超级电容在风力发电功率调节系统中的应用

陶梦江，张晓，呼小亮，秦魏

（中国矿业大学信电学院，江苏 徐州 221116）

1 引言

风力发电是技术最成熟、经济效益最好的新能源技术。但是由于风能的间歇性导致风电机组输出功率不稳定，影响风机并网。且并网风机容量越大，对电网的稳定运行危害也越大，所以保证风机组输出功率稳定是风电技术推广的关键。

目前，调节风机功率技术主要有直接调节风力涡轮机、并联无功补偿装置等，但上述方法在调节能力、平抑有功上无法进一步满足系统要求［1］。储能技术是目前调节功率的重要手段，可以对风机组输出的功率削峰填谷，使注入电网的功率稳定。相对于蓄电池、飞轮和超导储能技术，超级电容作为新兴储能元件，具有循环寿命长、充放电快等特点［2］。在风电系统中，可以对系统进行瞬时功率平衡控制，提高稳定性。超级电容储能系统可以保持直流母线电压稳定，平衡系统功率，结构简单，控制方便［3］。超级电容储能系统能量在并网时可采用电流前馈解耦和有功无功控制，对风电系统发出的功率进行削峰填谷，使并入电网的功率恒定，具有良好的应用前景。

2 超级电容储能系统

储能系统结构如图1所示，主要包括超级电容组、双向直流变换器、逆变器。双向直流变换器作为超级电容与直流侧能量交换的通道可以提高电容的利用率［3］。逆变器采用有功无功控制，在整流和逆变状态之间切换。

图1 超级电容储能系统Fig.1 Supercapacitor energy storage system

2.1 超级电容

超级电容的基本工作原理是双电层原理，储能过程可逆。在分析时，采用如图2所示的RC模型。包括理想电容C、等效串联内阻RESR、等效并联内阻REPR。RESR影响超级电容充放电效率，REPR影响电容自放电，即长期静止储能。本系统中超级电容短时储能，故 REPR可忽略［2，4］。

图2 超级电容经典模型Fig.2 The supercapacitorclassic model

2.2 互补控制的双向Buck/Boost变换器

如图3所示，双向Buck/Boost变换器在功率传输上相当于2个单向Buck，Boost变换器，可以大幅减轻系统的体积重量和成本，提高系统效率［5］。

图3 双向Buck/Boost变换器拓扑结构Fig.3 Bi-directional Buck/Boost converter topology

在单向变换器的开关管上反并联二极管，在二极管上反并联开关管就可以得到双向变换器。双向Buck/Boost电路有3种工作模式［5-6］：Buck工作模式、Boost工作模式、交替工作方式。分别对应2种控制方法［3-5］：1）独立PWM控制，与不同时作用，一组工作另一组封锁；2）互补PWM控制，两组开关管互补工作，同时动作。相较于独立PWM控制，互补控制可以获得软开关工作条件，动态性能更好，不会出现电流断续。风电系统中，超级电容需要快速充放电，频繁吸收/发出有功，所以本文适合采用互补PWM控制。

采用状态空间平均法，可以获得Buck变换器的控制模型［6-8］。输入到输出的传递函数为

从控制到输出的传递函数为

Boost电路与之相似。双向Buck/Boost电路采用双闭环的电流模式。图4中直流母线电压给定值与实际输出电压Udc的偏差通过PI电压调节器进行调节，最终得到电流的给定值与实际电流IL的偏差通过PI电流调节器所得到的输出，经过脉宽调制产生双向DC/DC变换器开关器件的控制信号。如图4所示，结合工程设计方法［8］电流环校正为典型Ⅰ系统，电压环校正成典型Ⅱ系统。

图4 双向Buck/Boost变换器控制框图Fig.4 Bi-directional DC-DC converter control block diagram

3 逆变器解耦与有功无功控制

逆变器并网要求逆变器输出正弦波电流，并网电流实时跟踪电网电压频率、相位和并网容量给定的变化，总畸变率要低。

3.1 逆变器数学模型

如图5所示ea，eb，ec为三相电网电动势，L为滤波电感，R为线路与开关管的等效电阻，Cdc为直流侧稳压电容，Sa，b，c为开关函数。

在三相静止坐标系下，逆变器的电路平衡方程，由三相静止坐标系到两相同步旋转d-q坐标系获得逆变器数学模型：

式中：ed，eq为三相电网电动势矢量的d，q分量；ud，uq为逆变器输出端基波相电压矢量的d，q分量；id，iq为三相电流合成矢量的d，q分量；Sd，Sq为开关函数（Sa，Sb，Sc）的d，q分量。ud，uq和直流侧电压Udc满足ud=SdUdc，uq=SqUdc的关系。

3.2 逆变器前馈解耦和有功无功控制

在三相三线制系统中，将从abc坐标系经Clarke变换到αβ坐标系中，如图6所示，在αβ坐标系中电流电压矢量表达式分别为

图6 α-β坐标系与d-q坐标定向矢量Fig.6 α-βcoordinate system and orientation vector d-q coordinate

有功、无功表达式为

由Park变换后进一步可得：

如果三相电网电压合成矢量E与d-q坐标中的d轴重合同向，对于三相平衡系统，逆变器输出的有功功率和无功功率可以表示为

输出的有功可由d轴电流进行调节，当id＞0时，工作在逆变状态，功率由直流侧流向电网；当id＜0时工作在整流状态，功率从电网测流入直流侧。无功由q轴电流调节，无功电流iq绝对值越小，功率因数越高；当iq=0时逆变器工作在单位功率因数状态。因此在同步旋转坐标系下通过控制d，q轴电流就可以控制并网系统输送到电网的有功和无功。

从模型可知d-q轴变量相互耦合，电压无法进行单独控制，控制器设计较为困难。为此引入有功电流id、无功电流iq的前馈解耦控制如图7所示，解耦方程为

图7 电流解耦控制框图Fig.7 Current decoupling control block diagram

由于2个电流PI调节器具有对称性，因此设计方法以及参数相同［8］，电流控制器设计典型Ⅰ系统。可得逆变器有功无功控制框图如图8所示。

图8 逆变器有功无功控制框图Fig.8 Inverter PQ control block diagram

4 系统实验分析

4.1 储能系统抑制直流母线电压波动

仿真参数设计：模拟母线电压100 V，正负波动10%，超级电容采用1800 F/2.7 V共50只超级电容串联组成的超级电容组额定电压为135 V，等效串联内阻RESR=0.35Ω，开关频率f=20 kHz，L=116.64×10-6H，C=40 F。最终仿真电路如图9所示。

图9 直流母线电压波动抑制实验仿真电路Fig.9 DC bus voltage fluctuation suppression simulation system

由图10、图11可知，实际输出直流母线电压正负波动由10%降至2.4%左右，最终直流母线电压基本稳定在100 V，电压偏差信号也稳定在0。可见抑制母线电压波动的目标已经实现。

图10 不加入超级电容时直流母线电压波动±10%Fig.10 ±10%ofbus voltage fluctuations withoutsuper capacitor

图11 加入超级电容后电压波动由10%降为2.4%Fig.11 InstallSCES voltage fluctuations from 10%to 2.4%

如图12、图13所示超级电容电压在100 V至2 V之间变化，在充放电状态之间不断转换，始终为正，电感电流同时也在正负之间不断变换，可知超级电容通过双向直流变换器和直流母线之间实现能量双向传输。

图12 超级电容电压在100 V和2 V之间变化Fig.12 Supercapacitorvoltage between 100 V and 2 V

图13 电感电流在正负之间变化Fig.13 Inductor current between positive and negative

4.2 风电场功率调节系统设计

参数设计：超级电容器模型组整体指标，容量4.35 F，额定电压540 V，最大电压583.2 V，储能量738.72 kJ，内阻R＜1 Ω。设计系统功率为15 kW；直流侧电压给定值为630 V；三相电网为220 V，50 Hz；并网电感 L=0.11 H，R=0.05Ω 。LBDC=5×10-3H，CBDC=3 F。PQ控制给定分别为：有功功率P=1500 W上下大幅波动；无功Q=300 W。功率调节系统框图如图14、图15所示。

图14 风电场超级电容功率调节系统Fig.14 Wind farm super capacitor power conditioning system

图15 风电场超级电容功率调节仿真系统Fig.15 Wind farm super capacitor power conditioning simulation system

如图16所示系统输出电压电流波形存在一定的相位差，与无功指令Q不为零的设计相符。如图17～图19所示，超级电容电压在工作初始阶段1～1.5 s间有一次大的跌落，这是由于超级电容和交流侧能量交换不是直接进行的，而是通过直流测的滤波电容做为中间单元实现的，在初始阶段超级电容需要为滤波电容充电，所以在图17中超级电容电压有一次大的跌落，之后在498 V上下波动，处在充放电变化状态。

同时图18所示直流侧滤波电感电流在0 A上下正负波动，与超级电容电压相对应，可知超级电容输出功率时正时负与充放电状态对应。

图16 逆变器输出A相电压电流Fig.16 Inverter out put of A phase voltage and current

图17 超级电容电压Fig.17 Super capacitor voltage

图18 直流侧电感电流波形Fig.18 DC side of the inductor current

图19 直流母线电压Fig.19 DC bus voltage

由图20～图21可知，虽然有功功率P给定始终处在波动状态，但直流母线电压在滤波电容充电完成后，基本稳定在双向DC/DC控制给定的630 V，由于风力发电功率波动时常导致直流母线电压的突然增加，在加入超级电容储能系统后，得到了解决。

图20 模拟风电场输出有功功率波动波形Fig.20 The analog wind farm active power fluctuations

观察图20～图21，逆变器输出的有功功率波形与模拟风电场输出有功功率的波形反相，叠加后相互抵消为零，实现了设计功率调节器削峰填谷的目标，消除风电场输出功率的波动部分，稳定并网功率。

图21 逆变器输出有功功率P和无功Q的波形Fig.21 Inverter out put active and reactive power

5 结论

针对风能的随机性和间歇性导致风电机组输出功率的波动，对风机并网产生十分不利的影响。本文设计了基于超级电容储能的风电系统功率调节系统，该功率系统目标是对风电场的输出功率实现削峰填谷，尽可能地减少风电场输出的有功无功的波动即将风电场输出功率分为恒定部分和波动部分，剥离二者，吸收波动，为电网和负荷提供恒定的功率。最后使用Matlab/Simulink仿真结果证明系统的可行性和实用性。

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