kW，光伏滲透率為14.25%。根據直流母線電壓等級(370～390VDC)，設計超級電容工作電壓區間為240～300VDC。為在光伏發電功率由最大功率輸出陡降為零的極端工況下，保證超級電容仍可支撐逆變器功率平緩輸出，超級電容儲能容量設置為6 kWh，最大輸出電流限制400 A。逆變器采用PQ控制策略，其輸出有功功率隨參考功率Pref變化。為根據光伏發電實時功率調整逆變器并網功率，建立逆變器和超級電容控制環節參考功率設定模型(見圖7)。光伏發電功率經低通濾波，濾除高頻量后限制其變化速率作為逆變器PQ控制環節的參考功率Pref，超級電容功率外環參考功率Pscref=PM-Pref。

圖7 參考功率設定

結合船舶實際運行環境，僅考慮輻照度的變化，忽略環境溫度的影響，進行仿真算例設置。輻照度變化曲線見圖8。初始輻照800 W/m2，10 s時突降至200 W/m2，20 s時突增為900 W/m2，30～40 s時間段內輻照度出現隨機波動，40 s時穩定在800 W/m2。仿真模型相關參數見表2。

圖8 輻照度變化曲線

4 仿真結果與分析

4.1 對電網頻率和功率波動的抑制作用

當輻照度變化時，船用光伏并網系統各設備功率(pu值有功功率計算基準值為720 kW)、船舶電網頻率和超級電容電流的變化情況見圖9～圖11。

表2 仿真模型相關參數

a)未接入超級電容

b)接入超級電容

1)10 s時輻照度由800 W/m2陡降至200 W/m2。未接入超級電容的系統并網輸出功率突降，同步發電機輸出功率增加，電網頻率突降0.3 Hz；在集成超級電容的光伏系統算例中，超級電容在輻照度陡降時瞬時輸出電流400 A(放電狀態)，0.2 s后恢復到250 A，并以-42 A/s的速率緩降，補償光伏控制器輸出功率突降，使光伏逆變器輸出功率按照設定的10 kW/s速率緩降，6 s后并網功率達到穩定。頻率的超調量小于0.05%，起到抑制電網頻率大幅突降的作用。

a)未接入超級電容

b)接入超級電容

圖11 超級電容輸出電流曲線

2)20 s時輻照度由200 W/m2升至900 W/m2。未接入超級電容的系統并網輸出功率突增，同步發電機輸出功率降低，電網頻率突增0.35 Hz；接入超級電容后，超級電容在輻照度突降時，瞬時輸出電流-350 A(充電狀態)，0.15 s后恢復至-250 A，并以36 A/s的速率充電吸收光伏控制器突增的功率，使并網輸出功率按照設定的10 kW/s速率緩增，引起同步發電機輸出功率緩變。調節過程頻率超調量小于0.05%，有效抑制電網頻率大幅突增。

3)30～40 s時間段輻照度隨機變化。未接入超級電容的系統，同步發電機輸出功率與并網輸出功率呈現反向變化，電網頻率始終上下波動，波動范圍0.5 Hz；在超級電容接入后，逆變器并網功率平緩輸出，輻照度隨機變化時電網頻率波動不超過0.05 Hz，抑制頻率波動效果明顯。利用傅里葉變換對輻照度隨機變化時光伏并網功率進行頻譜分析，其頻譜曲線見圖12。由圖12可知：并網功率波動主要集中在1 Hz以下,在超級電容接入后，并網功率頻譜曲線顯著降低，超級電容能較好地吸收并網功率波動的高頻分量(超0.01 Hz部分)，使逆變器并網功率平緩輸出。

圖12 逆變器并網功率頻譜曲線

4)當穩定運行時，光伏控制器執行MPPT過程存在數值尋優振蕩，并網逆變器PQ控制時參考功率Pref直接由光伏控制器輸出功率決定。未接入超級電容的系統同步發電機的輸出功率波動達到0.014 pu；在接入超級電容后，其調控作用使并網逆變器PQ控制的參考功率Pref設定更精確，降低光伏逆變并網輸出功率的振蕩，從而抑制同步發電機輸出功率波動，波動僅為0.006 pu。

4.2 對電壓波動的抑制作用

當輻照度突變時，船舶電網相電壓變化見圖13。未接入超級電容的電網相電壓出現突增或突降，電壓變化量最大為10 V，當輻照度隨機變化時，電網相電壓波動較顯著，見圖13a；在超級電容接入后，由于超級電容對逆變器并網輸出功率的調控作用，船舶電網相電壓未發生明顯波動，穩定在400 V的額定值，抑制船舶電網相電壓波動效果明顯，見圖13b。

a)未接入超級電容

b)接入超級電容

5 試驗系統運行測試與效果分析

利用超級電容—光伏并網試驗平臺，驗證超級電容在光伏控制器輸出功率突變情況下的功率平衡調控效果(見圖14)。試驗平臺逆變器額定功率100 kW(2臺50 kW逆變器并聯)，光伏控制器額定功率100 kW(2臺并聯輸出至直流母線，單臺最大輸出電流100 A)。為節約安裝空間,逆變器和控制器集成在逆變控制柜內，超級電容總容量6.3 kWh(工作電壓201.6～273.6 V，工作電流240 A)，超級電容瞬時最低輸出功率為48.24 kW，設定逆變器最高輸出功率為50 kW。采用直流電源模擬光伏輸入，通過設置光伏控制器輸出電壓和電流模擬光伏控制器輸出突變，試驗數據運用Beijer觸摸屏的SQL數據庫進行實時記錄存儲。

圖14 超級電容—光伏并網試驗平臺

試驗中光伏控制器、逆變器和超級電容的輸出功率變化曲線見圖15，超級電容輸出電流變化見圖16。在第0 s時光伏逆變器輸出功率為50 kW，增加光伏控制器輸出功率，控制器和逆變器輸出功率的差額由超級電容轉入充電狀態吸收，系統間的能量保持動態平衡；在第54 s時控制器停機(逆變器主控制電路與工控屏之間非實時數據通信，為準確記錄逆變器輸出功率的變化過程，將逆變器輸出功率下降率設定為1 kW/s)，在超級電容瞬時電流迅速由100 A(充電狀態)變為-190 A(放電狀態)時，5 s內穩定了逆變器輸出功率；隨后逆變器輸出功率以1 kW/s的速率緩降至0，超級電容以-5 A/s(放電狀態)的速率逐漸減小，以平衡逆變器輸出功率緩變過程的直/交流側功率平衡；在第150 s時進行模擬系統重啟狀態下的重復性試驗(逆變器輸出功率增長和下降率均設定為2 kW/s)。由圖15可知：光伏控制器輸出功率緩增(源于模擬光伏陣列的直流電源輸出功率調控為緩變過程)，而逆變器的實際輸出功率按照程序設定的速率變化，控制器與逆變器輸出功率的差額部分，通過超級電容轉入放電狀態實現實時動態補償；在第175 s時，逆變器輸出達到設定最高輸出功率，控制器輸出功率仍保持增長，2者間的功率差額逐漸減小，超級電容放電電流緩慢降低；在第240 s時光伏控制器再次停機，超級電容瞬時輸出電流迅速變為-190 A(放電狀態)，隨后緩慢減小以維持逆變器輸出功率的緩變。

圖15 光伏控制器、逆變器和超級電容輸出功率變化曲線

6 結束語

光伏發電的間歇性和隨機性制約其在船舶平臺的應用和發展，但集成超級電容可實現對光伏并網系統輸出功率的實時動態調控，降低光伏并網系統功率突變對船舶電力系統穩定性的影響。研究結果表明：

1)當輻照度變化時，超級電容能夠快速承擔光伏控制器輸出功率波動中的高頻分量部分，使并網輸出功率按照設定速率緩變，可有效抑制船舶同步發電機輸出功率、電網頻率和相電壓的突變，電網頻率突變率不超過0.05%、相電壓基本維持在400 V。同時，可在穩定運行時將同步發電機輸出功率波動控制在0.006 pu(4.32 kW)，起到有效抑制穩態功率波動的作用。

2)試驗平臺重復性試驗結果表明：超級電容能快速準確補充控制器與逆變器之間的差額功率，實現系統能量的動態平衡。當光伏控制器輸出功率突降時，超級電容能迅速從充電狀態切換至放電狀態，使逆變器的輸出功率平緩變化，從而抑制并網逆變器輸出功率突變。由于試驗條件有限，尚未對光伏控制器輸出功率突增情況下超級電容的響應過程試驗驗證。