关键字 |
| 超级电容器直接集成，双逆变器，储能接口，非整数电压比。 |
介绍 |
| 全球变暖是世界上出现的最严重的环境问题之一，必须加以考虑。为了防止这些担忧的实现，我们知道利用可再生能源在温室效应气体(CO2、NOx、SOx等)的排放方面变得非常有用。然而，由于环境状况的影响，发电量总是有波动的。为了推广可再生能源和补偿波动功率，即使储能系统是有效的，也必须解决一系列问题，包括效率、经济和环境问题。近年来，短期电力交换开发超级电容器在风力发电系统中被积极追求，这从文献中大量的技术可以看出。这些技术可以分为两大类，看超级电容器平方连接风力发电系统的方式。在初始类中，连接到连续变流器系统中间直流链路的超级电容器平方如图1(a)和(b)所示。尽管图1(a)所示的直接隶属关系是最简单的，但由于电网侧电气变流器必须限制直流链路电压，因此可能很难最大限度地使用超级电容器组。如图1 (b)[10]，[11]所示，如果在超级电容和直流链路之间放置副级中间dc - dc转换器，则该问题的影响将会降低。这种dc-dc变换器必须具有双向潮流能力，因此需要至少2个额定峰值功率的快速转换器件。此外，低通滤波器(LPF)由一个电感和一个电容组成，降低了动态响应[12]。 Therefore, the interfacing dc– dc converter increases the system cost, power losses, and complexity. In the second category, the common ac bus is used for power exchange, as shown in Fig. 1(c), and it requires an additional dc–dc converter, a dc–ac inverter, and a coupling transformer [13]. Therefore, in both cases, these additional converters essentially increase the overall cost and power losses, which would be absent if a direct integration scheme with full controllability is available. |
| 因此，本文提出了一种利用电网侧逆变器的超级电容器直接集成方案。所提出的逆变系统如图1(d)所示，由两个两级逆变器通过耦合变压器级联而成。这两个逆变器分别称为主逆变器和辅助逆变器。超级电容组直接连接在辅助逆变器的直流链路上。超电容电压的动态行为由逆变器控制器处理，消除了额外的升压转换器的需要。主逆变器是大功率低速逆变器，工作在基频，产生方波输出。由方波输出产生的谐波由低功率高速辅助逆变器补偿。由于大功率主逆变器工作在基频，它可以使用栅极关断晶闸管(gto)、发射极关断晶闸管(eto)或集成栅极换相晶闸管(igct)等器件来构造。另一方面，辅助逆变器可以使用更常用的器件，如绝缘栅双极晶体管(igbt)。这种特殊的功率和频率分割安排有助于减少逆变器系统[14]，[15]中的功率损耗。 |
超电容充放电过程分析 |
| 在该系统中，允许主逆变器和辅助逆变器的直流链路电压独立动态变化。 |
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| 因此，组合逆变器在不同直流链路电压比下的空间矢量图形状不同，如图2所示。在图2中，主逆变器电压矢量形成的六边形称为主六边形，辅助逆变器矢量形成的六边形称为次六边形。这个矢量表示解释了主逆变器和辅助逆变器的操作。 |
电力共享MPPT和发电机侧控制器 |
| 输出电压矢量Vr为主逆变器电压和辅助逆变器电压的组合。下面的数学方程给出了电网、主逆变器和辅助逆变器的功率、电压方程。所提系统的等效电路如图5所示。电路描述输出电压向量(Vr)、主逆变器电压向量(VM)、辅助逆变器电压向量(VA)和电流向量(i)。输出电压向量由Eq.(1)中主逆变器电压向量和辅助逆变器电压向量的输出组合而成。传递给负载的真实功率可以用Eq.(2)中的点积表示。输出功率等于主逆变器功率与辅助逆变器功率之和，如式(3)所示。式(4)和式(5)表示逆变器电压矢量与相应开关状态的关系。利用这五个方程，可以推导出辅助逆变器的功率表达式，即超级电容的功率，如式(6)所示，其中VM、PM、SiM (i = 1,2,3)分别表示主逆变器的电压、功率和开关功能，辅助逆变器的功率分别由Vr、PM、SiA(i = 1,2,3)表示。Vr为输出电压，Pgrid为实际流向电网的功率。 |
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| 由式(6)可知，对于给定的输出功率，超级电容功率随主逆变器dc-link电压Vdc而变化。因此，可以通过控制主逆变器直流链路电压来控制超级电容功率。由式(3)可知，对于给定的输出功率，主逆变器功率仅依赖于辅助逆变器功率。 |
| 因此，通过改变主逆变器直流链路电压，可以间接跟踪风力机的最大功率点。通常的做法是在主逆变器和风力发电机(WTG)系统之间的可控整流器或升压整流器的帮助下，将该电压保持在恒定水平。然而，在所提出的系统中，升压整流器用于改变主逆变器的直流链路电压，从而间接跟踪WTG的最大功率点。这种间接最大功率点跟踪(MPPT)的控制器框图如图6所示。在该控制器中，测量的风速和涡轮模型参数被用来导出发电机侧变流器的功率参考。将发电机的实际功率与参考功率进行比较，并将误差输入比例积分(PI)控制器，该控制器为升压整流器生成电压参考。该电压基准被归一化以产生升压整流器的调制指数。 |
并网侧逆变器的设计 |
| 在该系统中，主逆变器以六步模式运行，从一个矢量缓慢移动到下一个矢量。这从主逆变器产生方波输出，由辅助逆变器平滑。由于这种低频工作，主逆变器的开关损耗降低[14]，[15]。辅助逆变器作为有源滤波器，利用空间矢量调制(SVM)方法在高开关频率下工作。因此，整体调制是六步模式与支持向量机[16]和[17]相结合。所述网侧逆变器控制器采用内电流控制器和外功率控制器，如图6所示。注入电网的电网电压和电流转换为同步参考系。逆变器输出电流id的直接分量控制与电网的有功功率交换，而正交分量iq控制无功功率。因此，为产生直流分量的参考，发电机侧变换器的瞬时有功功率通过低电平通径器[6]。正交电流参考I*q设置为零，以保持电网连接点的功率因数为单位。 These active and reactive current references (I*d and I*q) are then compared with actual current components, and the errors are passed through PI controllers to produce voltage references v*d and v*q, respectively. Eq. (7) and Eq. (8) are then used to calculate the amplitude and angle of the reference voltage vector. In Eq. (8), θ is the initial phase angle of the reference vector. |
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超级电容和发电机侧控制器的设计 |
| 造成功率波动的主要原因是风速的变化。因此，储能系统的容量也是风速变化的函数。为了分析这种关系，风被建模为直流电量和一系列谐波的和，如式(9)[18]。在下面的模拟中，假设风速波动为公式(10)中平均值的20%。从风中捕获的功率可以表示为式(11)。 |
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| 其中Vw为瞬时风速，Vw0为平均风速，ΔVwi为谐波幅值，ωi为角频率(f = 1/T = ω/2π = 0.1 ~ 10 Hz)， ρ为空气密度，A为风力机叶片扫掠面积，Cp为功率转换系数。由上述风速变化引起的功率波动需要通过储能系统进行补偿。 |
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| 因此，根据其中Esc，放电为放电期间从超级电容器中取出的能量量，t1和t2分别为放电周期的开始时间和结束时间，Vsc, H和Vsc, L为超级电容器电压的开始和结束值来确定超级电容器组所需的容量。超级电容器在高频(通常超过几十赫兹)[19]，[20]时表现为电阻。因此，所提出的系统需要一个电解电容器来辅助高频超级电容器。 |
仿真结果 |
| 在MATLAB/SIMULINK数字仿真平台上对所提出的直接积分方案进行了计算机仿真验证。仿真设置示意图如图1(d)所示。采用图7(a)所示平均风速为10m /s，谐波幅值为20%，谐波频率为1 hz的风速廓线来测试所提系统和控制策略的性能。在matlab Simulink软件中使用表I参数值对所提出的系统进行评估。 |
| 相应的发电机输出变化如图7(a)所示。输入功率变化较大，可达200kw。输出功率的平均值为200kw，变化很小，ï ±5kW。通过简单的计算可以发现，相应的输入功率波动约为66%，而输出功率波动小于8.4%。这证明了该系统在缓解风力变化引起的功率波动方面的有效性。如第三节所述，通过改变主逆变器直流链路电压来控制超级电容功率，从而间接跟踪WTG的MPPT。对应的主逆变器直流链路电压和超级电容电压变化如图7(e)所示。从图中可以看出，主逆变器直流链路电压变化很大，在400 ~ 1200 V之间，远远低于现代IGCT器件的上限，因此，所提出的系统是可行的。同样，超级电容的电压变化最大值为Vsc, H = 800 V，最小值为Vsc, L = 400 V。因此，由式(12)和式(13)可知，超级电容器组所需的最小电容为43.75 mF，这是一个比较现实的值。 The boost converter input and outputs are shown in Fig.7. (d). the main inverter dc-link current is nearly constant due to the six-step operation of the main inverter. However, the supercapacitor current varies with the main inverter dc-link voltage owing to the pulse width modulation (PWM) operation of the auxiliary inverter. The change of the modulation index of the generator-side converter (boost rectifier) for the aforementioned wind speed profile is shown in Fig. 7 (b). The corresponding generator currents are shown in Fig. 7 (a). Similarly, the variations of the amplitude and power angle of the grid-side inverter output voltage are shown in Fig. 7 (c) and (d), respectively. These two values are nearly constant owing to the smooth power delivery to the grid. Consequently, the d–q-axis currents of the grid side inverter are nearly constant as shown in Fig.7 (e). And the capacitor current charging and discharging is shown in Fig. 7. (f) The corresponding three phase currents of the grid-side inverter and their zoomed-in view are shown in Fig.7 (g). |
结论 |
| 储能设备的直接集成有许多优点，如降低功率损耗、成本和复杂性。因此，本文定制了流行的双逆变器拓扑，将超级电容器组直接连接到辅助逆变器的直流链路上。详细讨论了系统的运行情况。仿真和实验结果验证了该系统抑制短期风电功率波动的有效性。 |
表格一览 |
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| 表1 |
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数字一览 |
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参考文献 |
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