超級電容儲(chǔ)能的并聯(lián)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器

1、超級電容儲(chǔ)能的并聯(lián)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器尹忠東1,彭 軍2(11 華北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院,北京 102206;2. 重慶大學(xué),重慶 400030)摘 要:提出了一種應(yīng)用超級電容作為儲(chǔ)能元件、 綜合改善電能質(zhì)量的并聯(lián)型電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置。裝置在系統(tǒng)正常運(yùn)行條件下可以濾除負(fù)荷產(chǎn)生的諧波、 補(bǔ)償無功功率,而且利用超級電容極高的功率密度,補(bǔ)償負(fù)荷的快速波動(dòng)功率,使電源側(cè)只需向負(fù)荷提供單位功率因數(shù)、 預(yù)先設(shè)定的恒定有功功率。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短時(shí)供電中斷時(shí),裝置的電源側(cè)配置的固態(tài)高速開關(guān)動(dòng)作,使其和負(fù)荷脫離系統(tǒng),裝置發(fā)揮ups的作用,向負(fù)荷短時(shí)提供全部功率。仿真研究表明,并聯(lián)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器在有效改善負(fù)荷品質(zhì),提高電能質(zhì)

2、量的同時(shí),增強(qiáng)了負(fù)荷的供電可靠性。關(guān)鍵詞:超級電容,電能質(zhì)量,儲(chǔ)能系統(tǒng)abstract : a shunt p ower quality conditioner (spqc ) applied to distribution networks is proposed in this paper. spqcis an ig btbasedon shunt pwm converter coupled with super capacitor energy storagesystem. it can act as apf , moreover, by taking use ofhigh power

3、density of super capacitor, and it is able to compensaterapid changing real power of fluctuating load to keep mains sideoutputting unit powerfactor and constantpower. also , it can support customer voltagefor a shortterm during systemoutage. simula2tions have been carried out to verify the construct

4、ion and control strategyof spqcfor load quality improvement.key words : super capacitor ; power quality ; energy storagesystem中圖法分類號:tm761文獻(xiàn)標(biāo)識碼:b文章編號:1003 - 6954(2005) 01 - 0012 - 06近年來 ,電能質(zhì)量問題越來越受到人們的關(guān)注,一方面用戶對供電質(zhì)量的要求越來越高,要求供電電壓幅值變化 、 波形畸變率以及年停電次數(shù)在一個(gè)很小的范圍內(nèi) ;另一方面供電部門對用戶負(fù)荷并入電網(wǎng)的要求越來越嚴(yán),如負(fù)荷功率因數(shù)、 電流諧波畸變率和

5、最大功率等都有嚴(yán)格限制。因此 ,電能質(zhì)量(p owerquality) 問題從供電和用電的立場可以分為供電質(zhì)量(supplyquality) 和負(fù)荷質(zhì)量(load quality) 問題 。研究表明 ,除了雷擊 、 風(fēng)雪等自然現(xiàn)象造成系統(tǒng)短路或斷線以及線路操作等人為因素造成的暫態(tài)過程引起的供電質(zhì)量問題外,設(shè)計(jì)良好的發(fā)電設(shè)備、 輸 、 配電線路很少有供電質(zhì)量問題。大部分的電能質(zhì)量問題,如諧波 、 電壓閃變 、 三相不平衡、 電壓暫升 、 暫降等 ,均是直接或間接地由負(fù)荷運(yùn)行特性,也就是負(fù)荷質(zhì)量(或稱用電質(zhì)量 、 負(fù)荷品質(zhì)等) 所引起 。因此改善負(fù)荷質(zhì)量是解決電能質(zhì)量問題行之有效的手段?？梢栽O(shè)想,

6、如果從系統(tǒng)側(cè)看,負(fù)荷滿足: 吸收穩(wěn)定 、 無諧波的正弦電流 ; 三相平衡的負(fù)載; 沒有沖擊涌流或大的啟動(dòng)電流 ; 功率因數(shù)為1 ,那么大部分的電能質(zhì)量問題都會(huì)迎刃而解。然而 ,系統(tǒng)中的這種負(fù)荷卻很少。設(shè)想 ,如果存在一種裝置,它和負(fù)荷并聯(lián)運(yùn)行,使得從電源側(cè)看負(fù)荷近似滿足上述要求,則等效的負(fù)荷質(zhì)量將得到極大改善,最終實(shí)現(xiàn)提高電能質(zhì)量的目標(biāo)。并聯(lián)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器( shunt p ower quality conditioner,spqc ) 能夠?qū)崿F(xiàn)以上目標(biāo),它是一種電壓源型變流器 ,與不良品質(zhì)負(fù)荷并聯(lián)接入系統(tǒng),補(bǔ)償負(fù)荷產(chǎn)生的諧波 、 無功功率或三相不平衡。它配置的儲(chǔ)能元件,可以快速補(bǔ)償負(fù)荷的尖峰

7、有功功率,保持電源輸出的功率近似為一定值。目前實(shí)用的儲(chǔ)能技術(shù)有電池、 超導(dǎo)儲(chǔ)能 、 飛輪儲(chǔ)能 、 燃料電池等,其中電池儲(chǔ)能技術(shù)歷史悠久、 應(yīng)用廣泛 ,技術(shù)非常成熟。不過也存在運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜、 工作環(huán)境要求高 、 壽命短等顯著缺點(diǎn)。超級電容是近年來出現(xiàn)的一種新型儲(chǔ)能元件,與電池儲(chǔ)能相比具有許多顯著的優(yōu)勢,在特定應(yīng)用場合已經(jīng)顯示出取代電池的趨勢 。超級電容作為spqc的儲(chǔ)能元件以改善負(fù)荷品質(zhì)的應(yīng)用研究,目前尚未見到國內(nèi)外文獻(xiàn)的報(bào)導(dǎo)。1超級電容儲(chǔ)能超級電容也稱為電化學(xué)電容,它具有優(yōu)良的脈沖充放電和大容量儲(chǔ)能性能,單體的容量目前已經(jīng)做到萬法拉級,是一種介于靜電電容器與電池之間的新型儲(chǔ)能元件 。超級電容最

8、大充放電性能由活性物質(zhì)表?21?四川電力技術(shù) 2005年第 1期面的離子取向和電荷轉(zhuǎn)移速度控制,因此可在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移,得到很高的放電比功率;同時(shí) ,由于電極上沒有發(fā)生決定反應(yīng)速度與限制電極壽命的活性物質(zhì)的相應(yīng)變化,因此它具有很好的循環(huán)壽命1 ,因而受到日本、 美國 、 歐盟 、 俄羅斯等國家的高度重視 。目前 ,超級電容與各類動(dòng)力電池配合使用組成的復(fù)合電池在電動(dòng)汽車的領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段,同時(shí)在變頻調(diào)速領(lǐng)域內(nèi),為消除電源電壓暫降及短時(shí)供電中斷對電動(dòng)機(jī)安全運(yùn)行(ride - through ) 的影響 ,國外對基于超級電容儲(chǔ)能的變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究和實(shí)驗(yàn)工作24。日本在電氣機(jī)車、

9、 ups等應(yīng)用方向進(jìn)行了研究,分別開發(fā)出了80kva 和 50kva 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)5、6。超級電容器存儲(chǔ)的能量可達(dá)到靜電電容器的100倍以上,同時(shí)又具有比電池高出10100倍的功率密度 。與靜電電容器相比其優(yōu)點(diǎn)是能量密度非常高 ,但是它耐壓較低,受制于電解液的分解電壓,漏電較大 ,容量隨頻率顯著降低,因此適于低頻使用。從其發(fā)展趨勢來看,超級電容主要是用來取代或部分取代電池 。與電池相比,超級電容具有許多電池?zé)o法比擬的優(yōu)點(diǎn) 。(1) 具有非常高的功率密度。電容器的功率密度可為電池的10100倍 ,可達(dá)到 10 kw/ kg 左右 ,可以在短時(shí)間內(nèi)放出幾百到幾千安培的電流。這個(gè)特點(diǎn)使得電容器非常適合用

10、于短時(shí)間高功率輸出的場合。(2) 充電速度快。超級電容器充電是雙電層充放電的物理過程或電極物質(zhì)表面的快速、 可逆的電化學(xué)過程 ,可以采用大電流充電,能在幾十秒到數(shù)分鐘內(nèi)完成充電過程,是真正意義上的快速充電。而蓄電池則需要數(shù)小時(shí)完成充電,即使采用快速充電也需幾十分鐘 。(3) 使用壽命長。超級電容器充放電過程中的發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)具有很好的可逆性,不易出現(xiàn)類似電池中活性物質(zhì)那樣的晶型轉(zhuǎn)變、 脫落 、 枝晶穿透隔膜等引起的壽命終止的現(xiàn)象,碳基電容器的理論循環(huán)壽命為無窮,實(shí)際可達(dá)100 000次以上,比電池高10100倍 。(4) 低溫性能優(yōu)越。超級電容充放電過程中發(fā)生的電荷轉(zhuǎn)移大部分都在電極活性物質(zhì)

11、表面進(jìn)行,所以容量隨溫度的衰減非常小。電池在低溫下容量衰減幅度卻可高達(dá)70 %。表1 靜電電容器 、 超級電容器與蓄電池的性能比較元件名稱靜電電容器超級電容器蓄電池放電時(shí)間10- 610- 3( s)130(s)0. 33(s)充電時(shí)間10- 610- 3( s)130(s)15(h)能量密度小于0.1(wh/kg )110(wh/kg )20100 (wh/kg )功率密度大于10,000 (w/kg )10002000 (w/kg )50200 (w/kg )循環(huán)效率1. 0 %0. 900. 95 %0. 50. 85 %循環(huán)壽命不限大于100 000次5002000次表 1 是超級電容

12、器和靜電電容器及蓄電池的特性比較 。由負(fù)荷質(zhì)量導(dǎo)致的電能質(zhì)量問題往往具有持續(xù)時(shí)間短 、 出現(xiàn)頻繁的特點(diǎn),應(yīng)用超級電容作為儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行快速補(bǔ)償是理想的技術(shù)方案。研究表明,目前雖然超級電容單位容量制造成本高于蓄電池,但在短時(shí)間應(yīng)用領(lǐng)域,超級電容的性能和綜合成本均優(yōu)于電池及其他儲(chǔ)能技術(shù)。將電能儲(chǔ)存在超級電容內(nèi),在需要時(shí)將能量送入系統(tǒng) 。由于超級電容是電壓源,易于充電和逆變,因此與超導(dǎo)儲(chǔ)能(s mes) 相比在技術(shù)上較為簡單。隨著電力市場的逐步成熟,經(jīng)濟(jì)地使用電能是用電企業(yè)降低生產(chǎn)成本,提高效率的重要手段。對于峰谷電價(jià)差別很大的用電企業(yè),如果在負(fù)荷曲線的谷區(qū)對超級電容充電 ,而在峰期利用超級電容儲(chǔ)能放

13、電(用電 ) 或賣電給電業(yè)公司,則在經(jīng)濟(jì)上是很有利的。這種超級電容儲(chǔ)能系統(tǒng)與電網(wǎng)能量交換不僅可以補(bǔ)償或調(diào)制有功功率 ,同時(shí)也可以補(bǔ)償和調(diào)制無功功率,形成一種四象限的補(bǔ)償裝置,既可以交換有功功率,又可以支持系統(tǒng)電壓,保持無功的平衡,等效為一種短時(shí)的靜止同步發(fā)電機(jī)。2spqc的拓?fù)浼肮ぷ髟韘pqc是與負(fù)荷并聯(lián)的基于igbt 的三相電壓源變流器 ,超級電容通過dc - dc變換連接到ups的高壓直流母線上。電路拓?fù)淙鐖D1 所示 。圖中 ,t1 t6構(gòu)成逆變器,與并聯(lián)型apf 有著一樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),除了具有并聯(lián)型apf 的濾波及動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償功能外,由于設(shè)置了儲(chǔ)能系統(tǒng),還可以作為系統(tǒng)的輔助電源,在短時(shí)間

14、內(nèi)向負(fù)荷提供有功功率。當(dāng)然 ,在負(fù)荷由重載突變?yōu)檩p載,甚至空載時(shí),也可以快速吸收突減的有功功率 ,避免系統(tǒng)電壓的劇烈變動(dòng)。sc是超級電?31?四川電力技術(shù) 2005年第 1 期容 ,單體電容的耐壓很低,一般低于3 v ,因此實(shí)際應(yīng)用中要將大量的電容器串聯(lián),達(dá)到可用的電壓水平。當(dāng)需要 spqc進(jìn)行有功補(bǔ)償時(shí),通過 t8 構(gòu)成的升壓斬波 (boost ) 電路將超級電容端電壓升至需要的直流母線電壓,并保持在規(guī)定的電壓值附近,t1 t6作為pw m 逆變器工作;而需要對sc充電或吸收部分有功功率時(shí) ,通過 t7 構(gòu)成的降壓斬波(buck) 電路完成,t1t6作為 pw m 整流器工作。抽出 spqc

15、直流電容中點(diǎn)可以構(gòu)成三相四線制系統(tǒng),此時(shí)需要設(shè)置斬波均壓電路控制上 、 下電容的電壓平衡。spqc的主要控制思路是采用dq 坐標(biāo)變換檢測補(bǔ)償電流獲取指令信號并用滯環(huán)電流控制得到pw m控制信號 。采用 dq坐標(biāo)變換的優(yōu)點(diǎn)是不必求解瞬時(shí)功率 ,直接通過電流的關(guān)系求出補(bǔ)償電流指令值,即使電壓含有諧波也不會(huì)影響電流指令的準(zhǔn)確性;同時(shí)變換將電流基波成分轉(zhuǎn)化為直流分量,可以用簡單的低通濾波器濾出,避免了使用陷波器對基波帶來的相位誤差 ?？紤]到pw m 變流器工作狀態(tài)包含快速和慢速兩種狀態(tài),即交流側(cè)電流變化快、 直流側(cè)電壓波動(dòng)慢的特點(diǎn),spqc控制系統(tǒng)采用電流內(nèi)環(huán)控制及電壓外環(huán)控制 。電流內(nèi)環(huán)控制通過控制

16、開關(guān)器件的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)對指令電流軌跡的跟蹤,達(dá)到在保證控制穩(wěn)定性和一定精度的同時(shí)具有快速響應(yīng)和魯棒性。電壓外環(huán)控制實(shí)現(xiàn)spqc從系統(tǒng)吸收有功電流補(bǔ)償自身損耗 、 維持逆變器直流側(cè)電壓恒定及通過t7 對 sc充電 。圖 2所示為 spqc電流指令生成原理圖。圖中三相電流ia、ib、ic為負(fù)荷瞬時(shí)電流實(shí)測值。p ll 為鎖相環(huán)節(jié),確保與系統(tǒng)電壓同步。移相環(huán)節(jié)使得三相電流dq 變換結(jié)果分別對應(yīng)瞬時(shí)有功、 無功電流 ?？紤]三相三線制,dq 變換及其逆變換分別如式(1) 、 (2) 所示 。idiq=23coscos(- 120 )cos(- 240 )sinsin(- 120 )sin(- 240 )ia

17、ibic(1)iaibic=23cossincos(- 120 )sin(- 120 )cos(- 240 )sin(- 240 )idiq(2)lpf 為低通濾波器,濾除信號中的高次諧波及負(fù)序分量 。iref為 spqc注入有功電流的門限值,根據(jù)當(dāng)前負(fù)載電流確定,park逆變換 1 輸出為負(fù)荷電流的基波有功及無功分量,逆變換 2 輸出 spqc應(yīng)注入的基波有功及無功電流,負(fù)荷電流與其基波量的差為高次諧波及負(fù)序電流分量。因此 ,指令電流中包含需要補(bǔ)償?shù)幕ㄓ泄Α?無功 、 高次諧波及負(fù)序電流分量。圖1spqc的電路拓?fù)鋱D2spqc生成電流指令的原理框圖?41?四川電力技術(shù) 2005年第 1期i

18、ref 在負(fù)荷有功電流發(fā)生變化后一段時(shí)間內(nèi)逐漸恢復(fù)到負(fù)載穩(wěn)態(tài)電流值,spqc不再注入有功功率,負(fù)荷有功全部由電源提供。因此負(fù)荷從電源吸收的電流表現(xiàn)為三相對稱、 無諧波 、 高功率因數(shù)及無沖擊。3 儲(chǔ)能控制電力系統(tǒng)各種儲(chǔ)能方法中,都存在儲(chǔ)存能量在使用過程中其形態(tài)(電壓或電流值 ) 發(fā)生變化的情況,這就要求通過適當(dāng)控制,實(shí)現(xiàn)即使在很少的能量或極低的電壓 、 電流條件下也能按照要求將能量送給系統(tǒng)。超級電容 sc的外特性很軟,若不加控制,隨著功率輸出 ,其端電壓迅速降低。超級電容儲(chǔ)存的能量表示為 :e=12c vsc2(3)式中, c為超級電容的電容值, vsc為超級電容端電壓 。其對負(fù)荷提供恒定有功

19、功率的持續(xù)時(shí)間表示為:t=12cw( v12-v22)(4)式中, w為超級電容輸出的恒定有功功率, v1為超級電容初始端電壓, v2為維持正常工作的最低端電壓。當(dāng)超級電容便釋放儲(chǔ)能的50%時(shí),其端電壓下降到初始電壓的70%。若無相應(yīng)的升壓控制電路,sc端電壓的降低會(huì)影響逆變器的正常運(yùn)行,大大降低超級電容儲(chǔ)能的利用率 。因此必須根據(jù)spqc的能量流動(dòng)模式對sc的儲(chǔ)能釋放及補(bǔ)充進(jìn)行控制,圖 3 為 spqc中能量流動(dòng)模式簡圖 。圖3spqc能量流動(dòng)模式簡圖如圖 3 所示 ,對于較穩(wěn)定的負(fù)荷而言,系統(tǒng)輸出功率包含兩部分,一是向負(fù)荷提供的基本有功功率,另外是對spqc中超級電容sc的充電功率。負(fù)荷產(chǎn)

20、生的諧波 、 無功分別由spqc濾除 、 補(bǔ)償 。在此工作模式下 ,補(bǔ)償 spqc自身產(chǎn)生的損耗及sc的充電功率的途徑是通過電壓外環(huán)控制器保持逆變器直流側(cè)電壓恒定實(shí)現(xiàn)的。圖 4 為電壓外環(huán)控制框圖,圖中將對應(yīng)直流電壓變化的有功電流與圖2 輸出的補(bǔ)償電流指令合成,形成新的電流參考值。圖4電壓外環(huán)控制框圖對于補(bǔ)償波動(dòng)負(fù)荷的場合,spqc在負(fù)荷峰谷期間分別輸出有功功率和吸收有功功率,實(shí)現(xiàn)快速、 高頻度的微觀“削峰填谷”作用 ,系統(tǒng)只向負(fù)荷提供基本功率 ,大大降低了波動(dòng)負(fù)荷對pcc電壓的干擾。圖 1 中的 t7、 t8構(gòu)成超級電容儲(chǔ)能控制的buck- boost電路 ,圖 5、 圖 6 分別為t7、

21、t8 的控制框圖。sc充電到90 %額定電壓前采用恒功率充電,達(dá)到90%額定電壓后采用恒電壓充電,圖 5 中 m 為模式轉(zhuǎn)換控制 。圖 6 中 ,隨著 sc中能量的釋放,sc端電壓下降 ,控制 t8開通 、 關(guān)斷的占空比以維持逆變器側(cè)直流電壓穩(wěn)定。圖5sc充電控制框圖圖6sc放電控制框圖圖 3中 ,若系統(tǒng)發(fā)生供電中斷時(shí),spqc的系統(tǒng)側(cè)配置的可控硅快速開關(guān)動(dòng)作,脫離發(fā)生故障的系統(tǒng),spqc向負(fù)荷提供短時(shí)間的全部功率。持續(xù)時(shí)間由式(4) 確定 ,起到 ups的作用 。4仿真研究對 spqc進(jìn)行了數(shù)字仿真。仿真基于e mtdc/psc ad 4. 0,參數(shù)說明如下:系統(tǒng)相電壓esys= 220 v

22、(rms) ,系統(tǒng)向負(fù)荷提供單位功率因數(shù)的恒定有功功?51?四川電力技術(shù) 2005年第 1 期率 106a(rms) ,負(fù)荷基波電流在70 140 a (rms) 間階躍變動(dòng) ,功率因數(shù)0. 8 滯后 ,負(fù)荷電流中含有的7 次諧波電流有效值為7 a。仿真結(jié)果如圖7 所示 ,波形由上到下 ,分別為三相負(fù)荷電流、 三相 spqc輸出電流 、 三相系統(tǒng)線電流及三相系統(tǒng)相電壓。由圖 7 可知 ,spqc的調(diào)節(jié)和補(bǔ)償作用,使得系統(tǒng)對波動(dòng)負(fù)荷只需提供功率因數(shù)為1 的恒定的有功功率,大大改善了負(fù)荷品質(zhì) ,減小了對其他用電設(shè)備的干擾,從而提高了 pcc的電能質(zhì)量。圖 8 為系統(tǒng)發(fā)生供電中斷時(shí),spqc的響應(yīng)波

23、形 。5結(jié)語電能質(zhì)量問題可從供電和用電的立場分為供電質(zhì)量和負(fù)荷質(zhì)量問題。設(shè)計(jì)良好的發(fā)電設(shè)備、 輸 、 配電線路很少有供電質(zhì)量問題,而絕大部分的電能質(zhì)量問題 ,如諧波 、 電壓閃變 、 三相不平衡 、 電壓暫升 、 暫降等 ,均是直接或間接地由負(fù)荷運(yùn)行特性,也就是負(fù)荷質(zhì)量 (或稱負(fù)荷品質(zhì)) 所引起 。因此改善負(fù)荷質(zhì)量是解決電能質(zhì)量問題行之有效的手段。應(yīng)用超級電容圖7spqc改善負(fù)荷品質(zhì)的仿真波形圖8系統(tǒng)發(fā)生供電中斷時(shí),spqc的響應(yīng)波形?61?四川電力技術(shù) 2005年第 1期作為儲(chǔ)能元件、 改善負(fù)荷品質(zhì)的后備式短時(shí)ups裝置 ,它不但能夠補(bǔ)償負(fù)荷產(chǎn)生的諧波、 吸收的無功功率 ,而且利用超級電容的

24、極高的功率密度,補(bǔ)償負(fù)荷的波動(dòng)功率,使電源側(cè)只需提供功率因素為1 的設(shè)定的恒定有功功率;當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短時(shí)供電中斷或電壓暫降時(shí) ,還能發(fā)揮 ups的作用 ,短時(shí)間內(nèi)向負(fù)荷提供全部功率 。仿真研究表明,spqc能夠有效改善負(fù)荷品質(zhì) ,提高電能質(zhì)量。參考文獻(xiàn)1 朱磊,吳伯榮,陳暉等 1 超級電容器研究及其應(yīng)用j 1稀有金屬,2003. 52 von jouanne, a., enjeti , p. n. , banerjee , b. , assessmentof ride - through alternatives for adjustable speed drives j ,industry a

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