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        超級(jí)電容在風(fēng)力發(fā)電功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的應(yīng)用

        2013-08-15 03:36:06陶夢江張曉呼小亮秦魏
        電氣傳動(dòng) 2013年11期
        關(guān)鍵詞:線電壓雙向風(fēng)電場

        陶夢江,張曉,呼小亮,秦魏

        (中國礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

        1 引言

        風(fēng)力發(fā)電是技術(shù)最成熟、經(jīng)濟(jì)效益最好的新能源技術(shù)。但是由于風(fēng)能的間歇性導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組輸出功率不穩(wěn)定,影響風(fēng)機(jī)并網(wǎng)。且并網(wǎng)風(fēng)機(jī)容量越大,對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行危害也越大,所以保證風(fēng)機(jī)組輸出功率穩(wěn)定是風(fēng)電技術(shù)推廣的關(guān)鍵。

        目前,調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)功率技術(shù)主要有直接調(diào)節(jié)風(fēng)力渦輪機(jī)、并聯(lián)無功補(bǔ)償裝置等,但上述方法在調(diào)節(jié)能力、平抑有功上無法進(jìn)一步滿足系統(tǒng)要求[1]。儲(chǔ)能技術(shù)是目前調(diào)節(jié)功率的重要手段,可以對(duì)風(fēng)機(jī)組輸出的功率削峰填谷,使注入電網(wǎng)的功率穩(wěn)定。相對(duì)于蓄電池、飛輪和超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù),超級(jí)電容作為新興儲(chǔ)能元件,具有循環(huán)壽命長、充放電快等特點(diǎn)[2]。在風(fēng)電系統(tǒng)中,可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行瞬時(shí)功率平衡控制,提高穩(wěn)定性。超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)可以保持直流母線電壓穩(wěn)定,平衡系統(tǒng)功率,結(jié)構(gòu)簡單,控制方便[3]。超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)能量在并網(wǎng)時(shí)可采用電流前饋解耦和有功無功控制,對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)出的功率進(jìn)行削峰填谷,使并入電網(wǎng)的功率恒定,具有良好的應(yīng)用前景。

        2 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)

        儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包括超級(jí)電容組、雙向直流變換器、逆變器。雙向直流變換器作為超級(jí)電容與直流側(cè)能量交換的通道可以提高電容的利用率[3]。逆變器采用有功無功控制,在整流和逆變狀態(tài)之間切換。

        圖1 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)Fig.1 Supercapacitor energy storage system

        2.1 超級(jí)電容

        超級(jí)電容的基本工作原理是雙電層原理,儲(chǔ)能過程可逆。在分析時(shí),采用如圖2所示的RC模型。包括理想電容C、等效串聯(lián)內(nèi)阻RESR、等效并聯(lián)內(nèi)阻REPR。RESR影響超級(jí)電容充放電效率,REPR影響電容自放電,即長期靜止儲(chǔ)能。本系統(tǒng)中超級(jí)電容短時(shí)儲(chǔ)能,故 REPR可忽略[2,4]。

        圖2 超級(jí)電容經(jīng)典模型Fig.2 The supercapacitorclassic model

        2.2 互補(bǔ)控制的雙向Buck/Boost變換器

        如圖3所示,雙向Buck/Boost變換器在功率傳輸上相當(dāng)于2個(gè)單向Buck,Boost變換器,可以大幅減輕系統(tǒng)的體積重量和成本,提高系統(tǒng)效率[5]。

        圖3 雙向Buck/Boost變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Bi-directional Buck/Boost converter topology

        在單向變換器的開關(guān)管上反并聯(lián)二極管,在二極管上反并聯(lián)開關(guān)管就可以得到雙向變換器。雙向Buck/Boost電路有3種工作模式[5-6]:Buck工作模式、Boost工作模式、交替工作方式。分別對(duì)應(yīng)2種控制方法[3-5]:1)獨(dú)立PWM控制,與不同時(shí)作用,一組工作另一組封鎖;2)互補(bǔ)PWM控制,兩組開關(guān)管互補(bǔ)工作,同時(shí)動(dòng)作。相較于獨(dú)立PWM控制,互補(bǔ)控制可以獲得軟開關(guān)工作條件,動(dòng)態(tài)性能更好,不會(huì)出現(xiàn)電流斷續(xù)。風(fēng)電系統(tǒng)中,超級(jí)電容需要快速充放電,頻繁吸收/發(fā)出有功,所以本文適合采用互補(bǔ)PWM控制。

        采用狀態(tài)空間平均法,可以獲得Buck變換器的控制模型[6-8]。輸入到輸出的傳遞函數(shù)為

        從控制到輸出的傳遞函數(shù)為

        Boost電路與之相似。雙向Buck/Boost電路采用雙閉環(huán)的電流模式。圖4中直流母線電壓給定值與實(shí)際輸出電壓Udc的偏差通過PI電壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié),最終得到電流的給定值與實(shí)際電流IL的偏差通過PI電流調(diào)節(jié)器所得到的輸出,經(jīng)過脈寬調(diào)制產(chǎn)生雙向DC/DC變換器開關(guān)器件的控制信號(hào)。如圖4所示,結(jié)合工程設(shè)計(jì)方法[8]電流環(huán)校正為典型Ⅰ系統(tǒng),電壓環(huán)校正成典型Ⅱ系統(tǒng)。

        圖4 雙向Buck/Boost變換器控制框圖Fig.4 Bi-directional DC-DC converter control block diagram

        3 逆變器解耦與有功無功控制

        逆變器并網(wǎng)要求逆變器輸出正弦波電流,并網(wǎng)電流實(shí)時(shí)跟蹤電網(wǎng)電壓頻率、相位和并網(wǎng)容量給定的變化,總畸變率要低。

        3.1 逆變器數(shù)學(xué)模型

        如圖5所示ea,eb,ec為三相電網(wǎng)電動(dòng)勢,L為濾波電感,R為線路與開關(guān)管的等效電阻,Cdc為直流側(cè)穩(wěn)壓電容,Sa,b,c為開關(guān)函數(shù)。

        在三相靜止坐標(biāo)系下,逆變器的電路平衡方程,由三相靜止坐標(biāo)系到兩相同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系獲得逆變器數(shù)學(xué)模型:

        式中:ed,eq為三相電網(wǎng)電動(dòng)勢矢量的d,q分量;ud,uq為逆變器輸出端基波相電壓矢量的d,q分量;id,iq為三相電流合成矢量的d,q分量;Sd,Sq為開關(guān)函數(shù)(Sa,Sb,Sc)的d,q分量。ud,uq和直流側(cè)電壓Udc滿足ud=SdUdc,uq=SqUdc的關(guān)系。

        3.2 逆變器前饋解耦和有功無功控制

        在三相三線制系統(tǒng)中,將從abc坐標(biāo)系經(jīng)Clarke變換到αβ坐標(biāo)系中,如圖6所示,在αβ坐標(biāo)系中電流電壓矢量表達(dá)式分別為

        圖6 α-β坐標(biāo)系與d-q坐標(biāo)定向矢量Fig.6 α-βcoordinate system and orientation vector d-q coordinate

        有功、無功表達(dá)式為

        由Park變換后進(jìn)一步可得:

        如果三相電網(wǎng)電壓合成矢量E與d-q坐標(biāo)中的d軸重合同向,對(duì)于三相平衡系統(tǒng),逆變器輸出的有功功率和無功功率可以表示為

        輸出的有功可由d軸電流進(jìn)行調(diào)節(jié),當(dāng)id>0時(shí),工作在逆變狀態(tài),功率由直流側(cè)流向電網(wǎng);當(dāng)id<0時(shí)工作在整流狀態(tài),功率從電網(wǎng)測流入直流側(cè)。無功由q軸電流調(diào)節(jié),無功電流iq絕對(duì)值越小,功率因數(shù)越高;當(dāng)iq=0時(shí)逆變器工作在單位功率因數(shù)狀態(tài)。因此在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下通過控制d,q軸電流就可以控制并網(wǎng)系統(tǒng)輸送到電網(wǎng)的有功和無功。

        從模型可知d-q軸變量相互耦合,電壓無法進(jìn)行單獨(dú)控制,控制器設(shè)計(jì)較為困難。為此引入有功電流id、無功電流iq的前饋解耦控制如圖7所示,解耦方程為

        圖7 電流解耦控制框圖Fig.7 Current decoupling control block diagram

        由于2個(gè)電流PI調(diào)節(jié)器具有對(duì)稱性,因此設(shè)計(jì)方法以及參數(shù)相同[8],電流控制器設(shè)計(jì)典型Ⅰ系統(tǒng)??傻媚孀兤饔泄o功控制框圖如圖8所示。

        圖8 逆變器有功無功控制框圖Fig.8 Inverter PQ control block diagram

        4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析

        4.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)抑制直流母線電壓波動(dòng)

        仿真參數(shù)設(shè)計(jì):模擬母線電壓100 V,正負(fù)波動(dòng)10%,超級(jí)電容采用1800 F/2.7 V共50只超級(jí)電容串聯(lián)組成的超級(jí)電容組額定電壓為135 V,等效串聯(lián)內(nèi)阻RESR=0.35Ω,開關(guān)頻率f=20 kHz,L=116.64×10-6H,C=40 F。最終仿真電路如圖9所示。

        圖9 直流母線電壓波動(dòng)抑制實(shí)驗(yàn)仿真電路Fig.9 DC bus voltage fluctuation suppression simulation system

        由圖10、圖11可知,實(shí)際輸出直流母線電壓正負(fù)波動(dòng)由10%降至2.4%左右,最終直流母線電壓基本穩(wěn)定在100 V,電壓偏差信號(hào)也穩(wěn)定在0??梢娨种颇妇€電壓波動(dòng)的目標(biāo)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。

        圖10 不加入超級(jí)電容時(shí)直流母線電壓波動(dòng)±10%Fig.10 ±10%ofbus voltage fluctuations withoutsuper capacitor

        圖11 加入超級(jí)電容后電壓波動(dòng)由10%降為2.4%Fig.11 InstallSCES voltage fluctuations from 10%to 2.4%

        如圖12、圖13所示超級(jí)電容電壓在100 V至2 V之間變化,在充放電狀態(tài)之間不斷轉(zhuǎn)換,始終為正,電感電流同時(shí)也在正負(fù)之間不斷變換,可知超級(jí)電容通過雙向直流變換器和直流母線之間實(shí)現(xiàn)能量雙向傳輸。

        圖12 超級(jí)電容電壓在100 V和2 V之間變化Fig.12 Supercapacitorvoltage between 100 V and 2 V

        圖13 電感電流在正負(fù)之間變化Fig.13 Inductor current between positive and negative

        4.2 風(fēng)電場功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        參數(shù)設(shè)計(jì):超級(jí)電容器模型組整體指標(biāo),容量4.35 F,額定電壓540 V,最大電壓583.2 V,儲(chǔ)能量738.72 kJ,內(nèi)阻R<1 Ω。設(shè)計(jì)系統(tǒng)功率為15 kW;直流側(cè)電壓給定值為630 V;三相電網(wǎng)為220 V,50 Hz;并網(wǎng)電感 L=0.11 H,R=0.05Ω 。LBDC=5×10-3H,CBDC=3 F。PQ控制給定分別為:有功功率P=1500 W上下大幅波動(dòng);無功Q=300 W。功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖如圖14、圖15所示。

        圖14 風(fēng)電場超級(jí)電容功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)Fig.14 Wind farm super capacitor power conditioning system

        圖15 風(fēng)電場超級(jí)電容功率調(diào)節(jié)仿真系統(tǒng)Fig.15 Wind farm super capacitor power conditioning simulation system

        如圖16所示系統(tǒng)輸出電壓電流波形存在一定的相位差,與無功指令Q不為零的設(shè)計(jì)相符。如圖17~圖19所示,超級(jí)電容電壓在工作初始階段1~1.5 s間有一次大的跌落,這是由于超級(jí)電容和交流側(cè)能量交換不是直接進(jìn)行的,而是通過直流測的濾波電容做為中間單元實(shí)現(xiàn)的,在初始階段超級(jí)電容需要為濾波電容充電,所以在圖17中超級(jí)電容電壓有一次大的跌落,之后在498 V上下波動(dòng),處在充放電變化狀態(tài)。

        同時(shí)圖18所示直流側(cè)濾波電感電流在0 A上下正負(fù)波動(dòng),與超級(jí)電容電壓相對(duì)應(yīng),可知超級(jí)電容輸出功率時(shí)正時(shí)負(fù)與充放電狀態(tài)對(duì)應(yīng)。

        圖16 逆變器輸出A相電壓電流Fig.16 Inverter out put of A phase voltage and current

        圖17 超級(jí)電容電壓Fig.17 Super capacitor voltage

        圖18 直流側(cè)電感電流波形Fig.18 DC side of the inductor current

        圖19 直流母線電壓Fig.19 DC bus voltage

        由圖20~圖21可知,雖然有功功率P給定始終處在波動(dòng)狀態(tài),但直流母線電壓在濾波電容充電完成后,基本穩(wěn)定在雙向DC/DC控制給定的630 V,由于風(fēng)力發(fā)電功率波動(dòng)時(shí)常導(dǎo)致直流母線電壓的突然增加,在加入超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)后,得到了解決。

        圖20 模擬風(fēng)電場輸出有功功率波動(dòng)波形Fig.20 The analog wind farm active power fluctuations

        觀察圖20~圖21,逆變器輸出的有功功率波形與模擬風(fēng)電場輸出有功功率的波形反相,疊加后相互抵消為零,實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)功率調(diào)節(jié)器削峰填谷的目標(biāo),消除風(fēng)電場輸出功率的波動(dòng)部分,穩(wěn)定并網(wǎng)功率。

        圖21 逆變器輸出有功功率P和無功Q的波形Fig.21 Inverter out put active and reactive power

        5 結(jié)論

        針對(duì)風(fēng)能的隨機(jī)性和間歇性導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動(dòng),對(duì)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)產(chǎn)生十分不利的影響。本文設(shè)計(jì)了基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的風(fēng)電系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng),該功率系統(tǒng)目標(biāo)是對(duì)風(fēng)電場的輸出功率實(shí)現(xiàn)削峰填谷,盡可能地減少風(fēng)電場輸出的有功無功的波動(dòng)即將風(fēng)電場輸出功率分為恒定部分和波動(dòng)部分,剝離二者,吸收波動(dòng),為電網(wǎng)和負(fù)荷提供恒定的功率。最后使用Matlab/Simulink仿真結(jié)果證明系統(tǒng)的可行性和實(shí)用性。

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