超级电容器改善同步发电机系统稳定性能的研究
|
摘要
储能系统作为电力系统必要的电能补偿装置,作用显著。适量的储能对同步发电机的稳定同步运行具有非常重要的作用。储能技术的广泛应用必然会对电力系统传统的设计、规划、控制、调度等各个方面带来重大的变革。
超级电容器兼有蓄电池能量密度大和电解电容器功率密度大的优点,可以快速充放电,而且寿命长、储能效率高、高低温性能好、对环境友好,是高效实用的储能元件。由于目前实现产业化的超级电容器中,基本上都是双电层电容器,因此本文所采用的超级电容器为双电层电容器。针对超级电容器的物理特性,提出了双电层电容器的三种等效模型,即串联RC模型,非线性RC网络模型和线性RC网络模型。其中,线性RC网络模型能近似地反映出超级电容器的物理特性,并可以反映出超级电容器的内部电荷的重新分配特性。
本文分析了超级电容器储能系统的运行原理,并将超级电容器储能系统的电路结构分为换流器,双向直流变直流变换器和双电层电容器组三个部分。根据换流器和双向直流变直流变换器的运行特性,提出了相应的控制方法。
使用计算机软件Matlab对超级电容器储能系统建立仿真模型,并将该模型并入有两同步发电机的测试系统中,验证所设计的仿真模型在发生三相接地短路故障的情况下,测试系统的暂态和小扰动稳定性能得到显著改善,极限转输功率明显提高。
本文设计的超级电容器储能系统能够同时控制有功功率和无功功率,因此它能补偿功率的波动。与不使用超级电容器的同步发电机系统相比,使用超级电容器的同步发电机系统更加稳定。
Energy storage system as the power system for the necessary energy buffering equipment of the role is very obvious. Appropriate amount of storage is very important to synchronize the synchronous generator. Widespread applications of energy storage technology by all means will bring great changes to electric power system traditional designing, programming, controlling, adjusting, etc.
Super capacitor has the virtues of both high energy density of battery and high power density of electrolytic capacitor, can quickly refresh and discharge, and has long cycle life, high storage efficiency, sound temperature adaptability and environmental character. As the current industrialization of super capacitor basically is Electric Double Layer Capacitor (EDLC), this paper used the Electric Double Layer Capacitor as the super capacitor. For super capacitor of physical characteristics, there are three model of the Electric Double Layer Capacitor that series RC model, nonlinear RC network model and the linear RC network model. The linear RC network model can approximately reflect the physical characteristics and the internal redistribution of charge characteristics of super capacitors.
This paper analyzes the operating principle of super capacitor system, and divides into three parts of inverter, bi-directional dc-dc converter and Electric Double Layer Capacitors. According to the operation characteristics of inverter and bi-directional dc-dc converter, this paper made the corresponding control method.
This paper establish the simulation model of super capacitor system in Matlab, and the model interconnect the system which have two synchronous generators to verify the designed simulation model can improve significantly the transient and small signal stability performance of the system on the three-phase ground short-circuit fault, and the max power is increase obviously.
This design of the super-capacitor energy storage system is useful for the compensation of fluctuating power since one is capable of controlling both active and reactive power simultaneously. And comparing with the system without super capacitor, the system with super capacitor is more stability.
超级电容器兼有蓄电池能量密度大和电解电容器功率密度大的优点,可以快速充放电,而且寿命长、储能效率高、高低温性能好、对环境友好,是高效实用的储能元件。由于目前实现产业化的超级电容器中,基本上都是双电层电容器,因此本文所采用的超级电容器为双电层电容器。针对超级电容器的物理特性,提出了双电层电容器的三种等效模型,即串联RC模型,非线性RC网络模型和线性RC网络模型。其中,线性RC网络模型能近似地反映出超级电容器的物理特性,并可以反映出超级电容器的内部电荷的重新分配特性。
本文分析了超级电容器储能系统的运行原理,并将超级电容器储能系统的电路结构分为换流器,双向直流变直流变换器和双电层电容器组三个部分。根据换流器和双向直流变直流变换器的运行特性,提出了相应的控制方法。
使用计算机软件Matlab对超级电容器储能系统建立仿真模型,并将该模型并入有两同步发电机的测试系统中,验证所设计的仿真模型在发生三相接地短路故障的情况下,测试系统的暂态和小扰动稳定性能得到显著改善,极限转输功率明显提高。
本文设计的超级电容器储能系统能够同时控制有功功率和无功功率,因此它能补偿功率的波动。与不使用超级电容器的同步发电机系统相比,使用超级电容器的同步发电机系统更加稳定。
Energy storage system as the power system for the necessary energy buffering equipment of the role is very obvious. Appropriate amount of storage is very important to synchronize the synchronous generator. Widespread applications of energy storage technology by all means will bring great changes to electric power system traditional designing, programming, controlling, adjusting, etc.
Super capacitor has the virtues of both high energy density of battery and high power density of electrolytic capacitor, can quickly refresh and discharge, and has long cycle life, high storage efficiency, sound temperature adaptability and environmental character. As the current industrialization of super capacitor basically is Electric Double Layer Capacitor (EDLC), this paper used the Electric Double Layer Capacitor as the super capacitor. For super capacitor of physical characteristics, there are three model of the Electric Double Layer Capacitor that series RC model, nonlinear RC network model and the linear RC network model. The linear RC network model can approximately reflect the physical characteristics and the internal redistribution of charge characteristics of super capacitors.
This paper analyzes the operating principle of super capacitor system, and divides into three parts of inverter, bi-directional dc-dc converter and Electric Double Layer Capacitors. According to the operation characteristics of inverter and bi-directional dc-dc converter, this paper made the corresponding control method.
This paper establish the simulation model of super capacitor system in Matlab, and the model interconnect the system which have two synchronous generators to verify the designed simulation model can improve significantly the transient and small signal stability performance of the system on the three-phase ground short-circuit fault, and the max power is increase obviously.
This design of the super-capacitor energy storage system is useful for the compensation of fluctuating power since one is capable of controlling both active and reactive power simultaneously. And comparing with the system without super capacitor, the system with super capacitor is more stability.
引文
[1]金广厚,李庚银,周明.国内外电能质量控制水平及管理策略.电力自动化设备,2005,25(1)：1-6
[2]肖湘宁,韩民晓,徐永海,等.电能质量分析与控制.北京：中国电力出版社,2004,6-7
[3]林海雪.现代电能质量的基本问题.电网技术,2001,25(10)：5-12
[4]蔡丽娟.超级电容器储能系统电压控制技术的研究：[华北电力大学硕士学位论文].保定：华北电力大学,2004,1-2
[5]张文亮,丘明,来小康.储能技术在电力系统中的应用.电网技术,2008,32(4)：1-9
[6]汪娟华.超级电容器储能系统在分布式发电技术中的应用研究：[华北电力大学硕士学位论文].保定：华北电力大学,2007,7-10
[7]尹建阁,麻坚.飞轮储能系统的应用前景.兰州工业高等专科学校学报.2008,15(3)：16-19
[8]张秀彬,聂小冬.超导磁储能技术发展的新动向.动力工程,1994,14(1)：50-53
[9]Yan J,'Shibata R, Yamamura N, et al. A Control Method of Prolonging the Service Life of Battery in Stand-alone Renewable Energy System using Electric Double Layer Capacitor (EDLC). IEEE transactions on industry applications, 2000,36(1):228-233
[10]陈英放,李媛媛,邓梅根.超级电容器的原理及应用.电子元件与材料,2008,27(4)：6-9
[11]杨盛毅,文方.超级电容器综述.现代机械,2009,(4):82-84
[12]朱炜锋,窦伟,徐正国,等.基于PI控制的三相光伏并网逆变器电流控制器设计.2009,27(2)：55-58
[13]周雨田.基于重复控制策略的高性能逆变器控制器的设计.电气自动化,2008,30(3)：23-24,35
[14]王路,殷明远.基于MATLAB的模糊控制系统仿真.2009,26(9)：73
[15]任碧莹,孙向东,同向前.并网逆变器的改进无差拍控制策略.2009,43(8)：35-36
[16]叶伟国,陈江.逆变器的滑模变结构控制研究.绍兴文理学院学报,2002,7(1)：92-96,117
[17]王桂枝.PWM控制原理在自动控制中的应用.烟台大学学报,1999,12(4)： 143-147
[18]张纯江,漆汉宏.空间矢量PWM与正弦PWM的比较研究.信息技术,2000,(5)：1-2,45
[19]蔡国营,王亚军,谢晶,等.超级电容器储能特性研究.电源世界,2009,(01)：25,33-38
[20]胡毅,陈轩恕,杜砚,等.超级电容器的应用与发展.电力设备,2008,9(1)：19-22
[21]周新民,孙晖.新型储能元件综述—超级电容及其应用.变频器世界,2009,(06)：12-16
[22]成果,金双玲,张传祥.超级电容器用于高比能量超级活性炭的结构与电化学性能.炭素技术,2009,28(4)：17-20
[23]王然,苗小丽.大功率超级电容器的发展与应用.电池工业,2008,6(3)：191-216
[24]胡晓.超级电容器行业市场分析与技术现状研究.机电元件,2009,23(3)：17-26
[25]陈红.超级电容器电极材料的研究进展.长春大学学报,2009,19(4)：54-58
[26]于凌宇,冯玉萍.世界超级电容器发展动态.今日电子,2008,(12)：53-55
[27]冷超,江启人,傅坚.超级电容器储能的应用.上海电力,2008,1(1)：79-82
[28]朱磊,吴伯荣,陈晖.超级电容器研究及其应用.稀有金属,2003,27(3)：386-390
[29]李晓娜.超级电容器在变电站直流系统中的应用.宁夏电力,2008,(5):16-19
[30]王鑫,郭佳欢,谢清华,等.超级电容器在微电网中的应用.电网与清洁能源,2009,25(06)：18-22
[31]Spyker R L, Nelms R N. Optimization of Double-Layer Capacitor Arrays. IEEE transactions on industry applications,2000,36(1):194-198
[32]张彬,刘君,穆世霞.超级电容器串联技术的研究.电气技术,2009,(9)：46-49
[33]张慧妍,韦统振,齐智平.超级电容器储能装置研究.电网技术,2006,30(8)：92-96
[34]Zubieta L, Bonert R. Characterization of Double-Layer Capacitors for Power Electronics Applications. IEEE transactions on industry applications,2000, 25(1):199-205
[35]李海东.超级电容器模块化技术的研究：[中国科学院电工研究所博士学位论文].北京：中国科学院电工研究所,2006,18-19
[36]张慧妍,齐智平.超级电容储能单元的设计分析.电源技术,2006,30(4)：322-325
[37]王兆安,黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社,2003,43-53,100-105,140-147
[38]刘逊,褚旭,蒋晓华.超导储能装置中的电流源型逆变器.电力电子技术,2004,38(4)：20-22
[39]Jin G S, Jong H H, Hee J J. Control scheme of voltage sag compensator using bi-directional DC/DC converter of double-layer capacitor. Electrical Machines and Systems,2007,26(12):180-185
[40]王培波,张建成,钟云.用于提高可再生能源发电系统电压稳定性的双向DC/AC/DC变换器研究.华北电力大学学报(自然科学版),2009,36(5)：22-26
[41]Muyeen S M, Takahashi R, Ali H, et al. Transient Stability Augmentation of Power System Including Wind Farms by Using ECS. IEEE transactions on Power System,2008,23(3):1179-1187
[42]Kinjo T, Senjyu T, Urasaki N, et al. Output Leveling of Renewable Energy by Electric Double-Layer Capacitor Applied for Energy Storage System. IEEE transactions on energy conversion,2006,21(1):221-227
[43]尹发根.电流滞环比较PWM控制方法探析.中国新技术新产品,2009,(20)：15
[44]齐东流,李多山,肖本贤.基于重复控制与电压双闭环控制的逆变器设计.通信电源技术,2009,26(3)：16-22
[45]董超,邱创.基于分布式发电的并网逆变器控制方案优化.湖北电力,2009,33(3)：58-61
[46]冷贵峰.基于燃料电池的分布式发电并网系统的研究：[湖南大学硕士学位论文].长沙：湖南大学,2009,35-38
[47]王雪丹,任继伟,张晓曦.复合控制算法在逆变器中的应用.哈尔滨理工大学学报,2009,14(4)：99-102
[48]何仰赞,温增银.电力系统分析.武昌：华中科技出版社,2002,86-88
[49]邹亮.锁相环技术发展的研究及应用.科技资讯,2009,(35)：147
[50]Kakigano H, Miura Y, Ise T, et al. DC Micro-grid for Super High Quality Distribution—System Configuration and Control of Distributed Generations and Energy Storage Devices. Power Electronics Specialists Conference,2006, 37(6):1-7
[51]王培波,张建成.超级电容器储能系统并网控制研究.电力科学与工程,2009,25(6)：1-4
[52]Kinjot, Senjyut, Urasakin, et al. Terminal-voltage and output power regulation of wind turbine generator by series and parallel compensation using SMES. IEEE Proceedings Generation, Transmission and Distribution,2006,153 (3):276-282
[53]Kakimoto, Satoh, Takayama, et al. Ramp-Rate Control of Photovoltaic Generator with Electric Double-Layer Capacitor. IEEE transactions on energy conversion, 2009,24(2):465-473
[54]劳斯佳,尹忠东,单任仲.超级电容器储能控制技术研究.电源技术,2009,33(4)：269-272
[55]朱武,操瑞发,应彭华,等.超级电容器系统在改善并网风电场输出中的应用.电网技术,2008,32(12)：256-259
[56]李海冬,齐智平,冯之钺.超级电容器电力储能系统的电压均衡策略.电网技术,2007,2(3)：19-34
[57]张步涵,曾杰,毛承雄,等.串并联型超级电容器储能系统在风力发电中的应用.电力自动化设备,2008,4(4)：1-4
[58]程时杰,余文辉,文劲宇.储能技术及其在电力系统稳定控制中的应用.电网技术,2007,31(10)：98-108
[59]邓旷笑,李啸骢,邹智慧,等.超级电容器储能装置及其对改善发电机运行稳定性的研究.电气开关,2009,(5)：22-27
[60]林姿峰,闵勇.基于超导储能的小扰动动态安全在线评估.电力系统自动化,2004,28(18)：20-24
[61]Jian C Z. Research on Super Capacitor Energy Storage System for Power Network. power electronics and drives systems,2005,28(1):1366-1369
[62]周双喜,吴畏,吴俊玲,等.超导储能装置用于改善暂态电压稳定性的研究.电网技术,2004,28(4)：1-5
[63]刘建斌,易灵芝,王根平,等.超级电容器在光伏发电系统中的应用.湖南工业大学学报,2009,23(5)：55-59
[64]Souza C L. Power system transient stability analysis including synchronous and induction generator. IEEE Porto Power Tech Proceedings,2001, (2):6
[65]吴文韬,沈小军,张逸成,等.基于photo MOS的超级电容器组电压检测系统设计.电气自动化,2009,31(3)：66-68
[66]黄小贤,王亚军,谢晶,等.离网型超级电容储能的太阳能照明系统的设计.能源工程,2009,(4)：31-36
[67]闫晓金,孙晋豪,徐利娜.超级电容器的电特性及在独立光伏系统中的应用.北华航天工业学院学报,2009,19(4)：16-19
[68]田华亭,张勇.容量偏差对超级电容储能的影响及解决方案.电子元件与材料,2009,28(9)：30-33
[2]肖湘宁,韩民晓,徐永海,等.电能质量分析与控制.北京：中国电力出版社,2004,6-7
[3]林海雪.现代电能质量的基本问题.电网技术,2001,25(10)：5-12
[4]蔡丽娟.超级电容器储能系统电压控制技术的研究：[华北电力大学硕士学位论文].保定：华北电力大学,2004,1-2
[5]张文亮,丘明,来小康.储能技术在电力系统中的应用.电网技术,2008,32(4)：1-9
[6]汪娟华.超级电容器储能系统在分布式发电技术中的应用研究：[华北电力大学硕士学位论文].保定：华北电力大学,2007,7-10
[7]尹建阁,麻坚.飞轮储能系统的应用前景.兰州工业高等专科学校学报.2008,15(3)：16-19
[8]张秀彬,聂小冬.超导磁储能技术发展的新动向.动力工程,1994,14(1)：50-53
[9]Yan J,'Shibata R, Yamamura N, et al. A Control Method of Prolonging the Service Life of Battery in Stand-alone Renewable Energy System using Electric Double Layer Capacitor (EDLC). IEEE transactions on industry applications, 2000,36(1):228-233
[10]陈英放,李媛媛,邓梅根.超级电容器的原理及应用.电子元件与材料,2008,27(4)：6-9
[11]杨盛毅,文方.超级电容器综述.现代机械,2009,(4):82-84
[12]朱炜锋,窦伟,徐正国,等.基于PI控制的三相光伏并网逆变器电流控制器设计.2009,27(2)：55-58
[13]周雨田.基于重复控制策略的高性能逆变器控制器的设计.电气自动化,2008,30(3)：23-24,35
[14]王路,殷明远.基于MATLAB的模糊控制系统仿真.2009,26(9)：73
[15]任碧莹,孙向东,同向前.并网逆变器的改进无差拍控制策略.2009,43(8)：35-36
[16]叶伟国,陈江.逆变器的滑模变结构控制研究.绍兴文理学院学报,2002,7(1)：92-96,117
[17]王桂枝.PWM控制原理在自动控制中的应用.烟台大学学报,1999,12(4)： 143-147
[18]张纯江,漆汉宏.空间矢量PWM与正弦PWM的比较研究.信息技术,2000,(5)：1-2,45
[19]蔡国营,王亚军,谢晶,等.超级电容器储能特性研究.电源世界,2009,(01)：25,33-38
[20]胡毅,陈轩恕,杜砚,等.超级电容器的应用与发展.电力设备,2008,9(1)：19-22
[21]周新民,孙晖.新型储能元件综述—超级电容及其应用.变频器世界,2009,(06)：12-16
[22]成果,金双玲,张传祥.超级电容器用于高比能量超级活性炭的结构与电化学性能.炭素技术,2009,28(4)：17-20
[23]王然,苗小丽.大功率超级电容器的发展与应用.电池工业,2008,6(3)：191-216
[24]胡晓.超级电容器行业市场分析与技术现状研究.机电元件,2009,23(3)：17-26
[25]陈红.超级电容器电极材料的研究进展.长春大学学报,2009,19(4)：54-58
[26]于凌宇,冯玉萍.世界超级电容器发展动态.今日电子,2008,(12)：53-55
[27]冷超,江启人,傅坚.超级电容器储能的应用.上海电力,2008,1(1)：79-82
[28]朱磊,吴伯荣,陈晖.超级电容器研究及其应用.稀有金属,2003,27(3)：386-390
[29]李晓娜.超级电容器在变电站直流系统中的应用.宁夏电力,2008,(5):16-19
[30]王鑫,郭佳欢,谢清华,等.超级电容器在微电网中的应用.电网与清洁能源,2009,25(06)：18-22
[31]Spyker R L, Nelms R N. Optimization of Double-Layer Capacitor Arrays. IEEE transactions on industry applications,2000,36(1):194-198
[32]张彬,刘君,穆世霞.超级电容器串联技术的研究.电气技术,2009,(9)：46-49
[33]张慧妍,韦统振,齐智平.超级电容器储能装置研究.电网技术,2006,30(8)：92-96
[34]Zubieta L, Bonert R. Characterization of Double-Layer Capacitors for Power Electronics Applications. IEEE transactions on industry applications,2000, 25(1):199-205
[35]李海东.超级电容器模块化技术的研究：[中国科学院电工研究所博士学位论文].北京：中国科学院电工研究所,2006,18-19
[36]张慧妍,齐智平.超级电容储能单元的设计分析.电源技术,2006,30(4)：322-325
[37]王兆安,黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社,2003,43-53,100-105,140-147
[38]刘逊,褚旭,蒋晓华.超导储能装置中的电流源型逆变器.电力电子技术,2004,38(4)：20-22
[39]Jin G S, Jong H H, Hee J J. Control scheme of voltage sag compensator using bi-directional DC/DC converter of double-layer capacitor. Electrical Machines and Systems,2007,26(12):180-185
[40]王培波,张建成,钟云.用于提高可再生能源发电系统电压稳定性的双向DC/AC/DC变换器研究.华北电力大学学报(自然科学版),2009,36(5)：22-26
[41]Muyeen S M, Takahashi R, Ali H, et al. Transient Stability Augmentation of Power System Including Wind Farms by Using ECS. IEEE transactions on Power System,2008,23(3):1179-1187
[42]Kinjo T, Senjyu T, Urasaki N, et al. Output Leveling of Renewable Energy by Electric Double-Layer Capacitor Applied for Energy Storage System. IEEE transactions on energy conversion,2006,21(1):221-227
[43]尹发根.电流滞环比较PWM控制方法探析.中国新技术新产品,2009,(20)：15
[44]齐东流,李多山,肖本贤.基于重复控制与电压双闭环控制的逆变器设计.通信电源技术,2009,26(3)：16-22
[45]董超,邱创.基于分布式发电的并网逆变器控制方案优化.湖北电力,2009,33(3)：58-61
[46]冷贵峰.基于燃料电池的分布式发电并网系统的研究：[湖南大学硕士学位论文].长沙：湖南大学,2009,35-38
[47]王雪丹,任继伟,张晓曦.复合控制算法在逆变器中的应用.哈尔滨理工大学学报,2009,14(4)：99-102
[48]何仰赞,温增银.电力系统分析.武昌：华中科技出版社,2002,86-88
[49]邹亮.锁相环技术发展的研究及应用.科技资讯,2009,(35)：147
[50]Kakigano H, Miura Y, Ise T, et al. DC Micro-grid for Super High Quality Distribution—System Configuration and Control of Distributed Generations and Energy Storage Devices. Power Electronics Specialists Conference,2006, 37(6):1-7
[51]王培波,张建成.超级电容器储能系统并网控制研究.电力科学与工程,2009,25(6)：1-4
[52]Kinjot, Senjyut, Urasakin, et al. Terminal-voltage and output power regulation of wind turbine generator by series and parallel compensation using SMES. IEEE Proceedings Generation, Transmission and Distribution,2006,153 (3):276-282
[53]Kakimoto, Satoh, Takayama, et al. Ramp-Rate Control of Photovoltaic Generator with Electric Double-Layer Capacitor. IEEE transactions on energy conversion, 2009,24(2):465-473
[54]劳斯佳,尹忠东,单任仲.超级电容器储能控制技术研究.电源技术,2009,33(4)：269-272
[55]朱武,操瑞发,应彭华,等.超级电容器系统在改善并网风电场输出中的应用.电网技术,2008,32(12)：256-259
[56]李海冬,齐智平,冯之钺.超级电容器电力储能系统的电压均衡策略.电网技术,2007,2(3)：19-34
[57]张步涵,曾杰,毛承雄,等.串并联型超级电容器储能系统在风力发电中的应用.电力自动化设备,2008,4(4)：1-4
[58]程时杰,余文辉,文劲宇.储能技术及其在电力系统稳定控制中的应用.电网技术,2007,31(10)：98-108
[59]邓旷笑,李啸骢,邹智慧,等.超级电容器储能装置及其对改善发电机运行稳定性的研究.电气开关,2009,(5)：22-27
[60]林姿峰,闵勇.基于超导储能的小扰动动态安全在线评估.电力系统自动化,2004,28(18)：20-24
[61]Jian C Z. Research on Super Capacitor Energy Storage System for Power Network. power electronics and drives systems,2005,28(1):1366-1369
[62]周双喜,吴畏,吴俊玲,等.超导储能装置用于改善暂态电压稳定性的研究.电网技术,2004,28(4)：1-5
[63]刘建斌,易灵芝,王根平,等.超级电容器在光伏发电系统中的应用.湖南工业大学学报,2009,23(5)：55-59
[64]Souza C L. Power system transient stability analysis including synchronous and induction generator. IEEE Porto Power Tech Proceedings,2001, (2):6
[65]吴文韬,沈小军,张逸成,等.基于photo MOS的超级电容器组电压检测系统设计.电气自动化,2009,31(3)：66-68
[66]黄小贤,王亚军,谢晶,等.离网型超级电容储能的太阳能照明系统的设计.能源工程,2009,(4)：31-36
[67]闫晓金,孙晋豪,徐利娜.超级电容器的电特性及在独立光伏系统中的应用.北华航天工业学院学报,2009,19(4)：16-19
[68]田华亭,张勇.容量偏差对超级电容储能的影响及解决方案.电子元件与材料,2009,28(9)：30-33