基于超級電容模組在風電場功率調節(jié)系統(tǒng)應用

1、基于超級電容儲能的風電場功率調節(jié)系統(tǒng)仿真研究 中國礦業(yè)大學v風力發(fā)電是當前發(fā)展最快的可再生能源發(fā)電技術。但是,風能是一種隨機變化的能源,風速變化會導致風電機組輸出功率的波動,對電網的電能質量產生影響。由于在風能質量不穩(wěn)定情況下發(fā)出的電能無法滿足并網要求，目前我國有三分之一的風電機組處于空轉狀態(tài)。因此,研究并網風電場的輸出功率調節(jié)已經成為風力發(fā)電技術中的重要問題。 1風電場功率補償系統(tǒng)研究背景風電場功率補償系統(tǒng)研究背景v風電場功率波動調節(jié)方法（1）直接調節(jié)風力渦輪機運行狀態(tài) 優(yōu)點：控制轉速來平滑輸出功率 缺點：功率調節(jié)響應速度慢（2）并聯(lián)靜止無功補償裝置 優(yōu)點：易于實現(xiàn)無功功率調節(jié) 缺點：無法平

2、抑有功功率波動 1風電場功率補償系統(tǒng)研究背景風電場功率補償系統(tǒng)研究背景（3）附加儲能設備進行功率調節(jié) 優(yōu)點：調節(jié)無功功率實現(xiàn)穩(wěn)定風電場母線電壓； 在較寬范圍內調節(jié)有功功率，實現(xiàn)風電 場并網功率穩(wěn)定輸送。 缺點：儲能設備存儲容量要求高； 充放電功率大，設備成本高。1風電場功率補償系統(tǒng)研究背景風電場功率補償系統(tǒng)研究背景v超級電容特性（1）超級電容器(Super capacitor,SC)是一種具有超級儲電能力、可提供強大脈沖功率的電源，是介于蓄電池和傳統(tǒng)靜電電容器之間的一種新型儲能裝置。2基于超級電容模組的儲能系統(tǒng)基于超級電容模組的儲能系統(tǒng)2基于超級電容模組的儲能系統(tǒng)基于超級電容模組的儲能系統(tǒng)表1

3、（2）超級電容器與傳統(tǒng)靜電電容器、鉛 酸蓄電池之間的性能對比如表1所示。2基于超級電容模組的儲能系統(tǒng)基于超級電容模組的儲能系統(tǒng)表1（2）超級電容器與傳統(tǒng)靜電電容器、鉛 酸蓄電池之間的性能對比如表1所示。優(yōu)點： 超級電容的內阻小 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： 低能量密度 低電壓 高自放電2基于超級電容模組的儲能系統(tǒng)基于超級電容模組的儲能系統(tǒng)（3）超級電容器存儲能量3雙向雙向DC/DC變換器變換器一、一、雙向雙向DC/DC變換器拓撲結構變換器拓撲結構 雙向DC/DC變換器是通過對單向Boost直流變換器適當?shù)母脑靵韺崿F(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

4、電源中開關管S1上反并聯(lián)二極管D1，將單向開關電源中開關管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為帶有調節(jié)裝置的并網風力發(fā)電系統(tǒng)結構示意圖。超級電容器模組(SC)作為直流側的儲能元件,功率調節(jié)系統(tǒng)(PCS)采用四象限電壓型變流器(VSC)，級聯(lián)雙向DC/DC變換器(Bi-DC/DC)結構,最終通過升壓變壓器并聯(lián)于風電場輸出端母線。 4風電場功率補償系統(tǒng)控制策略風電場功率補償系統(tǒng)控制策略一、系統(tǒng)結構與運行原理一、系統(tǒng)結構與運行原理 圖2 該裝置有以下2種工作模式:v(1)風電場功率調節(jié)模式:當檢測到設定頻段的有功功率波動時,裝置快速吸收波動的有功、無功功率,平滑風電場功率輸出,維持風電場輸出端母線電壓穩(wěn)定。v(2)充放電模式:當沒有檢測到設定頻段內的有功功

6、率波動時,通過對超級電容器緩慢的充放電維持超級電容器模組電壓值為 。 4風電場功率補償系統(tǒng)控制策略風電場功率補償系統(tǒng)控制策略一、系統(tǒng)結構與運行原理一、系統(tǒng)結構與運行原理 _screfV2222_max_min11112222sc scsc sc refsc sc refsc scC VC VC VC V4風電場功率補償系統(tǒng)控制策略風電場功率補償系統(tǒng)控制策略二、系統(tǒng)控制策略二、系統(tǒng)控制策略 圖3 4風電場功率補償系統(tǒng)控制策略風電場功率補償系統(tǒng)控制策略二、系統(tǒng)控制策略二、系統(tǒng)控制策略 Pref0時如圖5中虛線所示,Kpsc為功率限幅系數(shù),當VscVsc_max時,Kpsc=0,P*ref=0,保證

7、超級電容器不會過充。Pref0時如 圖 5 中 實 線 所 示 , 同 理 保 證 超 級 電 容 器 不 會 過 放 。 圖5 4風電場功率補償系統(tǒng)控制策略風電場功率補償系統(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)學模型工作原理與數(shù)學模型 4風電場功率補償系統(tǒng)控制策略風電場功率補償系統(tǒng)控制策略圖5 三相VSC拓撲結構 1.三相三相VSC在三相靜止坐標系下的數(shù)學模型在三相靜止坐標系下的數(shù)學模型1( 2)31(2)31(2)3aaadcadcbdccbbbdcadcbdcccccdcadcbdccdcdcLdcaabbccLdiLRieu su su

8、 sdtdiLRieu su su sdtdiLRieu su su sdtduueCi si si sdtR4風電場功率補償系統(tǒng)控制策略風電場功率補償系統(tǒng)控制策略2.三相三相VSC在兩相同步旋轉坐標系下的數(shù)學模型在兩相同步旋轉坐標系下的數(shù)學模型dddqdqqqdqdiueLiLRidtdiueLiLRidt4風電場功率補償系統(tǒng)控制策略風電場功率補償系統(tǒng)控制策略圖6 電網電壓定向的坐標系變換矢量圖 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風電場功率補償系統(tǒng)控制策略風電場功率補償

9、系統(tǒng)控制策略4.三相三相VSC并網工作狀態(tài)并網工作狀態(tài)由功率理論可知網側變流器在dq坐標系中送入電網的有功功率和無功功率如下：d dq qd qq dPu iu iQu iu i4風電場功率補償系統(tǒng)控制策略風電場功率補償系統(tǒng)控制策略5.三相三相VSC并網控制策略并網控制策略4風電場功率補償系統(tǒng)控制策略風電場功率補償系統(tǒng)控制策略圖7 三相VSC并網控制結構圖 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、仿真結果二、仿真結果 圖12 三相VSC變流器送入電網有功、無功功率 圖11 檢測到的有功功率波動 5系統(tǒng)控制策略仿真系統(tǒng)控制策略仿真二、仿真結果二、仿真結果 圖13 超級電容模組電壓 圖14 直流側電壓 5系統(tǒng)控制策略仿真系統(tǒng)控制策略仿真二、仿真結果二、仿真結果 圖15 三相VSC變流器送入電網電流（1） 5系統(tǒng)控制策略仿真系統(tǒng)控制策略仿真二、仿真結果二、仿真結果 圖15 三相VSC變流器送入電網電流（2） 6實驗樣機設計實驗樣機設計一、超級電容模組選型一、超級電容模組選型 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實驗樣機設計實驗樣機設計一、超級電容模組選型一、超級電容模組選型 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實際參數(shù)實際參數(shù)：超級電容器單體類型：大容量型HCAPC- 2R7 477-470F/2.7V單模組內單體數(shù)量：216只模組內單體組合方式：附加平衡均壓

12、電路的串聯(lián)電容器單體指標：容量470F，額定電壓VR 2.7V，內阻 166A， 漏電流 3 mA。模組整體指標：容量4.35F，額定電壓540V，最大電壓 583.2V，儲能量 738.72kJ，內阻 1。單組內部單體電容參考排列方式12*18。6實驗樣機設計實驗樣機設計二、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實驗樣機設計實驗樣機設

13、計1、濾波電容的計算：直流側最大峰值電壓可達800V，考慮1.5倍的裕量。計算得單個電容器的耐壓： 取電容耐壓值為1200V。三相整流橋輸出的電壓脈動周期為 。根據(jù)公式 ，取倍數(shù)為4，負載等效電阻為 。實際取600uF。選取EACO公司型號為SHA-900-200的電容器，6個并聯(lián)為一組，2組進行串聯(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實驗樣機設計實驗樣機設計2、緩沖電路當整個系統(tǒng)啟動前，需要對直流側電容進行預充電。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實驗樣機設計實驗樣機設計3、功率開關器件直流側電壓最大值約為800V，取裕量為1.5倍，即為1200V。因此選IGBT耐壓等級為1200V。對應電流等級選取為：300A。故IGBT技術參數(shù)為：1200V/300A。雙向DC/DC變流器用IGBT也選用上述技術參數(shù)。具體型號選擇為：英飛凌公司FF300R12MS4，共需4個。驅動電路根據(jù)所選IGBT型號，對應地進行選擇。具體型號為：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實驗樣機設計實