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试论超级电容储能在风力发电低电压穿越中的应用

作者：骆昊

来源：《中国科技纵横》2016年第18期

【摘要】风力发电作为可再生清洁能源，越来越受到世界各国的重视，然而随着并网的风力发电机组规模的扩大，由于风的随机性和波动性造成电力系统故障引发风力发电低电压穿越问题，容易导致大面积的风电机组脱网运行。而超级电容储能系统作为最近才得到发展应用的储能装置，能够很好的解决风力发电低电压穿越过程中遇到的问题，对于提高电网的稳定性和安全性具有重要的意义。

【关键词】超级电容储能系统 低电压穿越 风力发电 控制方案 1引言

随着经济的发展和科技的进步，以及新能源产业的快速发展，风力发电越来越受到重视，技术上也越来越成熟，但在实际的应用过程中也存在诸多的问题，如风具有间歇性与波动性，导致并网风电场发出的电能也具有波动性，对电力系统的安全性与稳定性造成了不利影响，并且风力发电相关技术标准也不够完善，这就要求在风力发电过程中增加储能装置具有十分重要的作用。其中超级电容储能系统在近年来得到了快速的发展，技术上得到了社会各界及专家学者的认可和广泛关注，本文就结合超级电容储能系统在风力发电低电压穿越中的应用进行分析，以提高风力发电长的安全性和经济性。 2超级电容器储能系统简介

超级电容储能系统是用超级电容器储能，通过逆变器把储存能量释放出来。系统正常工作时，通过IGBT逆变器将直流侧电压转换成与电网同频率的交流电压，其主电路主要包括三部分：整流单元、储能单元和逆变单元。

超级电容器是近些年来出现的一种电化学元件，之所以成为“超级”是因为与常规电容器不同，其容量可达到法拉级甚至数千法拉。超级电容器内不存在介质，通过极化电解质来储能，储能过程中并不发生化学反应，能量以电化学能的形式储存在电池内，其储能系统可以在短时间内将能量迅速释放出来，而且使用寿命长，效率高，并且储能过程是可逆的。超级电容器电容量大小取决于电极间距离和电极表面积，为了获得较大的电容量，超级电容器尽可能的缩小电极间距离、增加电极表面积，为此超级电容器采用了双电层原理和活性炭多孔化电极。

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超级电容器优点很多，如电容容量大、具有很高的能量密度，具有电压记忆功能，电压保持时间长。充放电性能好，且无需限流和充放电控制回路，可快速充电。储存和使用寿命长，维修费用很小。使用温度范围广，比蓄电池安全。 3 风力发电低电压穿越中存在的问题

（1）在电网出现电压跌落时，双馈风机输出端电压迅速减小，而其内部所产生的电能却不能全部及时输出，会造成风机变流器直流母线电压急剧上升，因此多余的电能只能由风电机组组自身内部消耗；此外，这也将引起系统内电流发生较大范围的波动。电压跌落导致电磁转矩出现大幅度震荡，同时也会造成风机传动链巨大的扭切力冲击，对设备使用寿命产生较大影响。因此，在研究风力发电系统发电机低电压穿越问题时，在电压跌落时以及故障消除后，需要对发电机电磁变量和机械变量进行定性定量的分析；其次，对在变流器系统采用Crowbar 电路的风电机组来说，撬棒电路的参数设计与投入切出时机不好确定。

（2）电网电压瞬间跌落会导致风机控制系统电压急剧跌落，偏航系统、变桨系统、及其他辅助控制设备都会因为失去电源而停止工作，主控系统检测到以上故障后会报故障停机导致低穿失败。目前现有的解决方案是将传统的UPS柜用于控制回路的支撑，典型的低穿UPS额定功率为40KVA，在电网电压跌落时投入UPS维持主控系统相关设备工作。但目前存在的问题是现有UPS柜储能使用铅酸电池，铅酸电池放电曲线决定了其放电时间必须小于2C，完全放电不能小于半小时（1800秒）否则会导致电池损坏，而实际在每次低穿过程中，根据国标要求，只需要对系统进行2S的支撑即可。也就是说UPS设计容量超过了需要量的至少900倍，造成了巨大的浪费。另外，风机UPS柜放置于风机塔基，塔基在风机运行时温度可达50℃，在这种高温环境下铅酸电池寿命非常短，通常2年就要对铅酸电池进行一轮彻底更换，造成了极大的维护工作量和备件成本。

4超级电容器储能系统在风电低电压穿越中的控制方案

由上述风机在低电压穿越中存在的问题以及对风力发电系统的要求可知，在低电压穿越时如果需要迅速解决此问题，就要求变流器储能装置必须具有瞬时充电功率大的特点，而对于控制回路也应具备快速大电流放电、免维护等特点，所以结合超级电容储能系统来解决风机在低电压穿越中存在的问题将是很好的解决方案。

当风力发电电网发生故障并网点电压跌落时，风机的并网功率将减小，但是由于惯性作用，风轮机不会立刻静止，其发出的机械功率维持不变，因此风机发电机功率不变，但是其输出功率减少，则多余的能量只能灌入双向直流变流器，造成直流母线电压突升，这些多余的能量如不能很好地利用和处理，将会对电力电子器件造成不可逆的损坏。

超级电容器储能系统通过双向直流变换器连接在直流母线侧，其有三种工作状态：（1）低电压穿越故障时，超级电容器储能系统吸收低电压穿越时的能量，为储能状态；（2）低电

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压穿越过程结束后，超级电容器储能系统为下次低电压穿越做准备，进行放电，为放电状态；（3）电网正常运行时，检测待机状态。

对于控制回路，使用超级电容替代铅酸电池储能，利用其快速大电流放电的特点，所需存储的电量只需铅酸电池的约1/900即可，可以大幅缩减UPS重量、体积和成本。加上超级电容耐高温和免维护的特点，可以保证UPS柜在风机设备整个寿命周期内不需要维护。 5 结语

目前超级电容储能系统在电动汽车、公交车、地铁、轨道列车以及新能源发电等行业迅速发展，本文主要针对风力发电行业作为研究对象，对超级电容储能系统以及低电压穿越中存在的问题进行了分析，提出了利用超级电容储能系统解决双馈电机低电压穿越过程中问题的控制方案。 参考文献：

[1] 施啸寒，王少荣，左文平.超导磁储能系统用多相斩波器矢量切换控制方法[J].中国电机工程学报，2013（30）.

[2] 张坤，黎春湦，毛承雄，陆继明，王丹，曾杰，陈迅.基于超级电容器蓄电池复合储能的直驱风力发电系统的功率控制策略（英文）[J].中国电机工程学报，2012（25）.