超級電容技術支持下電力儲能功率調節系統仿真

宋志峰，段衛鋒，馬 磊

（1濮陽職業技術學院，2中國石化中原油田分公司天然氣處理廠，3濮陽市公安局信息技術科，河南 濮陽 457000）

電力儲能系統是將電能轉化為其他形式能量并存儲起來的單元式硬件模塊體系，能夠有效提高電力系統中的供電質量與用電效率。不同于常規的化學類電源，超級電容儲能過程中不涉及化學反應，且能量存儲行為具有可逆特性，所以該類型電池元件可以反復充放電數十萬次[1]。此外，在超級電容技術支持下，電力系統雙電層的間距相對較小，即便在低電壓直流或是低頻場強中也可以作為儲能元件。

1 電力儲能功率調節系統的硬件單元仿真設計

1.1 電力部分的主電路

主電路提供電力儲能功率調節系統所需的電量信號，可以同時調度有源濾波器與并網逆變器，從而在調節相電壓與相電流的同時，完成對儲能功率的穩定性調節。但是完成儲能功率調節所需的相電壓、相電流水平相對較高，而電力儲能終端所負荷的電力水平較低，因此在設計主電路時，需利用雙向逆變結構，完成對傳輸電壓與傳輸電流的轉換處理[2]。雙向逆變結構作為主電路部分的核心部件組織，連接在雙相電網與電力儲能終端之間，當儲能終端進行電力轉換時，雙向逆變結構改變雙相電網所輸出電力信號的負載形式，對其相電壓、相電流水平進行分別調節，當其電平狀態達到電力終端儲能需求后，所存儲電力信號才會經由導線，進入下級終端體系。完整的電力部分主電路連接情況如圖1所示。

圖1 電力部分的主電路連接示意圖Fig.1 Schematic diagram of the main circuitconnection of the power part

電力儲能功率調節系統運行過程中，相電壓、相電流的傳輸方向始終由雙相電網端指向電力儲能終端，所以單位儲能周期內，主電路逆變器結構的連接方向不會發生變化。

1.2 儲能部分的有源濾波器

電力儲能功率調節系統儲能部分的有源濾波器主要用來抑制動態電壓與電流諧波，從而避免相電壓、相電流出現明顯波動狀態，可以在補償儲能網絡無功功率的同時，避免電力信號負荷頻率出現變化，達到維穩儲能功率的目的。相較于無源型的濾波器組件，有源濾波器在儲能過程中能夠對電力諧波進行均分處理，并能夠產生與已存儲諧波分量大小相等、方向相反的補償電壓與補償電流，以用來代替原相電壓與相電流，從而使得電力網絡中處于傳輸狀態的只有基波分量，達到消除電力諧波的目的[3]。雖然，有源濾波器在儲能過程中會消耗一定的電力信號，但由于補償處理是一種動態化行為模式，所以被消耗的電量會被主電路后續輸出的電力信號所填補，并不會造成儲能量缺失的問題。對于儲能部分有源濾波器結構的設計如圖2所示。

圖2 有源濾波器結構模型Fig.2 Structure model of active filter

儲能功率調節系統運行過程中，四個有源電力部件(圖2 中的S1、S2、S3、S4)同時進入穩定負荷狀態，且每一個部件結構均可以對電力信號進行獨立負荷，所以即便是在主電路同時輸入大量相電壓、相電流的情況下，有源濾波器也不會表現出過量儲能行為。

2 基于超級電容技術的電力系統儲能功率調節方案

2.1 超級電容模型

RC 模型是最具代表性的超級電容模型，其中RES代表等效串聯電阻、C代表理想電容元件，如圖3所示。

圖3 超級電容RC模型Fig.3 Supercapacitor RC model

電力儲能功率調節系統根據RES 等效電阻的運行情況，可以確定超級電容器的發熱損耗特性，當電力儲能系統的超級電容器進行充放電時，串聯等效電阻兩端產生電壓降；當電力儲能系統超級電容器突然進行恒流放電時，利用電壓降除以實時電流，就可以確定RES 的具體數值[4]。由此可以看出，RC 單元所應用等效串聯電阻的數值越大，超級電容實際所能存儲的能量就越少，電力儲能系統的實時功率就越小。

設電力儲能系統的電解質離子為ψ，元電荷帶電量為C，RES 電阻的介電常數為x，電壓降為ξ，充放電向量為，開爾文溫度為ω，開爾文溫度下的儲能功率為vω，聯立上述物理量，可將超級電容模型表達式定義為：

由于電力儲能系統的運行相對較為復雜，所以在針對儲能功率進行調節時，有可能應用不止一個超級電容模型。

2.2 串聯超級電容的電力脈沖功率控制

針對串聯超級電容的電力脈沖功率控制是一個連續控制行為，首先確定超級電容器在串聯電路中的電力表現，然后根據超級電容器電力表現進行求導處理，最后確定電力儲能系統的輸出功率水平。

超級電容器電力表現計算見式(2)：

式中，m1、m2…mn分別表示不同串聯回路中的電容負載值，Amax表示超級電容器負載電平的最大值，A1、A2…An分別表示不同串聯回路中的負載電平。

超級電容器電力表現求導見式(3)：

式中,σ表示電感參數。

電力儲能系統輸出功率計算見式(4)：

式中，Imax表示電力儲能系統傳輸電流的最大取值，表示超級電容器輸出電流的平均值。

聯立公式(1)～(4)，可將串聯超級電容的電力脈沖功率控制表達式定義為：

式中，P?表示電力儲能的實時脈沖功率，ΔQ表示儲能電力信號的單位脈沖強度。超級電容技術對于電力脈沖功率的控制作用沒有局限性，所以任何電力傳輸信號都能得到系統主機的調節處理。

3 結 論

在上述研究中，利用超級電容技術，對電力儲能功率調節系統進行了仿真實驗。通過深入的研究與模擬系統，驗證了該系統在維持儲能功率穩定性方面的有效性與可行性。這一新型技術手段的應用，為電力資源的高效利用提供了有力支持。未來，相關科研單位可以在此系統的基礎上，探索超級電容技術的其他應用方向，力求在節約電力資源的同時，完成對儲能信號的合理利用，從而避免電能浪費現象的出現。