試論超級電容儲能在風力發電低電壓穿越中的應用

駱昊

（福建省福能新能源有限責任公司，福建莆田　351100）

試論超級電容儲能在風力發電低電壓穿越中的應用

駱昊

（福建省福能新能源有限責任公司，福建莆田351100）

風力發電作為可再生清潔能源，越來越受到世界各國的重視，然而隨著并網的風力發電機組規模的擴大，由于風的隨機性和波動性造成電力系統故障引發風力發電低電壓穿越問題，容易導致大面積的風電機組脫網運行。而超級電容儲能系統作為最近才得到發展應用的儲能裝置，能夠很好的解決風力發電低電壓穿越過程中遇到的問題，對于提高電網的穩定性和安全性具有重要的意義。

超級電容儲能系統低電壓穿越風力發電控制方案

1　引言

隨著經濟的發展和科技的進步，以及新能源產業的快速發展，風力發電越來越受到重視，技術上也越來越成熟，但在實際的應用過程中也存在諸多的問題，如風具有間歇性與波動性，導致并網風電場發出的電能也具有波動性，對電力系統的安全性與穩定性造成了不利影響，并且風力發電相關技術標準也不夠完善，這就要求在風力發電過程中增加儲能裝置具有十分重要的作用。其中超級電容儲能系統在近年來得到了快速的發展，技術上得到了社會各界及專家學者的認可和廣泛關注，本文就結合超級電容儲能系統在風力發電低電壓穿越中的應用進行分析，以提高風力發電長的安全性和經濟性。

2　超級電容器儲能系統簡介

超級電容儲能系統是用超級電容器儲能，通過逆變器把儲存能量釋放出來。系統正常工作時，通過IGBT逆變器將直流側電壓轉換成與電網同頻率的交流電壓，其主電路主要包括三部分：整流單元、儲能單元和逆變單元。

超級電容器是近些年來出現的一種電化學元件，之所以成為“超級”是因為與常規電容器不同，其容量可達到法拉級甚至數千法拉。超級電容器內不存在介質，通過極化電解質來儲能，儲能過程中并不發生化學反應，能量以電化學能的形式儲存在電池內，其儲能系統可以在短時間內將能量迅速釋放出來，而且使用壽命長，效率高，并且儲能過程是可逆的。超級電容器電容量大小取決于電極間距離和電極表面積，為了獲得較大的電容量，超級電容器盡可能的縮小電極間距離、增加電極表面積，為此超級電容器采用了雙電層原理和活性炭多孔化電極。

超級電容器優點很多，如電容容量大、具有很高的能量密度，具有電壓記憶功能，電壓保持時間長。充放電性能好，且無需限流和充放電控制回路，可快速充電。儲存和使用壽命長，維修費用很小。使用溫度范圍廣，比蓄電池安全。

3　風力發電低電壓穿越中存在的問題

（1）在電網出現電壓跌落時，雙饋風機輸出端電壓迅速減小，而其內部所產生的電能卻不能全部及時輸出，會造成風機變流器直流母線電壓急劇上升，因此多余的電能只能由風電機組組自身內部消耗；此外，這也將引起系統內電流發生較大范圍的波動。電壓跌落導致電磁轉矩出現大幅度震蕩，同時也會造成風機傳動鏈巨大的扭切力沖擊，對設備使用壽命產生較大影響。因此，在研究風力發電系統發電機低電壓穿越問題時，在電壓跌落時以及故障消除后，需要對發電機電磁變量和機械變量進行定性定量的分析；其次，對在變流器系統采用Crow bar電路的風電機組來說，撬棒電路的參數設計與投入切出時機不好確定。

（2）電網電壓瞬間跌落會導致風機控制系統電壓急劇跌落，偏航系統、變槳系統、及其他輔助控制設備都會因為失去電源而停止工作，主控系統檢測到以上故障后會報故障停機導致低穿失敗。目前現有的解決方案是將傳統的UPS柜用于控制回路的支撐，典型的低穿UPS額定功率為40KVA，在電網電壓跌落時投入UPS維持主控系統相關設備工作。但目前存在的問題是現有UPS柜儲能使用鉛酸電池，鉛酸電池放電曲線決定了其放電時間必須小于2C，完全放電不能小于半小時（1800秒）否則會導致電池損壞，而實際在每次低穿過程中，根據國標要求，只需要對系統進行2S的支撐即可。也就是說UPS設計容量超過了需要量的至少900倍，造成了巨大的浪費。另外，風機UPS柜放置于風機塔基，塔基在風機運行時溫度可達50℃，在這種高溫環境下鉛酸電池壽命非常短，通常2年就要對鉛酸電池進行一輪徹底更換，造成了極大的維護工作量和備件成本。

4　超級電容器儲能系統在風電低電壓穿越中的控制方案

由上述風機在低電壓穿越中存在的問題以及對風力發電系統的要求可知，在低電壓穿越時如果需要迅速解決此問題，就要求變流器儲能裝置必須具有瞬時充電功率大的特點，而對于控制回路也應具備快速大電流放電、免維護等特點，所以結合超級電容儲能系統來解決風機在低電壓穿越中存在的問題將是很好的解決方案。

當風力發電電網發生故障并網點電壓跌落時，風機的并網功率將減小，但是由于慣性作用，風輪機不會立刻靜止，其發出的機械功率維持不變，因此風機發電機功率不變，但是其輸出功率減少，則多余的能量只能灌入雙向直流變流器，造成直流母線電壓突升，這些多余的能量如不能很好地利用和處理，將會對電力電子器件造成不可逆的損壞。

超級電容器儲能系統通過雙向直流變換器連接在直流母線側，其有三種工作狀態：（1）低電壓穿越故障時，超級電容器儲能系統吸收低電壓穿越時的能量，為儲能狀態；（2）低電壓穿越過程結束后，超級電容器儲能系統為下次低電壓穿越做準備，進行放電，為放電狀態；（3）電網正常運行時，檢測待機狀態。

對于控制回路，使用超級電容替代鉛酸電池儲能，利用其快速大電流放電的特點，所需存儲的電量只需鉛酸電池的約1/900即可，可以大幅縮減UPS重量、體積和成本。加上超級電容耐高溫和免維護的特點，可以保證UPS柜在風機設備整個壽命周期內不需要維護。

5　結語

目前超級電容儲能系統在電動汽車、公交車、地鐵、軌道列車以及新能源發電等行業迅速發展，本文主要針對風力發電行業作為研究對象，對超級電容儲能系統以及低電壓穿越中存在的問題進行了分析，提出了利用超級電容儲能系統解決雙饋電機低電壓穿越過程中問題的控制方案。

［1］施嘯寒，王少榮，左文平.超導磁儲能系統用多相斬波器矢量切換控制方法［J］.中國電機工程學報，2013（30）.

［2］張坤，黎春湦，毛承雄，陸繼明，王丹，曾杰，陳迅.基于超級電容器蓄電池復合儲能的直驅風力發電系統的功率控制策略（英文）［J］.中國電機工程學報，2012（25）.