超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)在兩端供電直流微網(wǎng)中的電壓控制方法研究
相關(guān)鏈接： 中國(guó)安全網(wǎng) 中國(guó)質(zhì)量網(wǎng) 中國(guó)論文網(wǎng) 中國(guó)資訊網(wǎng)
馮驍，張建成
（華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定 071003）
摘要：為了更充分地利用分布式電源的發(fā)電出力，最大限度發(fā)揮超級(jí)電容器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，提出了兩端供電的干線式直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)．指m超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)在直流微網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)與作用，并根據(jù)超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)配置地點(diǎn)來選擇控制方法，電源端配置采用電壓分段控制，負(fù)荷端配置采用恒壓控制。在Matlab/Simulink平臺(tái)上搭建包含超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的直流微網(wǎng)模型，分析超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)配置位置對(duì)直流微網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。仿真結(jié)果表明超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)能有效地抑制負(fù)荷波動(dòng)或光照變化引起的電壓大幅變化。
關(guān)鍵詞：直流微網(wǎng)：超級(jí)電容器：電能質(zhì)量：儲(chǔ)能配置
O引言
分布式發(fā)電方式作為傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的有益補(bǔ)充．可延伸傳統(tǒng)電網(wǎng)的覆蓋區(qū)域，增強(qiáng)配電網(wǎng)的供電可靠性。新能源的發(fā)展同樣給電網(wǎng)帶來了新的挑戰(zhàn)。如分布式電源出力受自然條件影響較大，分布式電源間的環(huán)流問題等。微電網(wǎng)概念的出現(xiàn)，為分布式電源接入配電網(wǎng)或孤島運(yùn)行提供了一個(gè)全新平臺(tái)。微電網(wǎng)相對(duì)于配電網(wǎng)可被看作一個(gè)可控電源或負(fù)荷，弱化了單一大電網(wǎng)的脆弱性，提高了對(duì)負(fù)荷供電的可靠性和安全性。
微電網(wǎng)包括直流微網(wǎng)、交流微網(wǎng)、交直流混合微網(wǎng)。與交流微網(wǎng)相比，直流微網(wǎng)有很多顯著的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾性更好、損耗和故障發(fā)生率更低：無趨膚效應(yīng)，直流電源線可提供更強(qiáng)的帶載能力：直流微網(wǎng)在基礎(chǔ)設(shè)施的投資上低。西方發(fā)達(dá)國(guó)家自20世紀(jì)90年代開始了300—400 V數(shù)據(jù)中心直流配電的研究。隨著中國(guó)直流負(fù)荷需求的日益增多，對(duì)直流微網(wǎng)的研究更加值得關(guān)注。
儲(chǔ)能系統(tǒng)作為直流微網(wǎng)重要組成之一，不僅能改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量，提升微電源性能，也可為微網(wǎng)提供暫時(shí)供電。與蓄電池、鋰電池等其他儲(chǔ)能設(shè)備相比．超級(jí)電容器不僅具有工作溫度范圍寬、功率密度大和儲(chǔ)能效率高等優(yōu)點(diǎn)，而且在容量配置和充放電速度方面也具有明顯優(yōu)勢(shì)，因此，本文采用超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能設(shè)備單元。
目前，對(duì)直流微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行模式以及控制方法已有初步的理論研究。文獻(xiàn)[8]指出實(shí)際微網(wǎng)建設(shè)中，應(yīng)因地制宜地選擇合適的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[9]闡述了微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)集中式控制和分散式控制兩種控制結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[10-12]中所搭建的直流微網(wǎng)，均把分布式電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能系統(tǒng)集中連接在直流母線上．并討論其母線電壓控制策略方法。眾多文獻(xiàn)[10-12]中的直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)所采用的集中式電源、負(fù)荷無法直觀地反映直流微網(wǎng)巾各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓的變化．只討論如何維持母線電壓穩(wěn)定實(shí)際意義不大。在配電網(wǎng)中，比較常見的供電網(wǎng)絡(luò)為干線式．故本文搭建了多負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的干線式兩端供電直流微網(wǎng)。
1 直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)
本文搭建的直流微網(wǎng)負(fù)荷均為直流負(fù)荷，采用光伏陣列來模擬分布式電源．并配置有超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)來保證各節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，光伏電源最大輸m功率為40 kW，線路電阻為1.204 fl,/km，電感為l.5xl0-3 H/km;直流微網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中共有6個(gè)線路節(jié)點(diǎn)．編號(hào)為1-6,8個(gè)負(fù)荷點(diǎn)，編號(hào)為7 -14．除負(fù)荷點(diǎn)7為在160 n與40 Q之間變化的可變負(fù)荷外．其他均以160 Q電阻代替：系統(tǒng)電壓額定值為800 V，為了保證功率分點(diǎn)處電壓跌落在合理范圍．母線電壓提高2.5%，設(shè)為820 V。節(jié)點(diǎn)3、4之問為可切斷的聯(lián)絡(luò)線．在系統(tǒng)出現(xiàn)故障或是需要甩負(fù)荷時(shí)才會(huì)斷開，聯(lián)絡(luò)線導(dǎo)通時(shí)，節(jié)點(diǎn)3、4等效為同一節(jié)點(diǎn)。
直流微網(wǎng)系統(tǒng)的潮流中只需要計(jì)算有功功率，無需考慮電壓的相角問題，潮流計(jì)算由矢量問題轉(zhuǎn)為標(biāo)量問題。節(jié)點(diǎn)i注入功率為
式中：Ui、Uj分別為相鄰節(jié)點(diǎn)i、j的電壓；R,j為兩節(jié)點(diǎn)間電阻。
在交流系統(tǒng)中，有功功率損耗最小時(shí)的功率分布應(yīng)按線段的電阻分布，將此結(jié)論應(yīng)用到直流微網(wǎng)中可知．正常運(yùn)行時(shí)直流微網(wǎng)的有功功率損耗較交流微網(wǎng)要減小很多。
輸電線路中存在電感，當(dāng)其某端電壓發(fā)生變化時(shí)．通過的電流為
式中：f(U)為端電壓變化函數(shù)。
由式(2)可知，當(dāng)某節(jié)點(diǎn)電壓發(fā)生變化時(shí)，越靠近該節(jié)點(diǎn)，電流變化越大；遠(yuǎn)離該節(jié)點(diǎn)的線路，電流變化相對(duì)較小，兇此強(qiáng)波動(dòng)負(fù)荷和電源點(diǎn)為電流變化的“重災(zāi)區(qū)”，需要配置儲(chǔ)能系統(tǒng)來保證電能質(zhì)量。在實(shí)際應(yīng)用中，小型光伏電源一般都選擇靠近負(fù)荷點(diǎn)就地供電．然而南于地理等原因，部分微網(wǎng)系統(tǒng)電源與負(fù)荷不在一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這對(duì)系統(tǒng)電能質(zhì)量是一個(gè)考驗(yàn)。因此，超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置成為直流微網(wǎng)的一個(gè)重要問題。
2超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)
超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)一般由超級(jí)電容器組、雙向DC/DC變換器以及控制電路組成。超級(jí)電容器組通過雙向DC/DC電路連接到系統(tǒng)巾，通過超級(jí)電容器的充放電控制來穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)電壓，如圖2所示。
針對(duì)超級(jí)電容器，由E=0.5CU2可知，超級(jí)電容器兩端的電壓與其荷電狀態(tài)( state of charge，SOC)直接相關(guān)，故可以通過設(shè)定最高、最低允許工作電壓來表征超級(jí)電容器的過充、過放的臨界SOC。
2.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)模型
超級(jí)電容器模型最常采用的是經(jīng)典等效模型，如圖2所示．本文采用MAXWELL公司生產(chǎn)的48V超級(jí)電容器．對(duì)8個(gè)48 V超級(jí)電容器串聯(lián)組成的儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行白放電實(shí)驗(yàn)．2014-04-29T15:29開始．2014-05 -09T09:10結(jié)束．所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪成的曲線．如圖3所示，可知48 V超級(jí)電容器自放電特性良好．表征白放電特性的并聯(lián)電阻可以忽略。文獻(xiàn)[14]在采樣超級(jí)電容器電壓時(shí)，采樣電壓為經(jīng)典等效模型中電容兩端電壓．而在實(shí)際中超級(jí)電容器是封裝設(shè)計(jì)的，此類電壓采樣無法實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際計(jì)算超級(jí)電容器SOC時(shí)電容值為理論電容，電壓值為經(jīng)典等效模型的整體電壓，因此等效串聯(lián)電阻也可忽略處理。
雙向DC/DC系統(tǒng)是一個(gè)典型的非線性系統(tǒng)．而非線性控制方法雖然精度高但相對(duì)復(fù)雜，將雙向DC/DC系統(tǒng)進(jìn)行線性化，可以簡(jiǎn)化其控制并保證一定的精確度。運(yùn)用小信號(hào)分析法求得其傳遞函數(shù)。
BOOST模式下的傳遞函數(shù)為
BUCK模式下的傳遞函數(shù)為
式中：G。。(s)、G。．．(s)、Z．(s)分別為輸出電壓對(duì)輸入電壓、占空比及電感電流的傳遞函數(shù)；V。(”。(s》、V0(7，。(s))、/(s)分別為雙向DC/DC電路的超級(jí)電容器側(cè)、直流側(cè)穩(wěn)態(tài)（小信號(hào)）電壓以及電感電流。由能量流動(dòng)方向可知，雙向DC/DC系統(tǒng)中的BOOST模式與BUCK模式的輸出輸入?yún)?shù)正好相反：尺為直流節(jié)點(diǎn)側(cè)等效電阻；L為電感；C為直流側(cè)支撐電容值，C。為超級(jí)電容器組電容值；D．、D，分別BOOST. BUCK電路巾穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)開關(guān)管的占空比，D1 7=1-D,。
為了充分利用光伏電源的下垂特性，避免超級(jí)電容器的頻繁充放電，電源端儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制采用分段電壓控制，設(shè)定節(jié)點(diǎn)電壓的上、下限電壓值為U一、U。，將節(jié)點(diǎn)電壓分為3段，當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓值高于Ux時(shí)，雙向DC/DC電路為BUCK模式，超級(jí)電容器充電：當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓值低于U。時(shí)．雙向DC/DC電路為BOOST模式，超級(jí)電容器放電：電壓值位于U…、U。，之間時(shí)雙向DC/DC不動(dòng)作。
為了保證負(fù)荷側(cè)電能質(zhì)量，防止電子元件燒毀，負(fù)荷側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制采用恒壓控制，超級(jí)電容器通過充放電將節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定在額定值。額定值的選擇要考慮節(jié)點(diǎn)到電源端的電氣距離所造成的正常電壓損耗。
超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)控制框圖如圖4所示。
雙向DC/DC系統(tǒng)采用BOOST、BUCK獨(dú)立控制．運(yùn)用邏輯判斷模塊保證其正常切換。
2.2超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置
超級(jí)電容器相比較蓄電池在容量選擇上具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。超級(jí)電容器的超大功率密度決定了其可以不像蓄電池那樣備用較多的冗余容量，只需略多于所需功率即可。
超級(jí)電容器組容量值的選取可參照下列公式。
超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)能以較少容量值保證直流微網(wǎng)電能質(zhì)量滿足負(fù)荷需求，但裝設(shè)在不同的位置會(huì)帶來不同的效果。
在電源側(cè)布置。以光伏為代表的分布式電源受外界的影響隨機(jī)性與波動(dòng)性很大，如不在電源側(cè)布置儲(chǔ)能裝置．其出口電壓即使在可控范圍內(nèi)，也會(huì)存在較大的波動(dòng)，電壓波動(dòng)隨著線路傳輸?shù)截?fù)荷．與負(fù)荷的功率波動(dòng)疊加可能會(huì)造成電壓波動(dòng)過大甚至崩潰。
在強(qiáng)波動(dòng)負(fù)荷處布置。負(fù)荷長(zhǎng)期的隨機(jī)性波動(dòng)使得負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電能質(zhì)量不能滿足要求，反之較差的供電電能會(huì)影響所有負(fù)荷的正常運(yùn)行，可能會(huì)造成電力電子器件燒毀。
因此．超級(jí)電容器在選址上有3類布置方案：在電源側(cè)布置，在強(qiáng)波動(dòng)負(fù)荷布置以及在電源側(cè)、強(qiáng)波動(dòng)負(fù)荷均布置。
3仿真分析
本文僅考慮光伏兩端供電直流微網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定仿真驗(yàn)證。按照?qǐng)D1搭建仿真模型，利用Matlab/Simulink平臺(tái)進(jìn)行仿真分析。兩端光伏電源最大輸出功率均為40 kW,光照按照600、800、1 000、800 W／rri2變化，切換時(shí)間為Os、0.4 s、0.8 s、1.2 s；節(jié)點(diǎn)4在1 s時(shí)負(fù)荷由80 Q變?yōu)?0 Q．系統(tǒng)功率增加5 kW左右。由于兩側(cè)電源容量相同，線路負(fù)荷大致相同，只需考慮母線1、2，以及節(jié)點(diǎn)4的電壓變化情況（斷路器閉合）。超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)在接入電源端（母線側(cè)）時(shí)，采用分段電壓控制，節(jié)點(diǎn)電壓U…、U。設(shè)為820. 810 V;接人負(fù)荷節(jié)點(diǎn)端時(shí)，采用定電壓控制．為了減少超級(jí)電容器裝設(shè)容量，充分利用光伏電源出力，節(jié)點(diǎn)電壓設(shè)定在790 V,允許誤差為+2%。
當(dāng)不裝設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)．其各節(jié)點(diǎn)電壓變化如圖5所示，各節(jié)點(diǎn)電壓均不滿足其電能質(zhì)量要求．負(fù)荷側(cè)在負(fù)荷突變時(shí)．產(chǎn)生的電壓脈沖會(huì)影響電子元件正常工作。
在母線2處布置超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)，其各節(jié)點(diǎn)電壓變化如圖6所示．母線2處電壓為810～820 V,達(dá)到預(yù)期電能質(zhì)量要求．母線2處電壓的穩(wěn)定給系統(tǒng)各點(diǎn)電壓提供了參考值．使整個(gè)系統(tǒng)的電壓質(zhì)量有了較大的改觀．母線1處電壓仍受光照影響有較大波動(dòng)．并且光照變化的影響在節(jié)點(diǎn)4上也有體現(xiàn)。另外，由于電氣距離的限制．僅在母線處布置儲(chǔ)能系統(tǒng)不能消除負(fù)荷突變時(shí)帶來的脈沖電壓?jiǎn)栴}．
在母線1、2處均布置超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)．其各節(jié)點(diǎn)電壓變化如圖7所示。兩側(cè)母線電壓均能達(dá)到電能質(zhì)量要求，隨著兩端母線電壓的穩(wěn)定，節(jié)點(diǎn)4處電壓波動(dòng)性也較圖6有了很明顯的改觀．但仍存在脈沖電壓。
在節(jié)點(diǎn)4處布置超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)，其各節(jié)點(diǎn)電壓變化如圖8所示。節(jié)點(diǎn)4處電壓可有效地穩(wěn)定在790 V.上下偏差在l V以內(nèi)．達(dá)到r較高的電能水平，且穩(wěn)定的節(jié)點(diǎn)電壓也會(huì)沿電氣線路影響到母線電壓，減輕了母線處儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電的壓力，使得光伏發(fā)電的出力基本能達(dá)到電能質(zhì)量要求。
在母線1、2以及節(jié)點(diǎn)4處均布置超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)，其各節(jié)點(diǎn)電壓變化如圖9所示。節(jié)點(diǎn)4處電壓在儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用下，能夠完全保證其電壓波動(dòng)在誤差允許范圍內(nèi)．母線側(cè)電壓完全穩(wěn)定在810～820 V內(nèi)，達(dá)到預(yù)期電能指標(biāo)要求。
仿真結(jié)果表明，超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)是直流微網(wǎng)保證電能質(zhì)量的重要手段．正確地配置方法能有效地應(yīng)對(duì)光照、負(fù)荷變化引起的電壓波動(dòng)，保證系統(tǒng)的電能質(zhì)量穩(wěn)定在誤差允許范圍內(nèi)。圖6、圖7表明僅在母線處布置儲(chǔ)能系統(tǒng)，無法平抑負(fù)荷突變時(shí)產(chǎn)生的電壓脈沖。圖8的母線處電壓誤差較圖9有所增大，但若其他節(jié)點(diǎn)對(duì)電壓質(zhì)量沒有苛刻要求，則僅在節(jié)點(diǎn)4處布置儲(chǔ)能裝置就能在保證相對(duì)較好的電能質(zhì)量的同時(shí)節(jié)省設(shè)備投資，另外，在強(qiáng)波動(dòng)性負(fù)荷側(cè)布置超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)，采用定電壓控制．并不會(huì)過多地限制光伏電池的出力。如果對(duì)整個(gè)微網(wǎng)的電壓質(zhì)量均有明確嚴(yán)格的要求．在母線處與具有強(qiáng)波動(dòng)性的負(fù)荷點(diǎn)處均布置儲(chǔ)能系統(tǒng)則最為可靠。
4結(jié)語
本文搭建了一種貼合實(shí)際情況、多負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的兩端供電直流微網(wǎng)模型，并基于該模型分析了超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的位置布置原則，得出了不同位置的儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)采用不同的控制方法。布置在強(qiáng)波動(dòng)負(fù)荷側(cè)采用恒壓控制，優(yōu)先保證直流負(fù)荷側(cè)電壓質(zhì)量穩(wěn)定：布置在光伏電源側(cè)宜采用電壓分段控制，既可有效利用光伏發(fā)電出力，又可節(jié)省超級(jí)電容器的壽命，且電壓上下限處的波動(dòng)不超過+2%．但在微網(wǎng)強(qiáng)烈波動(dòng)時(shí)，遠(yuǎn)離儲(chǔ)能系統(tǒng)的線路會(huì)產(chǎn)生電壓脈沖：在兩處均布置儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)．系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)電壓均可達(dá)到+2%以內(nèi)的電壓質(zhì)量要求。仿真結(jié)果表明本文采用的布置、控制方法能有效穩(wěn)定直流微網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)電壓，能夠保證較高的供電電壓質(zhì)量。
