李海珠

（內蒙古電子信息職業(yè)技術學院電子工程系,呼和浩特010070）

1 引言

超級電容器具有快速充放電的特點，當電網電壓發(fā)生對稱跌落時，通過控制雙向DC/DC變換器，使得超級電容器快速吸收直流側堆積的能量，從而穩(wěn)定直流母線電壓，同時與并網逆變器的控制相協調，實時監(jiān)測電網電壓跌落的深度，并發(fā)出相應的無功功率來支撐并網點電壓，保障低電壓穿越。最后在MATLAB/SIMULINK仿真平臺上搭建模型進行仿真，驗證控制策略的正確性。

2 光伏并網系統結構及參數計算

選用系統為雙級式三相光伏并網系統，它由四個部分組成，分別為：光伏陣列[1]、直流升壓、三項電壓型逆變器、超級電容儲能系統。該系統的詳細結構如圖1所示。

圖1 雙級式三相光伏并網系統

2.1 直流側電容的設計

為人們所熟知的電壓紋波公式如下：

根據直流側電壓紋波不大于直流母線電壓的5%的規(guī)定[2-3]，則直流側電容滿足

2.2 DC/AC電路中開關器件選擇

綜上，選擇西門康生產的型號為SKM50GB123D的IGBT，其額定技術指標為50A/1200V/2U。

3 超級電容儲能系統的工作原理及參數計算

超級電容儲能系統的結構示意圖如圖2所示。由圖可知，超級電容儲能系統由三部分組成[4]，分別為超級電容器組、雙向DC/DC變換器、控制器。

3.1 超級電容器的特點

超級電容和普通電容器以及電池的特性比較如表1所示。

圖2 超級電容器儲能系統的結構圖

表1 超級電容特點

由表1的比較可知，超級電容與電池相比充放電時間明顯縮短，并且相同質量的條件下放出的功率更多，循環(huán)使用壽命是電池的一千倍以上，充放電效率也比電池高。另外，超級電容器的工作溫度范圍為-40℃～70℃，在此范圍內電容值C幾乎不變。正是由于此原因，超級電容器幾乎可以在任何環(huán)境下，任何地方正常工作[5]。

3.2 超級電容儲能系統的控制策略

超級電容與直流母線通過雙向DC/DC變換器連接，其控制策略采用電壓外環(huán)、電流內環(huán)的雙環(huán)控制策略，控制框圖如圖3所示。

圖3 互補型PWM控制框圖

4 電網電壓對稱跌落時低電壓穿越控制策略

4.1 基于電網電壓定向的矢量控制分析

根據瞬時功率理論,并網逆變器輸出的瞬時有功功率為p、無功功率為q,計算表達式如下式所示:

電壓定向矢量控制框圖見圖4。

圖4 電壓定向矢量控制框圖

由圖4可知,電網電壓q 軸分量eq=0,則式(4)簡化為:

由式(5)可知，當電網電壓穩(wěn)定時，逆變器輸出的有功功率受控制，無功功率受控制。

根據功率平衡關系，若不考慮逆變器本身的損耗,則逆變器直流側輸入的有功功率與并網側輸出的有功功率應相等,即：

4.2 直流側電壓波動的抑制

光伏并網發(fā)電系統的功率關系圖如圖5所示。

圖5 功率關系圖

超級電容儲能系統會吸收直流側多余的電量，從而維持直流側電壓的穩(wěn)定。

4.3 逆變器有功電流和無功電流的協調控制

如圖6所示為德國的E.ON標準中有關電網電壓跌落的深度與所需無功電流百分比的關系圖。從圖中我們可知：當電網電壓跌落深度為50%～90%范圍內時，隨著跌落深度的增加，所需的無功電流百分比越小。當電網電壓跌落為0%～50%范圍時，不管跌落深度為多少，無功電流百分比為100%。

圖6 無功電流百分比與電壓跌落深度的關系圖

與圖6所對應的數學關系式為：

為了保證逆變器的安全、可靠運行，在發(fā)生三相對稱跌落的時候，其輸出電流必須限制在其額定電流的1.1倍以內[6]。因此當已知的時候，可以計算出相應的計算式為

5 仿真研究

未采用LVRT控制策略時，電網電壓在0.2s發(fā)生三相對稱跌落，跌落深度為25%，在0.4s時電網電壓恢復正常，仿真結果如圖7、圖8、圖9及圖10所示。

圖7 電網電壓

圖8 逆變器輸出電流

圖9 直流母線電壓

圖10 逆變器輸出的有功、無功功率

由各圖可知，在0.2s～0.4s電網電壓發(fā)生對稱跌落這段時間內，逆變器輸出電流會變大，直流側電壓也會增加，逆變器輸出的有功功率會下降，無功功率基本不變化[7]。

采用LVRT控制策略后，從0.2s～0.4s電壓跌落期間，逆變器輸出電流和以往相比基本無變化,如圖11所示，控制系統抑制了電流的增加，使得逆變器輸出電流不過流。直流側多余的能量被超級電容吸收，保證了直流母線電壓的穩(wěn)定如圖12所示。并且在此期間，逆變器發(fā)出相應的無功功率，支撐并網點電壓如圖13所示。超級電容儲能系統在電網電壓跌落期間，吸收直流側多余的能量使得其兩端電壓升高如圖14所示。

圖11 加入超級電容后電網輸出電流

圖12 加超級電容儲能系統后直流母線電壓

圖13 加超級電容后逆變器輸出的有功、無功功率

圖14 超級電容兩端電壓波形

根據以上仿真波形的對比，驗證了當電網電壓發(fā)生三相對稱跌落時，采用基于超級電容儲能系統的低電壓穿越控制策略的正確性[8]。

6 結束語

主要闡述了在電網電壓對稱跌落時，光伏并網系統結合超級電容儲能系統并且在相應的控制作用下實現了低電壓穿越，最后在MATLAB/SIMULINK環(huán)境中實現了仿真，成功驗證了理論的正確性。

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