基于超级电容光伏并网系统低电压穿越的仿真

李海珠

（内蒙古电子信息职业技术学院电子工程系,呼和浩特010070）

1 引言

超级电容器具有快速充放电的特点，当电网电压发生对称跌落时，通过控制双向DC/DC变换器，使得超级电容器快速吸收直流侧堆积的能量，从而稳定直流母线电压，同时与并网逆变器的控制相协调，实时监测电网电压跌落的深度，并发出相应的无功功率来支撑并网点电压，保障低电压穿越。最后在MATLAB/SIMULINK仿真平台上搭建模型进行仿真，验证控制策略的正确性。

2 光伏并网系统结构及参数计算

选用系统为双级式三相光伏并网系统，它由四个部分组成，分别为：光伏阵列[1]、直流升压、三项电压型逆变器、超级电容储能系统。该系统的详细结构如图1所示。

图1 双级式三相光伏并网系统

2.1 直流侧电容的设计

为人们所熟知的电压纹波公式如下：

根据直流侧电压纹波不大于直流母线电压的5%的规定[2-3]，则直流侧电容满足

2.2 DC/AC电路中开关器件选择

综上，选择西门康生产的型号为SKM50GB123D的IGBT，其额定技术指标为50A/1200V/2U。

3 超级电容储能系统的工作原理及参数计算

超级电容储能系统的结构示意图如图2所示。由图可知，超级电容储能系统由三部分组成[4]，分别为超级电容器组、双向DC/DC变换器、控制器。

3.1 超级电容器的特点

超级电容和普通电容器以及电池的特性比较如表1所示。

图2 超级电容器储能系统的结构图

表1 超级电容特点

由表1的比较可知，超级电容与电池相比充放电时间明显缩短，并且相同质量的条件下放出的功率更多，循环使用寿命是电池的一千倍以上，充放电效率也比电池高。另外，超级电容器的工作温度范围为-40℃～70℃，在此范围内电容值C几乎不变。正是由于此原因，超级电容器几乎可以在任何环境下，任何地方正常工作[5]。

3.2 超级电容储能系统的控制策略

超级电容与直流母线通过双向DC/DC变换器连接，其控制策略采用电压外环、电流内环的双环控制策略，控制框图如图3所示。

图3 互补型PWM控制框图

4 电网电压对称跌落时低电压穿越控制策略

4.1 基于电网电压定向的矢量控制分析

根据瞬时功率理论,并网逆变器输出的瞬时有功功率为p、无功功率为q,计算表达式如下式所示:

电压定向矢量控制框图见图4。

图4 电压定向矢量控制框图

由图4可知,电网电压q 轴分量eq=0,则式(4)简化为:

由式(5)可知，当电网电压稳定时，逆变器输出的有功功率受控制，无功功率受控制。

根据功率平衡关系，若不考虑逆变器本身的损耗,则逆变器直流侧输入的有功功率与并网侧输出的有功功率应相等,即：

4.2 直流侧电压波动的抑制

光伏并网发电系统的功率关系图如图5所示。

图5 功率关系图

超级电容储能系统会吸收直流侧多余的电量，从而维持直流侧电压的稳定。

4.3 逆变器有功电流和无功电流的协调控制

如图6所示为德国的E.ON标准中有关电网电压跌落的深度与所需无功电流百分比的关系图。从图中我们可知：当电网电压跌落深度为50%～90%范围内时，随着跌落深度的增加，所需的无功电流百分比越小。当电网电压跌落为0%～50%范围时，不管跌落深度为多少，无功电流百分比为100%。

图6 无功电流百分比与电压跌落深度的关系图

与图6所对应的数学关系式为：

为了保证逆变器的安全、可靠运行，在发生三相对称跌落的时候，其输出电流必须限制在其额定电流的1.1倍以内[6]。因此当已知的时候，可以计算出相应的计算式为

5 仿真研究

未采用LVRT控制策略时，电网电压在0.2s发生三相对称跌落，跌落深度为25%，在0.4s时电网电压恢复正常，仿真结果如图7、图8、图9及图10所示。

图7 电网电压

图8 逆变器输出电流

图9 直流母线电压

图10 逆变器输出的有功、无功功率

由各图可知，在0.2s～0.4s电网电压发生对称跌落这段时间内，逆变器输出电流会变大，直流侧电压也会增加，逆变器输出的有功功率会下降，无功功率基本不变化[7]。

采用LVRT控制策略后，从0.2s～0.4s电压跌落期间，逆变器输出电流和以往相比基本无变化,如图11所示，控制系统抑制了电流的增加，使得逆变器输出电流不过流。直流侧多余的能量被超级电容吸收，保证了直流母线电压的稳定如图12所示。并且在此期间，逆变器发出相应的无功功率，支撑并网点电压如图13所示。超级电容储能系统在电网电压跌落期间，吸收直流侧多余的能量使得其两端电压升高如图14所示。

图11 加入超级电容后电网输出电流

图12 加超级电容储能系统后直流母线电压

图13 加超级电容后逆变器输出的有功、无功功率

图14 超级电容两端电压波形

根据以上仿真波形的对比，验证了当电网电压发生三相对称跌落时，采用基于超级电容储能系统的低电压穿越控制策略的正确性[8]。

6 结束语

主要阐述了在电网电压对称跌落时，光伏并网系统结合超级电容储能系统并且在相应的控制作用下实现了低电压穿越，最后在MATLAB/SIMULINK环境中实现了仿真，成功验证了理论的正确性。

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