（电力系统及其自动化专业论文）超级电容器对微电网电能质量影响的研究.pdf

学位论文作者签名： 网电能质量影响的 行的研究工作和取 论文中不包含其他 他教育机构的学位 献均已在论文中作 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：兰磊 导师签名： 日 期：塑也：至s 日期： 7 力 己 j ， t | 加他o ? f 关键词：超级电容器，储能系统，微电网，电能质量 a b s t r a c t v o l t a g es a g s ，t e m p o r a r yo u t a g e ，e t c w i l la l lb em o r ec r i t i c a li nm i c r o g r i dw i t h f e wg e n e r a t o r s o nt h ec o n t r a r y , w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e ms o c i e t y , h i g h q u a l i t yp o w e rs u p p l yb e c o m e sm o r ed e s i r a b l ei ne v e r y d a yl i f e i nam i c r o g r i d ， e n e r g ys t o r a g e i s e s s e n t i a l s u p e rc a p a c i t o re n e r g ys t o r a g e ( s c e s ) h a st h e a d v a n t a g eo fq u i c kr e s p o n s e ，h i g hp o w e ro u t p u t ，h i g he f f i c i e n c ya n dt h ea b i l i t yt o o u t p u tb o t ha c t i v ea n dr e a c t i v ep o w e r s c e sc a nn o to n l yc o m p e n s a t et h ev o l t a g e s a g ，b u ta l s oc o p ew i t hi m p a c tl o a da n dt e m p o r a r yo u t a g e s c e sa p p l i e dt o m i c r o g r i di sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h em a i ns t r u c t u r eo fs c e si si n t r o d u c e d ； e f f e c t i v ec o n t r o lm o d e li sb u i l ta n ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n ta r ec a r r i e do u ti n d i f f e r e n ta p p l i c a t i o n s s i m u l a t i o n sr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a ts c e sc a ni m p r o v et h e p o w e rq u a l i t yo fm i c r o g r i de f f e c t i v e l y w a n gx i n ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f h u a n gw e i k e y w o r d s ：s u p e rc a p a c i t o r ，e n e r g ys t o r a g es y s t e m ，m i c r o g r i d ，p o w e rq u a l i t y 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言。1 1 1 选题背景及意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 电能质量问题及其在微电网中的重要性一3 1 4 现阶段各种储能技术比较4 1 5 论文的主要工作及内容6 第二章超级电容器储能系统的工作原理7 2 1 超级电容器概述7 2 2 超级电容器的结构与模型7 2 3 超级电容器储能系统的结构与工作原理8 2 4 超级电容器储能系统的数学模型9 2 4 1 整流器数学模型9 2 4 2 逆变器数学模型1 1 2 4 3d c d c 变换器数学模型1 3 第三章超级电容器储能系统控制模型的建立1 6 3 1 超级电容器控制理论1 6 3 1 1 换流器控制理论1 6 3 1 2p w m 控制理论1 7 3 2 整流器控制模型的建立。1 8 3 3 逆变器控制模型的建立2 1 3 4d c d c 变换器控制模型的建立2 2 第四章微电网模型的建立2 4 4 1 微电网的结构及运行2 4 4 1 1 微电网的概念及结构2 4 4 1 2 微电网的运行2 5 4 2 微电源的原理及建模2 6 4 2 1 风力发电机2 6 华北电力大学硕士学位论文 4 2 2 光伏电池2 7 4 2 3 微型燃气轮机2 9 4 2 4 燃料电池3 1 4 3 微电源控制模型的建立3 3 4 3 1p q 控制3 3 4 3 2 电压频率( v f ；控制3 4 4 3 3 调差率( d r o o p ) 控制3 5 第五章仿真与结果分析3 7 5 1 仿真系统的建立3 7 5 1 1 微电网仿真系统概述3 7 5 1 2 仿真模型的建立3 7 5 1 3 超级电容器参数选择3 9 5 2 超级电容器改善电压质量的仿真分析4 0 5 2 1 仿真设定4 0 5 2 2 仿真结果分析4 1 5 3 超级电容器改善冲击负荷的影响4 1 5 3 1 并网运行时出现冲击负荷4 2 5 3 2 微电网孤网运行时出现冲击负荷4 2 5 4 超级电容器瞬时供电的仿真分析4 4 5 5 小结4 5 第六章总结4 6 参考文献4 7 到c谢5 0 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 l i l 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章引言 随着社会经济的发展，人们越来越关注绿色能源和生态环境。能够整合风力发电、 太阳能发电等可再生能源发电，并削弱其对电网冲击等负面影响的微型电网( 微电网) 应运而生。微电网通过整合分布式发电与配电网之间的关系，在局部区域内将分布式发 电单元、电网和终端用户直接联系在一起，实现了结构的优化配置以及电力调度的优化， 有利于提高能源利用效率，减轻对环境的影响，推动分布式电源( d i s t r i b u t e d g e n e r a t o r ，d g ) 上网，降低大电网的负担，提高安全可靠性，促进社会向绿色、环保、 节能方向发展n 2 1 。微电网的基本单元包含微电源、负荷、储能装置以及控制系统。其中 大多数微电源与电网的接口都要求是基于电力电子的，以保证微电网以单个系统方式运 行的柔性和可靠性。 由于可再生能源发电往往具有不稳定、不连续的间歇性特点，需要开发和建设配套 的储能系统来保证发电和供电的连续和平稳。而微电网由于规模较小，系统惯性不大， 经常发生的负荷波动就显得十分严重。储能系统作为微电网必要的能量缓冲环节，其作 用十分重要。它比发电机有更快的启动速度，可以提供有效的备用容量，改善电力品质， 改善系统的可靠度、稳定度；降低尖峰时的供电成本，进而降低电价，提高经济效益； 提供有效的负载管理机制及策略性的商业工具；在电力市场中，储能系统能够大幅避免 能源交易的中断，以及预测错误带来的损失，进而提供稳定的电价；在电力市场环境下， 微电网与大电网并网运行，有了足够的储存电力，微电网成为可调度的单元，微电网拥 9 有者可以根据具体情况向电力公司卖电，提供调峰和紧急功率支持等服务，获取最大的 经济效益。 超级电容器作为一种新型的储能器件，其无可替代的优越性，使其成为微电网储能 的首选装置之一。超级电容器功率密度大、能量密度高，成为处理尖峰负荷的最佳选择。 而且采用超级电容器只需存储与尖峰负荷相当的能量口4 1 。若采用蓄电池储能，需要存 储几倍于尖峰负荷的能量；若采用超导储能，则成本太高。超级电容器储能系统对微电 网系统起稳定的作用。能量存储使得分布式电源即使在负荷波动较快和较大的情况下能 够运行在一个稳定的输出水平。 近年来，电能质量问题越来越受到人们的关注，一方面用户对供电质量的要求越来 越高，要求供电电压幅值变化、波形畸变率以及年停电次数在一个很小的范围内；另一 方面供电部门对用户负荷并入电网的要求越来越严，对负荷功率因数、电流谐波畸变率 和最大功率等都有严格限制。储能系统对微电网电能质量的提高起到十分重要的作用。 通过逆变器控制单元，调节储能系统向用户及电网提供的无功及有功，从而达到提高电 能质量的目的。由于超级电容器可快速吸收、释放大功率电能，非常适宜将其应用到微 华北电力大学硕士学位论文 电网的电能质量调节装置中，用来解决可能发生的一些暂态问题，如针对系统故障引发 的瞬时停电、电压暂降等问题，利用超级电容器提供快速功率缓冲，吸收或补充电能， 提供有功功率支撑进行有功或无功补偿，以稳定、平滑电网电压的波动。 传统的分布式发电系统中，由于风力或太阳光具有不稳定性，通常采用蓄电池作为 储能单元，在电力充裕时进行储备，在供电不足时由储能单元释放能量，因此需要频繁 地对蓄电池进行充、放电控制，这样势必会大大缩短蓄电池的使用寿命。利用超级电容 器替代蓄电池作为储能单元，不仅可以在不影响使用寿命的前提下频繁、快速充放电， 而且对环境温度的要求以及维护工作会大大降低。 超级电容器的出现，解决了能源系统中功率密度与能量密度之间的矛盾。研究既经 济可靠又对环境友好的超级电容器储能系统是大有市场的，也是符合对环境保护要求 的。随着超级电容器技术的进一步发展，它将逐步取代当前需频繁更换的蓄电池，且家 用储能系统也有可能得到实现。作为一种储能巨大、充放电速度快、工作温度范围宽、 工作可靠安全、无需维护保养、价格低廉的储能系统，如能大量应用于微电网中，必将 推动技术进步，取得更大的经济效益呻，。 1 2 国内外研究现状 超级电容器是上个世纪6 0 年代发展起来的一种新型储能器件，并于该世纪8 0 年代 逐渐走向市场。从1 9 5 7 年美国人b e c k e r 申报的第一项超级电容器专利以来，超级电容 器的发展就不断推陈出新，直到1 9 8 3 年，日本n e c 公司率先将超级电容器推向商业化 市场，使得超级电容器引起人们的广泛关注，研究开发热潮席卷全球，技术水平日新月 异，应用范围也不断扩大。超级电容器在军用、民用领域均有广泛的应用。目前，国外 ( 特别是美国、日本) 对超级电容器的研究重点主要在于如何提高超级电容器的储能密 度以满足电动车等应用，其研究内容涉及到新材料的研发、制作工艺方法改进等。国内 对超级电容器的研究则刚刚起步，目前只有少数企业可以工业化生产活性炭类超级电容 器，所需要做的工作还很多口1 。 超级电容器是利用双电层原理直接储存电能，双电层电容器的模型是超级电容器储 能技术研究的一个重要内容，对双电层电容器储能系统的仿真、模块的优化设计以及系 统的效率分析都有重要意义。超级电容器的应用模型包括串联r c 模型阳9 1 、改进的串联 r c 模型n 们、线形r c 网络模型n 1 - l a 、非线性模型n 4 3 和神经网络模型n5 1 。串联r c 模型、 改进的串联r c 模型相对比较简单，适合工程计算；线形r c 网络模型和非线性r c 网络 模型能准确描述超级电容器的电气特性，适合模型仿真及精确计算和分析，但是模型参 数识别较难；神经网络模型适合同一类型的双电层电容器产品中，同时模型参数的识别 需要大量的历史数据u 引。 文献 1 7 针对超级电容器用于小电流放电的场合，提出了用能量约束法分析计算超 级电容器储能模块的方案；针对超级电容器用于高功率、大电流的储能场合，提出了功 2 华北电力大学硕士学位论文 率约束法来分析计算超级电容器储能模块的方案。通过实例对能量约束法的设计结果进 行了分析，对功率约束法的设计结果进行了仿真计算。文献 1 8 介绍了一种替代蓄电池 的超级电容储能模块，通过合理地设计充电和稳压电路，该模块的能量输出可达到 5 9 2 0 0 j ，具有稳定性好、转换效率高等特点。 虽然目前关于超级电容器储能系统应用于微电网中的文献还非常少，但是其在分布 式电源中的应用已经有了很大的进展。 文献 1 9 从超级电容器储能系统的运行机理出发，设计了含双向d c a c d c 变换器 的超级电容器储能系统主电路结构，建立了统一模型，该模型有利于提高分布式发电系 统的运行稳定性。 文献 2 0 中，将超级电容器并入双馈异步发电机设计中，不仅能平稳由风力引起的 功率波动，还有利于瞬变过程中直流母线电压的稳定。作为储能器件的超级电容器，不仅 能有效控制瞬态过程中的故障干扰而保持运行，即使在极端的电压场合也能展示其优越 的特性。 文献 2 1 详细分析了超级电容器储能装置的恒压双向功率流工作原理，建立了相应 的系统模型，并根据超级电容器的特点，给出了超级电容器储能装置的设计方法，有效 地规避了系统开环传递函数不稳定极点的出现。该模型可作为配电网电能质量调节装置 的储能单元，提供必要的能量缓冲。 文献 2 2 中给出了超级电容器储能系统的主电路和逆变电路，建立了储能系统逆变 器的数学模型，通过m a t l a b 搭建了储能系统短时供电系统的仿真模型。仿真实验说明， 将超级电容器储能系统安装在配电网，可在一定程度上提高用户的用电可靠性。 1 3 电能质量问题及其在微电网中的重要性 良好的电能质量无疑对电气设备的运行是有利的，但恶劣的电能质量对电力系统运 行的不利影响并没引起人们足够的重视。从危害程度来看，某些电能质量问题的危害是 破坏性的1 。例如，雷电波冲击、电容器和电缆线路投切时因谐振而引起的过电压往往 造成电气设备的绝缘和机械损坏，从而影响电力系统的正常运行；短时的供电中断或电 压跌落可能导致生产混乱或工业冶炼产品的大量报废甚至危害人身安全。另一方面，某 些电能质量问题主要影响电气设备的性能指标。例如，不正常的电压会引起异步电机负 荷的转速和功率变化，导致传动机械的效率降低，使纺织、造纸等产品的质量受到影响。 供电电压允许偏差是指供电电压对额定电压的偏差。供电电压的实际偏差取决于电 力系统的运行方式、供电阻抗和有功与无功负荷的变化。低压配电电压允许偏差范围 ( ) 为额定电压的一1 0 、+ 7 ，事故后运行方式下电压允许偏差范围扩大5 瞳4 ，矧。 电压偏差对交流输电而言，有同步运行稳定问题，输电线路的输送功率受稳定极限 的限制，电压越低，功率极限越低，越易发生不稳定现象。电网缺无功时，运行电压低， 可能产生电压不稳定现象，造成电压崩溃。同步运行稳定的破坏或电压不稳定都是严重 3 接入到电力网中，产生不断变化的冲击负荷。冲击负荷是指具有周期性或非周期性，突 然变化很大的负荷。冲击负荷具有功率变化速度快、负荷曲线呈锯齿状等特点。冲击负 荷出现的时间虽然很短，但其峰值可能是其平均值的数倍甚至数十倍，大量存在的冲击 负荷将严重影响电网供电的电能质量，引起频率波动、公共供电点的电压陡降，灯光闪 烁，电视机图像畸变，传真图文失真等。对冲击负荷需要做专门的研究，并提出相应的 对策，以满足电力系统安全稳定和电能质量的要求。 主网对微电网的主要不利影响是不平衡电压和电压骤降这两个电压质量问题。当主 网电压失衡严重时，连接微电网与主网的隔离设备会断开，使微电网孤立运行，以避免 影响。而当主网电压失衡不严重时，隔离设备不会动作，微电网在公共耦合点维持不平 衡的电压，如果没有补偿措施，微电网会产生电能质量问题，失衡电压可能导致失去电 动机负荷，敏感装置可能会不正常运行。 任何d g 在联网后都会对电能质量产生或多或少的影响。如果控制不当，它们对电 网电压波形( 畸形、直流偏移) 和频率以及功率因数会产生负面影响。这些影响在传统 的电网系统上是前所未有的，而在微电网中则可能时常发生。很多d g 如太阳能、风能 等都是间歇性能源，并网时会造成电压闪变，因此储能设备的应用就显得尤为重要。 1 4 现阶段各种储能技术比较 能量可以按以下几种类型储存起来：电能( 如超级电容器) 、电化学能( 如传统铅 酸电池、燃料电池) 、动能( 如飞轮) 、位能( 如空气压缩储能系统、抽蓄电厂) 、化学 能( 如氢储能系统) 、磁能( 如超导磁能储存系统) 、热能及化学能等。储能技术在电力 系统中具有广泛的用途，可以更好地实现电力系统的能量管理，在分布式发电和微电网 领域，这种作用更加明显。以下简要介绍常见的储能技术，并分析适合微电网的储能技 术。 ( 1 ) 抽水蓄能 抽水储能是世界上最古老的储能方法，技术比较成熟。它需要高低两个水库，在负 荷低谷时，电动机将水抽到上游水库，电能以势能方式储存，而当电网高峰负荷时，上 游水库向下游水库放水带动发电机旋转，势能转化为电能。由于抽水蓄能在很大程度上 受地理条件的局限，而符合这样地理条件的区域是不多的，因此无法大规模推广。此外， 抽水蓄能电站破坏生态环境，建设时间长，投资大，因此并不适宜在微电网中应用。 ( 2 ) 压缩空气储能( c a e s ) 压缩空气储能方式的工作原理是在电网低谷时利用剩余电力驱动压缩机将空气储 4 华北电力大学硕士学位论文 存于储气装置，当用电高峰时，储气装置排出高压空气与天然气或油等燃料混合燃烧后 推动燃气轮机发电。建造压缩空气蓄能电站的关键问题是压缩空气的贮存，最好利用现 成的地下岩盐洞、现存矿洞或挖掘成的岩石洞来贮存压缩空气。压缩空气储能往往规模 较大，不适宜应用于微电网中。 ( 3 ) 飞轮储能 飞轮储能将能量储存在高速旋转的飞轮中，所储存的能量和它的质量、旋转的速度 平方成正比。2 0 世纪9 0 年代以来，高强度纤维材料、高温超导磁悬浮轴承、电力电子 技术的快速发展，使飞轮储能技术逐渐走向成熟。飞轮储能具有能量密度高、工作效率 高、循环使用寿命长、无环境污染的特点。 ( 4 ) 超导线圈储能( s m e s ) s m e s 将能量存储在由流过超导线圈的直流电流产生的磁场中，储存的能量与超导 线圈电感成正比，与流过电流的平方成正比。s m e s 具有快速的电磁响应特性和很高的 储能效率，使用寿命长。s m e s 的应用有赖于在两个方面取得突破，一是制备低成本、 低损耗、机械性能良好的高温超导线材；二是提高低温系统和制冷系统的长期运行可靠 性，降低其成本和维护运行费用。 ( 5 ) 超级电容器储能 超级电容器利用双电层原理直接储存电能，其容量可达数万法拉，是介于蓄电池和 传统电容器之间的一种新型储能装置。超级电容器储存的能量e = o 5 c v 2 ，与容量c 和工作电压v 的平方成正比。超级电容器体积小，重量轻，具有动态响应快、功率密度 高、循环使用寿命长、环境友好、工作温度范围宽等优点。超级电容器储能技术实用化 的关键问题是降低超级电容器的生产成本和提高超级电容器的能量密度。 ( 6 ) 铅酸蓄电池储能( b e s s ) 铅酸蓄电池是最成熟的一种二次电池，是一种通用的低成本的储能器件，作为辅助 电源或者动力电源广泛应用于各种消费电子、u p s 、电力系统、机车牵引、电动汽车等。 但铅酸蓄电池循环寿命短、污染环境、充电时间长、受温度影响大、维护工作量大，在 各种二次电池技术发展日新月异的条件下，这些缺点极大地限制了b e s s 的发展。 ( 7 ) 储能技术综合比较 表1 是超级电容器与蓄电池、超导储能以及飞轮储能的性能比较。蓄电池技术成熟、 价格低，但其循化寿命低、污染环境，即将被新型环保的储能元件取代。其它三种储能 元件均为优秀的储能元件，是未来的发展方向，都可以应用于微电网中。超导储能、飞 轮储能可以用于快速补偿，但其功率密度比超级电容器低得多，效果要差一些。和其他 储能方式相比，超导储能价格昂贵，除了超导本身的费用外，维持低温所需要的费用也 相当可观。而飞轮储能受到转速及机械强度的限制。 5 华北电力大学硕士学位论文 表1 各储能系统的性能比较3 - 5 l 元件名称 蓄电池超级电容器超导储能飞轮储能 能量密度( w h k g ) 2 0 1 0 01 1 0 1 0 6 次 1 0 6 次 1 0 6 次 效率t 1 8 0 8 5 9 5 9 0 9 0 - - 一9 5 安全性 高商低不高 维护量 小很小大较大 对环境影响污染无污染无污染无污染 成本( p u ) 18 2 0 4 功率型储能设备，具有功率密度高、功率调节迅速等特点，但不适于大容量电能存储。 抽水储能、蓄电池等属于能量型储能设备，具有很高的能量密度，但响应速度不理想或 不适于频繁充放电转换。在微电网中，由负荷或者微电源导致的电能质量问题往往具有 持续时间短、出现频繁的特点。相比较而言，作为短期储能装置，超级电容器更为理想。 1 5 论文的主要工作及内容 本文建立超级电容器储能系统的模型，针对超级电容器储能系统在微电网中电能质 量问题的改善作用，研究相应的控制原理，建立相应的控制电路，完成仿真试验。研究 的内容：( 1 ) 研究超级电容器的特性及其储能的原理；( 2 ) 使用p s c a d 软件建立超级电 容器的模型以及储能系统的模型，并调试完毕；( 3 ) 研究超级电容器储能系统作为能量 缓冲装置在微电网中的作用，对电能质量的改善；完成仿真试验。本文工作的难点在于 超级电容器储能系统数学模型的建立，模型参数的设置及系统的调试。 论文一共分六章。 第一章阐述了课题的背景和意义，详细介绍了电能质量问题，对各种储能系统进行 了比较。 第二章对储能系统进行了数学分析，介绍了超级电容器储能系统的工作原理，建立 了换流器的数学模型。 第三章分析了各种换流器控制理论和p w m 理论，建立了超级电容器储能系统的控制 模型。 第四章分析了微电网的结构和运行特征，分析了风力发电、光伏电池、微型燃气轮 机和燃料电池等微电源的原理并建立相应的模型，建立了微电源的控制模型。 第五章搭建了微电网仿真平台，完成各种仿真实验，并对仿真结果进行了分析。 第六章对全文工作进行了总结，对下一步研究进行了展望。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章超级电容器储能系统的工作原理 2 1 超级电容器概述 超级电容器( s u p e rc a p a c i t o r ) ，又叫双电层电容器( e l e c t r i c a ld o u b l e l a y e r c a p a c i t o r ) 、黄金电容、法拉电容，是一种介于传统电容器和充电电池之间的一种新型 储能元件，其容量可达几百至上万法拉，比功率是电池的1 0 倍以上，储存能力比普通电 容器高，具有工作温度范围广、可快速充放电、循环寿命长、无污染零排放等特点b 3 。 1 ) 具有超高的容量。超级电容器的容量最大可做到上万法拉，比同体积的电解电 容器容量大20 0 0 - - - 60 0 0 倍。 2 ) 具有极高的功率密度。超级电容器的功率密度可达到1 8k w k g 左右，可以在短 时间内放出几百到几千安培的电流。这个特点使得超级电容器非常适合用于短时间高功 率输出的场合。 3 ) 充放电速度快。超级电容器不产生化学反应，可以直接将电力贮存起来，充电 所需的时间非常短。超级电容器充电可采用大电流充电，能在几十秒到数分钟内完成充 电过程，是真正意义上的快速充电。而蓄电池则需要数小时完成充电，采用快速充电也 需要几十分钟。 4 ) 使用寿命长。超级电容器半永久性使用，无需更换。传统的充电电池经过多次 充电和放电后，电解液逐渐分解、材料变质，性能也随之下降，用上几年后大都需要更 换。超级电容器充放电过程中发生的电化学反应都具有良好的可逆性，可反复进行充放 电数十万次以上，基本上无需更换。 5 ) 受环境温度的影响不大。使用温度范围广，低温性能优越，可达一4 0 一- - + 8 5 。蓄 电池的使用温度范围仅为0 + 4 0 。 当然，超级电容器也有其缺点。如果使用超级电容器不当，会造成电解液泄漏等现 象。超级电容器不可应用于高频率充放电的电路中，高频率的快速充放电会导致电容器 内部发热，容量衰减，内阻增加，在某些情况下会导致电容器性能崩溃。当超级电容器 进行串联使用时，存在单体间的电压均衡问题乜6 i 。单纯的串联会导致某个或几个单体电 容器过压，从而损坏这些电容器，整体性能受到影响。 2 2 超级电容器的结构与模型 超级电容器的其工作原理如图2 1 所示。超级电容器采用活性炭粉、活性炭纤维作 为多孔化电极，电解液采用有机电解质，如丙烯碳酸脂或高氯酸四乙氨。多孔化的活性 炭极大的表面积在电解液中吸附着电荷，因而将具有极大的电容量并可以存储很大的静 电能量。这种庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容器较传统电容器 而言有惊人大的静电容量，这是其“超级 的体现。 7 华北电力大学硕士学位论文 当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电 解液，超级电容器为正常工作状态( 通常为3 v 以下) ，如电容器两端电压超过电解液的 氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。由于随着超级电容器放电，正、 负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷相应减少。充放电过程始终是物 理过程，没有化学反应，因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。 极化电极化电极 图2 1 超级电容器的工作原理 图2 2 为超级电容器的电路模型，( a ) 为多个电容串并联的复杂组合，( b ) 为实际 工程中经常采用的简化模型。本文采用简化模型。 图2 2 超级电容器等效电路 2 3 超级电容器储能系统的结构与工作原理 超级电容器储能系统利用多组超级电容器将能量以电场能的形式储存起来，其基本 结构如图2 3 所示，主要由用储能的超级电容器组，双向d c d c 变换器，a c - d c 整流器， d c a c 逆变器和控制单元构成。超级电容器储能系统并联在微电网中电网与负荷之间的 母线上。 超级电容器储能系统的基本原理是三相交流电能经整流器变为直流电能，通过逆变 器将直流逆变成可控的三相交流。正常工作时，超级电容器将整流器直接提供的直流能 量储存起来，当系统出现故障或者负荷功率波动较大时，通过逆变器将电能释放出来， 准确快速补偿系统所需的有功和无功，从而实现电能的平衡与稳定控制。如果所逆变的 电压高于系统电压，那么逆变器就向系统提供功率；如果电压低于系统电压，它将吸收 功率。双向d c d c 变换器实现直流低压侧超级电容器组与直流高压侧之间的能量转换。 r 联只数，l 为超级电 c ：里(21i )es冠 ，；2 一 l z 一夕 总的等效电容c s c 为 = 里o ( 2 2 ) 超级电容器储能的大小可以利用以下公式来计算： e = 三c v 2( 2 3 ) 2 式中，e 为电容器的储能大小；c 为电容器的电容量；哟电容器的工作电压。 设整个放电过程中超级电容器单体的电压变化范围为，超级电容器组释放 的总能量为 e = 豪g ( 埘：2 ( 聊。) 2 = 三朋，z g ( ：2 一。2 ) ( 2 - 4 ) 由式( 2 4 ) 可知，在超级电容器单体数量和单体电压变化范围一定的情况下，释 放的总能量与超级电容器组的串并联方式无关。 对负荷提供恒定有功功率尼，超级电容器维持的供电时间为： f = 三1 百c ( 2 2 一。2 ) ( 2 5 ) 根据特定负荷忍、断电后需要维持的供电时间t 、故障初始时刻直流母线电压、 逆变器正常工作需要的最小直流母线电压，可以确定超级电容器的容量 2 4 超级电容器储能系统的数学模型 2 4 1 整流器数学模型 p w m 整流器按直流储能形式可分为电压型和电流型；按电网相数，分为单相、两相 9 华北电力大学硕士学位论文 和三相；按桥路结构，分为半桥电路和全桥电路。整流器采用p 1 j | m 电压型整流器( v s r ) 的理想开关模型。电压型p w m 整流器最显著的拓扑特征就是直流侧采用电容进行直流储 能，从而使v s r 直流侧呈低阻抗的电压源特性。p w mv s r i 旨波小、控制灵活，可通过合适 的算法，快速调节输出功率。三相v s r 电路拓扑结构如图2 4 所示。 v iv 3惦 箩惑b j 三 i j 兰 c j 曼 哩咄幢一 c 二= 恐： ! _ 弋、，吖v v 厂r y l l ；? v 出 妥擘 l s ， 弋y - v v v 丫y y 丫1 w 、 忱 j 三 i j 三 c j 童 图2 4 三相v s r 拓扑结构 三相静止对称坐标系下的v s r 数学模型物理意义清晰、直观。但该数学模型中，v s r 交流侧均为时变交流量，不利于控制系统设计。因此，可通过坐标变换将其转换为以基 波频率同步旋转的( d ，q ) 坐标系。经过坐标旋转变换后，三相对称静止坐标系中的基 波正弦变量将转化成同步旋转坐标系中的直流变量，简化了控制系统的设计。 三相静止对称坐标系( a ，b ，c ) 中，三相v s r 开关函数模型为： c 鲁= 。娶一 d i k + r i k d t = e k - v , 如( 旷j 1 ，互，s j 陋。 = t = o 式中，j 七是单极性二值逻辑开关函数( 后= 口，b ，c ) ，i l 是v s r 直流侧负载电流。 将上述模型转换至两相同步旋转d q 轴坐标系中的数学模型为： c d 出v d c = 三( + 屯勤) 一t 哮+ 础坞= 气一毛 嗉一砒城= 飞 ( 2 - 7 ) 在两相同步旋转d q 坐标系中，三相v s r 开关函数模型表达式存在两个变量的乘积 ( i q s pi d s d ) ，因而其模型具有典型的非线性特性，下面对该模型线性化处理。在忽略三 相v s r 桥路自身损耗和交流侧电感的情况下，由功率关系，可得： l o 华北电力大学硕士学位论文 ，则： p 2p 赴 = 知+ 知 2 j 白+ 互巳 艮= 么= c 鲁鼍 ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 一i o ) 等= 一币2 2 + 石3 绀知 ( 2 1 1 ) f g 和之间也存在非线性关系，因而不利于控制系统设计，为 “= 吃 另外，三相v s r 交流侧输出电压的d 、q 分量w 、为 v d2s d c q2s d c 为获得线性描述，可定义新变量u d 、u 4 ，且令 p d - e d - s d v d c e d 叫d 【“g2 白一5 q 2 巳一 由上述各式，得三相v s rd q 坐标系中的改进数学模型为 ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) d u23 3 面一面针c e d t d c z q 鲁= 一争即z 1 ( 2 - 1 5 ) 鲁= 一分三 对于新变量玑蚴、，上式为一组线性微分方程，有利于三相v s r 控制系统设 计。 2 4 2 逆变器数学模型 根据直流电源的类型，逆变器可分为电压型逆变器和电流型逆变器；依据逆变电路 结构的不同，可分为单相半桥、单相全桥、推挽式和三相桥式逆变器。电流型逆变电路 主要存在两个缺陷，一是电流中含有较大的纹波，用滤波器消除会影响高频波形的产生； 二是不便于调试和稳定。因此，本文采用三相电压型逆变器，其逆变电路桥臂上的开关 华北电力大学硕士学位论文 元件选用i g b t 。i g b t 的优点在于输入阻抗高、开关损耗小、饱和压降低、通断速度快。 超级电容器储能系统的三相桥式p w m 逆变器拓扑结构如图2 5 所示。采用s p w m 调 制方法，逆变器开关元件为i g b t ，滤波电抗由表示，逆变器等效损耗由r 表示，超级 电容器电压、逆变器输出端电压和负荷侧电压分别由以、u i 和u ，表示，超级电容器电流 和负荷电流分别由屯、裱示。根据基尔霍夫电流定律和电压定律，可以得到三相p w m 逆变器的数学模型，以下通过分析该电路拓扑结构的数学模型进行控制器的设计。 图2 5 三相p w m 逆变器的主电路 从图2 5 可以看出，在静止坐标系下交流侧的三相动态微分方程为： “妇 “西 u i c “肠 一l “胁 直流侧的动态微分方程为： = 尺i 胁 皆以等 逆变器两边电压的动态关系式为： u i a u i b “f c 式中，m 为调制度，6 为p w m 初始相位角。 p a r k 变换矩阵p 为： ，d + l 一 出 。肠 2 胁 1 纪 负 荷 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 1 9 ) 1，l_ 、，、， o o o o 2 2 、j 一 +万万万 + + + 形 玎 玎 耐 研 研 n n n 吼 吼 吼 。l c u埘 m 一 = 华北电力大学硕士学位论文 对式( 2 1 6 ) 进行整理并通过p a r k 变换，可以得到下面的表达式： j d t i d 。幻 ，0 l = 一 工 “嗣 ”f g u i o 尺 一 l ll d 幻 oz 0 1 一一 l “膨 “l q u l o埘h 囊 ( 2 - 2 0 ) 式( 2 1 6 ) 、( 2 一1 8 ) 司以很直观、清楚地反映逆燹器的电压电流特性，但输出侧均 为时变的交流量，不便于控制系统的设计。通过p a r k 变换得到( 2 2 0 ) 在d q 坐标系下的 电压电流表达式，将静止坐标系中的基波正旋变量转化成同步旋转坐标系得直流变量， 从而简化了控制系统的设计。 在稳态情况下，当系统三相对称运行时，不含零序分量，状态变量的一阶导数为零。 当交流侧电压初始相位角为。时，“旷iu li 、“圹o ，则由式( 2 - 1 6 ) 可知： ”谢2 r 搿+ 甜瞄一缈三灯幻 ( 2 2 1 ) 【“i q = r x i l q + a x l x i m 在式( 2 2 1 ) 中，如果忽略逆变器损耗，即去除含r 的项，则可以得到下式： j u i d 2 u l d - c o 地灯幻 ( 2 - 2 22 ) 1 (- 2 2 ) 【“i q = c o x l x i m 式( 2 2 2 ) 中，砌是控制目标，稳态时可认为蚴恒定。在超级电容器逆变部分的数 学模型中，由此实现了d 轴和q 轴的解耦。受控电压”耐和分别通过奶和玩可以控制。 通常在同步旋转坐标系下，功率的计算采用以下方法： d g = u d x i d + “g x i g ( 2 - 2 3 ) 【蟛匆钏d 灯g 叫g j i a ht p a r k 变换后呼0 ，功率计算式可化为： j 尸妇刮白( 2 - 2 4 ) l q 妇剐矗g 由此可知，在三相电路中，同步旋转坐标系下q 轴电流与无功功率相关，d 轴电流与 有功分量相关。 2 4 3d c d c 变换器数学模型 单向d c d c 变换器主功率传输通道上一般都有二极管这个环节，能量流动的方向只 能是单向的。为了实现充、放电，以及能量的双向流动，宜采用双i 句d c d c 变换器。能 量的双向流动 吸收输出端多 本文采用 桥的4 个桥臂。 为直流滤波器 图2 6 双向d c d c 变换器主电路拓扑结构 该电路结构不同于全桥四象限d c d c 的拓扑结构，后者主要是用于直流电机调速方 面。而此d c d c 变换器不仅可实现电压升与降的调节，并且开关的利用率比全桥电路高。 此外该结构还降低了电感和电容上的电气应力。 通过对四个开关管的控制，可以分别实现正向降压、正向升压、反向降压、反向升 压四个工作状态。开关通断与工作模式的关系见表3 1 。 表3 1 开关通断与工作模式关系 t l t 2t 3t 4 工作模式 开关态截止态 截止态 截止态正向降压 导通态截止态 截止态 开关态正向升压 截止态 截止态 开关态 截止态反向降压 截止态开关态导通态截止态反向升压 雕螂1 卜舯q 仁鹚 1 4 ( 2 - 2 6 ) ( 2 - 2 7 ) 、信号传递函 ( 2 - 2 8 ) 氏魂瑚2 赢鬻 亿2 9 ， 华北电力大学硕士学位论文 第三章超级电容器储能系统控制模型的 3 1 超级电容器控制理论 3 i i 换流器控制理论 对超级电容器的控制主要体现在d c d c 变换器、d c a c 变换器等换流器的控制上。近 年来，换流器控制技术发展迅速，由最早的开环控制发展到输出电压瞬时反馈控制，由 模拟控制逐渐发展到全数字控制。换流器的数字控制是现在发展的趋势，当前主要有数 字p i d 控制、状态反馈控制、模糊控制以及神经网络控制等。 ( 1 ) 数字p i d 控制 数字p i d 控制方法是工程实践中应用最广泛的控制方法。p i d 控制具有如下优点：蕴 涵了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息，控制过程快速、准确、平稳，控制 效果良好；设计过程不过分依赖系统参数，控制的适应性好，有较强鲁棒性；算法简单 明了，已经有完整的设计和参数调整方法。但是，p i d 控制方法也有其局限性：系统的 采样量化误差降低了算法的分辨率，使得p i d 调节器的控制精度变差；采样和计算延时 使得被控系统成为一个具有纯时间滞后系统，造成p i d 调节器的设计困难，稳定域减小。 随着高速信号处理器d s p 及高速a d 的出现，数字p i d 控制方法有了进一步发展的空间。 ( 2 ) 状态反馈控制 状态反馈控制利用状态反馈实现了换流器系统极点的优化配置，换流器工作在一种 十分稳定的状态，输出具有良好的瞬态响应效果和较低的谐波畸变率。该方法对线性负 载的响应很好，但对于非线性负载，如二极管整流负载，控制效果不是很好。所以，状 态反馈控制策略可以明显的改善系统的动态性能，减少过渡过程的响应时间。但是，这 种方法对系统稳态指标的影响不大，不能抑制各种干扰引起的波形畸变。 ( 3 ) 无差拍控制 无差拍控制是一种基于电路方程的控制方式，它利用状态反馈实现零点和极点地对 消，并配置另一个极点于原点。在理想状态下，输出能够很好的跟踪给定，波形畸变率 很小。因此，即使在很低的开关频率下，无差拍控制也能够保证输出波形的质量，这是 其它控制方法所不能做到的。无差拍控制的局限性在于：由于采样和计算时间的延迟， 输出脉冲的占空比受到很大限制；对系统参数的变化反应灵敏，如电源电压波动、负载 变动，系统的鲁棒性差。 ( 4 ) 重复控制 以上各种控制方法对线性负载的适应能力都很好，但对于非线性负载，输出电压的 畸变率却很高。为了消除非线性负载对换流器输出的影响，在换流器控制中引入了重复 控制技术。重复控制是一种基于内模原理的控制方法，它的突出特点是稳态特性好，控 1 6 华北电力大学硕士学位论文 制鲁棒性强。但重复控制有一个致命的弱点，就是它的控制实