超级电容技术支持下电力储能功率调节系统仿真

宋志峰，段卫锋，马 磊

（1濮阳职业技术学院，2中国石化中原油田分公司天然气处理厂，3濮阳市公安局信息技术科，河南 濮阳 457000）

电力储能系统是将电能转化为其他形式能量并存储起来的单元式硬件模块体系，能够有效提高电力系统中的供电质量与用电效率。不同于常规的化学类电源，超级电容储能过程中不涉及化学反应，且能量存储行为具有可逆特性，所以该类型电池元件可以反复充放电数十万次[1]。此外，在超级电容技术支持下，电力系统双电层的间距相对较小，即便在低电压直流或是低频场强中也可以作为储能元件。

1 电力储能功率调节系统的硬件单元仿真设计

1.1 电力部分的主电路

主电路提供电力储能功率调节系统所需的电量信号，可以同时调度有源滤波器与并网逆变器，从而在调节相电压与相电流的同时，完成对储能功率的稳定性调节。但是完成储能功率调节所需的相电压、相电流水平相对较高，而电力储能终端所负荷的电力水平较低，因此在设计主电路时，需利用双向逆变结构，完成对传输电压与传输电流的转换处理[2]。双向逆变结构作为主电路部分的核心部件组织，连接在双相电网与电力储能终端之间，当储能终端进行电力转换时，双向逆变结构改变双相电网所输出电力信号的负载形式，对其相电压、相电流水平进行分别调节，当其电平状态达到电力终端储能需求后，所存储电力信号才会经由导线，进入下级终端体系。完整的电力部分主电路连接情况如图1所示。

图1 电力部分的主电路连接示意图Fig.1 Schematic diagram of the main circuitconnection of the power part

电力储能功率调节系统运行过程中，相电压、相电流的传输方向始终由双相电网端指向电力储能终端，所以单位储能周期内，主电路逆变器结构的连接方向不会发生变化。

1.2 储能部分的有源滤波器

电力储能功率调节系统储能部分的有源滤波器主要用来抑制动态电压与电流谐波，从而避免相电压、相电流出现明显波动状态，可以在补偿储能网络无功功率的同时，避免电力信号负荷频率出现变化，达到维稳储能功率的目的。相较于无源型的滤波器组件，有源滤波器在储能过程中能够对电力谐波进行均分处理，并能够产生与已存储谐波分量大小相等、方向相反的补偿电压与补偿电流，以用来代替原相电压与相电流，从而使得电力网络中处于传输状态的只有基波分量，达到消除电力谐波的目的[3]。虽然，有源滤波器在储能过程中会消耗一定的电力信号，但由于补偿处理是一种动态化行为模式，所以被消耗的电量会被主电路后续输出的电力信号所填补，并不会造成储能量缺失的问题。对于储能部分有源滤波器结构的设计如图2所示。

图2 有源滤波器结构模型Fig.2 Structure model of active filter

储能功率调节系统运行过程中，四个有源电力部件(图2 中的S1、S2、S3、S4)同时进入稳定负荷状态，且每一个部件结构均可以对电力信号进行独立负荷，所以即便是在主电路同时输入大量相电压、相电流的情况下，有源滤波器也不会表现出过量储能行为。

2 基于超级电容技术的电力系统储能功率调节方案

2.1 超级电容模型

RC 模型是最具代表性的超级电容模型，其中RES代表等效串联电阻、C代表理想电容元件，如图3所示。

图3 超级电容RC模型Fig.3 Supercapacitor RC model

电力储能功率调节系统根据RES 等效电阻的运行情况，可以确定超级电容器的发热损耗特性，当电力储能系统的超级电容器进行充放电时，串联等效电阻两端产生电压降；当电力储能系统超级电容器突然进行恒流放电时，利用电压降除以实时电流，就可以确定RES 的具体数值[4]。由此可以看出，RC 单元所应用等效串联电阻的数值越大，超级电容实际所能存储的能量就越少，电力储能系统的实时功率就越小。

设电力储能系统的电解质离子为ψ，元电荷带电量为C，RES 电阻的介电常数为x，电压降为ξ，充放电向量为，开尔文温度为ω，开尔文温度下的储能功率为vω，联立上述物理量，可将超级电容模型表达式定义为：

由于电力储能系统的运行相对较为复杂，所以在针对储能功率进行调节时，有可能应用不止一个超级电容模型。

2.2 串联超级电容的电力脉冲功率控制

针对串联超级电容的电力脉冲功率控制是一个连续控制行为，首先确定超级电容器在串联电路中的电力表现，然后根据超级电容器电力表现进行求导处理，最后确定电力储能系统的输出功率水平。

超级电容器电力表现计算见式(2)：

式中，m1、m2…mn分别表示不同串联回路中的电容负载值，Amax表示超级电容器负载电平的最大值，A1、A2…An分别表示不同串联回路中的负载电平。

超级电容器电力表现求导见式(3)：

式中,σ表示电感参数。

电力储能系统输出功率计算见式(4)：

式中，Imax表示电力储能系统传输电流的最大取值，表示超级电容器输出电流的平均值。

联立公式(1)～(4)，可将串联超级电容的电力脉冲功率控制表达式定义为：

式中，P͂表示电力储能的实时脉冲功率，ΔQ表示储能电力信号的单位脉冲强度。超级电容技术对于电力脉冲功率的控制作用没有局限性，所以任何电力传输信号都能得到系统主机的调节处理。

3 结 论

在上述研究中，利用超级电容技术，对电力储能功率调节系统进行了仿真实验。通过深入的研究与模拟系统，验证了该系统在维持储能功率稳定性方面的有效性与可行性。这一新型技术手段的应用，为电力资源的高效利用提供了有力支持。未来，相关科研单位可以在此系统的基础上，探索超级电容技术的其他应用方向，力求在节约电力资源的同时，完成对储能信号的合理利用，从而避免电能浪费现象的出现。