基于超级电容模组在风电场功率调节系统应用

基于超级电容储能的

风电场功率调节系统仿真研究

中国矿业大学风力发电是当前发展最快的可再生能源发电技术。但是,风能是一种随机变化的能源,风速变化会导致风电机组输出功率的波动,对电网的电能质量产生影响。由于在风能质量不稳定情况下发出的电能无法满足并网要求，目前我国有三分之一的风电机组处于空转状态。因此,研究并网风电场的输出功率调节已经成为风力发电技术中的重要问题。

1风电场功率补偿系统研究背景风电场功率波动调节方法（1）直接调节风力涡轮机运行状态优点：控制转速来平滑输出功率缺点：功率调节响应速度慢（2）并联静止无功补偿装置

优点：易于实现无功功率调节缺点：无法平抑有功功率波动

1风电场功率补偿系统研究背景（3）附加储能设备进行功率调节优点：调节无功功率实现稳定风电场母线电压；

在较宽范围内调节有功功率，实现风电

场并网功率稳定输送。缺点：储能设备存储容量要求高；

充放电功率大，设备成本高。1风电场功率补偿系统研究背景超级电容特性（1）超级电容器(Supercapacitor,SC)是一种具有超级储电能力、可提供强大脉冲功率的电源，是介于蓄电池和传统静电电容器之间的一种新型储能装置。2基于超级电容模组的储能系统2基于超级电容模组的储能系统表1（2）超级电容器与传统静电电容器、铅

酸蓄电池之间的性能对比如表1所示。2基于超级电容模组的储能系统表1（2）超级电容器与传统静电电容器、铅

酸蓄电池之间的性能对比如表1所示。优点：

超级电容的内阻小

循环寿命长

充电速度快

工作温度范围宽

绿色环保缺点：

低能量密度

低电压

高自放电2基于超级电容模组的储能系统（3）超级电容器存储能量3双向DC/DC变换器一、双向DC/DC变换器拓扑结构

双向DC/DC变换器是通过对单向Boost直流变换器适当的改造来实现。将单向基本变换单元替换成双向基本变换单元，将单向开关电源中开关管S1上反并联二极管D1，将单向开关电源中开关管S2上反并联二极管D2，在输入和输出端分别并联电容即可。如图1所示。图13双向DC/DC变换器二、双向DC/DC变换器工作原理

3双向DC/DC变换器二、双向DC/DC变换器工作原理

3双向DC/DC变换器二、双向DC/DC变换器工作原理

3双向DC/DC变换器二、双向DC/DC变换器工作原理

3双向DC/DC变换器二、双向DC/DC变换器工作原理

BUCK模式下：BOOST模式下：

图2为带有调节装置的并网风力发电系统结构示意图。超级电容器模组(SC)作为直流侧的储能元件,功率调节系统(PCS)采用四象限电压型变流器(VSC)，级联双向DC/DC变换器(Bi-DC/DC)结构,最终通过升压变压器并联于风电场输出端母线。

4风电场功率补偿系统控制策略一、系统结构与运行原理

图2

该装置有以下2种工作模式:(1)风电场功率调节模式:当检测到设定频段的有功功率波动时,装置快速吸收波动的有功、无功功率,平滑风电场功率输出,维持风电场输出端母线电压稳定。(2)充放电模式:当没有检测到设定频段内的有功功率波动时,通过对超级电容器缓慢的充放电维持超级电容器模组电压值为

。

4风电场功率补偿系统控制策略一、系统结构与运行原理

4风电场功率补偿系统控制策略二、系统控制策略

图3

4风电场功率补偿系统控制策略二、系统控制策略

Pref>0时如图5中虚线所示,Kpsc为功率限幅系数,当Vsc<Vsc_up时,Kpsc=1,P*ref=Pref;充电到Vsc_up后开始对Pref进行降幅处理,当Vsc>Vsc_max时,Kpsc=0,P*ref=0,保证超级电容器不会过充。Pref<0时如图5中实线所示,同理保证超级电容器不会过放。

图5

4风电场功率补偿系统控制策略三、变流器控制策略

图4

四、三相VSC工作原理与数学模型

4风电场功率补偿系统控制策略图5三相VSC拓扑结构

1.三相VSC在三相静止坐标系下的数学模型4风电场功率补偿系统控制策略2.三相VSC在两相同步旋转坐标系下的数学模型4风电场功率补偿系统控制策略图6电网电压定向的坐标系变换矢量图

3.基于SVPWM的跟踪电压矢量的电流控制原理4风电场功率补偿系统控制策略4.三相VSC并网工作状态由功率理论可知网侧变流器在dq坐标系中送入电网的有功功率和无功功率如下：4风电场功率补偿系统控制策略5.三相VSC并网控制策略4风电场功率补偿系统控制策略图7三相VSC并网控制结构图

5系统控制策略仿真一、仿真模型的建立

图8双向DC/DC变流器控制模块

5系统控制策略仿真一、仿真模型的建立

图9两电平VSC控制模块

5系统控制策略仿真一、仿真模型的建立

图10SVPWM控制模块

5系统控制策略仿真二、仿真结果

图12三相VSC变流器送入电网有功、无功功率

图11检测到的有功功率波动

5系统控制策略仿真二、仿真结果

图13超级电容模组电压

图14直流侧电压

5系统控制策略仿真二、仿真结果

图15三相VSC变流器送入电网电流（1）

5系统控制策略仿真二、仿真结果

图15三相VSC变流器送入电网电流（2）

6实验样机设计一、超级电容模组选型

模组总能量：

吸收能量潜力：

释放能量潜力：

模组给定电压：6实验样机设计一、超级电容模组选型

北京合众汇能建议：用470F普通型的单体216只串联成540V的模组（尖峰电压583.2V），两组并联。建议电压使用范围275V-550V。HCC2.7V/650F实际参数：超级电容器单体类型：大容量型HCAPC-2R7477-470F/2.7V单模组内单体数量：216只模组内单体组合方式：附加平衡均压电路的串联电容器单体指标：容量470F，额定电压VR2.7V，内阻<6m；

额定电流81A，最大电流>166A，

漏电流<3mA。模组整体指标：容量4.35F，额定电压540V，最大电压583.2V，储能量738.72kJ，内阻<1Ω。单组内部单体电容参考排列方式12*18。6实验样机设计二、双向DC/DC变流器系统硬件选型

选择双向直流变换器用IGBT的开关频率为1KHZ。

滤波电感：

直流环节电容：6实验样机设计1、滤波电容的计算：直流侧最大峰值电压可达800V，考虑1.5倍的裕量。计算得单个电容器的耐压：

取电容耐压值为1200V。三相整流桥输出的电压脉动周期为

。根据公式

，取倍数为4，负载等效电阻为

。实际取600uF。选取EACO公司型号为SHA-900-200的电容器，6个并联为一组，2组进行串联即可。

三、三相VSC变流器系统硬件选型

6实验样机设计2、缓冲电路当整个系统启动前，需要对直流侧电容进行预充电。为了抑制充电电流过大，需增加R1。待系统稳定后，再由常闭接触器屏蔽掉R1。三、三相VSC变流器系统硬件选型

6实验样机设计3、功率开关器件直流侧电压最大值约为800V，取裕量为1.5倍，即为1200V。因此选IGBT耐压等级为1200V。对应电流等级选取为：300A。故IGBT技术参数为：1200V/300A。双向DC/DC变流器用IGBT也选用上述技术参数。具体型号选择为：英飞凌公司FF300R12MS4，共需4个。驱动电路根据所选IGBT型号，对应地进行选择。具体型号为：CONCEPT公司的2SC0435T型，适配板选用2BB0435型。三、三相VSC变流器系统硬件选型

6实验样机设计1、电压霍尔传感器在对双向直流变换器进行控制时需要对电压进行检测，电压检测选用电压