雷竞技网页版研究与评论-国际期刊雷竞技苹果下载

国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

菜单

在线刊号(2278-8875)印刷版(2320-3765)

所有提交的EM系统将被重定向到网上投稿系统．作者被要求将文章直接提交给网上投稿系统各自的日志。

基于超级电容器和电池的混合dstatcom用于配电网性能改进

Dr.Kuldeep刚刚
印度北方邦勒克瑙市工程技术学院电子工程系教授
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

更多相关文章请访问国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

摘要

国际上对能源的需求日益上升，这导致需求和发电量之间的差距很大。此外，三相供电系统上的单相负载会导致系统电压和供电电流的不平衡，从而导致网络中的电压下降/膨胀。DSTATCOM是一种自定义功率设备，用于调节配电系统中的电压下降/膨胀，以维持负载/敏感负载终端的额定电压水平。DSTATCOM可以在共耦合点注入三相电压，电压大小和相位角可以通过PI控制器调节，超级电容器可以存储和快速释放大量能量，用于满足瞬时功率需求，而电池用于满足平均功率需求。本研究探索在DSTATCOM中结合电池和超级电容器储能系统，控制负载端电压，调节sess /BESS电压/储能能力，提高电能质量和可靠性。

关键字
混合分布静态补偿器(H-DSTATCOM)，超级电容器储能系统(SCESS)，电池储能系统，电压跌落，电压膨胀。

介绍
将DSTATCOM应用于配电系统中，以改善电能质量问题。由于电力供需不平衡，电压跌落/膨胀已成为工业设备故障、跳闸的主要原因。然而，由于提供快速/瞬时实功率的能力有限，DSTATCOM在提高系统性能方面的能力有限。近十年来，储能技术如SMES、飞轮、燃料电池和电池技术都有了长足的发展和改进。相反，这些技术都有一定的局限性，sme需要很大的空间，对其磁效应的屏蔽程度高，辅助系统复杂，燃料电池的初始响应相当慢，充放电循环次数有限[1,2,3,4]。
总的来说，电池具有相对较高的能量密度、较低的功率密度、较慢的动态特性。如果电池在非常高的电流率下循环，那么在完全放电的情况下，电池寿命衰减非常快，也可能导致热失控的安全问题。因此，电池组必须超大以确保寿命并避免热失控。
近年来，超级电容器的发展给储能技术领域带来了新的维度，超级电容器可以存储非常大量的能量，并可以借助定制的功率器件以调节的方式释放大量的瞬时功率/能量，不依赖于充放电周期的次数，效率非常高，寿命约20-25年，充放电时间为一秒到几分钟的几分之一[6,7]。
由于具有较高的比功率密度和快速的动态特性，超级电容器已被考虑用于配电网的暂态供电和恢复。超级电容器与电池相结合的储能系统降低了电池的应变，同时超级电容器具有吸收和供应大电流脉冲的能力，电池可以提供平均功率需求。这反过来又允许DSTATCOM通过逆变器向配电网提供真实功率和无功功率。
因此，当电压暂降发生时，基于sess /BESS的DSTATCOM会在分流器中注入适当相位角的电压幅值到配电系统;电压注入是通过注入实功率和无功功率来实现的。本研究的目的是探讨如何利用超级电容器储能技术，通过精确、快速地调节电压起伏和控制sess /BESS电压水平来提高配电系统的电能质量。

电池和超级电容器特性
对于DSTATCOM，在稳态条件下提高配电网性能所需的主要能量必须存储在电池中，因为电池不具有瞬时充放电能力。超级电容器被用来储存能量，当配电网发生瞬态变化时，它可以提供电力，因为它具有非常快的充放电能力。电池具有高能量密度，而超级电容器存储少量的能量，但具有非常高的功率密度。这些特性使得这两种储能装置的排列既表现出高功率又表现出高能量密度。由于超级电容器的ESR是10 mΩ的量级，因此超级电容器可以为负载提供非常大的电流。电池开路时归一化电压波动(Umin /Umax)大于0.85。而超级电容器的电压波动为0.5，并受到电子器件的限制，不允许超级电容器的放电深度超过75%。超级电容器和电池的规格分别列于表一和表二。
图像
图像

sess控制策略的约束条件和目标
在电力系统中连接sess的目的是通过对可能由于峰值需求、暂态故障等原因造成的实际功率的充放电来平滑功率波动。另一个应用是负载端子上的电压管理。超级电容器的电压Usc将下降到0v，如果所有的存储能量被利用，那么约束额定功率输出能力将被违反，即Pstored≥Prated。因此，超级电容器电压Umin的下限是Umax的50%，这样75%的存储能量可以被有效利用。超级电容器被充电到参考电压Uscref。，安装完成后即可。由于sess用于稳定配电系统的功率波动，因此充放电余量应考虑为[11]。因此，超级电容器的电压应该充电到一个优化值Uscref。，表示为:
图像
在哪里
Ceq是法拉德超级电容器组的等效电容。
Umax是超级电容器的最大电压，单位为伏特。
Umin是超级电容器组的最低电压，单位为伏特。
Uscref是充电和放电电压的优化值，单位为伏特。
优化后的值表示为:
图像

超级电容器储能系统设计
SCESS的目的是稳定负载端的电压，由于超级电容器单元的电压较低，因此超级电容器库由多个超级电容器单元串联或并联组成，以存储所需的电压水平和足够的有用能量。一般来说，在一个分支中串联连接的电池的数量Ns是由市场上或堆叠中可用的超级电容器电池的最大电压额定值施加的。
图像
在那里,
n为串联的单元数。
Umax是超级电容器组的最大电压。
Ucell是超级电容器电池的额定值。
超级电容器组中平行支路Np的个数可由
图像
要有足够的储能容量，并行分支的数量必须大于或等于1 (Np≥1)，并向上四舍五入到最接近的整数。
超级电容器组的等效电容由下式表示
图像
在那里,
Ceq是法拉德超级电容器组的等效电容。
cell是每个cell的电容，单位为法拉。
n为串联的单元数。
Np是超级电容器组中平行臂的数目。
从式(5)可以清楚地看出，要获得较高的等效电容，并联臂数(Np)
应始终高于Ns，这样储能容量就更高。
超级电容器组的电池总数为
图像
在那里,
NT是超级电容器组所需的电池总数。
但当超级电容器工作在最低电压点时，仍然需要额定功率输出能力，因此
图像
拟议的超级电容器储能系统的储能容量为20千瓦时(72兆焦)，电压为220伏，峰值功率为10千瓦，与配电系统相连，以便在电压变化和额外电力需求时提供负载。所使用的超级电容器是Maxwell科技公司生产的，产品规格为:额定电容63f，额定电压125v,ESR 18 mΩ，工作温度范围-40°C至+65°C, Pmax 4700w /kg, Emax 2.53Wh/kg，循环10万次，寿命10万小时，最大持续电流150 A，最大峰值电流(1秒)750 A，漏电流5.2 mA。
图像

混合dstatcom的Simulink建模及其控制
DSTATCOM由两级电压源变换器作为逆变器，超级电容器组作为储能装置，电池作为储能装置，三相耦合变压器并联到配电网，电压源变换器将超级电容器组/电池组的直流电压转换为三相交流电压组作为输出。这些电压是同相的，并通过耦合变压器的电抗与配电系统耦合。适当调整DSTATCOM输出电压的相位和幅度可以有效控制DSTATCOM和配电网之间的有功和无功功率交换[13,14,15]。
逆变器与配电网并联，可用于调压、无功补偿、功率因数校正和谐波消除。配电网的连续调压是通过注入分流电流来消除系统阻抗上的电压跌落来实现的。电流的大小可以通过调节变换器的输出电压来控制。DSTATCOM对电压跌落的校正效果取决于系统的等效电压阻抗值或负载母线的故障级别。当分流注入电流与负载端电压成正交时，无需向配电网注入有功功率即可实现预期的电压校正。另一方面，当分流电流的值最小时，在系统注入的视在功率最小的情况下，可以实现相同的电压校正。

测试系统开发
图一是在MATLAB/Sim- Power SIMULINK中进行各种Hybrid DSTATCOM仿真的测试系统。试验系统由长25km的33kV、50Hz输电系统段和长2km的t段组成，馈电至连接在Y/Δ的2绕组变压器一次侧，将33kV/440V、100MVA的负载连接到440V的变压器二次侧。
图像
直流电压应用于IGBT/二极管的两级逆变器产生50 Hz。逆变器的IGBT采用1680 Hz载频脉宽调制，离散采样时间为5.8e-6秒。负载电压由直流稳压器的PI稳压器调节为1pu，直流稳压器的输入为PCC的电压、PCC的电流、SCESS电压，输出为包含离散脉宽调制发生器产生6个IGBT脉冲的三个调制信号的矢量。逆变器产生的谐波通过LC滤波器进行滤波。采用440V/ 33kv、100MVA三个耦合变压器将DSTATCOM连接到配电网。直流侧连接558 F的sess和508 V的BESS，提供能量/实功率。在模拟有和没有sess /BESS的测试系统时，可以看出这种安排在电压调节方面的有效性。

混合dstatcom的仿真与结果分析
案例:超级电容器不充电时的模拟结果
第一次模拟是在混合DSTATCOM的超级电容器未充电时进行的，负载的主电源由三相断路器关闭0.2-0.3秒，在此期间负载上的电压接近于零，负载上的电流也变为零，如图II和图III所示。
图像
图像
Case: ii电池不支持混合dstatcom时的仿真结果
类似地，在混合DSTATCOM中进行了一组新的模拟，但现在在混合DSTATCOM中，电池不支持，测试系统中切换了瞬态负载，尽管超级电容器储能能够为负载供电，但电压幅值接近所需值的0.9 pu，持续时间为0.2-0.3秒，在此期间，主线电源也在三相断路器的帮助下切断。电压、电流波形分别如图四、图五所示。
图像
图像
案例:iii模拟结果时，超级电容器充电低于umin
类似地，进行了一组新的模拟，但现在混合DSTATCOM超级电容器的放电低于Umin水平，而三相断路器持续0.2-0.3秒，在此期间主线电源被切断，但现在负载上的相位电压能够维持，但第三相混合DSTATCOM无法按要求正确供电。电压和电流波形分别如图vi和图vii所示。
图像
图像
案例:超级电容器和电池同时支持混合dstatcom时的iv仿真结果
类似地，进行了一组新的模拟，但现在在混合DSTATCOM中，超级电容器和电池都支持稳定负载，在测试系统中切换瞬态负载持续0.2-0.3秒，在此期间，在三相断路器的帮助下，主线电源也被切断。混合DSTATCOM是相当有效的支持负载，没有任何相位不平衡，没有谐波，也能够保持其振幅为1.0 pu。电压波形和电流波形分别如图VIII和图IX所示。
图像
图像

结论
在DSTATCOM中采用了超级电容器储能和电池储能相结合的储能系统。这使得DSTATCOM能够在暂态条件下为配电网提供更高的动态条件变化率，以及在稳定条件下为平均电力需求。MATLAB/SIM-Power Simulink中高度发达的图形工具被用于进行模型实现的各个方面，并在开发的测试系统中进行广泛的仿真研究。采用基于PWM的控制方案控制两级电压源变换器中的开关(IGBT/Diode)，控制超级电容器按要求输出/吸收实功率，同时保持负载功率因数的统一。仿真结果表明，sess和BESS组合在DSTATCOM中可以提高配电网的性能，并能在保持负载功率因数统一的同时缓解电压跌落。这些特性使其适用于连接非常敏感负载的自定义电源应用。

参考文献















全球科技峰会