超級(jí)電容器在微型電網(wǎng)中的應(yīng)用

為了保證某些重要負(fù)荷在系統(tǒng)外部故障時(shí)的正常供電，出現(xiàn)了一種分布式電源與負(fù)荷單獨(dú)構(gòu)成小型電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式;分布式電源與負(fù)荷構(gòu)成的小系統(tǒng)稱為微型電網(wǎng)(微網(wǎng))，微網(wǎng)的電壓等級(jí)在400V以下，即為配電網(wǎng)電壓等級(jí)。外部無(wú)故障時(shí)，微網(wǎng)與主網(wǎng)(配電網(wǎng))連接，這種運(yùn)行狀態(tài)稱為聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行;外部故障時(shí)，微網(wǎng)與主網(wǎng)解列，這種運(yùn)行方式稱為孤島運(yùn)行。當(dāng)微網(wǎng)中的總發(fā)電容量小于總負(fù)荷需求時(shí)，對(duì)于長(zhǎng)期的外部故障，孤島運(yùn)行時(shí)應(yīng)將次要負(fù)荷切除，但是對(duì)于幾秒就能恢復(fù)的瞬時(shí)故障。從供電穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性的角度來(lái)看，這對(duì)次要負(fù)荷不利。因此，本文提出在外部故障后，用超級(jí)電容器向孤島運(yùn)行的微網(wǎng)提供短時(shí)功率缺額，維持所有負(fù)荷并等待重合于主網(wǎng)。文中用理論和仿真證明了此方法的合理性。

1.微網(wǎng)建模

本文在MATLAB軟件中的Simulink環(huán)境下建立模型，系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型見(jiàn)圖1。當(dāng)KA閉合時(shí)。微網(wǎng)處于聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài);當(dāng)微網(wǎng)外部故障時(shí)，KA打開(kāi)。微網(wǎng)進(jìn)入孤島運(yùn)行。

元件參數(shù)說(shuō)明如下：

(l)主網(wǎng)。電壓等級(jí)30kV﹐短路容量100MVA,X/R=7。

(2)變壓器。額定容量100kVA,dl1,Yn接法，電壓比30kV/400V,R=0.97Ω,x=35Ω。

(3)重要負(fù)荷。1臺(tái)異步鼠籠式電動(dòng)機(jī)，額定狀態(tài)運(yùn)行時(shí)P=39.7kW，Q=38.8kvar，最大負(fù)載轉(zhuǎn)知矩238N.m，額定轉(zhuǎn)速1480r/min，其他參數(shù)為MATLAB提供的典型參數(shù)：電阻性負(fù)荷10kW,電機(jī)負(fù)荷占總負(fù)荷比例為78.7%。

(4)次要負(fù)荷。1臺(tái)異步鼠籠式電動(dòng)機(jī),額定狀態(tài)運(yùn)行時(shí)P=l6.6kW,Q=13.6kvar.最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩98N.m，額定轉(zhuǎn)速1460r/min，其他參數(shù)為MATLAB提供的典型參數(shù);電阻性負(fù)荷6.5kW,電機(jī)負(fù)荷占總負(fù)荷比例為70%。

(5)分布式電源模塊?，F(xiàn)有的分布式電源有光伏電池、燃料電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)。微型燃?xì)廨啓C(jī)等，機(jī)端電壓或?yàn)橹绷麟妷海驗(yàn)楦哳l電壓，不能直接接于電網(wǎng);而要經(jīng)過(guò)逆變器或者整流器+逆變器等功率變換器件，使電壓幅值頻率和相位與電網(wǎng)相匹配后再并入電網(wǎng)。同時(shí)可利用功率變換器件的可控性來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的控制方式，分布式電源模塊簡(jiǎn)化圖見(jiàn)圖2。微網(wǎng)中分布式電源模塊的控制方式主要有2種：定功率控制和定電壓控制，在定功率控制方式下，分布式電源向系統(tǒng)注入預(yù)定數(shù)值的有功和無(wú)功功率。原理圖見(jiàn)圖3;在定電壓控制方式下，逆變器利用反饋電壓以調(diào)節(jié)交流側(cè)電壓來(lái)保證電壓的穩(wěn)定，原理圖見(jiàn)圖4。以下各圖中，TV為電壓互感器，TA為電流互感器，PLL為鎖相環(huán)。

分布式電源采用標(biāo)準(zhǔn)同步發(fā)電機(jī)模型，額定功率35kVA，額定電壓600V，電壓頻率100Hz。

(6)超級(jí)電容器模塊。超級(jí)電容器(組)可以通過(guò)整流器從電網(wǎng)吸收能量，也可經(jīng)由逆變器向電網(wǎng)注入功率。超級(jí)電容器模塊簡(jiǎn)化圖見(jiàn)圖5。微網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，KR閉合，KG3打開(kāi)，系統(tǒng)向電容器充電;在KA打開(kāi)。進(jìn)入孤島運(yùn)行的同時(shí)，KG3閉合﹐KR打開(kāi)。超級(jí)電容器以定電壓控制方式短時(shí)維持所有負(fù)荷正常運(yùn)行，控制原理見(jiàn)圖4。

2.微網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行控制

當(dāng)圖1中的開(kāi)關(guān)KA閉合時(shí)。微網(wǎng)即處于聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)的電壓和頻率由主網(wǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，分布式電源模塊在定功率控制模式下。向系統(tǒng)恒定輸出有功功率28kW，無(wú)功功率20kvar，即設(shè)定Pdef=28kW，Qdef= 20kvar，且在不超過(guò)發(fā)電機(jī)額定容量的前提下，有功功率和無(wú)功功率的數(shù)值可以任意調(diào)節(jié)。聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行仿真中，KA保持閉合，0.5s時(shí)KGl和KG2閉合，即分布式電源模塊并入電網(wǎng)。仿真結(jié)果見(jiàn)圖6?？梢钥闯觯姍C(jī)的啟動(dòng)和分布式電源的并網(wǎng)都對(duì)電網(wǎng)造成了擾動(dòng)，前者在0.5s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，后者在0.2s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。穩(wěn)定后分布電源模塊按設(shè)定值向系統(tǒng)注入有功功率和無(wú)功功率，主網(wǎng)輸出功率隨之降低，系統(tǒng)電壓無(wú)明顯波動(dòng)。

3.微網(wǎng)孤島運(yùn)行

3.1微網(wǎng)孤島運(yùn)行控制

開(kāi)關(guān)KA因左側(cè)的主網(wǎng)發(fā)生故障而跳開(kāi)時(shí)，微網(wǎng)即進(jìn)入孤島運(yùn)行。孤島運(yùn)行的控制流程見(jiàn)圖7。

孤島檢測(cè)裝置檢測(cè)開(kāi)關(guān)KA的狀態(tài)，KA打開(kāi)為”Y”閉合為"N”。孤島初期運(yùn)行狀態(tài)的定義為：孤島運(yùn)行中。所有分布式電源模塊以定功率控制。超級(jí)電容器以定電壓控制，且不切除任何負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)。孤島初期運(yùn)行發(fā)生在由聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入孤島后的2s左右，其有2種結(jié)束方式：一是外部故障恢復(fù)，KA重新閉合，微網(wǎng)恢復(fù)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，分布電源模塊控制方式不變，超級(jí)電容器由向系統(tǒng)注入能量轉(zhuǎn)為吸收能量，為下一次孤島運(yùn)行做準(zhǔn)備;二是當(dāng)超級(jí)電容器的能量將消耗殆盡，但微網(wǎng)仍未與主網(wǎng)重合時(shí)，則切出超級(jí)電容器，切除次要負(fù)荷，分布式電源模塊1轉(zhuǎn)為定電壓控制，此時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)定義為：孤島穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)。因?yàn)槲⒕W(wǎng)的電壓會(huì)隨著超級(jí)電容器能量的消耗而逐漸降低，所以使用電壓測(cè)量模塊來(lái)決定微網(wǎng)從孤島初期運(yùn)行轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的時(shí)機(jī)。但為了充分利用超級(jí)電容器，并盡可能長(zhǎng)時(shí)間地保持住所有負(fù)荷來(lái)等待與主網(wǎng)重合，且考慮到低壓運(yùn)行的時(shí)間并不太長(zhǎng)，本文提出將電壓偏差限定改為+15%。

3.2超級(jí)電容器參數(shù)選擇

由于超級(jí)電容器單體電壓低，模塊化的也不超過(guò)100V，所以仿真中使用多個(gè)超級(jí)電容器串。并聯(lián)來(lái)提高直流電壓和電容值，根據(jù)前述負(fù)荷以及分布式電源模塊參數(shù)，要在孤島運(yùn)行初期保持所有負(fù)荷正常運(yùn)行，超級(jí)電容器模塊輸出視在功率Sc=16.4kVA。

低壓電網(wǎng)中，保護(hù)動(dòng)作時(shí)時(shí)間為0～2.5s，加上重合閘的時(shí)間，取孤島初期運(yùn)行時(shí)間為1.5s，在此期間超級(jí)電容器模塊輸出功率為Sc，輸出總的能量Wc至少為：

三相橋式電壓型逆變電路輸出三相線電壓基波幅值U=0.78Uc(Uc為超級(jí)電容器電壓)，本文中低壓電網(wǎng)電壓為400V，那么只有在Uc=≥512.8V時(shí)超級(jí)電容器才能向微網(wǎng)供電，否則就會(huì)從微網(wǎng)吸收能量，所以在超級(jí)電容器放電1.5s后電壓仍要求在512V之上。超級(jí)電容器的電容C取0.2F，電容能量計(jì)算公式為：

式中：UC為電容器初始電壓，UT為放電后的電壓;如前所述，UT要高于512.8V，則可算得：

考慮一定裕量，取UC為800V。

4.故障仿真分析

4.1瞬時(shí)故障仿真

本節(jié)對(duì)主網(wǎng)發(fā)生的瞬時(shí)故障時(shí)，有超級(jí)電容器和無(wú)超級(jí)電容器的情況進(jìn)行仿真分析，分布式電源模塊在0.5s并入主網(wǎng)，均以定功率控制，ls時(shí)刻KA因?yàn)橹骶W(wǎng)故障而跳開(kāi)，經(jīng)過(guò)1.5s后KA重合，故障過(guò)程中分布式電源模塊控制方式不變。仿真波形見(jiàn)圖8圖9。

圖8 瞬時(shí)故障仿真結(jié)果(無(wú)超級(jí)電容器)

圖9 瞬時(shí)故障仿真結(jié)果(有超級(jí)電容器)

由圖8可見(jiàn)，由于微網(wǎng)總發(fā)電功率小于負(fù)荷需求，當(dāng)沒(méi)有超級(jí)電容器時(shí)微網(wǎng)進(jìn)入孤島運(yùn)行后，系統(tǒng)電壓在0.2s內(nèi)迅速降至額定電壓的75%，重要負(fù)荷電機(jī)和次要負(fù)荷電機(jī)轉(zhuǎn)速分別降至89%和88%額定轉(zhuǎn)速。為了保證重要負(fù)荷正常運(yùn)行，則必須在進(jìn)入孤島運(yùn)行的同時(shí)切掉次要負(fù)荷，并將分布式電源模塊1的控制方式轉(zhuǎn)為定電壓控制，即提前進(jìn)入微網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。由于僅過(guò)1.5s左右微網(wǎng)將與主網(wǎng)重合·所以因瞬時(shí)故障而切除次要負(fù)荷，從供電穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性的角度來(lái)看都是不合適的。

有超級(jí)電容器時(shí)，微網(wǎng)進(jìn)入孤島運(yùn)行時(shí)即投入超級(jí)電容器，并以定電壓控制方式填補(bǔ)功率缺額，保持電壓穩(wěn)定。分布式電源模塊保持定功率控制方式不變。從圖9可以看出，由于超級(jí)電容器的存在微網(wǎng)進(jìn)入孤島時(shí)電壓僅在前5個(gè)周期大于額定值，第3個(gè)周期幅值最大，為額定電壓的104%，之后恢復(fù)為額定值;電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速下降了50r/min，在0.1s后恢復(fù)正常轉(zhuǎn)速。2.5s時(shí)KA閉合結(jié)束孤島初期運(yùn)行超級(jí)電容器停止對(duì)微網(wǎng)的控制轉(zhuǎn)而通過(guò)整流器吸收能量，直至達(dá)到額定電壓;由于電壓的擾動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生衰減振蕩并在0.5s內(nèi)結(jié)束，最大振幅為80r/min。

4.2永久故障仿真

發(fā)生永久故障后，若無(wú)超級(jí)電容器。則所有負(fù)荷均不能正常運(yùn)行，而且電壓下降過(guò)大時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速將逐漸降低而最終堵轉(zhuǎn)，只能通過(guò)切負(fù)荷進(jìn)入孤島穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。有超級(jí)電容器時(shí)，系統(tǒng)控制方式與發(fā)生瞬時(shí)故障時(shí)相同，即微網(wǎng)進(jìn)入初期運(yùn)行。為了最大限度地維持所有負(fù)荷：等待重合到主網(wǎng)。本文且將電壓偏差限定改為±l5%，當(dāng)電壓檢測(cè)模塊檢測(cè)到系統(tǒng)電壓低于額定電壓的85%時(shí)。再切除次要負(fù)荷和超級(jí)電容器，分布式電源模塊1改為定電壓控制，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，仿真結(jié)果見(jiàn)圖10。

如圖10所示，在約3.6s時(shí)，系統(tǒng)電壓降為額定電壓的85%,因此，控制環(huán)節(jié)在此切除次要負(fù)荷電機(jī)和超級(jí)電容器，此后系統(tǒng)電壓恢復(fù)到額定值，重要負(fù)荷電機(jī)恢復(fù)正常運(yùn)行，由于設(shè)定電壓最大偏差為15%%，從而造成了重要電機(jī)負(fù)荷轉(zhuǎn)速最低降到600r/min，在實(shí)際中還應(yīng)根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差指標(biāo)來(lái)定義最大電壓偏差。

圖10 永久故障仿真結(jié)果(有超級(jí)電容器)

結(jié)束語(yǔ)

以上就是超級(jí)電容器在微型電網(wǎng)中的應(yīng)用介紹了。當(dāng)總發(fā)電功率小于總負(fù)荷的微網(wǎng)，有超級(jí)電容器時(shí)，在進(jìn)入孤島運(yùn)行后的2s左右時(shí)間內(nèi)進(jìn)行孤島初期運(yùn)行——不切負(fù)荷、不調(diào)整分布式電源模塊的控制模式，并由超級(jí)電容器補(bǔ)充功率不足。維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，等待與主網(wǎng)重合。當(dāng)外部故障為瞬時(shí)故障時(shí)，故障消失后微網(wǎng)恢復(fù)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，超級(jí)電容器轉(zhuǎn)為從主網(wǎng)吸收能量，為下一次投入做準(zhǔn)備;當(dāng)為永久故障時(shí)，在電壓偏差超過(guò)額定值之后，再進(jìn)入孤島穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。仿真結(jié)果證明，超級(jí)電容器引入微型電網(wǎng)后，提高了微網(wǎng)抗瞬時(shí)故障的能力，最大程度地保證了次要負(fù)荷的運(yùn)行，提高了供電可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

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審核編輯黃宇