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        基于PSCAD超級電容儲能容量優(yōu)化設(shè)計

        2023-10-14 08:30:52張小剛ZHANGXiaogang燕林滋YANLinzi
        價值工程 2023年27期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        張小剛 ZHANG Xiao-gang;燕林滋 YAN Lin-zi

        (①山東能源集團靈臺盛魯新能源有限公司,中衛(wèi) 755000;②銀川能源學(xué)院,銀川 750000)

        1 緒論

        本文通過理解超級電容器的基本工作原理和充放電特性,對超級電容器進行優(yōu)化設(shè)計。其目的是有效地改善因新能源分布式發(fā)電的隨機性帶來的電能質(zhì)量問題,同時使超級電容儲能在優(yōu)化后容量更大,電能儲存更加穩(wěn)定。從而可以讓電場中的電能進行無能量形式的轉(zhuǎn)換,這樣能夠縮短充放電時間。

        2 超級電容儲能的原理及其特性

        超級電容儲能系統(tǒng)是以靜電極化電解溶液為主要方式,達到能量儲存的。在儲能過程中,極化電解液作為一種電化學(xué)元素,它可以完成對電能量的有效儲存,但不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。由于在儲能過程中超級電容儲能裝置能夠循環(huán)充放電數(shù)十萬次,故此過程存在可逆性。如果將超級電容儲能裝置看作是電解液中的兩個非活性多孔板,當(dāng)對極板加上一個電勢差,負離子向正極板運動并吸附,正離子向負極板運動并吸附;而存儲層中,分離的正負離子相向運動,并吸附。此過程中形成了兩個電層,類似于兩個電容。

        在電解質(zhì)溶液中兩相之間存在電勢差,這是由于金屬電極表面與液體電極表面分別吸附了過量電荷,其電荷符號相反。此時若放入兩個電極和一個電解液,以及在電解液中放置一個相對于前者電壓更低的電解液,其中的正負離子,會因為電場的存在而移向不同極性,從而使兩個電極分別形成不同的電水征,即為電雙層。它是經(jīng)電場中受極化電荷影響的雙電層和電介質(zhì)的常規(guī)電容器形成的。

        2.1 超級電容儲能的充電特性

        在充電過程中時,能量的消耗主要以等效串聯(lián)阻抗Res 上的能耗為主。設(shè)儲能系統(tǒng)在恒流充電時,取電流為Is、系統(tǒng)初始電壓為0、額定電壓為Un,設(shè)充電過程時間為t,可得超級電容儲能系統(tǒng)損耗的電能為:

        又已知充電時間與電流的關(guān)系為:

        將公式(2)、公式(1),聯(lián)合整理可得:

        故對超級電容儲能系統(tǒng)進行恒流充電時,在充電電流Is逐漸增大的情況下,該過程的能量損耗Ws會先增大當(dāng)達到最大值時,會逐漸減小,且當(dāng)Is=Un/2Res 時能量損失擁有最大值。

        達到額定電壓后超級電容儲能系統(tǒng)所儲存的能量為:

        由能量守恒定律可得,充電時所放出的總能量為:

        可知超級電容儲能系統(tǒng)在理想情況下的恒流充電效率η 為:

        2.2 超級電容儲能的放電特性

        由超級電容儲能系統(tǒng)的經(jīng)典模型可知,在超級電容儲能系統(tǒng)放電的過程中,當(dāng)與超級電容儲能系統(tǒng)模型中的等效并聯(lián)阻抗Rgp 相比等效負載電阻小的多的時候,則等效并聯(lián)阻抗對整個放電過程的影響可以忽略不計。因此,在該工程中則由一個等效串聯(lián)阻抗Rgs 與一個電容相串聯(lián)形成,如圖1 所示。

        圖1 超級電容儲能系統(tǒng)的放電模型

        由圖可知超級電容儲能系統(tǒng)的端電壓為UC(t),放電電流為I(t),則可得:

        根據(jù)公式(7)可知,在小電流放電過程中,Rgs 上的壓降(RsxI(t))遠小于U(t),從而可將此類壓降忽略不計。

        而在大電流放電過程中,依據(jù)公式(7),即便在理想的情況下Res 對于UC(t)的影響依舊很大,即該儲能系統(tǒng)無法完全放出所有儲能。所以Res 上的能耗不可忽略,而這現(xiàn)象將導(dǎo)致超級電容儲能系統(tǒng)儲能容量的有效值降低。

        3 超級電容儲能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

        如圖2 所示,是Boost 電路V1 關(guān)斷,V2 導(dǎo)通的等效電路圖。

        圖2 Boost 電路V1 關(guān)斷,V2 導(dǎo)通等效電路

        在Buck-Boost 電路中,只對Boost 的儲能系統(tǒng)主電路的數(shù)學(xué)模型進行討論。并針對圖2 的等效電路在abc 坐標(biāo)系下建立數(shù)學(xué)模型。

        式中,Esk,isk(k=a,b,c)分別為交流系統(tǒng)ABC 三相相電壓及電流,超級電容器組放電電流為ib。其電壓和直流側(cè)電壓分別為ucap,udc。直流斬波電路低壓側(cè)電感為Lb。交流系統(tǒng)等效電阻、電感和變流器直流側(cè)電容分別為R、L、C。

        4 基于PSCAD 的仿真及結(jié)果分析

        4.1 主電路建模

        為了驗證主電路設(shè)計的合理性及可行性,確認(rèn)參數(shù)整定原則和控制策略的正確性,在PSCAD/EMTDC 仿真軟件上建立超級電容儲能系統(tǒng)主電路模型。

        在主電路中,設(shè)置電源容量分別為5kW、2kW、2kW和電壓有效值均為220V,電源為阻性負載,超級電容儲能系統(tǒng)組的儲能容量為20kW 和負載容量為4kW。主電路參數(shù)如表1 所示。

        表1 主電路參數(shù)

        4.2 超級電容儲能各模塊優(yōu)化設(shè)計

        Buck-Boost 模塊里,輸入信號分別為Icap、Ucap、Icapref、Fred,S1、S2、Pcap為不同的輸出量,這一模塊是利用電流及功率的參考值,以運行定周期比較策略為主,以達到控制Buck-Boost 電路中晶閘管IGBT 的導(dǎo)通或關(guān)斷的目的。Fred 為比較頻率,而超級電容儲能系統(tǒng)組所采集到的電壓和電流分別為Ucap、Icap。

        在PWM 模塊中,輸入信號為mrk(k=a、b、c),輸出量為gk(k=a、b、c)。該模塊的主要作用是通過控制目標(biāo)的需求,得到變流器VSC 的全控型晶閘管的開關(guān)量。(圖3)

        圖3 采樣調(diào)制信號顯示圖

        4.3 仿真結(jié)果及仿真分析

        當(dāng)儲能系統(tǒng)中的超級電容儲能系統(tǒng)組在充電狀態(tài)下,且時間間隔0~0.2s 時,其母線電壓、穩(wěn)壓電容端電壓、超級電容儲能系統(tǒng)端電壓、充電電流、儲能功率等仿真電路如圖4 至圖8 所示。

        圖4 母線三相電壓

        圖5 穩(wěn)壓電容端電壓

        圖6 超級電容儲能系統(tǒng)端電壓

        圖7 超級電容儲能系統(tǒng)充電電流

        圖8 超級電容儲能系統(tǒng)儲能功率

        當(dāng)在0.2s 時,斷路器斷開,超級電容儲能系統(tǒng)此時放電,母線電壓、穩(wěn)壓電容端電壓、超級電容儲能系統(tǒng)端電壓、放電電流、儲能功率等仿真電路圖如圖9 至圖13所示。

        圖9 母線三相電壓

        在超級電容儲能系統(tǒng)的仿真電路圖中。在0.2s 時斷開BRK 的作用是斷開5kW 電源后使超級電容儲能系統(tǒng)完成放電。

        由圖4 和圖9 可知,0.2 秒之前,系統(tǒng)正常運行時,微電網(wǎng)母線三相電壓是正弦波電壓,其幅值約在312V 左右,波形相對穩(wěn)定。而在0.2 秒之后,由于BRK 斷開后,導(dǎo)致容量為5kW 電源與母線相互脫離,而在超級電容儲能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下,三相母線電壓可以在短時間內(nèi)達到相對穩(wěn)定,其波動量則在40V 左右。

        由圖5 和圖10 可知,0.2 秒之前,在整個充電過程中穩(wěn)壓電容端電壓Udc會逐漸趨于平穩(wěn),其大小約為520V,這比預(yù)期值要高出20V。這與PWM 技術(shù)所輸出的控制信號沒有達到最優(yōu)有關(guān)。而0.2 秒之后,由于BRK 斷開后,致使容量為5kW 的電源脫離母線,通過超級電容儲能系統(tǒng)的調(diào)節(jié),穩(wěn)壓電容端電壓Udc能在短時間內(nèi)達到穩(wěn)定,大小約為540V,且比預(yù)期值高出40V,這是因為直流側(cè)兩端電容在濾波的同時還有泵升電壓的作用。

        圖10 穩(wěn)壓電容端電壓

        由圖6 和圖11 可知,0.2 秒之前,超級電容儲能系統(tǒng)端電壓Ucap波動波動較少,基本保持在260V 左右,比預(yù)期值高10V,其原因是降壓斬波電路中的占空比α 比正常值較大。而在0.2 秒之后,由于超級電容儲能系統(tǒng)對負載進行放電,其超級電容儲能系統(tǒng)端電壓Ucap會逐漸降低。

        圖11 超級電容儲能系統(tǒng)端電壓

        由圖7 和圖12 可知,0.2 秒之前,超級電容儲能系統(tǒng)充電電流Icap會趨于上升,且逐漸穩(wěn)定在25A 左右。而0.2秒之后,超級電容儲能系統(tǒng)對外放電,由于電感的存在,充電電流不會發(fā)生突變,因此超級電容儲能系統(tǒng)充電電流Icap會逐漸降低至零。

        圖12 超級電容儲能系統(tǒng)放電電流

        由圖8 和圖13 可知,0.2 秒之前,超級電容儲能功率Pcap逐漸增加且趨于穩(wěn)定,最終穩(wěn)定在15kW 左右。而0.2秒之后,超級電容儲能系統(tǒng)對外放電,儲能功率Pcap逐漸降低至零。

        圖13 超級電容儲能系統(tǒng)放電功率

        綜上所述,超級電容儲能系統(tǒng)在充放電時,系統(tǒng)的電壓、電流、功率等各項指標(biāo)均在預(yù)定范圍之內(nèi)變化,可充分滿足微電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性和安全性,說明了超級電容儲能系統(tǒng)主電路的參數(shù)整定和控制策略的正確性,更加驗證電路模型的合理性和控制策略的可行性。

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