超級電容器儲能系統(tǒng)短時供電控制技術研究

1、超級電容器儲能系統(tǒng)短時供電控制技術研究1商 淼，張建成，李庚銀，梁海峰華北電力大學電氣工程學院，河北保定（071003）E-mail: shangmiao76, ligy摘 要：配電側(cè)電壓跌落甚至供電中斷是影響電能質(zhì)量的一個主要電氣干擾。針對這個問題，本文對超級電容器儲能系統(tǒng)、逆變控制技術、SPWM控制方法進行了研究，建立了儲能系統(tǒng)的數(shù)學模型，在此基礎上建立了超級電容器儲能系統(tǒng)短時供電的仿真模型，并設計了交流電壓PI控制器。通過MATLAB對仿真模型進行了仿真實驗。結(jié)果表明，控制器可以將超級電容器的能量平穩(wěn)輸入電網(wǎng)，實現(xiàn)對配電側(cè)的短時供電，從而達到提高供電可靠性的目的。 關鍵詞：超級電容器；儲

2、能系統(tǒng)；電能質(zhì)量；SPWM；MATLAB仿真1引 言電能是人類生活中最重要的能源。隨著國民經(jīng)濟和科學技術的發(fā)展，微電子器件與電力電子技術的廣泛應用，電力用戶對電能質(zhì)量（Power Quality）的要求越來越高；同時，由于擾動負荷接入電力系統(tǒng)或其它擾動源的存在，造成了大量的電能質(zhì)量問題，不但影響公用電網(wǎng)的安全運行，還對各種電力用戶的用電過程造成直接或間接的危害。電能質(zhì)量問題有四個比較大的方面：電壓、頻率、波形和三相平衡，包括用電可靠性、連續(xù)性，易于操作，減少維護費用和合理使用能源等。影響電能質(zhì)量的電力網(wǎng)絡上的電氣干擾，主要包括電壓跌落和突升，電壓的諧波分量，電壓波動與閃變，三相不平衡等，其中最

3、嚴重的電能質(zhì)量問題是電壓跌落和電壓完全中斷1。所以超級電容器短時供電的研究對提高電能質(zhì)量具有重要的作用。2超級電容器儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中，為提高電能質(zhì)量，儲能元件正起著越來越大的作用。儲能系統(tǒng)根據(jù)容量大小的區(qū)別，其主要作用有頻率控制、動態(tài)快速響應、提高輸電穩(wěn)定性，維持電壓穩(wěn)定、抑制諧波，閃變抑制、電壓下跌和瞬時斷電保護、三相不平衡的校正等2?，F(xiàn)階段，儲能元件主要有下面幾類：超導儲能系統(tǒng)、蓄電池儲能系統(tǒng)、飛輪儲能系統(tǒng)和超級電容器儲能系統(tǒng)。與其它幾種儲能方式比較，超級電容器有許多優(yōu)勢：充電時間短，反復使用次數(shù)多，環(huán)境溫度對正常使用影響不大；綠色環(huán)保產(chǎn)品，對用戶和環(huán)境沒有危害。超級電容器（Super

4、 Capacitor）是上世紀六七十年代在美國出現(xiàn)，并于八十年代逐漸走向市場的一種新型儲能器件，它是一種具有超級儲電能力，可提供強大的脈沖功率的物理二次電源3。超級電容器根據(jù)電化學雙電層理論研制而成，所以又稱雙電層電容器。其基本原理為：當向電極充電時，處于理想極化電極狀態(tài)的電極表面電荷將吸引周圍電解質(zhì)溶液中的1 該課題得到國家電力公司科技項目（項目編號：SP1120020109）資助- 1 -異性離子，使這些離子附于電極表面上形成雙電荷層，構(gòu)成雙電層電容。由于兩電荷層的距離非常小，再加之采用特殊電極結(jié)構(gòu)，使電極表面積成萬倍的增加，從而產(chǎn)生極大的電容量。超級電容器的問世實現(xiàn)了電容量由微法級向法拉

5、級的飛躍，徹底改變了人們對電容器的傳統(tǒng)印象。2.1 供電系統(tǒng)主電路超級電容器儲能供電系統(tǒng)主電路如圖1所示。本裝置并聯(lián)在負荷母線上，正常工作時，電容器的直流電壓由整流器直接提供。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障對負荷停止供電時，通過逆變器將超級電容器里的電能釋放出來，從而實現(xiàn)對負荷短時供電的目的。2.2 逆變器控制電路及SPWM控制方法逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同可分為兩種：直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變電路4。電流型逆變電路主要存在兩個缺陷：一是輸出電流中含有較大的紋波，用濾波器消除會影響高頻波形的產(chǎn)生；二是不便于調(diào)試和穩(wěn)定。因此，本設計采用的是三相電壓型逆變器，其逆變電

6、路橋臂上的開關元件選用IGBT。IGBT的優(yōu)點在于輸入阻抗高、開關損耗小、飽和壓降低、通斷速度快。正弦脈寬調(diào)制（SPWM）法是通過改變PWM輸出的脈沖寬度，使輸出電壓的平均值接近于正弦波。具體實現(xiàn)的方法是以正弦波作為基準波（調(diào)制波），用一列等幅的三角波（載波）與基準正弦波相交，由交點來確定逆變器的開關模式，使輸出的脈沖系列的占空比按正弦波規(guī)律變化，當正弦值最大時，脈沖寬度也最大；當正弦值較小時，脈沖寬度也最小4。根據(jù)輸出脈沖的幅度是在0+E之間還是在E+E之間跳躍，SPWM法可分為單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制。為了逆變出三相正弦波形，一般采用雙極性控制方式。3儲能系統(tǒng)逆變器數(shù)學模型超級電容器儲能系統(tǒng)

7、的逆變主電路如圖2所示。圖中逆變器開關元件為IGBT，濾波電抗由L表示，逆變器等效損耗由R表示，超級電容器電壓、逆變器輸出端電壓和負荷側(cè)電壓分ui和ul表示，超級別由Uc、電容器電流和負荷電流分別由ic、il表示。從圖2可以看出，交流側(cè)的三相動態(tài)微分方程為：- 2 -uiaulailailaduu=Ri+Li lbiblblbdtuiculcilcilc直流側(cè)的動態(tài)微分方程為：ic=CdUc dt逆變器兩邊電壓的動態(tài)關系式為：uiasin(t+)MUu=sin(t+120) cib2uicsin(t+120)式中M為調(diào)制度，為PWM初始相位角。Park變換矩陣P為：sintsin(t120)s

8、in(t+120)2P=costcos(t120)cos(t+120) 3111222對式進行整理并通過Park變換，可以得到下面的表達式：ilduidilduld0d1R1ilq=uiqilqulq0dtLLLil0ui0il0ul0000ild0ilq 0il0穩(wěn)態(tài)情況下，當系統(tǒng)三相對稱運行時，沒有零序分量，狀態(tài)變量的一階導數(shù)為零，當交流側(cè)電壓初始相位角為0時，uld=ul、ulq=0，則由式可知：uid=Rild+uldLilq =+uRiLilqldiq在式中，忽略逆變器損耗，也就是去除含R的項，則可以得到下式：uid=uldLilq uiq=Lild式中，uld是控制目標，穩(wěn)態(tài)時可認

9、為恒定，由此可以看出，在超級電容器逆變部分的數(shù)學模型中，可以實現(xiàn)d軸和q軸的解耦，即d軸和q軸之間沒有直接關系，而受控電壓uid和uiq分別通過ilq和ild可以控制5。4仿真模型及控制器設計4.1 仿真模型- 3 -超級電容器短時供電系統(tǒng)的仿真模型由超級電容器、PWM逆變器、濾波器、測量單元、負荷、PI控制器、PWM脈沖發(fā)生器等幾個單元組成，仿真流程圖如圖3所示。其中，PWM逆變器為三相電壓型逆變器；濾波器采用LC濾波；測量單元獲取逆變器交流側(cè)電壓、電流信號，利用式對交流側(cè)電壓進行控制；逆變器控制單元采用PI控制方法產(chǎn)生PWM調(diào)制信號ulabc，通過脈沖發(fā)生器產(chǎn)生PWM脈沖送入逆變器，從而達

10、到穩(wěn)定輸出電壓的目的。超級電容器PWM 逆變器濾波器測量單元負荷基準電壓PI 控制器圖仿真流程圖4.2 控制器設計近年來，逆變器控制技術得到了不斷的發(fā)展，由最早的開環(huán)控制發(fā)展到輸出電壓瞬時反饋控制，由模擬控制逐漸發(fā)展到了全數(shù)字控制。當前有多種數(shù)字控制方法，包括數(shù)字PID控制、狀態(tài)反饋控制、無差拍控制、重復控制、模糊控制以及神經(jīng)網(wǎng)絡控制等。其中，數(shù)字PID控制方法是工程實踐中應用最廣泛的控制器，蘊涵了動態(tài)控制過程中過去、現(xiàn)在和將來的主要信息，具有動態(tài)響應速度快，穩(wěn)態(tài)精度高，魯棒性強等優(yōu)點6。本系統(tǒng)根據(jù)前面建立的數(shù)學模型，進行了PI控制器的設計，控制器仿真模型如圖4所示。PI 控制器控制器首先從逆

11、變器交流側(cè)采得三相電壓信號ulabc和電流信號ilabc，這兩種測量信號進行Park變換轉(zhuǎn)換為dq0坐標，與三相交流電壓參考信號和鎖相環(huán)的同步信號共同作用，經(jīng)- 4 -圖控制器仿真模型過PI控制器計算給出交流電壓的調(diào)制信號ulabc，通過PWM脈沖發(fā)生器最終輸出PWM脈沖，送入逆變器控制IGBT的通斷，最終達到穩(wěn)定電壓的目的。5仿真結(jié)果圖3所示的仿真模型中，超級電容器的電容量C=0.65F，初始電壓為1000V；PWM開關頻率2kHz；低通濾波器的參數(shù)為2mH+66F；采樣環(huán)節(jié)的采樣時間為5s；控制器中的PI參數(shù)Kp=0.4，Ki=500。圖5是當負荷為純阻性負荷，R4.5時的超級電容器電壓、

12、負荷側(cè)有功無功功率、PWM圖6是當負荷為阻容性負荷，R4.5、L0.019H時的超級電容器電壓、負荷側(cè)有功通過上面的仿真結(jié)果可以看出：超級電容器短時供電的仿真模型可以將直流側(cè)的電容器能量輸送到逆變器的交流側(cè)，隨著調(diào)制度的逐步攀升，交流側(cè)的三相電壓能夠保持平穩(wěn)。- 5 -6結(jié)論本文對超級電容器作了介紹，給出了超級電容器儲能系統(tǒng)的主電路和逆變電路，建立了儲能系統(tǒng)逆變器的數(shù)學模型，通過MATLAB搭建了儲能系統(tǒng)短時供電系統(tǒng)的仿真模型，設計了PI控制器，并進行了仿真實驗。仿真結(jié)果表明：當仿真模型中的逆變單元阻容參數(shù)和PI控制器的Kp、Ki取值合理時，能夠在逆變器交流側(cè)得到平穩(wěn)的交流電壓，能夠?qū)崿F(xiàn)對負荷

13、側(cè)的短時供電。由此說明，將超級電容器儲能系統(tǒng)安裝在配電網(wǎng)，可以一定程度上提高用戶的用電可靠性。因此，超級電容器儲能系統(tǒng)是一種提高配電側(cè)電能質(zhì)量的有效方法。參考文獻1 肖湘寧. 電能質(zhì)量分析與控制. 中國電力出版社，20042 陳警眾. 電能質(zhì)量講座 第三講. 改善電能質(zhì)量的新設施. 供用電，2000，17(6)：52543 張熙貴, 王濤, 夏保佳. 一種優(yōu)秀的儲能器件-超級電容器. 世界產(chǎn)品與技術，2003，8：40424 徐以榮, 冷增祥. 電力電子學基礎. 東南大學出版社，19965 陳謙, 唐國慶, 胡銘. 采用dq0坐標的VSC-HVDC穩(wěn)態(tài)模型與控制器設計. 電力系統(tǒng)自動化, 20

14、04,28(16): 61666 陶永華, 尹怡欣, 葛蘆生. 新型PID控制及其應用. 機械工業(yè)出版社，1998Research on Transitory Energy Supply ControllingTechnique of Super Capacitor Storage SystemMiao SHANG，Jiancheng ZHANG，Gengyin LI，Haifeng LIANGSchool of Electrical EngineeringNorth China Electric Power University, Baoding, PRC, 071003AbstractVo

15、ltage sag and power interruption in distribution network is an important electrical interference to influence power quality. This article does some study on super capacitor energy system, inverter control technology and SPWM controlling strategy, establishes the mathematics model of energy supply an

16、d simulation model of super capacitor energy transitory energy supply system, designs AC voltage controller simulation model based on PI controlling technique. The results of simulation experiment with MATLAB indicate that this method can transfer power to network smoothly, realize transitory energy supplying to distribution network and increase power reliability.Keywords: super capacitor; energy