湯旭晶， 劉雄航， 孫玉偉， 邱爰超， 袁成清,b,c

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

為應(yīng)對能源危機(jī)和排放所帶來的環(huán)境污染[1]，各航運國家不斷探索新能源技術(shù)在船舶領(lǐng)域中的應(yīng)用，光伏發(fā)電以其獨特的能源優(yōu)勢和環(huán)保優(yōu)勢被認(rèn)為是最具有潛力的綠色船舶技術(shù)之一。當(dāng)前，應(yīng)用于各型船舶和水上設(shè)施平臺的光伏系統(tǒng)容量不斷增大，系統(tǒng)集成方案也逐步由離網(wǎng)型向并網(wǎng)型發(fā)展。[2-3]隨著光伏滲透率的逐步提高，光伏發(fā)電間歇性、不確定性和突變性等特點對船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)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(wǎng)系統(tǒng)輸出功率波動是保障光伏并網(wǎng)系統(tǒng)船舶平臺工程化應(yīng)用的技術(shù)途徑。目前，常規(guī)的解決方案是在船用光伏并網(wǎng)系統(tǒng)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(huán)壽命和充放電效率低，當(dāng)光伏發(fā)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(zhì)溶液儲存電能，其儲能過程不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。[6]儲能元件性能指標(biāo)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(biāo)[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(huán)壽命長，使用過程安全可靠，維護(hù)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(jī)艙環(huán)境。

因此，將超級電容儲能集成在高滲透率船用光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，對光伏發(fā)電功率突變進(jìn)行高頻補(bǔ)償更具技術(shù)和成本優(yōu)勢。

表1 儲能元件性能指標(biāo)比較

本文研究采用超級電容作為船用光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的儲能裝置，當(dāng)光伏控制器輸出功率發(fā)生突變時，利用超級電容對功率突變進(jìn)行吸收或補(bǔ)償，使光伏并網(wǎng)功率平緩輸出。建立超級電容-光伏-船舶電力系統(tǒng)并網(wǎng)模型，對基于超級電容儲能的船用光伏并網(wǎng)系統(tǒng)和其控制策略進(jìn)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(diào)控效果。

1 船用光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于超級電容的船用光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。光伏電池陣列將太陽能轉(zhuǎn)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(gòu)成功率調(diào)節(jié)裝置，補(bǔ)償或吸收光伏發(fā)電功率波動，使光伏并網(wǎng)功率按設(shè)定速率平緩輸出；光伏并網(wǎng)逆變器將直流母線上的電能逆變?yōu)榕c船舶電網(wǎng)同頻同相位的三相正弦交流電后，經(jīng)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(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)核心設(shè)備數(shù)學(xué)模型及控制策略

2.1 光伏電池數(shù)學(xué)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(lián)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(jù)光伏電池在標(biāo)準(zhǔn)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(shù)學(xué)模型[8]為

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

(1)

(2)

(3)

根據(jù)實際運行環(huán)境對光伏電池參數(shù)的影響，對式(1)～式(3)的相應(yīng)參數(shù)加以修正，為

(4)

光伏電池輸出特性易受環(huán)境因素影響。為最大限度地利用光伏電池產(chǎn)生的能量，對其輸出最大功率點(Maximum Power Point Tracking，MPPT)進(jìn)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(diào)節(jié)裝置及控制策略

超級電容和雙向DC/DC變換器所構(gòu)成的功率調(diào)節(jié)裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖3。直流母線位于高壓側(cè)，超級電容位于低壓側(cè)，半橋式雙向DC/DC變換器在其工作象限內(nèi)，輸入輸出電壓極性不變，電流方向雙向變化，實現(xiàn)能量的雙向流動。[10]

在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)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(tǒng)運行時的功率平衡關(guān)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(dāng)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(dāng)Psc為負(fù)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(diào)節(jié)裝置的充放電實際上是對雙向DC/DC變換器的工作模式進(jìn)行控制。雙向DC/DC變換器以抑制并網(wǎng)輸出功率突變?yōu)榭刂颇繕?biāo)，采用功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的控制方式[12]，其控制結(jié)構(gòu)框圖見圖4。

圖4 功率外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖

功率外環(huán)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(jīng)比例積分(Proportional Integral,PI)調(diào)節(jié)后作為電流內(nèi)環(huán)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(jìn)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(diào)節(jié)器(PI環(huán)節(jié))運算輸出調(diào)制信號，調(diào)制信號經(jīng)脈沖寬度調(diào)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(wǎng)逆變器恒功率控制

光伏并網(wǎng)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(shù)從電網(wǎng)處獲取三相電壓頻率和相位，三相電壓Uabc和電流Iabc經(jīng)dq變換得到電壓分量ud、uq和電流分量id、iq。Uabc經(jīng)dq變換得：

(6)

由式(6)可知：靜止坐標(biāo)系下的三相電壓ua、ub和uc經(jīng)dq變換所得的電壓分量ud、uq不存在耦合關(guān)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(jù)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(biāo)系下為

(7)

將式(7)中的P和Q引入功率控制環(huán)節(jié)，與功率外環(huán)參考值Pref和Qref相比較，經(jīng)PI運算得到內(nèi)環(huán)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(jīng)電流控制環(huán)節(jié)后輸出參考電壓Udref和Uqref，參考電壓經(jīng)dp反變換得到調(diào)制信號Uref，再經(jīng)正弦脈沖寬度調(diào)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(tǒng)仿真算例設(shè)置

本文建立超級電容-光伏-船舶電力系統(tǒng)并網(wǎng)模型(見圖6)。該同步發(fā)電機(jī)功率為900 kW(有功功率720 kW)。從驗證并網(wǎng)功率控制有效性的角度考慮，不考慮多臺發(fā)電機(jī)組并聯(lián)的工況，僅將光伏發(fā)電并入由1臺同步發(fā)電機(jī)建立的船舶電力系統(tǒng)。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(jù)直流母線電壓等級(370～390VDC)，設(shè)計超級電容工作電壓區(qū)間為240～300VDC。為在光伏發(fā)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(shè)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(jù)光伏發(fā)電實時功率調(diào)整逆變器并網(wǎng)功率，建立逆變器和超級電容控制環(huán)節(jié)參考功率設(shè)定模型(見圖7)。光伏發(fā)電功率經(jīng)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(huán)節(jié)的參考功率Pref，超級電容功率外環(huán)參考功率Pscref=PM-Pref。

圖7 參考功率設(shè)定

結(jié)合船舶實際運行環(huán)境，僅考慮輻照度的變化，忽略環(huán)境溫度的影響，進(jìn)行仿真算例設(shè)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(nèi)輻照度出現(xiàn)隨機(jī)波動，40 s時穩(wěn)定在800 W/m2。仿真模型相關(guān)參數(shù)見表2。

圖8 輻照度變化曲線

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 對電網(wǎng)頻率和功率波動的抑制作用

當(dāng)輻照度變化時，船用光伏并網(wǎng)系統(tǒng)各設(shè)備功率(pu值有功功率計算基準(zhǔn)值為720 kW)、船舶電網(wǎng)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(guān)參數(shù)

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(tǒng)并網(wǎng)輸出功率突降，同步發(fā)電機(jī)輸出功率增加，電網(wǎng)頻率突降0.3 Hz；在集成超級電容的光伏系統(tǒng)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(tài))，0.2 s后恢復(fù)到250 A，并以-42 A/s的速率緩降，補(bǔ)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(shè)定的10 kW/s速率緩降，6 s后并網(wǎng)功率達(dá)到穩(wěn)定。頻率的超調(diào)量小于0.05%，起到抑制電網(wǎng)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(tǒng)并網(wǎng)輸出功率突增，同步發(fā)電機(jī)輸出功率降低，電網(wǎng)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(tài))，0.15 s后恢復(fù)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(wǎng)輸出功率按照設(shè)定的10 kW/s速率緩增，引起同步發(fā)電機(jī)輸出功率緩變。調(diào)節(jié)過程頻率超調(diào)量小于0.05%，有效抑制電網(wǎng)頻率大幅突增。

3)30～40 s時間段輻照度隨機(jī)變化。未接入超級電容的系統(tǒng)，同步發(fā)電機(jī)輸出功率與并網(wǎng)輸出功率呈現(xiàn)反向變化，電網(wǎng)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(wǎng)功率平緩輸出，輻照度隨機(jī)變化時電網(wǎng)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(jī)變化時光伏并網(wǎng)功率進(jìn)行頻譜分析，其頻譜曲線見圖12。由圖12可知：并網(wǎng)功率波動主要集中在1 Hz以下,在超級電容接入后，并網(wǎng)功率頻譜曲線顯著降低，超級電容能較好地吸收并網(wǎng)功率波動的高頻分量(超0.01 Hz部分)，使逆變器并網(wǎng)功率平緩輸出。

圖12 逆變器并網(wǎng)功率頻譜曲線

4)當(dāng)穩(wěn)定運行時，光伏控制器執(zhí)行MPPT過程存在數(shù)值尋優(yōu)振蕩，并網(wǎng)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(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的輸出功率波動達(dá)到0.014 pu；在接入超級電容后，其調(diào)控作用使并網(wǎng)逆變器PQ控制的參考功率Pref設(shè)定更精確，降低光伏逆變并網(wǎng)輸出功率的振蕩，從而抑制同步發(fā)電機(jī)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(dāng)輻照度突變時，船舶電網(wǎng)相電壓變化見圖13。未接入超級電容的電網(wǎng)相電壓出現(xiàn)突增或突降，電壓變化量最大為10 V，當(dāng)輻照度隨機(jī)變化時，電網(wǎng)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(wǎng)輸出功率的調(diào)控作用，船舶電網(wǎng)相電壓未發(fā)生明顯波動，穩(wěn)定在400 V的額定值，抑制船舶電網(wǎng)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(tǒng)運行測試與效果分析

利用超級電容—光伏并網(wǎng)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(diào)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(lián))，光伏控制器額定功率100 kW(2臺并聯(lián)輸出至直流母線，單臺最大輸出電流100 A)。為節(jié)約安裝空間,逆變器和控制器集成在逆變控制柜內(nèi)，超級電容總?cè)萘?.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(shè)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(shè)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(shù)據(jù)運用Beijer觸摸屏的SQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行實時記錄存儲。

圖14 超級電容—光伏并網(wǎng)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(zhuǎn)入充電狀態(tài)吸收，系統(tǒng)間的能量保持動態(tài)平衡；在第54 s時控制器停機(jī)(逆變器主控制電路與工控屏之間非實時數(shù)據(jù)通信，為準(zhǔn)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(shè)定為1 kW/s)，在超級電容瞬時電流迅速由100 A(充電狀態(tài))變?yōu)?190 A(放電狀態(tài))時，5 s內(nèi)穩(wěn)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(tài))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(cè)功率平衡；在第150 s時進(jìn)行模擬系統(tǒng)重啟狀態(tài)下的重復(fù)性試驗(逆變器輸出功率增長和下降率均設(shè)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(diào)控為緩變過程)，而逆變器的實際輸出功率按照程序設(shè)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(zhuǎn)入放電狀態(tài)實現(xiàn)實時動態(tài)補(bǔ)償；在第175 s時，逆變器輸出達(dá)到設(shè)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(jī)，超級電容瞬時輸出電流迅速變?yōu)?190 A(放電狀態(tài))，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(jié)束語

光伏發(fā)電的間歇性和隨機(jī)性制約其在船舶平臺的應(yīng)用和發(fā)展，但集成超級電容可實現(xiàn)對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)輸出功率的實時動態(tài)調(diào)控，降低光伏并網(wǎng)系統(tǒng)功率突變對船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明：

1)當(dāng)輻照度變化時，超級電容能夠快速承擔(dān)光伏控制器輸出功率波動中的高頻分量部分，使并網(wǎng)輸出功率按照設(shè)定速率緩變，可有效抑制船舶同步發(fā)電機(jī)輸出功率、電網(wǎng)頻率和相電壓的突變，電網(wǎng)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(wěn)定運行時將同步發(fā)電機(jī)輸出功率波動控制在0.006 pu(4.32 kW)，起到有效抑制穩(wěn)態(tài)功率波動的作用。

2)試驗平臺重復(fù)性試驗結(jié)果表明：超級電容能快速準(zhǔn)確補(bǔ)充控制器與逆變器之間的差額功率，實現(xiàn)系統(tǒng)能量的動態(tài)平衡。當(dāng)光伏控制器輸出功率突降時，超級電容能迅速從充電狀態(tài)切換至放電狀態(tài)，使逆變器的輸出功率平緩變化，從而抑制并網(wǎng)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(yīng)過程試驗驗證。