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

宋志峰，段衛(wèi)鋒，馬 磊

（1濮陽職業(yè)技術(shù)學院，2中國石化中原油田分公司天然氣處理廠，3濮陽市公安局信息技術(shù)科，河南 濮陽 457000）

電力儲能系統(tǒng)是將電能轉(zhuǎn)化為其他形式能量并存儲起來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)的化學類電源，超級電容儲能過程中不涉及化學反應，且能量存儲行為具有可逆特性，所以該類型電池元件可以反復充放電數(shù)十萬次[1]。此外，在超級電容技術(shù)支持下，電力系統(tǒng)雙電層的間距相對較小，即便在低電壓直流或是低頻場強中也可以作為儲能元件。

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

1.1 電力部分的主電路

主電路提供電力儲能功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)所需的電量信號，可以同時調(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，完成對儲能功率的穩(wěn)定性調(diào)節(jié)。但是完成儲能功率調(diào)節(jié)所需的相電壓、相電流水平相對較高，而電力儲能終端所負荷的電力水平較低，因此在設(shè)計主電路時，需利用雙向逆變結(jié)構(gòu)，完成對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)與電力儲能終端之間，當儲能終端進行電力轉(zhuǎn)換時，雙向逆變結(jié)構(gòu)改變雙相電網(wǎng)所輸出電力信號的負載形式，對其相電壓、相電流水平進行分別調(diào)節(jié)，當其電平狀態(tài)達到電力終端儲能需求后，所存儲電力信號才會經(jīng)由導線，進入下級終端體系。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

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

1.2 儲能部分的有源濾波器

電力儲能功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)儲能部分的有源濾波器主要用來抑制動態(tài)電壓與電流諧波，從而避免相電壓、相電流出現(xiàn)明顯波動狀態(tài)，可以在補償儲能網(wǎng)絡(luò)無功功率的同時，避免電力信號負荷頻率出現(xiàn)變化，達到維穩(wěn)儲能功率的目的。相較于無源型的濾波器組件，有源濾波器在儲能過程中能夠?qū)﹄娏χC波進行均分處理，并能夠產(chǎn)生與已存儲諧波分量大小相等、方向相反的補償電壓與補償電流，以用來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，達到消除電力諧波的目的[3]。雖然，有源濾波器在儲能過程中會消耗一定的電力信號，但由于補償處理是一種動態(tài)化行為模式，所以被消耗的電量會被主電路后續(xù)輸出的電力信號所填補，并不會造成儲能量缺失的問題。對于儲能部分有源濾波器結(jié)構(gòu)的設(shè)計如圖2所示。

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

儲能功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)運行過程中，四個有源電力部件(圖2 中的S1、S2、S3、S4)同時進入穩(wěn)定負荷狀態(tài)，且每一個部件結(jié)構(gòu)均可以對電力信號進行獨立負荷，所以即便是在主電路同時輸入大量相電壓、相電流的情況下，有源濾波器也不會表現(xiàn)出過量儲能行為。

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

2.1 超級電容模型

RC 模型是最具代表性的超級電容模型，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 超級電容RC模型Fig.3 Supercapacitor RC model

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

設(shè)電力儲能系統(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，開爾文溫度為ω，開爾文溫度下的儲能功率為vω，聯(lián)立上述物理量，可將超級電容模型表達式定義為：

由于電力儲能系統(tǒng)的運行相對較為復雜，所以在針對儲能功率進行調(diào)節(jié)時，有可能應用不止一個超級電容模型。

2.2 串聯(lián)超級電容的電力脈沖功率控制

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

超級電容器電力表現(xiàn)計算見式(2)：

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

超級電容器電力表現(xiàn)求導見式(3)：

式中,σ表示電感參數(shù)。

電力儲能系統(tǒng)輸出功率計算見式(4)：

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

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

式中，P?表示電力儲能的實時脈沖功率，ΔQ表示儲能電力信號的單位脈沖強度。超級電容技術(shù)對于電力脈沖功率的控制作用沒有局限性，所以任何電力傳輸信號都能得到系統(tǒng)主機的調(diào)節(jié)處理。

3 結(jié) 論

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