本發(fā)明涉及超級電容器儲能的控制策略，是一種用于超級電容器儲能系統(tǒng)變流器的控制策略,用于改善以風(fēng)電、光伏為代表的分布式電源出力品質(zhì)。

背景技術(shù)：

隨著化石燃料枯竭、全球氣候變暖的問題日益嚴(yán)峻，風(fēng)電、光伏等可再生能源發(fā)展受到了高度關(guān)注。目前的電力系統(tǒng)中，以風(fēng)電、光伏為代表的新能源比例越來越高，但由于其本身波動性、隨機(jī)性等特征使得電能供應(yīng)品質(zhì)惡化，從而限制了風(fēng)電、光伏的接入。

儲能系統(tǒng)由于可以對能量實現(xiàn)時空平移，而被視為改善分布式電源平滑并網(wǎng)的有效手段之一，近年來得到了高度的重視。與普通的化學(xué)電池相比，超級電容器通過電荷的轉(zhuǎn)移和離子的取向控制電能的充放，電極表面沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，容量衰減幾乎為零，因此其循環(huán)壽命長、響應(yīng)速度快以及充放電效率高等特性是任何一種化學(xué)電源所無法比擬的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種科學(xué)合理，效果佳，能夠?qū)ψ兞髌鲗嵤?zhǔn)確控制，從而實現(xiàn)超級電容器對功率準(zhǔn)確、快速跟蹤的用于超級電容器儲能系統(tǒng)變流器的控制策略。

實現(xiàn)本發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是，一種用于超級電容器儲能系統(tǒng)變流器的控制策略，其特征是：將超級電容器與雙向dc/dc變換器相連后，經(jīng)dc/ac變流器接入電網(wǎng)，利用雙閉環(huán)解耦的控制，通過dc/ac變流器，準(zhǔn)確控制所要交換的有功、無功功率，對dc/dc變換器進(jìn)行單端穩(wěn)壓雙向功率流的控制，穩(wěn)定直流母線電壓，保證交換功率的雙向流動，實現(xiàn)超級電容器與交流系統(tǒng)功率的有效交換，改善新能源發(fā)電的電能品質(zhì)的同時，提高新能源并網(wǎng)規(guī)模，其具體內(nèi)容包括：

1)分析超級電容器儲能系統(tǒng)處于不同工作模式的能量分布狀態(tài)

當(dāng)dc/dc變換器工作為降壓模式時，vc1和vd2為變換器的動作開關(guān)，當(dāng)dc/dc變換器工作為升壓模式時，vc2和vd1為變換器的動作開關(guān)，變換器vc1和vc2為脈寬調(diào)制控制開關(guān)；

2)建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

無論電路處于升壓模式還是降壓模式，其數(shù)學(xué)模型相似，只是電流il方向不同而已，因此以雙向dc/dc變換器的升壓模式，即il>0，設(shè)v2的占空比為d，則根據(jù)狀態(tài)空間平均法得：

式(1)為超級電容器儲能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，此模型為二階線性系統(tǒng)，其中，il、udc為狀態(tài)量，占空比d為控制量，ri、u為已知量，當(dāng)系統(tǒng)的控制變量被確定后，狀態(tài)變量即可求解，

對于dc/ac電壓源型變流器，dc/ac變流器工作模式較多，且每一相的數(shù)學(xué)模型相似，以a相為例：v1導(dǎo)通v2關(guān)斷時，輸出電壓udc為正；v1關(guān)斷v2導(dǎo)通時，udc為負(fù),因此分別設(shè)三相開關(guān)函數(shù)為ma、mb、mc，將其單相擴(kuò)展為三相電壓源型變流器的數(shù)學(xué)模型，如式(2)

式中：ea、eb、ec為交流系統(tǒng)電壓，ia、ib、ic為變流器相電流，為分析方便，將式(2)變換到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的變流器模型，如式(3)，

式(3)為dc/ac變流器數(shù)學(xué)模式，二階線性系統(tǒng)，ed、eq是電網(wǎng)電壓的d、q軸分量，為已知量，id、iq是電網(wǎng)電流空間矢量的d、q軸分量，為狀態(tài)量；ud、uq為變流器電壓的d、q軸分量，為控制量，當(dāng)變流器電壓被確定后，id、iq即可求解；

3)設(shè)計雙向dc/dc變流器的控制策略

雙向dc/dc變換器的控制目標(biāo)是實現(xiàn)直流側(cè)電壓udc恒定，同時通過對占空比d的控制實現(xiàn)dc/dc變換器兩種工作模式的切換，進(jìn)而實現(xiàn)超級電容器的充放電功能，以儲能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，實現(xiàn)單端穩(wěn)壓雙向功率流的控制，v2的占空比為d，超級電容器端電感電流，如式(4)

當(dāng)d<1-uc/udc時，dc/dc變換器工作于降壓模式，il<0，功率流向超級電容器端；當(dāng)d>1-uc/udc時，dc/dc變換器工作于升壓模式，il>0，功率流向直流母線端，實現(xiàn)功率的雙向流動，

雙向dc/dc變換器控制采用電壓變量獲得開關(guān)管的占空比，見式(5)，為保持直流側(cè)母線電壓恒定，實測量udc作為反饋量被控制，并通過電壓調(diào)節(jié)器獲得滿足電壓恒定值的參考電流idc-ref，如式(6)，根據(jù)功率守恒原理和直流變換器占空比的定義，得到超級電容器儲能系統(tǒng)充放電參考電流il-ref，再與實際充放電電流il相比，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器和pwm脈寬調(diào)節(jié)產(chǎn)生控制dc/dc變換器開關(guān)器件的控制信號，達(dá)到直流母線電壓恒定的目標(biāo)，

idc-ref＝kp(udc-ref-udc)+ki∫(udc-ref-udc)dt(6)

4)設(shè)計dc/ac電壓源型變流器的控制策略

基于dc/ac電壓源型變流器數(shù)學(xué)模型，電感l(wèi)、電阻r相對較小，基于瞬時功率理論，變流器與交流系統(tǒng)間交換的瞬時有功功率p和瞬時無功功率q如式(7)

因此當(dāng)電網(wǎng)電壓空間矢量幅值e是恒定值時，可通過有功電流id和無功電流iq來分別反應(yīng)有功功率和無功功率的變化，外環(huán)控制器用于實現(xiàn)超級電容器儲能系統(tǒng)與交流系統(tǒng)之間指定功率的設(shè)定與跟蹤，實現(xiàn)超級電容器儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，根據(jù)指定參考值與實際值間的誤差，經(jīng)功率調(diào)節(jié)器得到滿足指定交換功率的電流參考值，即內(nèi)環(huán)控制器的輸入?yún)⒖茧娏鱥dref、iqref，并對電網(wǎng)擾動電壓ed、eq采取前饋補(bǔ)償，同時引入d、q軸電壓耦合補(bǔ)償項δud、δuq，實現(xiàn)d、q軸電流的獨(dú)立解耦控制，進(jìn)而實現(xiàn)有功功率、無功功率的解耦控制，dc/ac變流器的電壓控制方程如式(8)，

電壓耦合補(bǔ)償量如式(9)

將ud、uq從兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系逆變到三相靜止坐標(biāo)系下得ua、ub、uc，再通過pwm脈寬調(diào)制的參考值，產(chǎn)生變流器的控制信號，實現(xiàn)dc/ac變流器指定工作模式的轉(zhuǎn)換。

本發(fā)明的用于超級電容器儲能系統(tǒng)變流器的控制策略的有益效果體現(xiàn)在：通過分析超級電容器不同工作模式下的能量分布而建立數(shù)學(xué)模型，同時通過對變流器的準(zhǔn)確控制，而實現(xiàn)超級電容器對功率準(zhǔn)確、快速的跟蹤。其科學(xué)合理，效果佳。

附圖說明

圖1變換器降壓工作模式示意圖；

圖2變換器升壓工作模式示意圖；

圖3dc/ac電壓源型變流器工作模式示意圖；

圖4雙向dc/dc變換器控制框圖；

圖5dc/ac變流器控制框圖；

圖6指定功率跟蹤曲線示意圖；

圖7局部功率放大圖示意圖；

圖8交流側(cè)a相電壓與電流示意圖；

圖9超級電容器側(cè)與交流系統(tǒng)側(cè)功率示意圖；

圖10超級電容器直流母線側(cè)電壓udc示意圖。

具體實施方式

下面利用附圖和實施例對本發(fā)明用于超級電容器儲能系統(tǒng)變流器的控制策略作進(jìn)一步說明。

本發(fā)明的用于超級電容器儲能系統(tǒng)變流器的控制策略，包括以下步驟：

1)分析超級電容器儲能系統(tǒng)處于不同工作模式的能量分布狀態(tài)

當(dāng)dc/dc變換器工作為降壓模式時，如圖1，此時vc1和vd2為動作開關(guān)。當(dāng)dc/dc變換器工作為升壓模式時，如圖2，此時vc2和vd1為動作開關(guān)。vc1和vc2為脈寬調(diào)制控制開關(guān)。

2)建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

無論電路處于升壓模式還是降壓模式，其數(shù)學(xué)模型相似，只是電流il方向不同而已。因此以雙向dc/dc變換器的升壓模式(il>0)為例，設(shè)v2的占空比為d，則根據(jù)狀態(tài)空間平均法得：

式(1)為超級電容器儲能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，此模型為二階線性系統(tǒng)，其中，il、udc為狀態(tài)量，占空比d為控制量，ri、u為已知量。當(dāng)系統(tǒng)的控制變量被確定后，狀態(tài)變量即可求解。

dc/ac電壓源型變流器如圖3所示。由于dc/ac變流器工作模式較多，且每一相的數(shù)學(xué)模型相似，以a相為例：當(dāng)v1導(dǎo)通v2關(guān)斷時，輸出電壓udc為正；當(dāng)v1關(guān)斷v2導(dǎo)通時，udc為負(fù),因此分別設(shè)三相開關(guān)函數(shù)為ma、mb、mc，將其單相擴(kuò)展為三相電壓源型變流器的數(shù)學(xué)模型，如式(2)

式中：ea、eb、ec為交流系統(tǒng)電壓，ia、ib、ic為變流器相電流。為分析方便，將上述方程變換到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的變流器模型，如式(3)。

式(3)為dc/ac變流器數(shù)學(xué)模式，二階線性系統(tǒng)。ed、eq是電網(wǎng)電壓的d、q軸分量，為已知量。id、iq是電網(wǎng)電流空間矢量的d、q軸分量，為狀態(tài)量；ud、uq為變流器電壓的d、q軸分量，為控制量?？梢姡?dāng)變流器電壓被確定后，id、iq即可求解。

3)設(shè)計雙向dc/dc變流器的控制策略

雙向dc/dc變換器的控制目標(biāo)是實現(xiàn)直流側(cè)電壓udc恒定，同時通過對占空比d的控制實現(xiàn)dc/dc變換器兩種工作模式的切換，進(jìn)而實現(xiàn)超級電容器的充放電功能。以儲能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，實現(xiàn)單端穩(wěn)壓雙向功率流的控制。v2的占空比為d，超級電容器端電感電流，如式(4)

當(dāng)d<1-uc/udc時，dc/dc變換器工作于降壓模式，il<0，功率流向超級電容器端；當(dāng)d>1-uc/udc時，dc/dc變換器工作于升壓模式，il>0，功率流向直流母線端。實現(xiàn)功率的雙向流動。

雙向dc/dc變換器控制框圖如圖4所示。用電壓變量獲得開關(guān)管的占空比，見式(5)。為保持直流側(cè)母線電壓恒定，實測量udc作為反饋量被控制。并通過電壓調(diào)節(jié)器獲得滿足電壓恒定值的參考電流idc-ref，如式(6)，根據(jù)功率守恒原理和直流變換器占空比的定義，可得到超級電容器儲能系統(tǒng)充放電參考電流il-ref，再與實際充放電電流il相比，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器和pwm脈寬調(diào)節(jié)產(chǎn)生控制dc/dc變換器開關(guān)器件的控制信號。達(dá)到直流母線電壓恒定的目標(biāo)。

idc-ref＝kp(udc-ref-udc)+ki∫(udc-ref-udc)dt(6)

4)設(shè)計dc/ac電壓源型變流器的控制策略

基于dc/ac電壓源型變流器數(shù)學(xué)模型，電感l(wèi)、電阻r相對較小，基于瞬時功率理論，變流器與交流系統(tǒng)間交換的瞬時有功功率p和瞬時無功功率q如式(7)

因此當(dāng)電網(wǎng)電壓空間矢量幅值e是恒定值時，可通過有功電流id和無功電流iq來分別反應(yīng)有功功率和無功功率的變化。外環(huán)控制器用于實現(xiàn)超級電容器儲能系統(tǒng)與交流系統(tǒng)之間指定功率的設(shè)定與跟蹤，如圖5，實現(xiàn)超級電容器儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。根據(jù)指定參考值與實際值間的誤差，經(jīng)功率調(diào)節(jié)器得到滿足指定交換功率的電流參考值，即內(nèi)環(huán)控制器的輸入?yún)⒖茧娏鱥dref、iqref。并對電網(wǎng)擾動電壓ed、eq采取前饋補(bǔ)償，同時引入d、q軸電壓耦合補(bǔ)償項δud、δuq，實現(xiàn)d、q軸電流的獨(dú)立解耦控制，進(jìn)而實現(xiàn)有功功率、無功功率的解耦控制。dc/ac變流器的電壓控制方程如式(8)。

電壓耦合補(bǔ)償量如式(9)

將ud、uq從兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系逆變到三相靜止坐標(biāo)系下得ua、ub、uc，再通過pwm脈寬調(diào)制的參考值，產(chǎn)生變流器的控制信號。實現(xiàn)dc/ac變流器指定工作模式的轉(zhuǎn)換。

在pscad/emtdc軟件中建立容量為30kw500ms超級電容器儲能系統(tǒng)。開關(guān)管igbt的仿真參數(shù)選用富士公司生產(chǎn)的型號為2mbi25l-120即額定電流25a額定電壓1200v的開關(guān)器件。系統(tǒng)其它參數(shù)如下表。

表1超級電容器儲能系統(tǒng)參數(shù)

實施計算條件說明如下：

(1)直流母線電壓參考值為700v。；

(2)當(dāng)t<0.3s時，參考功率pref＝20kw、qref＝0kvar；

(3)當(dāng)t≥0.3s時，參考功率pref＝-10kw、qref＝10kvar；

在上述計算條件下，應(yīng)用本發(fā)明方法對超級電容器儲能系統(tǒng)控制策略的仿真結(jié)果如下：

1.變流器控制策略的仿真驗證

如圖6為功率響應(yīng)波形，實際響應(yīng)功率可對參考值準(zhǔn)確跟蹤，穩(wěn)定后有功功率和無功功率波動幅值約為±5％。由圖7功率局部放大波形可見，有功功率響應(yīng)時間為0.4ms，超調(diào)量為9.7％；而無功功率響應(yīng)時間為0.35ms，超調(diào)量為7.2％

圖8交流側(cè)a相電壓電流曲線圖得，功率傳輸效果較為理想，系統(tǒng)電流正弦度較好，諧波總畸變率為1.3％。

2.超級電容器不同工作模式的仿真驗證

圖9為超級電容器側(cè)功率和電壓響應(yīng)波形，當(dāng)指定功率由正變負(fù)，超級電容器可準(zhǔn)確響應(yīng)指定功率的變化，并由仿真結(jié)果可得：在超級電容器釋能時，交流系統(tǒng)側(cè)功率略低于指定功率；反之超級電容器儲能時，超級電容器側(cè)功率略低于指定功率：均由變流器引起的功率損耗所致。圖10為直流母線電壓udc仿真波形，直流母線電壓在t＝0.305s時上升到0.74kv，持續(xù)15ms后恢復(fù)至穩(wěn)定值。主要由于有功功率方向變化而引起直流母線電壓的上升，最大波動量0.04kv，超調(diào)量為5.7％。超級電容器同一工作模式下不同傳輸功率所對應(yīng)的傳輸效率隨傳輸功率的增加，變流器的傳輸效率逐步提升，并在接近儲能變流器額定功率值時，效率逐漸穩(wěn)定，最終穩(wěn)定在0.975附近。

本發(fā)明實施例中的計算條件、圖、表等僅用于對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，并非窮舉，并不構(gòu)成對權(quán)利要求保護(hù)范圍的限定，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明實施例獲得的啟示，不經(jīng)過創(chuàng)造性勞動就能夠想到其它實質(zhì)上等同的替代，均在本發(fā)明保護(hù)范圍內(nèi)。