超级电容储能系统在并网型风力发电系统中的应用

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２０世纪８０年代中期以来，风力发电进入高速发展的时期。

我国目前的风力发电设备多采用异步发电机，而异步发电机运行时发出有功功率的同时还要从系统吸收无功功率，会给电网造成负担。

另外，风速的不稳定会引起风电输出电压频率的变化。

异步发电机的使用还会使电网在发生大扰动后引起暂态电压失稳。

因此，研究并网风电场的运行特性以及如何改善其运行的稳定性是风力发电技术中的重要问题。

储能系统作为电力系统的能量缓冲环节，其作用越来越重要，储能系统在系统中起稳定作用。

适量的储能可以在电网非正常运行时起到过渡作用，使系统在负荷波动较快和较大的情况下能够有一个稳定的电能输出，对配电网电能质量的提高也具有非常重要的作用。

通过对储能系统的控制从而实现其与大电网的并网运行，可达到向电网提供削峰、应急功率等作用。

超级电容器为一种新兴的储能元件，其功率密度大，储能效率高，安装简易，能够适应不同的环境而无需维护，可以单独储能，可以与其他储能装置混合储能。

超级电容器将能量以电场能的形式储存起来，当能量紧急缺乏或需要时，再将存储的能量通过控制单元释放出来，可以对系统起到瞬时功率补偿的作用，并可以在发电中断时作为备用电源，以提高供电的稳定性和可靠性，实现电能的平衡、稳定控制。

超级电容储能系统的优点
超级电容储能系统主要由超级电容组件、双向ＤＣ－ＤＣ变换器组成。

１．　超级电容器
超级电容也称为电化学电容，它具有优良的脉冲充放电和大容量储能性能，单体的容量目前已经做到万法拉级，是一种介于静电电容器与电池之间的新型储能元件。

超级电容最大充放电性能由活性物质表面的离子取向和电荷转移速度控制，因此可在短时间内进行电荷转移，得到很高的放电比功率；同时，由于电极上没有发生决定反应速度与限制电极寿命的活性物质的相应变化，因此它具有很好的循环寿命。

与电池相比，超级电容具有许多电池无法比拟的优点。

１）具有非常高的功率密度。

超级电容器的功率密度可为电池的１０～１００倍，可达到１０ ｋＷ／ｋｇ左右，可以在短时间内放出几百到几千安培的电流。

这个特点使得超级电容器非常适合用于短时间高功率输出的场合。

２）充电速度快。

超级电容器充电是双电层充放电的物理过程或电极物质表面的快速、可逆的电化学过程，可以采用大电流充电，能在几十秒到数分钟内完成充电过程，是真正意义上的快速充电。

而蓄电池则需要数小时完成充电，即使采用快速充电也需几十分钟。

３）使用寿命长。

超级电容器充放电过程中发生的电化学反应具有很好的可逆性，不易出现类似电池中活性物质那样的晶型转变、脱落、枝晶穿透隔膜等引起的寿命终止的现象，碳基电容器的理论循环寿命为无穷，实际可达１００　０００次以上，比电池高１０～１００倍。

超级电容储能系统在并网型
风力发电系统中的应用
「电力系统」
文／华北电力大学 王云飞 尹忠东 申燕飞
提出了一种采用超级电容储能系统来充当电能质量调节作用的并网式风力发电系统，分析了超级电容储能系统调节电能质量的作用，直流侧电压的调节方法，
仿真结果证明了超级电容储能系统在改善电能质量方面的优越性能。

１０２　｜　电气时代・２０１１年第１２期
２０１１年第１２期・电气时代　｜　１０３
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４）低温性能优越。

超级电容器充放电过程中发生的电荷转移大部分都在电极活性物质表面进行，所以容量随温度的衰减非常小。

电池在低温下容量衰减幅度却可高达７０％。

由于风力发电导致的电能质量问题往往具有持续时间短，出现频繁的特点，应用超级电容器作为储能设备进行快速补偿是理想的技术方案。

虽然目前超级电容器单位容量制造成本高于蓄电池，但在短时间应用领域，超级电容器的性能和综合成本均优于电池及其他储能技术。

２．　双向ＤＣ－ＤＣ变换器
双向ＤＣ－ＤＣ变换器是直流母线和超级电容器之间的一个周期性通断的开关控制装置，它的作用是改变供给超级电容器的电压，实际上是作为一个电压调节系统而工作的。

双向ＤＣ－ＤＣ变换器是电流可反向流动的两象限变换器，当超级电容器组对外放电时，ＤＣ－ＤＣ变换器处于升压状态，而当对超级电容器组充电，电流反向，ＤＣ－ＤＣ变换器处于降压状态。

非隔离型Ｂｕｃｋ－Ｂｏｏｓｔ双向ＤＣ－ＤＣ变换器，结构见图１。

该变换器具有器件数量少，效率高和控制简单等优点。

图中：ＣＳＣ为超级电容器；ＶＤ１，ＶＤ２为防止超级电容器反极性充电的保护二极管；ＬＳＣ为斩波电感；Ｓ１，Ｓ２为储能系统的升降压斩波ＩＧＢＴ，其输出连接于直流母线。

当超级电容器放电时，Ｓ２、ＶＤ２与ＬＳＣ构成升压斩波电路。

当Ｓ２处于通态时，超级电容向电感ＬＳＣ充电，充电电流电流基本恒定为Ｉ１，同时电容Ｃ向负载供电，电压恒定在Ｕｄ。

设Ｓ２处于通态的时间为ｔｏｎ，此时ＬＳＣ上积蓄电能为ＵＣＩ１ｔｏｎ。

当Ｓ２处于断态时超级电容和电感ＬＳＣ共同向负载供电。

设Ｓ２处于断态的时间为ｔｏｆｆ，则此期间电感释放的能量为（Ｕｄ－ＵＣ）Ｉ１ｔｏｆｆ。

由于周期Ｔ内电感积蓄和释放的能量相等，即
ＵＣＩ１ｔｏｎ＝（Ｕｄ－ＵＣ）Ｉ１ｔｏｆｆ （１）化简得
Ｕｄ＝（Ｔ／ｔｏｆｆ）ＵＣ （２）通过此升压斩波电路可以将超级电容器组电压升至直流母线电压，并保持在规定的电压值附近。

当向超级电容器组充电时，通过Ｓ１、ＶＤ１与ＬＳＣ
构成降压斩波电路。

当Ｓ２处于通态时，直流母线向超级电容供电，负载电压ＵＣ＝Ｕｄ，当ｔ＝ｔｏｎ时，控制Ｓ１关断，负载电流经ＶＤ１续流，负载电压近似为零。

这时ＬＳＣ的作用为使负载电流连续且脉动小。

负载电压的平均值为
　ＵＣ＝ｔｏｎ／（ｔｏｎ＋ｔｏｆｆ）Ｕｄ＝（ｔｏｎ／Ｔ）Ｕｄ （３）通过此降压斩波电路可以将直流母线电压降至超级电容器组端电压来给超级电容组充电。

图中ＲＳＣ很小，计算时通常予以忽略。

由于超级电容的电压会随着充放电过程而升降，要求随着超级电容器组电压的不断变化，实时调节ＩＧＢＴ导通时间，使得输出的电压保持稳定。

应用超级电容储能系统的风力发电系统
超级电容通过升降压直流斩波变换器连接到直流母线上。

风力发电产生的电压、频率不稳定的交流电能通过不控整流器变换为低压直流，再通过升压斩波器变为高压直流。

超级电容的单体电容的耐压很低，一般低于３　Ｖ，因此实际应用中要将大量的电容器串联后使用，以达到可用的电压水平。

当电源侧出现电压降低或短时断供时，直流母线电压就会随之降低，此时通过超级电容储能系统的升压斩波电路将超级电容的电压升至需要的直流母线电压，并保持在规定的电压值附近，此时超级电容器向系统提供部分或全部功率。

当电源功率突然增大或负荷突然变小时，通过储能系统的降压斩波电路对超级电容器充电，吸收能量，使直流母线电压降到规定值，此时超级电容器储存能量以备下次需要。

该拓扑的控制目标就是使直流母线电压稳定在允许的范围内，减小并网时对电网的冲击。

结束语
仿真结果说明，当系统电源电压波动、出现短时变化时，储能装置能保持系统输出电压的稳定。

储能系统应用于并网型风力发电中，能够明显改善风电场的电能质量，在并网型风力发电系统中发挥着重要作用。

EA
（收稿日期：２０１１．０８．０６）
图１ Ｂｕｃｋ－Ｂｏｏｓｔ双向ＤＣ－ＤＣ变换器结构
Ｕ
Ｃ
ＣＳＣ
ＲＳＣ
ＬＳＣ
ＶＤ２
ＶＤ１
Ｓ１
Ｓ２
Ｃ
Ｕｄ。