用于超级电容器储能系统变流器的控制策略设计

李军徽，蒋 莲，李翠萍，张天洋，李鸿博

(1.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012；2.国网吉林省电力有限公司培训中心，吉林 长春 130022)

用于超级电容器储能系统变流器的控制策略设计

李军徽1，蒋 莲1，李翠萍1，张天洋1，李鸿博2

(1.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012；2.国网吉林省电力有限公司培训中心，吉林 长春 130022)

超级电容器储能系统具有快速的功率响应能力，是改善以风电、光伏为代表的分布式电源出力品质的有效手段。采用双向DC/DC变换器和DC/AC电压源型变流器作为功率调整装置，实现对超级电容器储能系统功率吞吐和直流侧电压的控制。首先对超级电容器储能系统处于不同工作模式时的能量分布进行分析，在此基础上建立系统的数学模型。以稳定直流侧电压为目标，基于单端稳压双向功率流的控制方法设计了双向DC/DC变流器的控制器；采用双闭环解耦控制方法对DC/AC变流器有功/无功功率解耦控制。基于PSCAD/EMTDC软件搭建仿真系统，结果表明超级电容器储能系统能够实现对指定充放电功率准确快速的响应，直流侧电压工作稳定，工作效率高。

超级电容器；功率调整；双向DC/DC变换器；DC/AC变流器

随着化石燃料枯竭、全球气候变暖的问题日益严峻，风电、光伏等可再生能源发展受到了高度关注。目前的电力系统中，以风电、光伏为代表的新能源比例越来越高，但由于其本身波动性、随机性等特征使得电能供应品质恶化，从而限制了风电、光伏的接入[1-4]。

储能系统由于可以对能量实现时空平移，而被视为改善分布式电源平滑并网的有效手段之一，近年来得到了高度的重视[5]。与普通的化学电池相比，超级电容器通过电荷的转移和离子的取向控制电能的充放，电极表面没有发生化学反应，容量衰减几乎为零，因此其循环寿命长、响应速度快以及充放电效率高等特性是任何一种化学电源所无法比拟的。

基于超级电容器自身的优势，在改善分布式电源并网能力以及提高系统稳定性方面已经做了很多研究。文献[6]利用超级电容器短时大功率充放电的特点，提高风电并网低电压穿越能力。文献[7-8]分析了超级电容器可以根据风电功率波动情况及时充放电使系统功率得以平衡。文献[9-10]研究了超级电容器在光伏发电系统中的应用并能配合锂电池改善分布式电源并网引起的小干扰稳定性问题。由此可见超级电容器对电力系统快速、准确的功率调节是使其能广泛应用的基础。因此，提高超级电容器准确、快速、高效的功率调节能力对于实现分布式电源平滑并网具有重要的意义。

本文将超级电容器与双向DC/DC变换器相连后，经DC/AC变流器接入电网。本文利用双闭环解耦的控制方法[11-12]，通过DC/AC变流器，准确控制所要交换的有功、无功功率，同时对DC/DC变换器进行单端稳压双向功率流的控制，达到既能稳定直流母线电压，又能保证交换功率的双向流动。实现超级电容器与交流系统功率的有效交换，改善新能源发电的电能品质，提高新能源并网规模。

1 超级电容器储能系统数学建模

1.1 超级电容器工作原理

超级电容器内部结构图，如图1所示。充电时电子通过外加电源从正极流向负极，且正负离子从溶液体中分离并分别移动到电极表面，形成两个电层；放电时电子通过负载从负极流到正极，在外电路产生电流，正负离子从电极表面被释放进入溶液体而呈现电中性。

由于超级电容器内部电阻和电容的等效机理涉及化学材料结构的等效，且比较复杂，因此本文直接采用如图2所示的超级电容器在储能系统中的经典模型。其中，Cf为理想等效电容器；R1为等效串联电阻；R2为等效并联电阻；Is为流过超级电容器的充放电电流。等效并联电阻R2用来表征漏电流形成的静态损耗，其值往往很小，本文研究中认为R2无穷大，可做开路处理，最终可得超级电容器简化等效模型如图3所示。

图4 超级电容器储能系统主电路图

1.2 超级电容器储能系统数学模型

超级电容器通过双向DC/DC变换器，连接到DC/AC电压源型变流器，然后并入电网。主电路结构，如图4所示。

双向DC/DC变换器的工作模式，如图5所示。当V1和VD2处于断态、V2和VD1为开关状态时，DC/DC变换器工作于升压模式，如图5(a)所示。当V2和VD1为处于断态、V1和VD2为开关状态时，DC/DC变换器工作于降压模式，如图5(b)。

图5 DC/DC变换器升降压工作模式

无论电路处于升压模式还是降压模式，其数学模型相似，只是电流iL方向不同而已。因此以双向DC/DC变换器的升压模式(iL>0)为例，设V2的占空比为D，则根据状态空间平均法得：

(1)

公式(1)为超级电容器储能系统数学模型，此模型为二阶线性系统，其中，iL、udc为状态量，占空比D为控制量，Ri、U为已知量。当系统的控制变量被确定后，状态变量即可求解。

DC/AC电压源型变流器，如图6所示。由于DC/AC变流器工作模式较多，且模型相似。因此，以A相为例。V1导通V2关断，输出电压Udc为正；反之，Udc为负，如图6所示。

图6 DC/AC电压源型变流器工作模式

因此分别设三相开关函数为ma、mb、mc，将其单相扩展为三相电压源型变流器的数学模型

(2)

式中：Ea、Eb、Ec为交流系统电压；ia、ib、ic为变流器相电流。为分析方便，将上述方程变换到两相同步旋转坐标系下的变流器模型

(3)

公式(3)为DC/AC变流器数学模式，二阶线性系统。Ed、Eq为电网电压的d、q轴分量，且为已知量。id、iq为电网电流空间矢量的d、q轴分量，且为状态量；ud、uq为变流器电压的d、q轴分量，且为控制量。可见，当变流器电压被确定后，id、iq即可求解。

2 储能变流器控制策略设计

2.1 双向DC/DC变换器控制策略

单端稳压双向功率流控制，适应于对电压要求比较严格的工作场景[13-15]。为了保持分布式发电系统中变流器正常工作，本文引入单端稳压双向功率流控制，保持恒定的直流母线电压。超级电容器储能系统所具有的快速转换功率方向的特点，非常适应于这种单端稳压，正、负双向功率流调节的应用场合。

双向DC/DC变换器的控制目标是实现直流侧电压Udc恒定，同时通过对占空比D的控制实现DC/DC变换器两种工作模式的切换，进而实现超级电容器的充放电功能。以储能系统数学模型为基础，实现单端稳压双向功率流的控制。V2的占空比为D，超级电容器端电感电流，如公式(4)。

(4)

当D<1-Uc/Udc时，DC/DC变换器工作于降压模式，iL<0，功率流向超级电容器端；当D>1-Uc/Udc时，DC/DC变换器工作于升压模式，iL>0，功率流向直流母线端。因此，实现功率的双向流动。

双向DC/DC变换器控制框图,如图7所示。通过开关管V2的占空比控制储能系统电感电流参考值iL-ref，通过电流变量获得V2占空比的控制策略过于繁琐[13]。因此本文采用电压变量获得开关管的占空比，见公式(4)。

图7 双向DC/DC变换器的控制框图

为保持直流侧母线电压恒定，实测量Udc作为反馈量被控制。通过电压调节器获得满足电压恒定值的参考电流idc-ref(如式6)，根据功率守恒原理和直流变换器占空比的定义，可得到超级电容器储能系统充放电参考电流iL-ref，再与实际充放电电流iL相比，经电流调节器和PWM脉宽调节产生控制DC/DC变换器开关器件的控制信号，达到直流母线电压恒定的目标。

(5)

idc-ref=kp(udc-ref-udc)+ki∫(udc-ref-udc)dt.

(6)

2.2DC/AC电压源型变流器控制设计

基于DC/AC电压源型变流器数学模型，L、R相对较小，基于瞬时功率理论，变流器与交流系统间交换的瞬时有功功率p和瞬时无功功率：

(7)

当电网电压空间矢量幅值E是恒定值时，可通过有功电流id和无功电流iq来分别反应有功功率和无功功率的变化。图8为DC/AC变流器控制框图，外环控制器用于实现超级电容器储能系统与交流系统之间指定功率的设定与跟踪，实现超级电容器储能系统在电力系统中的应用。根据指定参考值与实际值间的误差，经功率调节器得到满足指定交换功率的电流参考值，即内环控制器的输入参考电流idref、iqref,对电网扰动电压Ed、Eq采取前馈补偿，同时引入d、q轴电压耦合补偿项ΔUd、ΔUq，实现d、q轴电流的独立解耦控制，进而实现有功功率、无功功率的解耦控制。DC/AC变流器的电压控制方程

(8)

电压耦合补偿量

(9)

图8 DC/AC变流器控制框图

将Ud、Uq从两相旋转坐标系逆变到三相静止坐标系下得Ua、Ub、Uc，再通过PWM脉宽调制的参考值，产生变流器的控制信号，实现DC/AC变流器指定工作模式的转换。

3 仿真验证与分析

针对上述研究在PSCAD/EMTDC软件中建立容量为30 kW、500 ms超级电容器储能系统。开关管IGBT的仿真参数选用富士公司生产的型号为2MBI 25L-120即额定电流25 A额定电压1 200 V的开关器件。系统其它参数，如表1所示。

表1 超级电容器储能系统参数

仿真设置：直流母线电压参考值为700 V。当t<0.3 s时，参考功率Pref=20 kW、Qref=0 kVar；当t≥0.3 s时，参考功率P=-10 kW、Q=10 kVar。

功率响应波形，如图9所示。实际响应功率可对参考值准确跟踪，稳定后有功功率和无功功率波动幅值约为±5%。由图9(b)功率局部放大波形可见，有功功率响应时间为0.4 ms，超调量为9.7%；而无功功率响应时间为0.35 ms，超调量为7.2%。图10为交流侧A相电压电流曲线图，功率传输效果较为理想，系统电流正弦度较好，谐波总畸变率为1.3%。

图9 交流侧功率响应波形

图10 交流侧A相电压与电流

超级电容器侧功率和电压响应波形，如图11(a)所示。当指定功率由正变负，超级电容器可准确响应指定功率的变化，并由仿真结果可得：在超级电容器释能时，交流系统侧功率略低于指定功率；反之超级电容器储能时，超级电容器侧功率略低于指定功率：均由变流器引起的功率损耗所致。直流母线电压udc仿真波形，如图11(b)所示。直流母线电压在t=0.305 s时上升到0.74 kV，持续15 ms后恢复至稳定值。主要由于有功功率方向变化而引起直流母线电压的上升，最大波动量0.04 kV，超调量为5.7%。

图11 超级电容器侧功率仿真图

图12 变流器的传输效率

在超级电容器同一工作模式下不同传输功率所对应的传输效率，如图12所示。随传输功率的增加，变流器的传输效率逐步提升，并在接近储能变流器额定功率值时，效率逐渐稳定，最终稳定在0.975附近。

4 结 论

本文针对超级电容器储能系统不同工作模型下的电路结构，分别设计了双向DC/DC变换器和DC/AC变流器功率控制策略。通过仿真算例分析表明，在交流系统功率发生跃变时超级电容器储能系统可迅速切换工作模式，达到准确充放电的控制目的，超级电容器储能系统具有响应速度快和传输效率高的特点。

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Control Strategy Designed for Converter of Super Capacitor Energy Storage System

Li Junhui1，Jiang Lian1，Li Cuiping1，Zhang Tianyang1，Li Hongbo2

(1.Electrical Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012；2.State Grid Training Center of Jilin Electric Power，Changchun Jilin 130022)

The super capacitor energy storage system has a fast power response capability，which is an effective means to improve the output quality of distributed power generation represented by wind power and PV.In this paper，the bidirectional DC/DC converter and the DC/AC voltage source converter are applied to the power adjusting device to realize the control of the power throughput and the DC side voltage of the super capacitor energy storage system.The mathematical model of the super capacitor energy storage system is established based on analying the energy distribution of the system in different work modes.Based on the control method of single ended power flow，the controller of the bidirectional DC/DC converter is designed.The purpose is to stabilize the DC bus voltage.Decoupling control of active power and reactive power of DC/AC converter is based on double closed loop decoupling control method.Simulation system is built based on PSCAD/EMTDC software.The experimental results show that the super capacitor energy storage system can achieve accurate and has fast response to the specified charging and discharging power，and the DC side voltage is stable and the work efficiency is high.

Super capacitor；Power adjustment；Bidirectional DC/DC converter；DC/AC converter

2017-03-12

吉林省教育厅“十三五”科学技术研究项目(吉教合字[2016]第88号)；吉林市科技发展计划(201464038)

李军徽(1976-)，男，博士，副教授，主要研究方向：新能源发电与运行控制、储能在新能源发电中的应用.

1005-2992(2017)04-0032-07

TM614

A

电子邮箱： lijunhui@neepu.edu.cn(李军徽);1532559607@qq.com(蒋莲);licuipingabc@163.com(李翠萍);1193613197@qq.com(张天洋);274439383@qq.com(李鸿博)