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          超級電容器在分布式微電網中的應用

          超級電容器在分布式微電網中的應用
          2016-07-25 11:35:31 來源: 中國新能源網
          導讀: 超級電容器的出現,解決了能源系統中功率密度與能量密度之間的矛盾。隨著超級電容器技術的進一步發展,它將逐步取代當前需頻繁更換的蓄電池,且家用儲能系統也有可能得到實現。
           
           
            超級電容器在微電網中的運行
            下圖是微電網的一種典型的結構圖。由圖可以看出,微電網由微電源、負荷、儲能以及能量管理器等組成。儲能在微電網中發生作用的形式有:接在微電源的直流母線上、包含重要負荷的饋線上或者微電網的交流母線上。其中,前兩種可稱為分布式儲能,最后一種叫做中央儲能。
           
            當并網運行時,微電網內的功率波動由大電網進行平衡,此時儲能處于充電備用狀態。當微電網由并網運行切換到孤網運行時,中央儲能立即啟動,彌補功率缺額。微電網孤網運行時負荷的波動或者微電源的波動則可以由中央儲能或者分布式儲能平衡。其中,微電源的功率波動有2種平衡方式,即將分布式儲能和需要儲能的微電源并聯接在某饋線上,或者將儲能直接接入該微電源的直流母線上。
            超級電容器的控制原理
            對超級電容器的控制主要體現在DC/DC變換器、DC/AC變換器的控制上。近年來,變換器控制技術發展迅速,由最早的開環控制發展到輸出電壓瞬時反饋控制,由模擬控制逐漸發展到全數字控制。當前的數字控制方法有數字PID控制、狀態反饋控制、模糊控制以及神經網絡控制等。其中,數字PID控制方法是工程實踐中應用最廣泛的控制方法。
            雙向DC/DC變換器實現直流低壓側超級電容器組與直流高壓側之間的能量轉換。DC/DC變換器的控制目標不能簡單設定為維持儲能電容器直流高壓側電壓恒定,同時還須滿足超級電容器的功率限制,其控制框圖如下圖所示。
           
            DC/AC變換器目前存在多種控制方式。文獻[9]提出一種采用dq0坐標的穩態模型,在此基礎上設計了PI控制器,實現了有功功率和無功功率的同時獨立調節。文獻[10]采用基于同步旋轉坐標系的前饋補償閉環控制,能有效地抑制電壓暫降問題。文獻[11]提出基于模糊-規則的智能控制系統,利用預測的風電功率,儲能裝置的效果及交流電壓的測量,用來調節、整定功率水平,實現對微電源運行的優化。
            超級電容器在微電網中的應用
            1提供短時供電
            微電網存在兩種典型的運行模式:正常情況下,微電網與常規配電網并網運行,稱為并網運行模式;當檢測到電網故障或電能質量不滿足要求時,微電網將及時與電網斷開從而獨立運行,
            稱為孤網運行模式。微電網往往需要從常規配電網中吸收部分有功功率,因而微電網在從并網模式向孤網模式轉換時,會有功率缺額,安裝儲能設備有助于2種模式的平穩過渡。
            2用作能量緩沖裝置
            由于微電網規模較小,系統慣性不大,網絡及負荷經常發生波動就顯得十分嚴重,對整個微電網的穩定運行造成影響。我們總是期望微電網中高效發電機(如燃料電池)始終工作在它的額定容量下。但是微電網的負荷量并非整日保持不變,相反,它會隨著天氣變化等情況發生波動。為了滿足峰值負荷供電,必須使用燃油、燃氣的調峰電廠進行高峰負荷調整,由于燃料價格很高,這種方式的運行費用太昂貴。
            超級電容器儲能系統可以有效地解決這個問題,它可以在負荷低落時儲存電源的多余電能,而在負荷高峰時回饋給微電網以調整功率需求。儲能系統作為微電網必要的能量緩沖環節,其作用越來越重要。它不僅避免了為滿足峰值負荷而安裝的發電機組,同時充分利用了負荷低谷時機組的發電,避免了浪費。
            超級電容器功率密度大、能量密度高的特性使它成為處理尖峰負荷的最佳選擇,而且采用超級電容器只需存儲與尖峰負荷相當的能量。若采用蓄電池儲能,需要存儲幾倍于尖峰負荷的能量。蓄電池曾經廣泛用作儲能單元,但是在微電網中需要頻繁地進行充、放電控制,這樣勢必會大大縮短蓄電池的使用壽命。
            在含有如電梯、提升機、地鐵電站等惡性負荷的微電網中,配置超級電容器儲能單元可以減少電力驅動系統對微電網的負面沖擊影響。在負載側有電動機或傳動裝置等強負載系統中,當大負載突然起動時,一般都需要一個很大的瞬間電流,這時,如果電源能量不足,電源電壓將瞬間下降,從而使控制電路產生誤操作,如果增大電源容量,對于平常不需大電流的工作場合來說,顯然是一種浪費。而在系統中增加大功率超級電容器就可用較小容量的電源驅動較大的負載。
            3.改善微電網的電能質量
            人們對電能質量問題日益關注。一方面,微電網作為電網要滿足負荷對供電質量的要求,保證供電頻率以及電壓幅值變化、波形畸變率以及年停電次數等在一個很小的范圍內;另一方面,大電網對微電網作為整體的并入電網也提出了嚴格的要求,如負荷功率因數、電流諧波畸變率和最大功率等都有嚴格限制。
            儲能系統對微電網電能質量的提高起到了十分重要的作用。通過逆變器控制單元,可以調節超級電容器儲能系統向用戶及網絡提供的無功及有功,從而達到提高電能質量的目的。由于超級電容器可快速吸收、釋放大功率電能,非常適宜將其應用到微電網的電能質量調節裝置中,用來解決系統中的一些暫態問題,如針對系統故障引發的瞬時停電、電壓驟升、電壓驟降等問題,此時利用超級電容器提供快速功率緩沖,吸收或補充電能,提供有功功率支撐進行有功或無功補償,以穩定、平滑電網電壓的波動。
            對于風力發電、光伏發電等不可控的微電源,發電機輸出功率產生的波動會使電能質量下降。該類電源與儲能裝置的結合是解決諸如電壓跌落、涌流和瞬時供電中斷等動態電能質量問題的有效手段之一。
            4.優化微電源的運行
            綠色能源如太陽能、風能,其能量來源本身的特性,決定了這些發電方式往往具有不均勻性,電能輸出容易發生變化。隨著風力和太陽光強度的變化,這些能源產生的電能輸出也會發生相應的變化。這就需要使用一種緩沖器來存儲能量。由于這些能源產生的電能輸出可能無法滿足微電網峰值電能的需求,因此,可以采用儲能裝置在短時間內提供所需的峰值電能,直到發電量增大,需求量減少。
            適量的儲能可以在DG單元不能正常運行的情況下起過渡作用。如利用太陽能發電的夜間,風力發電在無風的情況下,或者其他類型的DG單元正處維修期間,這時系統中的儲能就能起過渡作用,其儲能的多少主要取決于負荷需求。
            另外,在能源產生的過程是穩定的而需求是不斷變化的情況下,也需要使用儲能裝置。燃料電池與風能或太陽能不同,只要有燃料,它就能夠持續輸出穩定的電能。然而,負荷需求隨著時間的變化有很大不同。如果沒有儲能裝置,燃料電池就要做得很大以滿足峰值能量需求,成本顯得過高。通過將過剩的能量存儲在儲能裝置中,就可以在短時間內通過儲能裝置提供所需的峰值能量。與燃料電池等高能量密度的物質相結合,超級電容器能提供快速的能量釋放,滿足高功率需求,從而使燃料電池可以僅作為能量源使用。將超級電容器的強大性能和燃料電池結合起來,可以得到尺寸更小、重量更輕、價格更低廉的燃料電池系統。
            5提高微電網的經濟效益
            儲能系統的應用,對微電網經濟效益的提供有重要意義:
            1)大幅增加可再生能源的發電比例,緩解投資新的輸電、配電線路、以及新建發電廠的壓力,降低系統成本;
            2)提供有效的備用容量,
            改善電力品質(比發電機有更快的啟動速度),改善系統的可靠度、穩定度;
            3)提供有效的負載管理機制,降低尖峰時的供電成本,進而降低電價,提供經濟效益;
            4)在電力市場中,
            儲能系統能夠大幅避免中斷能源交易,以及預測錯誤帶來的損失,進而提供穩定的電價;
            5)不可調度的DG發電單元如太陽能、風能等,受天氣等自然因素的影響比較大,DG單元擁有者不能制訂一定的發電規劃,但是有了能量儲存,就可以在特定的時間提供所需的電能,而不必考慮此時DG單元能夠發出多少電能,只需按照預先制定的發電規劃進行發電。在電力市場的環境下,微電網與電網并網運行,有了足夠的儲存電力,微電網成為可調度的單元,微電網擁有者可以根據不同情況向電力公司賣電,提供調峰和緊急功率支持等服務,獲取最大的經濟效益。
            結語
            超級電容器的出現,解決了能源系統中功率密度與能量密度之間的矛盾。隨著超級電容器技術的進一步發展,它將逐步取代當前需頻繁更換的蓄電池,且家用儲能系統也有可能得到實現。作為一種儲能巨大、充放電速度快、工作溫度范圍寬、工作可靠安全、無需維護保養、價格低廉的儲能系統,如能大量應用于微電網中,必將推動技術進步,取得更大的經濟效益。
           

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