基于超级电容的船用光伏并网系统功率控制

汤旭晶， 刘雄航， 孙玉伟， 邱爰超， 袁成清,b,c

(武汉理工大学 a.能源与动力工程学院； b.国家水运安全工程技术研究中心；c.交通运输部船舶动力工程技术交通行业重点实验室， 武汉 430063)

为应对能源危机和排放所带来的环境污染[1]，各航运国家不断探索新能源技术在船舶领域中的应用，光伏发电以其独特的能源优势和环保优势被认为是最具有潜力的绿色船舶技术之一。当前，应用于各型船舶和水上设施平台的光伏系统容量不断增大，系统集成方案也逐步由离网型向并网型发展。[2-3]随着光伏渗透率的逐步提高，光伏发电间歇性、不确定性和突变性等特点对船舶电力系统的稳定性造成的不利影响也在加剧。[4]因此，引入储能装置平抑光伏并网系统输出功率波动是保障光伏并网系统船舶平台工程化应用的技术途径。目前，常规的解决方案是在船用光伏并网系统中配置磷酸铁锂电池储能装置。锂电池能量密度较大，但其循环寿命和充放电效率低，当光伏发电功率突变时，不能较好地吸收功率高频分量。[5]超级电容作为一种新型储能元件，通过极化电解质溶液储存电能，其储能过程不发生化学反应。[6]储能元件性能指标比较见表1。对比表1所列磷酸铁锂电池和超级电容性能指标[7]可看出：

1)超级电容充放电速度快，功率密度大，电能利用效率高。

2)超级电容循环寿命长，使用过程安全可靠，维护成本低。

3)超级电容的工作温度为-40～75 ℃，适用于船舶舱室或机舱环境。

因此，将超级电容储能集成在高渗透率船用光伏并网系统中，对光伏发电功率突变进行高频补偿更具技术和成本优势。

表1 储能元件性能指标比较

本文研究采用超级电容作为船用光伏并网系统的储能装置，当光伏控制器输出功率发生突变时，利用超级电容对功率突变进行吸收或补偿，使光伏并网功率平缓输出。建立超级电容-光伏-船舶电力系统并网模型，对基于超级电容储能的船用光伏并网系统和其控制策略进行仿真分析，并搭建试验平台以验证超级电容在光伏控制器输出功率突变情况下的功率平衡调控效果。

1 船用光伏并网系统结构

基于超级电容的船用光伏并网系统结构见图1。光伏电池阵列将太阳能转化为直流电能，由光伏控制器跟踪最大功率并输出至直流母线；超级电容和双向DC/DC变换器构成功率调节装置，补偿或吸收光伏发电功率波动，使光伏并网功率按设定速率平缓输出；光伏并网逆变器将直流母线上的电能逆变为与船舶电网同频同相位的三相正弦交流电后，经三相升压变压器并入到船舶电站汇流排。

图1 基于超级电容的船用光伏并网系统结构

2 系统核心设备数学模型及控制策略

2.1 光伏电池数学模型和输出最大功率点控制

光伏电池等效电路图见图2。图2中：Ipv和Id分别为光生电流和流过二极管的电流；Rs为串联电阻；Rsh为旁漏电阻；U和I分别为光伏电池输出电压和电流。

图2 光伏电池等效电路图

依据光伏电池在标准测试条件(Standard Testing Conditions，STC)下的短路电流Isc、开路电压Vsc、最大功率点电流Im和最大功率点电压Vm，建立其数学模型[8]为

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

(1)

(2)

(3)

根据实际运行环境对光伏电池参数的影响，对式(1)～式(3)的相应参数加以修正，为

(4)

光伏电池输出特性易受环境因素影响。为最大限度地利用光伏电池产生的能量，对其输出最大功率点(Maximum Power Point Tracking，MPPT)进行追踪，本文利用扰动观察法[9]的思想追踪光伏最大功率点。

2.2 超级电容功率调节装置及控制策略

超级电容和双向DC/DC变换器所构成的功率调节装置拓扑结构见图3。直流母线位于高压侧，超级电容位于低压侧，半桥式双向DC/DC变换器在其工作象限内，输入输出电压极性不变，电流方向双向变化，实现能量的双向流动。[10]

在光伏并网系统中，电能在光伏控制器、超级电容和逆变器之间流动，不考虑变换器件功率损耗，系统运行时的功率平衡关系为

Psc=Ppv-Pac

(5)

式(5)中：Psc为超级电容输出功率；Ppv为光伏控制器输出功率；Pac为逆变器输出功率。当Psc为正值时，电能由直流母线流向超级电容，双向DC/DC变换器工作在BUCK模式；当Psc为负值时，电能由超级电容流向直流母线，DC/DC变换器工作在BOOST模式。[11]

超级电容功率调节装置的充放电实际上是对双向DC/DC变换器的工作模式进行控制。双向DC/DC变换器以抑制并网输出功率突变为控制目标，采用功率外环和电流内环的控制方式[12]，其控制结构框图见图4。

图4 功率外环、电流内环控制结构框图

功率外环将检测到的超级电容输出功率Psc与超级电容参考功率Pscref相比较。功率偏差信号经比例积分(Proportional Integral,PI)调节后作为电流内环的参考电流，考虑超级电容充放电的最大允许电流限制，参考电流进行限幅得Iscref，Iscref与超级电容电流Isc比较的偏差信号输入电流调节器(PI环节)运算输出调制信号，调制信号经脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)输出控制绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)。

2.3 并网逆变器恒功率控制

光伏并网逆变器采用恒功率PQ控制策略，原理见图5。[13]

图5 PQ控制策略原理图

控制电路通过PLL锁相技术从电网处获取三相电压频率和相位，三相电压Uabc和电流Iabc经dq变换得到电压分量ud、uq和电流分量id、iq。Uabc经dq变换得：

(6)

由式(6)可知：静止坐标系下的三相电压ua、ub和uc经dq变换所得的电压分量ud、uq不存在耦合关系，且d轴分量ud等于相电压的幅值Um，q轴分量uq为0。

根据瞬时功率理论[14]，逆变输出有功功率P和无功功率Q在静止dq直角坐标系下为

(7)

将式(7)中的P和Q引入功率控制环节，与功率外环参考值Pref和Qref相比较，经PI运算得到内环电流参考信号Idref和Iqref，电流参考信号与实际电流id和iq相比较，经电流控制环节后输出参考电压Udref和Uqref，参考电压经dp反变换得到调制信号Uref，再经正弦脉冲宽度调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM)生成6路PWM信号控制三相逆变器输出。

3 系统仿真算例设置

本文建立超级电容-光伏-船舶电力系统并网模型(见图6)。该同步发电机功率为900 kW(有功功率720 kW)。从验证并网功率控制有效性的角度考虑，不考虑多台发电机组并联的工况，仅将光伏发电并入由1台同步发电机建立的船舶电力系统。光伏阵列采用18串20并的组合形式，在STC下的峰值功率为102.6 kW，光伏渗透率为14.25%。根据直流母线电压等级(370～390VDC)，设计超级电容工作电压区间为240～300VDC。为在光伏发电功率由最大功率输出陡降为零的极端工况下，保证超级电容仍可支撑逆变器功率平缓输出，超级电容储能容量设置为6 kWh，最大输出电流限制400 A。逆变器采用PQ控制策略，其输出有功功率随参考功率Pref变化。为根据光伏发电实时功率调整逆变器并网功率，建立逆变器和超级电容控制环节参考功率设定模型(见图7)。光伏发电功率经低通滤波，滤除高频量后限制其变化速率作为逆变器PQ控制环节的参考功率Pref，超级电容功率外环参考功率Pscref=PM-Pref。

图7 参考功率设定

结合船舶实际运行环境，仅考虑辐照度的变化，忽略环境温度的影响，进行仿真算例设置。辐照度变化曲线见图8。初始辐照800 W/m2，10 s时突降至200 W/m2，20 s时突增为900 W/m2，30～40 s时间段内辐照度出现随机波动，40 s时稳定在800 W/m2。仿真模型相关参数见表2。

图8 辐照度变化曲线

4 仿真结果与分析

4.1 对电网频率和功率波动的抑制作用

当辐照度变化时，船用光伏并网系统各设备功率(pu值有功功率计算基准值为720 kW)、船舶电网频率和超级电容电流的变化情况见图9～图11。

表2 仿真模型相关参数

a)未接入超级电容

b)接入超级电容

1)10 s时辐照度由800 W/m2陡降至200 W/m2。未接入超级电容的系统并网输出功率突降，同步发电机输出功率增加，电网频率突降0.3 Hz；在集成超级电容的光伏系统算例中，超级电容在辐照度陡降时瞬时输出电流400 A(放电状态)，0.2 s后恢复到250 A，并以-42 A/s的速率缓降，补偿光伏控制器输出功率突降，使光伏逆变器输出功率按照设定的10 kW/s速率缓降，6 s后并网功率达到稳定。频率的超调量小于0.05%，起到抑制电网频率大幅突降的作用。

a)未接入超级电容

b)接入超级电容

图11 超级电容输出电流曲线

2)20 s时辐照度由200 W/m2升至900 W/m2。未接入超级电容的系统并网输出功率突增，同步发电机输出功率降低，电网频率突增0.35 Hz；接入超级电容后，超级电容在辐照度突降时，瞬时输出电流-350 A(充电状态)，0.15 s后恢复至-250 A，并以36 A/s的速率充电吸收光伏控制器突增的功率，使并网输出功率按照设定的10 kW/s速率缓增，引起同步发电机输出功率缓变。调节过程频率超调量小于0.05%，有效抑制电网频率大幅突增。

3)30～40 s时间段辐照度随机变化。未接入超级电容的系统，同步发电机输出功率与并网输出功率呈现反向变化，电网频率始终上下波动，波动范围0.5 Hz；在超级电容接入后，逆变器并网功率平缓输出，辐照度随机变化时电网频率波动不超过0.05 Hz，抑制频率波动效果明显。利用傅里叶变换对辐照度随机变化时光伏并网功率进行频谱分析，其频谱曲线见图12。由图12可知：并网功率波动主要集中在1 Hz以下,在超级电容接入后，并网功率频谱曲线显著降低，超级电容能较好地吸收并网功率波动的高频分量(超0.01 Hz部分)，使逆变器并网功率平缓输出。

图12 逆变器并网功率频谱曲线

4)当稳定运行时，光伏控制器执行MPPT过程存在数值寻优振荡，并网逆变器PQ控制时参考功率Pref直接由光伏控制器输出功率决定。未接入超级电容的系统同步发电机的输出功率波动达到0.014 pu；在接入超级电容后，其调控作用使并网逆变器PQ控制的参考功率Pref设定更精确，降低光伏逆变并网输出功率的振荡，从而抑制同步发电机输出功率波动，波动仅为0.006 pu。

4.2 对电压波动的抑制作用

当辐照度突变时，船舶电网相电压变化见图13。未接入超级电容的电网相电压出现突增或突降，电压变化量最大为10 V，当辐照度随机变化时，电网相电压波动较显著，见图13a；在超级电容接入后，由于超级电容对逆变器并网输出功率的调控作用，船舶电网相电压未发生明显波动，稳定在400 V的额定值，抑制船舶电网相电压波动效果明显，见图13b。

a)未接入超级电容

b)接入超级电容

5 试验系统运行测试与效果分析

利用超级电容—光伏并网试验平台，验证超级电容在光伏控制器输出功率突变情况下的功率平衡调控效果(见图14)。试验平台逆变器额定功率100 kW(2台50 kW逆变器并联)，光伏控制器额定功率100 kW(2台并联输出至直流母线，单台最大输出电流100 A)。为节约安装空间,逆变器和控制器集成在逆变控制柜内，超级电容总容量6.3 kWh(工作电压201.6～273.6 V，工作电流240 A)，超级电容瞬时最低输出功率为48.24 kW，设定逆变器最高输出功率为50 kW。采用直流电源模拟光伏输入，通过设置光伏控制器输出电压和电流模拟光伏控制器输出突变，试验数据运用Beijer触摸屏的SQL数据库进行实时记录存储。

图14 超级电容—光伏并网试验平台

试验中光伏控制器、逆变器和超级电容的输出功率变化曲线见图15，超级电容输出电流变化见图16。在第0 s时光伏逆变器输出功率为50 kW，增加光伏控制器输出功率，控制器和逆变器输出功率的差额由超级电容转入充电状态吸收，系统间的能量保持动态平衡；在第54 s时控制器停机(逆变器主控制电路与工控屏之间非实时数据通信，为准确记录逆变器输出功率的变化过程，将逆变器输出功率下降率设定为1 kW/s)，在超级电容瞬时电流迅速由100 A(充电状态)变为-190 A(放电状态)时，5 s内稳定了逆变器输出功率；随后逆变器输出功率以1 kW/s的速率缓降至0，超级电容以-5 A/s(放电状态)的速率逐渐减小，以平衡逆变器输出功率缓变过程的直/交流侧功率平衡；在第150 s时进行模拟系统重启状态下的重复性试验(逆变器输出功率增长和下降率均设定为2 kW/s)。由图15可知：光伏控制器输出功率缓增(源于模拟光伏阵列的直流电源输出功率调控为缓变过程)，而逆变器的实际输出功率按照程序设定的速率变化，控制器与逆变器输出功率的差额部分，通过超级电容转入放电状态实现实时动态补偿；在第175 s时，逆变器输出达到设定最高输出功率，控制器输出功率仍保持增长，2者间的功率差额逐渐减小，超级电容放电电流缓慢降低；在第240 s时光伏控制器再次停机，超级电容瞬时输出电流迅速变为-190 A(放电状态)，随后缓慢减小以维持逆变器输出功率的缓变。

图15 光伏控制器、逆变器和超级电容输出功率变化曲线

6 结束语

光伏发电的间歇性和随机性制约其在船舶平台的应用和发展，但集成超级电容可实现对光伏并网系统输出功率的实时动态调控，降低光伏并网系统功率突变对船舶电力系统稳定性的影响。研究结果表明：

1)当辐照度变化时，超级电容能够快速承担光伏控制器输出功率波动中的高频分量部分，使并网输出功率按照设定速率缓变，可有效抑制船舶同步发电机输出功率、电网频率和相电压的突变，电网频率突变率不超过0.05%、相电压基本维持在400 V。同时，可在稳定运行时将同步发电机输出功率波动控制在0.006 pu(4.32 kW)，起到有效抑制稳态功率波动的作用。

2)试验平台重复性试验结果表明：超级电容能快速准确补充控制器与逆变器之间的差额功率，实现系统能量的动态平衡。当光伏控制器输出功率突降时，超级电容能迅速从充电状态切换至放电状态，使逆变器的输出功率平缓变化，从而抑制并网逆变器输出功率突变。由于试验条件有限，尚未对光伏控制器输出功率突增情况下超级电容的响应过程试验验证。