超级电容器在光伏并网系统功率控制中的应用

姜 喆，尹忠东

（华北电力大学，新能源电力系统国家重点实验室，北京102206）

超级电容器也被称为电化学电容（electrochemical capacitors）或双电层电容器（electrical double layer ca-pacitor）。超级电容器具有功率密度极高、循环寿命长、环境无污染和免维护等优点，在一些短时电力储能场合得到广泛应用[1]。

光伏发电技术日趋成熟，由于其具有清洁无污染、施工周期短、投资灵活、占地少、具有较好的经济效益和社会效益等优势，已成为解决电力供应的有效途径之一[2]。太阳能是一种不稳定的能源，由于日照辐射度决定光伏组件的最大输出功率，光照强度的变化使光伏电池的输出功率发生变化，具有很大的随机性[2]，这给光伏并网后系统的稳定性、光伏发电消纳以及光伏电站电能质量等方面带来了障碍，制约了光伏发电的发展。如何使光伏发电的输出功率稳定、可控是光伏发电技术中一个必须解决的问题。引入储能装置可以使光伏电源的功率输出较平滑，有效改变或缓解光伏发电输出功率的随机性与波动性。

研究表明，位于0.01～1 Hz的波动功率对电网电能质量及稳定性的影响最大[3]，采用超级电容作为短时储能装置可以平抑该频段功率波动[1]。超级电容和其它储能形式联合，构成混合储能配置到光伏发电系统中，能增强光伏并网系统功率的可调度性[4]。相对于跨区域电网输电线路、调峰调频机组、负荷端管理来说，在并网光伏系统加入超级电容，可以有效调峰，提高电网柔性和本地电网消纳光伏发电的能力。无论是混合储能还是短时储能，超级电容器在功率调节的准确性方面都尤为重要。针对超级电容器应用于光伏发电系统的文献已有不少，但大多是利用超级电容器进行直流母线电压的稳定控制[5-6]，进而控制功率的平稳输出，但输出功率值的准确可控方面仍有所欠缺。

本文应用超级电容功率调节装置对光伏发电系统的输出功率进行调节，以按指定值平滑、准确地输出功率，使其具有可调度性为目的，针对系统结构和双向 DC/DC变换器模型，提出采用功率、电流双闭环滞环电流的控制策略。

1 超级电容器的性能

超级电容器将能量储存在双层电极的电解质界面处。存储容量与极板面积成正比，与电容器正负两极板之间的距离成反比。电容值可由式（1）计算。

超级电容器具有以下特点：①电容量很大，已有电容量达2300 F的超级电容器；②和普通电容器相比，具有很高的能量密度，是普通电容的10～100倍，一般可达20～70 MJ/m；③漏电流极小，具有电压记忆功能，电压保持时间长；④充放电性能好，无需限流和充放电控制回路，不受充电电流限制，可快速充电，通常几十秒；⑤储存和使用寿命长，维修费用很小；⑥使用温度范围广，可达–40～85 ℃，而电池仅为 0～40 ℃；⑦比蓄电池安全，即使短路，超级电容器也不会爆炸。

在超级电容器充放电时，可以简化等效为电容器C与内阻Rs的串联[7]，如图1所示。图中，Uc(t)为超级电容器的电压；Is1、Is2分别为超级电容器的充放电电流。

图1 超级电容器等值电路模型Fig.1 Equivalent circuit model of ultra-capacitor

设U0为电容器初始电压，U1(t)和U2(t)为电容器充放电时的电压，则电容器在充电和放电时，伏安特由式（2）、式（3）表示

超级电容器充放电时间可以按照式（4）、式（5）计算，即

式中，dv为超级电容的端电压变化；t为超级电容的充放电时间，h。

设Uw、Uv分别为电容充电完成与放电完成时的电压值，则电容器存储的能量Wu可以表示为

根据特定充放电时间和电容充电完成与放电完成时的电压Uw、Uv可以确定超级电容器的容量C。

2 系统结构和运行原理

2.1 系统结构

并网光伏发电系统一般由1个或多个基本单元组成，每个单元的容量约为0.3～1.0 MW。大面积的光伏列阵组件通过直流升压斩波（boost）DC/DC变换器，调节光伏列阵的输出电压，进行MPPT控制，实施光电转换后经直流母线汇集后分配给逆变部分，再由逆变器及滤波装置转换为满足电能质量要求的交流电，经变压器升压后并网[8]。

带有超级电容器调节装置的并网光伏发电系统结构如图2所示。超级电容器组作为直流侧的储能元件，并联于直流母线，与双向 DC/DC变换器构成功率调节系统，可在两象限内调节功率流动。双向 DC/DC变换器采用功率、电流双闭环反馈滞环电流控制方式，响应速度快，结构简单。

当功率P0波动时，为使系统输出恒定或大小可控制于功率数值Pref，超级电容器调节装置在控制器的控制下通过双向 DC/DC变换器进行功率的吸收或补偿，吸收或补偿的功率为ΔP，即

该装置有以下2 种工作模式。

（1）当功率大于指定功率Pref时，ΔP为正，功率差值由储能装置吸收，超级电容器充电，双向DC/DC变换器工作在降压斩波（buck）模式。

（2）当功率小于指定的输出功率Pref时，ΔP为负，功率差值由储能装置补充，超级电容器放电，双向DC/DC变换器工作在升压斩波（boost）模式。

图2 系统结构示意图Fig.2 Schematic configuration of the system

2.2 双向DC/DC变换器模型

双向 DC/DC变换器（Bi-directional DC-DC convert，BDC）是 DC/DC变换器的双象限运行，它的输入、输出电压极性不变，输入、输出电流的方向可以改变。BDC实现了能量的双向传输，在功能上相当于两个单向DC/DC变换器，是典型的“一机两用”设备。以控制光伏并网系统按指定功率平滑、准确地输出功率为目的，采用Boost型BDC变换器来调控系统的能量流动，Boost型BDC变换器电路由图3所示。通过状态平均法，经过平均—小信号扰动—线性化处理，建立到Boost型BDC变换器的状态空间平均小信号数学模型[9]如式（8）所示。

图3 超级电容器直流储能单元的电路拓扑Fig. 3 The topology of DC circuit the energy storage unit with super-capacitors

双向 DC/DC变换器是二阶电路，取输出功率和电感电流两种反馈信号，实现双闭环控制是符合最优控制规律的。其中电流环为内环，相当于一个自动稳流电源，实现电感电流的自动调节。功率环为外环，用来控制超级电容器吸收或补充输出功率的波动成分，按指定功率输出。为调节功率波动运行情况下系统的性能，可以增加前向通路中所含的积分环节数，即采用PI控制器来进行补偿。

2.3 滞环电流控制方法

滞环控制是一种应用很广的闭环电流跟踪控制方法[10]。基于滞环电流控制，制定双向 DC/DC变换器的控制策略，结构简单且反应快。采用恒定环宽变频滞环电流控制时，电感电流i0作为反馈量与给定电流iref进行比较，再经两态滞环比较器产生控制信号控制开关管通断。

在完整的控制过程中，以滞环电流控制作为系统的内环，通过外环作用为滞环控制单元提供瞬时电流参考信号iref，作为滞环比较器的输入，通过与实际电感电流反馈信号比较，产生相应的开关指令脉冲序列。在 V1和VD1构成降压斩波电路时，V2导通状态下，电感电流iL近似直线上升，当达到预定的滞环带上限时，V1关断，VD1续流，从而电感电流开始衰减。同样，随着电流减至滞环下限，又返回前一种状态，如此周而复始进行，迫使电感电流跟踪参考电流而变化，换言之，将电感电流限定于以参考电流为中心的滞环带以内，如图4所示。同理，V2和VD2构成升压斩波电路时，电感电流也会限定于以参考电流为中心的滞环带以内。

图4 滞环电流跟踪控制原理波形Fig.4 The principle waveform of hysteresis current tracking control

2.4 控制策略

以光伏并网系统输出功率为控制目标，双向DC/DC换流器采用功率、电流双闭环反馈滞环电流控制方式，其控制框图如图5所示。光伏电池阵列输出功率P0低于额定值时，并联于直流母线的DC/DC双向换流器工作于升压（boost）状态，超级电容器释放能量给直流母线；光伏电池阵列输出功率P0高于额定值时，控制DC/DC双向换流器工作于降压（buck）状态，超级电容器吸收直流母线的多余功率。将检测到的光伏电池阵列输出功率P0与参考功率Pref比较，得到偏差信号，以此作为PI调节器的输入，PI调节器的输出结果与电感电流比较，经两态滞环比较器产生相应的开关指令脉冲序列，驱动双向DC/DC换流器开关IGBT的通断。

图5 功率-电流双闭环反馈滞环电流控制框图Fig.5 Block diagram of power and current double closed-loop with feedback hysteresis current control

3 仿真分析

在 PSCAD/EMTDC 电力系统仿真软件中建立了光伏并网系统以输出功率为控制量的仿真模型。仿真主要参数为：光伏系统额定有功功率4.2 kW，直流母线电压400 V，超级电容器储能单元的参数为电容量0.5 F、电压300 V，斩波器串联电感为30 μH，IGBT开关频率为3000 Hz。未接入超级电容功率调节装置时，光照波动情况下光伏并网系统的工作情况如图6(a)所示：1～3 s，系统恒定输出有功功率 4.2 kW；3～4 s，光照变强，系统输出有功功率5.8 kW；4.5 s，光照变弱，光伏系统输出有功功率3.5 kW，整个过程功率的输出有功功率有巨大波动。接入超级电容功率调节装置时，光照波动情况下光伏并网系统的工作情况如图6(b)所示：在光照波动的过程中，输出有功功率基本稳定在参考值4.2 kW，3 s有微小波动后迅速恢复稳定。

图6 光伏并网系统输出有功功率Fig.6 Exporting active power of photovoltaic grid-connected system

由上述仿真结果可知，当光照发生变化时，光伏电池阵列输出功率随之降低或者升高，超级电容器功率调节装置通过 DC/DC双向变换器释放或吸收能量，可以快速地调节光伏并网系统按指定值平滑、准确地输出功率，使该系统具有可调度性。

4 结 论

以超级电容器作为功率调节装置，提出功率-电流双闭环置换电流控制策略，通过 DC/DC双向变换器并联于直流母线，充分发挥超级电容器性能优势，抑制并网光伏发电系统输出功率的波动性和随机性。基于PSCAD/ EMTDC 建立了仿真模型，仿真结果验证了系统和控制策略的可行性，超级电容功率调节装置快速吸收或补充输出功率的波动成分，控制光伏并网系统按指定值平滑、准确地输出功率，使光伏发电系统具有可调度性。为光伏并网后系统稳定性、光伏发电消纳以及光伏电站电能质量的提高提供了好的参考。

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