姜 喆，尹忠東

（華北電力大學(xué)，新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京102206）

超級電容器也被稱為電化學(xué)電容（electrochemical capacitors）或雙電層電容器（electrical double layer ca-pacitor）。超級電容器具有功率密度極高、循環(huán)壽命長、環(huán)境無污染和免維護等優(yōu)點，在一些短時電力儲能場合得到廣泛應(yīng)用[1]。

光伏發(fā)電技術(shù)日趨成熟，由于其具有清潔無污染、施工周期短、投資靈活、占地少、具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益等優(yōu)勢，已成為解決電力供應(yīng)的有效途徑之一[2]。太陽能是一種不穩(wěn)定的能源，由于日照輻射度決定光伏組件的最大輸出功率，光照強度的變化使光伏電池的輸出功率發(fā)生變化，具有很大的隨機性[2]，這給光伏并網(wǎng)后系統(tǒng)的穩(wěn)定性、光伏發(fā)電消納以及光伏電站電能質(zhì)量等方面帶來了障礙，制約了光伏發(fā)電的發(fā)展。如何使光伏發(fā)電的輸出功率穩(wěn)定、可控是光伏發(fā)電技術(shù)中一個必須解決的問題。引入儲能裝置可以使光伏電源的功率輸出較平滑，有效改變或緩解光伏發(fā)電輸出功率的隨機性與波動性。

研究表明，位于0.01～1 Hz的波動功率對電網(wǎng)電能質(zhì)量及穩(wěn)定性的影響最大[3]，采用超級電容作為短時儲能裝置可以平抑該頻段功率波動[1]。超級電容和其它儲能形式聯(lián)合，構(gòu)成混合儲能配置到光伏發(fā)電系統(tǒng)中，能增強光伏并網(wǎng)系統(tǒng)功率的可調(diào)度性[4]。相對于跨區(qū)域電網(wǎng)輸電線路、調(diào)峰調(diào)頻機組、負荷端管理來說，在并網(wǎng)光伏系統(tǒng)加入超級電容，可以有效調(diào)峰，提高電網(wǎng)柔性和本地電網(wǎng)消納光伏發(fā)電的能力。無論是混合儲能還是短時儲能，超級電容器在功率調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性方面都尤為重要。針對超級電容器應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的文獻已有不少，但大多是利用超級電容器進行直流母線電壓的穩(wěn)定控制[5-6]，進而控制功率的平穩(wěn)輸出，但輸出功率值的準(zhǔn)確可控方面仍有所欠缺。

本文應(yīng)用超級電容功率調(diào)節(jié)裝置對光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率進行調(diào)節(jié)，以按指定值平滑、準(zhǔn)確地輸出功率，使其具有可調(diào)度性為目的，針對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和雙向 DC/DC變換器模型，提出采用功率、電流雙閉環(huán)滯環(huán)電流的控制策略。

1 超級電容器的性能

超級電容器將能量儲存在雙層電極的電解質(zhì)界面處。存儲容量與極板面積成正比，與電容器正負兩極板之間的距離成反比。電容值可由式（1）計算。

超級電容器具有以下特點：①電容量很大，已有電容量達2300 F的超級電容器；②和普通電容器相比，具有很高的能量密度，是普通電容的10～100倍，一般可達20～70 MJ/m；③漏電流極小，具有電壓記憶功能，電壓保持時間長；④充放電性能好，無需限流和充放電控制回路，不受充電電流限制，可快速充電，通常幾十秒；⑤儲存和使用壽命長，維修費用很??；⑥使用溫度范圍廣，可達–40～85 ℃，而電池僅為 0～40 ℃；⑦比蓄電池安全，即使短路，超級電容器也不會爆炸。

在超級電容器充放電時，可以簡化等效為電容器C與內(nèi)阻Rs的串聯(lián)[7]，如圖1所示。圖中，Uc(t)為超級電容器的電壓；Is1、Is2分別為超級電容器的充放電電流。

圖1 超級電容器等值電路模型Fig.1 Equivalent circuit model of ultra-capacitor

設(shè)U0為電容器初始電壓，U1(t)和U2(t)為電容器充放電時的電壓，則電容器在充電和放電時，伏安特由式（2）、式（3）表示

超級電容器充放電時間可以按照式（4）、式（5）計算，即

式中，dv為超級電容的端電壓變化；t為超級電容的充放電時間，h。

設(shè)Uw、Uv分別為電容充電完成與放電完成時的電壓值，則電容器存儲的能量Wu可以表示為

根據(jù)特定充放電時間和電容充電完成與放電完成時的電壓Uw、Uv可以確定超級電容器的容量C。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行原理

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由1個或多個基本單元組成，每個單元的容量約為0.3～1.0 MW。大面積的光伏列陣組件通過直流升壓斬波（boost）DC/DC變換器，調(diào)節(jié)光伏列陣的輸出電壓，進行MPPT控制，實施光電轉(zhuǎn)換后經(jīng)直流母線匯集后分配給逆變部分，再由逆變器及濾波裝置轉(zhuǎn)換為滿足電能質(zhì)量要求的交流電，經(jīng)變壓器升壓后并網(wǎng)[8]。

帶有超級電容器調(diào)節(jié)裝置的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。超級電容器組作為直流側(cè)的儲能元件，并聯(lián)于直流母線，與雙向 DC/DC變換器構(gòu)成功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可在兩象限內(nèi)調(diào)節(jié)功率流動。雙向 DC/DC變換器采用功率、電流雙閉環(huán)反饋滯環(huán)電流控制方式，響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡單。

當(dāng)功率P0波動時，為使系統(tǒng)輸出恒定或大小可控制于功率數(shù)值Pref，超級電容器調(diào)節(jié)裝置在控制器的控制下通過雙向 DC/DC變換器進行功率的吸收或補償，吸收或補償?shù)墓β蕿棣，即

該裝置有以下2 種工作模式。

（1）當(dāng)功率大于指定功率Pref時，ΔP為正，功率差值由儲能裝置吸收，超級電容器充電，雙向DC/DC變換器工作在降壓斬波（buck）模式。

（2）當(dāng)功率小于指定的輸出功率Pref時，ΔP為負，功率差值由儲能裝置補充，超級電容器放電，雙向DC/DC變換器工作在升壓斬波（boost）模式。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic configuration of the system

2.2 雙向DC/DC變換器模型

雙向 DC/DC變換器（Bi-directional DC-DC convert，BDC）是 DC/DC變換器的雙象限運行，它的輸入、輸出電壓極性不變，輸入、輸出電流的方向可以改變。BDC實現(xiàn)了能量的雙向傳輸，在功能上相當(dāng)于兩個單向DC/DC變換器，是典型的“一機兩用”設(shè)備。以控制光伏并網(wǎng)系統(tǒng)按指定功率平滑、準(zhǔn)確地輸出功率為目的，采用Boost型BDC變換器來調(diào)控系統(tǒng)的能量流動，Boost型BDC變換器電路由圖3所示。通過狀態(tài)平均法，經(jīng)過平均—小信號擾動—線性化處理，建立到Boost型BDC變換器的狀態(tài)空間平均小信號數(shù)學(xué)模型[9]如式（8）所示。

圖3 超級電容器直流儲能單元的電路拓撲Fig. 3 The topology of DC circuit the energy storage unit with super-capacitors

雙向 DC/DC變換器是二階電路，取輸出功率和電感電流兩種反饋信號，實現(xiàn)雙閉環(huán)控制是符合最優(yōu)控制規(guī)律的。其中電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，相當(dāng)于一個自動穩(wěn)流電源，實現(xiàn)電感電流的自動調(diào)節(jié)。功率環(huán)為外環(huán)，用來控制超級電容器吸收或補充輸出功率的波動成分，按指定功率輸出。為調(diào)節(jié)功率波動運行情況下系統(tǒng)的性能，可以增加前向通路中所含的積分環(huán)節(jié)數(shù)，即采用PI控制器來進行補償。

2.3 滯環(huán)電流控制方法

滯環(huán)控制是一種應(yīng)用很廣的閉環(huán)電流跟蹤控制方法[10]?；跍h(huán)電流控制，制定雙向 DC/DC變換器的控制策略，結(jié)構(gòu)簡單且反應(yīng)快。采用恒定環(huán)寬變頻滯環(huán)電流控制時，電感電流i0作為反饋量與給定電流iref進行比較，再經(jīng)兩態(tài)滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制信號控制開關(guān)管通斷。

在完整的控制過程中，以滯環(huán)電流控制作為系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，通過外環(huán)作用為滯環(huán)控制單元提供瞬時電流參考信號iref，作為滯環(huán)比較器的輸入，通過與實際電感電流反饋信號比較，產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)指令脈沖序列。在 V1和VD1構(gòu)成降壓斬波電路時，V2導(dǎo)通狀態(tài)下，電感電流iL近似直線上升，當(dāng)達到預(yù)定的滯環(huán)帶上限時，V1關(guān)斷，VD1續(xù)流，從而電感電流開始衰減。同樣，隨著電流減至滯環(huán)下限，又返回前一種狀態(tài)，如此周而復(fù)始進行，迫使電感電流跟蹤參考電流而變化，換言之，將電感電流限定于以參考電流為中心的滯環(huán)帶以內(nèi)，如圖4所示。同理，V2和VD2構(gòu)成升壓斬波電路時，電感電流也會限定于以參考電流為中心的滯環(huán)帶以內(nèi)。

圖4 滯環(huán)電流跟蹤控制原理波形Fig.4 The principle waveform of hysteresis current tracking control

2.4 控制策略

以光伏并網(wǎng)系統(tǒng)輸出功率為控制目標(biāo)，雙向DC/DC換流器采用功率、電流雙閉環(huán)反饋滯環(huán)電流控制方式，其控制框圖如圖5所示。光伏電池陣列輸出功率P0低于額定值時，并聯(lián)于直流母線的DC/DC雙向換流器工作于升壓（boost）狀態(tài)，超級電容器釋放能量給直流母線；光伏電池陣列輸出功率P0高于額定值時，控制DC/DC雙向換流器工作于降壓（buck）狀態(tài)，超級電容器吸收直流母線的多余功率。將檢測到的光伏電池陣列輸出功率P0與參考功率Pref比較，得到偏差信號，以此作為PI調(diào)節(jié)器的輸入，PI調(diào)節(jié)器的輸出結(jié)果與電感電流比較，經(jīng)兩態(tài)滯環(huán)比較器產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)指令脈沖序列，驅(qū)動雙向DC/DC換流器開關(guān)IGBT的通斷。

圖5 功率-電流雙閉環(huán)反饋滯環(huán)電流控制框圖Fig.5 Block diagram of power and current double closed-loop with feedback hysteresis current control

3 仿真分析

在 PSCAD/EMTDC 電力系統(tǒng)仿真軟件中建立了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)以輸出功率為控制量的仿真模型。仿真主要參數(shù)為：光伏系統(tǒng)額定有功功率4.2 kW，直流母線電壓400 V，超級電容器儲能單元的參數(shù)為電容量0.5 F、電壓300 V，斬波器串聯(lián)電感為30 μH，IGBT開關(guān)頻率為3000 Hz。未接入超級電容功率調(diào)節(jié)裝置時，光照波動情況下光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的工作情況如圖6(a)所示：1～3 s，系統(tǒng)恒定輸出有功功率 4.2 kW；3～4 s，光照變強，系統(tǒng)輸出有功功率5.8 kW；4.5 s，光照變?nèi)?，光伏系統(tǒng)輸出有功功率3.5 kW，整個過程功率的輸出有功功率有巨大波動。接入超級電容功率調(diào)節(jié)裝置時，光照波動情況下光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的工作情況如圖6(b)所示：在光照波動的過程中，輸出有功功率基本穩(wěn)定在參考值4.2 kW，3 s有微小波動后迅速恢復(fù)穩(wěn)定。

圖6 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)輸出有功功率Fig.6 Exporting active power of photovoltaic grid-connected system

由上述仿真結(jié)果可知，當(dāng)光照發(fā)生變化時，光伏電池陣列輸出功率隨之降低或者升高，超級電容器功率調(diào)節(jié)裝置通過 DC/DC雙向變換器釋放或吸收能量，可以快速地調(diào)節(jié)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)按指定值平滑、準(zhǔn)確地輸出功率，使該系統(tǒng)具有可調(diào)度性。

4 結(jié) 論

以超級電容器作為功率調(diào)節(jié)裝置，提出功率-電流雙閉環(huán)置換電流控制策略，通過 DC/DC雙向變換器并聯(lián)于直流母線，充分發(fā)揮超級電容器性能優(yōu)勢，抑制并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的波動性和隨機性?；赑SCAD/ EMTDC 建立了仿真模型，仿真結(jié)果驗證了系統(tǒng)和控制策略的可行性，超級電容功率調(diào)節(jié)裝置快速吸收或補充輸出功率的波動成分，控制光伏并網(wǎng)系統(tǒng)按指定值平滑、準(zhǔn)確地輸出功率，使光伏發(fā)電系統(tǒng)具有可調(diào)度性。為光伏并網(wǎng)后系統(tǒng)穩(wěn)定性、光伏發(fā)電消納以及光伏電站電能質(zhì)量的提高提供了好的參考。

[1]Li Xiao（李霄），Hu Changsheng（胡長生），Liu Changjin（劉昌金），et al. Modelling and controlling of SCES based wind farm power regulation system[J].Automation of Electric Power Systems（電力系統(tǒng)自動化），2009，33（9）：86-90.

[2]Yang Xiuyuan（楊秀媛），Liu Xiaohe（劉小河），Zhang Fang（張芳），et al. Model of large PV and its applications on power system analysis[J].Proceedings of the CSEE（中國電機工程學(xué)報），2011，31（z1）：19-22.

[3]Li W，Joos G，Abbey C. Wind power impact on system frequency deviation and an ESS based power filtering algorithm solution[C]//Power Systems Conference and Exposition，2006：2077-2084.

[4]Bao Xuena（鮑雪娜），Zhang Jiancheng（張建成），Xu Ming（徐明），et al. Active power hierarchical control strategy of interconnected photovoltaic station based on hybrid energy storage[J].Automation of Electric Power Systems（電力系統(tǒng)自動化），2013，37（1）：115-121.

[5]He Bei（和貝），Zhang Jiancheng（張建成），Zhong Yun（鐘云），，et al.Voltage stability control of PV generation system based on double parallel boost-buck chopper[J].Electric Power Automation Equipment（電力自動化設(shè)備），2010，30（7）：100-103.

[6]Zheng Zhixue（鄭治雪），Li Yongdong（李永東），Dong Bo（董博），et al. 一種帶混合儲能單元的電網(wǎng)友好型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制策略[C]//第五屆中國高校電力電子與電力傳動學(xué)術(shù)年會論文集.2011：1-6.

[7]Dougal R A， Liu S， White R E. Power and life extension of battery-ultracapacitor hybrids[J].IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies，2002，25（1）：120-131.

[8]Zhao Zhengming（趙爭鳴），Lei Yi（雷一），He Fanbo（賀凡波），et al.Overview of large-scale grid-connected photovoltaic power plants[J].Automation of Electric Power Systems，2011，35（12）：101-107.

[9]Cai Xuansan（蔡宣三），Gong Shaowen（龔紹文）. 高頻功率電子學(xué)：直流-直流變換部分[M]. Beijing：Science Press，1993.

[10]Zhu Qi（朱琦），Wang Huizhen（王慧貞）. Modeling and analysis of hysteretic current controlled dual buck inverter[J].Power Electronics（電力電子技術(shù)），2012，46（2）：63-65.