基于超級(jí)電容模組在風(fēng)電場(chǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)用

1、基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的風(fēng)電場(chǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真研究 中國礦業(yè)大學(xué)v風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)前發(fā)展最快的可再生能源發(fā)電技術(shù)。但是,風(fēng)能是一種隨機(jī)變化的能源,風(fēng)速變化會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動(dòng),對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生影響。由于在風(fēng)能質(zhì)量不穩(wěn)定情況下發(fā)出的電能無法滿足并網(wǎng)要求，目前我國有三分之一的風(fēng)電機(jī)組處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。因此,研究并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率調(diào)節(jié)已經(jīng)成為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中的重要問題。 1風(fēng)電場(chǎng)功率補(bǔ)償系統(tǒng)研究背景風(fēng)電場(chǎng)功率補(bǔ)償系統(tǒng)研究背景v風(fēng)電場(chǎng)功率波動(dòng)調(diào)節(jié)方法（1）直接調(diào)節(jié)風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài) 優(yōu)點(diǎn)：控制轉(zhuǎn)速來平滑輸出功率 缺點(diǎn)：功率調(diào)節(jié)響應(yīng)速度慢（2）并聯(lián)靜止無功補(bǔ)償裝置 優(yōu)點(diǎn)：易于實(shí)現(xiàn)無功功率調(diào)節(jié) 缺點(diǎn)：無法平

2、抑有功功率波動(dòng) 1風(fēng)電場(chǎng)功率補(bǔ)償系統(tǒng)研究背景風(fēng)電場(chǎng)功率補(bǔ)償系統(tǒng)研究背景（3）附加儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行功率調(diào)節(jié) 優(yōu)點(diǎn)：調(diào)節(jié)無功功率實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定風(fēng)電場(chǎng)母線電壓； 在較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)有功功率，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電 場(chǎng)并網(wǎng)功率穩(wěn)定輸送。 缺點(diǎn)：儲(chǔ)能設(shè)備存儲(chǔ)容量要求高； 充放電功率大，設(shè)備成本高。1風(fēng)電場(chǎng)功率補(bǔ)償系統(tǒng)研究背景風(fēng)電場(chǎng)功率補(bǔ)償系統(tǒng)研究背景v超級(jí)電容特性（1）超級(jí)電容器(Super capacitor,SC)是一種具有超級(jí)儲(chǔ)電能力、可提供強(qiáng)大脈沖功率的電源，是介于蓄電池和傳統(tǒng)靜電電容器之間的一種新型儲(chǔ)能裝置。2基于超級(jí)電容模組的儲(chǔ)能系統(tǒng)基于超級(jí)電容模組的儲(chǔ)能系統(tǒng)2基于超級(jí)電容模組的儲(chǔ)能系統(tǒng)基于超級(jí)電容模組的儲(chǔ)能系統(tǒng)表1

3、（2）超級(jí)電容器與傳統(tǒng)靜電電容器、鉛 酸蓄電池之間的性能對(duì)比如表1所示。2基于超級(jí)電容模組的儲(chǔ)能系統(tǒng)基于超級(jí)電容模組的儲(chǔ)能系統(tǒng)表1（2）超級(jí)電容器與傳統(tǒng)靜電電容器、鉛 酸蓄電池之間的性能對(duì)比如表1所示。優(yōu)點(diǎn)： 超級(jí)電容的內(nèi)阻小 循環(huán)壽命長 充電速度快 工作溫度范圍寬 綠色環(huán)保缺點(diǎn)： 低能量密度 低電壓 高自放電2基于超級(jí)電容模組的儲(chǔ)能系統(tǒng)基于超級(jí)電容模組的儲(chǔ)能系統(tǒng)（3）超級(jí)電容器存儲(chǔ)能量3雙向雙向DC/DC變換器變換器一、一、雙向雙向DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 雙向DC/DC變換器是通過對(duì)單向Boost直流變換器適當(dāng)?shù)母脑靵韺?shí)現(xiàn)。將單向基本變換單元替換成雙向基本變換單元，將單向開關(guān)

4、電源中開關(guān)管S1上反并聯(lián)二極管D1，將單向開關(guān)電源中開關(guān)管S2上反并聯(lián)二極管D2，在輸入和輸出端分別并聯(lián)電容即可。如圖1所示。圖13雙向雙向DC/DC變換器變換器二、二、雙向雙向DC/DC變換器工作原理變換器工作原理 3雙向雙向DC/DC變換器變換器二、二、雙向雙向DC/DC變換器工作原理變換器工作原理 3雙向雙向DC/DC變換器變換器二、二、雙向雙向DC/DC變換器工作原理變換器工作原理 3雙向雙向DC/DC變換器變換器二、二、雙向雙向DC/DC變換器工作原理變換器工作原理 3雙向雙向DC/DC變換器變換器二、二、雙向雙向DC/DC變換器工作原理變換器工作原理 12VD VBUCK模式下：B

5、OOST模式下：112VVD 圖2為帶有調(diào)節(jié)裝置的并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。超級(jí)電容器模組(SC)作為直流側(cè)的儲(chǔ)能元件,功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)(PCS)采用四象限電壓型變流器(VSC)，級(jí)聯(lián)雙向DC/DC變換器(Bi-DC/DC)結(jié)構(gòu),最終通過升壓變壓器并聯(lián)于風(fēng)電場(chǎng)輸出端母線。 4風(fēng)電場(chǎng)功率補(bǔ)償系統(tǒng)控制策略風(fēng)電場(chǎng)功率補(bǔ)償系統(tǒng)控制策略一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理 圖2 該裝置有以下2種工作模式:v(1)風(fēng)電場(chǎng)功率調(diào)節(jié)模式:當(dāng)檢測(cè)到設(shè)定頻段的有功功率波動(dòng)時(shí),裝置快速吸收波動(dòng)的有功、無功功率,平滑風(fēng)電場(chǎng)功率輸出,維持風(fēng)電場(chǎng)輸出端母線電壓穩(wěn)定。v(2)充放電模式:當(dāng)沒有檢測(cè)到設(shè)定頻段內(nèi)的有功功

6、率波動(dòng)時(shí),通過對(duì)超級(jí)電容器緩慢的充放電維持超級(jí)電容器模組電壓值為 。 4風(fēng)電場(chǎng)功率補(bǔ)償系統(tǒng)控制策略風(fēng)電場(chǎng)功率補(bǔ)償系統(tǒng)控制策略一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理 _screfV2222_max_min11112222sc scsc sc refsc sc refsc scC VC VC VC V4風(fēng)電場(chǎng)功率補(bǔ)償系統(tǒng)控制策略風(fēng)電場(chǎng)功率補(bǔ)償系統(tǒng)控制策略二、系統(tǒng)控制策略二、系統(tǒng)控制策略 圖3 4風(fēng)電場(chǎng)功率補(bǔ)償系統(tǒng)控制策略風(fēng)電場(chǎng)功率補(bǔ)償系統(tǒng)控制策略二、系統(tǒng)控制策略二、系統(tǒng)控制策略 Pref0時(shí)如圖5中虛線所示,Kpsc為功率限幅系數(shù),當(dāng)VscVsc_max時(shí),Kpsc=0,P*ref=0,保證

7、超級(jí)電容器不會(huì)過充。Pref0時(shí)如 圖 5 中 實(shí) 線 所 示 , 同 理 保 證 超 級(jí) 電 容 器 不 會(huì) 過 放 。 圖5 4風(fēng)電場(chǎng)功率補(bǔ)償系統(tǒng)控制策略風(fēng)電場(chǎng)功率補(bǔ)償系統(tǒng)控制策略三、變流器控制策略三、變流器控制策略 圖4 四、三相四、三相VSC工作原理與數(shù)學(xué)模型工作原理與數(shù)學(xué)模型 4風(fēng)電場(chǎng)功率補(bǔ)償系統(tǒng)控制策略風(fēng)電場(chǎng)功率補(bǔ)償系統(tǒng)控制策略圖5 三相VSC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 1.三相三相VSC在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型1( 2)31(2)31(2)3aaadcadcbdccbbbdcadcbdcccccdcadcbdccdcdcLdcaabbccLdiLRieu su su

8、 sdtdiLRieu su su sdtdiLRieu su su sdtduueCi si si sdtR4風(fēng)電場(chǎng)功率補(bǔ)償系統(tǒng)控制策略風(fēng)電場(chǎng)功率補(bǔ)償系統(tǒng)控制策略2.三相三相VSC在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型dddqdqqqdqdiueLiLRidtdiueLiLRidt4風(fēng)電場(chǎng)功率補(bǔ)償系統(tǒng)控制策略風(fēng)電場(chǎng)功率補(bǔ)償系統(tǒng)控制策略圖6 電網(wǎng)電壓定向的坐標(biāo)系變換矢量圖 3.基于基于SVPWM的跟蹤電壓矢量的跟蹤電壓矢量 的電流控制原理的電流控制原理*iIdiPddqdiIqiPqqdqKuKiiLiesKuKiiLies 4風(fēng)電場(chǎng)功率補(bǔ)償系統(tǒng)控制策略風(fēng)電場(chǎng)功率補(bǔ)償

9、系統(tǒng)控制策略4.三相三相VSC并網(wǎng)工作狀態(tài)并網(wǎng)工作狀態(tài)由功率理論可知網(wǎng)側(cè)變流器在dq坐標(biāo)系中送入電網(wǎng)的有功功率和無功功率如下：d dq qd qq dPu iu iQu iu i4風(fēng)電場(chǎng)功率補(bǔ)償系統(tǒng)控制策略風(fēng)電場(chǎng)功率補(bǔ)償系統(tǒng)控制策略5.三相三相VSC并網(wǎng)控制策略并網(wǎng)控制策略4風(fēng)電場(chǎng)功率補(bǔ)償系統(tǒng)控制策略風(fēng)電場(chǎng)功率補(bǔ)償系統(tǒng)控制策略圖7 三相VSC并網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)圖 5系統(tǒng)控制策略仿真系統(tǒng)控制策略仿真一、仿真模型的建立一、仿真模型的建立 圖8 雙向DC/DC變流器控制模塊 5系統(tǒng)控制策略仿真系統(tǒng)控制策略仿真一、仿真模型的建立一、仿真模型的建立 圖9 兩電平VSC控制模塊 5系統(tǒng)控制策略仿真系統(tǒng)控制策略仿

10、真一、仿真模型的建立一、仿真模型的建立 圖10 SVPWM控制模塊 5系統(tǒng)控制策略仿真系統(tǒng)控制策略仿真二、仿真結(jié)果二、仿真結(jié)果 圖12 三相VSC變流器送入電網(wǎng)有功、無功功率 圖11 檢測(cè)到的有功功率波動(dòng) 5系統(tǒng)控制策略仿真系統(tǒng)控制策略仿真二、仿真結(jié)果二、仿真結(jié)果 圖13 超級(jí)電容模組電壓 圖14 直流側(cè)電壓 5系統(tǒng)控制策略仿真系統(tǒng)控制策略仿真二、仿真結(jié)果二、仿真結(jié)果 圖15 三相VSC變流器送入電網(wǎng)電流（1） 5系統(tǒng)控制策略仿真系統(tǒng)控制策略仿真二、仿真結(jié)果二、仿真結(jié)果 圖15 三相VSC變流器送入電網(wǎng)電流（2） 6實(shí)驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)一、超級(jí)電容模組選型一、超級(jí)電容模組選型 模組總能量：

11、 吸收能量潛力： 釋放能量潛力： 模組給定電壓：222211()3 (540270 )32822scscNhelfQCUUJKJ 11642xsscQQKJ11642sfscQQKJ427refQV6實(shí)驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)一、超級(jí)電容模組選型一、超級(jí)電容模組選型 北京合眾匯能建議：北京合眾匯能建議：用470F普通型的單體216只串聯(lián)成540V的模組（尖峰電壓583.2V），兩組并聯(lián)。建議電壓使用范圍275V-550V。HCC2.7V/650F實(shí)際參數(shù)實(shí)際參數(shù)：超級(jí)電容器單體類型：大容量型HCAPC- 2R7 477-470F/2.7V單模組內(nèi)單體數(shù)量：216只模組內(nèi)單體組合方式：附加平衡均壓

12、電路的串聯(lián)電容器單體指標(biāo)：容量470F，額定電壓VR 2.7V，內(nèi)阻 166A， 漏電流 3 mA。模組整體指標(biāo)：容量4.35F，額定電壓540V，最大電壓 583.2V，儲(chǔ)能量 738.72kJ，內(nèi)阻 1。單組內(nèi)部單體電容參考排列方式12*18。6實(shí)驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)二、雙向二、雙向DC/DC變流器系統(tǒng)硬件選型變流器系統(tǒng)硬件選型 選擇雙向直流變換器用IGBT的開關(guān)頻率為1KHZ。 濾波電感： 直流環(huán)節(jié)電容：427 130012refscswscUDLHmHfIK33600 4 1066088 300 101600 5%dcoffdcscswdcUTCFFLfUK 6實(shí)驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)設(shè)

13、計(jì)1、濾波電容的計(jì)算：直流側(cè)最大峰值電壓可達(dá)800V，考慮1.5倍的裕量。計(jì)算得單個(gè)電容器的耐壓： 取電容耐壓值為1200V。三相整流橋輸出的電壓脈動(dòng)周期為 。根據(jù)公式 ，取倍數(shù)為4，負(fù)載等效電阻為 。實(shí)際取600uF。選取EACO公司型號(hào)為SHA-900-200的電容器，6個(gè)并聯(lián)為一組，2組進(jìn)行串聯(lián)即可。 1.5 8001200nUVV13.36 50pTms244 3.355024CFuF(3 5)fpCRT三、三相三、三相VSC變流器系統(tǒng)硬件選型變流器系統(tǒng)硬件選型 6實(shí)驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)2、緩沖電路當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)前，需要對(duì)直流側(cè)電容進(jìn)行預(yù)充電。為了抑制充電電流過大，需增加R1。待系統(tǒng)

14、穩(wěn)定后，再由常閉接觸器屏蔽掉R1。24三、三相三、三相VSC變流器系統(tǒng)硬件選型變流器系統(tǒng)硬件選型 800120230pkmURI6實(shí)驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)3、功率開關(guān)器件直流側(cè)電壓最大值約為800V，取裕量為1.5倍，即為1200V。因此選IGBT耐壓等級(jí)為1200V。對(duì)應(yīng)電流等級(jí)選取為：300A。故IGBT技術(shù)參數(shù)為：1200V/300A。雙向DC/DC變流器用IGBT也選用上述技術(shù)參數(shù)。具體型號(hào)選擇為：英飛凌公司FF300R12MS4，共需4個(gè)。驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)所選IGBT型號(hào)，對(duì)應(yīng)地進(jìn)行選擇。具體型號(hào)為：CONCEPT公司的 2SC0435T型，適配板選用2BB0435型。三、三相三、三相VSC變流器系統(tǒng)硬件選型變流器系統(tǒng)硬件選型 6實(shí)驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)