駱昊

（福建省福能新能源有限責任公司，福建莆田　351100）

試論超級電容儲能在風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越中的應(yīng)用

駱昊

（福建省福能新能源有限責任公司，福建莆田351100）

風(fēng)力發(fā)電作為可再生清潔能源，越來越受到世界各國的重視，然而隨著并網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機組規(guī)模的擴大，由于風(fēng)的隨機性和波動性造成電力系統(tǒng)故障引發(fā)風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越問題，容易導(dǎo)致大面積的風(fēng)電機組脫網(wǎng)運行。而超級電容儲能系統(tǒng)作為最近才得到發(fā)展應(yīng)用的儲能裝置，能夠很好的解決風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越過程中遇到的問題，對于提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性具有重要的意義。

超級電容儲能系統(tǒng)低電壓穿越風(fēng)力發(fā)電控制方案

1　引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科技的進步，以及新能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電越來越受到重視，技術(shù)上也越來越成熟，但在實際的應(yīng)用過程中也存在諸多的問題，如風(fēng)具有間歇性與波動性，導(dǎo)致并網(wǎng)風(fēng)電場發(fā)出的電能也具有波動性，對電力系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性造成了不利影響，并且風(fēng)力發(fā)電相關(guān)技術(shù)標準也不夠完善，這就要求在風(fēng)力發(fā)電過程中增加儲能裝置具有十分重要的作用。其中超級電容儲能系統(tǒng)在近年來得到了快速的發(fā)展，技術(shù)上得到了社會各界及專家學(xué)者的認可和廣泛關(guān)注，本文就結(jié)合超級電容儲能系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越中的應(yīng)用進行分析，以提高風(fēng)力發(fā)電長的安全性和經(jīng)濟性。

2　超級電容器儲能系統(tǒng)簡介

超級電容儲能系統(tǒng)是用超級電容器儲能，通過逆變器把儲存能量釋放出來。系統(tǒng)正常工作時，通過IGBT逆變器將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)同頻率的交流電壓，其主電路主要包括三部分：整流單元、儲能單元和逆變單元。

超級電容器是近些年來出現(xiàn)的一種電化學(xué)元件，之所以成為“超級”是因為與常規(guī)電容器不同，其容量可達到法拉級甚至數(shù)千法拉。超級電容器內(nèi)不存在介質(zhì)，通過極化電解質(zhì)來儲能，儲能過程中并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，能量以電化學(xué)能的形式儲存在電池內(nèi)，其儲能系統(tǒng)可以在短時間內(nèi)將能量迅速釋放出來，而且使用壽命長，效率高，并且儲能過程是可逆的。超級電容器電容量大小取決于電極間距離和電極表面積，為了獲得較大的電容量，超級電容器盡可能的縮小電極間距離、增加電極表面積，為此超級電容器采用了雙電層原理和活性炭多孔化電極。

超級電容器優(yōu)點很多，如電容容量大、具有很高的能量密度，具有電壓記憶功能，電壓保持時間長。充放電性能好，且無需限流和充放電控制回路，可快速充電。儲存和使用壽命長，維修費用很小。使用溫度范圍廣，比蓄電池安全。

3　風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越中存在的問題

（1）在電網(wǎng)出現(xiàn)電壓跌落時，雙饋風(fēng)機輸出端電壓迅速減小，而其內(nèi)部所產(chǎn)生的電能卻不能全部及時輸出，會造成風(fēng)機變流器直流母線電壓急劇上升，因此多余的電能只能由風(fēng)電機組組自身內(nèi)部消耗；此外，這也將引起系統(tǒng)內(nèi)電流發(fā)生較大范圍的波動。電壓跌落導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)大幅度震蕩，同時也會造成風(fēng)機傳動鏈巨大的扭切力沖擊，對設(shè)備使用壽命產(chǎn)生較大影響。因此，在研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電機低電壓穿越問題時，在電壓跌落時以及故障消除后，需要對發(fā)電機電磁變量和機械變量進行定性定量的分析；其次，對在變流器系統(tǒng)采用Crow bar電路的風(fēng)電機組來說，撬棒電路的參數(shù)設(shè)計與投入切出時機不好確定。

（2）電網(wǎng)電壓瞬間跌落會導(dǎo)致風(fēng)機控制系統(tǒng)電壓急劇跌落，偏航系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、及其他輔助控制設(shè)備都會因為失去電源而停止工作，主控系統(tǒng)檢測到以上故障后會報故障停機導(dǎo)致低穿失敗。目前現(xiàn)有的解決方案是將傳統(tǒng)的UPS柜用于控制回路的支撐，典型的低穿UPS額定功率為40KVA，在電網(wǎng)電壓跌落時投入UPS維持主控系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備工作。但目前存在的問題是現(xiàn)有UPS柜儲能使用鉛酸電池，鉛酸電池放電曲線決定了其放電時間必須小于2C，完全放電不能小于半小時（1800秒）否則會導(dǎo)致電池損壞，而實際在每次低穿過程中，根據(jù)國標要求，只需要對系統(tǒng)進行2S的支撐即可。也就是說UPS設(shè)計容量超過了需要量的至少900倍，造成了巨大的浪費。另外，風(fēng)機UPS柜放置于風(fēng)機塔基，塔基在風(fēng)機運行時溫度可達50℃，在這種高溫環(huán)境下鉛酸電池壽命非常短，通常2年就要對鉛酸電池進行一輪徹底更換，造成了極大的維護工作量和備件成本。

4　超級電容器儲能系統(tǒng)在風(fēng)電低電壓穿越中的控制方案

由上述風(fēng)機在低電壓穿越中存在的問題以及對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的要求可知，在低電壓穿越時如果需要迅速解決此問題，就要求變流器儲能裝置必須具有瞬時充電功率大的特點，而對于控制回路也應(yīng)具備快速大電流放電、免維護等特點，所以結(jié)合超級電容儲能系統(tǒng)來解決風(fēng)機在低電壓穿越中存在的問題將是很好的解決方案。

當風(fēng)力發(fā)電電網(wǎng)發(fā)生故障并網(wǎng)點電壓跌落時，風(fēng)機的并網(wǎng)功率將減小，但是由于慣性作用，風(fēng)輪機不會立刻靜止，其發(fā)出的機械功率維持不變，因此風(fēng)機發(fā)電機功率不變，但是其輸出功率減少，則多余的能量只能灌入雙向直流變流器，造成直流母線電壓突升，這些多余的能量如不能很好地利用和處理，將會對電力電子器件造成不可逆的損壞。

超級電容器儲能系統(tǒng)通過雙向直流變換器連接在直流母線側(cè)，其有三種工作狀態(tài)：（1）低電壓穿越故障時，超級電容器儲能系統(tǒng)吸收低電壓穿越時的能量，為儲能狀態(tài)；（2）低電壓穿越過程結(jié)束后，超級電容器儲能系統(tǒng)為下次低電壓穿越做準備，進行放電，為放電狀態(tài)；（3）電網(wǎng)正常運行時，檢測待機狀態(tài)。

對于控制回路，使用超級電容替代鉛酸電池儲能，利用其快速大電流放電的特點，所需存儲的電量只需鉛酸電池的約1/900即可，可以大幅縮減UPS重量、體積和成本。加上超級電容耐高溫和免維護的特點，可以保證UPS柜在風(fēng)機設(shè)備整個壽命周期內(nèi)不需要維護。

5　結(jié)語

目前超級電容儲能系統(tǒng)在電動汽車、公交車、地鐵、軌道列車以及新能源發(fā)電等行業(yè)迅速發(fā)展，本文主要針對風(fēng)力發(fā)電行業(yè)作為研究對象，對超級電容儲能系統(tǒng)以及低電壓穿越中存在的問題進行了分析，提出了利用超級電容儲能系統(tǒng)解決雙饋電機低電壓穿越過程中問題的控制方案。

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