統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置儲能系統(tǒng)最優(yōu)化設(shè)計

1、統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置儲能系統(tǒng)最優(yōu)化設(shè)計張華贏1，朱正國1，胡子珩1，姚森敬1，黃志偉1，史帥彬1 韓蓄2，鄧珂琳2，曹軍威2 1.深圳供電局有限公司，深圳518000 2. 清華大學(xué)信息技術(shù)研究院，清華信息科學(xué)與技術(shù)國家實驗室，北京100084 基金資助項目：國家973 基礎(chǔ)研究計劃 (2013cb228206) ；國家自然科學(xué)基金(61233016)；中國南方電網(wǎng)公司科技項目（k-sz2012-026 ）項目。摘要研究目的： 在統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置儲能系統(tǒng)研發(fā)過程中，有效地匹配超級電容與蓄電池的組合方式及充放電控制策略，建立一種既能滿足大容量長時間的補償需求，又能夠應(yīng)對高頻率及高跌落深度的電

2、壓暫降事件， 同時將成本壓縮到最低，對環(huán)境污染也盡可能最小的儲能系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化模型。研究方法： 以特定的電壓暫降數(shù)據(jù)為依據(jù)，綜合儲能系統(tǒng)的蓄能元件超級電容和蓄電池的容量、補償時間、耐壓等級、使用壽命和穩(wěn)定性等各項設(shè)計及評價指標(biāo)，利用數(shù)值分析的形式，計算出各指標(biāo)內(nèi)部及外部獨立的相互關(guān)系，建立一套衡量儲能系統(tǒng)優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)的評價體系，并結(jié)合充放電策略定義全局的儲能系統(tǒng)模型。研究結(jié)果： 通過對儲能系統(tǒng)的各項評價指標(biāo)及充放電策略進行數(shù)值分析，建立的優(yōu)化模型包含了儲能系統(tǒng)的整套評價及優(yōu)化流程，并利用標(biāo)幺的方式定義了儲能系統(tǒng)的優(yōu)化程度。結(jié)論： 利用此優(yōu)化模型設(shè)計的儲能系統(tǒng)在統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置的仿真中進行電壓補償

3、仿真，完全符合高頻率及高跌落深度的補償要求，并且利用模型的優(yōu)化算法有效地控制了儲能系統(tǒng)的整體使用壽命及成本等比較關(guān)鍵的性能指標(biāo)，對統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置的研制有著指導(dǎo)借鑒作用。關(guān)鍵詞統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)；電壓暫降；無功補償；儲能系統(tǒng)；超級電容；蓄電池；optimal design of energy storage for unified power quality conditioners zhang huaying1, zhu zhengguo1, hu ziheng1, yao senjing1, huang zhiwei1, shi shuaibin1 hanxu2, deng kelin2

4、, cao junwei21. shenzhen power supply co. ltd., shenzhen 518000, china 2. research institute of information technology, tsinghua national laboratory for information science and technology, tsinghua university, beijing 100084,china this work was supported by grants from the national 973 basic researc

5、h program (2013cb228206), national natural science foundation of china (61233016) and china southern power grid (k-sz2012-026). corresponding author: cao junwei tel:+86(10)62772260 e-mail: abstract objective: this work aims to develop an optimal model of energy storage for a unified power quality co

6、nditioner (upqc) that not only has a large compensation capacity, but also can deal with the high frequency and deep voltage sags without a significant cost, by effectively assembling edlc sand batteries with a new charging control algorithm. methods: all the attributes and external relations of per

7、formance criteria of energy storage are identified by using a large amount of data on voltage sags. the criteria are most relevant in six key evaluation parameters: capacity, compensation time, pressure rating, life cycle and stability. in this work, a numerical analysis method is proposed to establ

8、ish a comprehensive optimization system and a new control algorithm is developed for simulation of energy storage performance. results: optimal levels of energy storage are defined by per-unit values, and the performance based on compensating voltage sags is also verified via simulation experiments.

9、conclusion: it has been demonstrated that high frequency and deep voltage sages are effectively compensated ，and attributes of this optimization model such as life cycles and costs of the whole system are also controlled. the optimization design has proven to be a viable, promising and instructional

10、 method for developing energy storage in upqc. keyword unified power quality conditioner; voltage sag; reactive power compensation; energy storage; edlc; battery 0引言隨著信息化社會的發(fā)展，電力電子儀器、計算機等設(shè)備在眾多領(lǐng)域內(nèi)取得了廣泛的應(yīng)用，尤其是在工廠生產(chǎn)線，精密加工等制造現(xiàn)場，由落雷，風(fēng)雪引起的停電、電壓跌落會使其造成巨大的經(jīng)濟損失，因此高品質(zhì)的電能質(zhì)量成為了近年來企業(yè)生產(chǎn)的重要指標(biāo)，而作為保證電能質(zhì)量的有效措施，電能質(zhì)量治理

11、裝置中的儲能單元利用鉛蓄電池作為無間斷電源（ups）的方法仍然處于主流地位。另一方面， 近年來隨著全球范圍內(nèi)環(huán)境污染問題的深刻加劇，環(huán)境保護的概念也逐漸受到社會越來越高的關(guān)注，尤其是我國這樣環(huán)境污染較為嚴(yán)峻的國家則更為突出。在我國南方沿海地帶，經(jīng)濟發(fā)展較快，如深圳地處珠江三角，毗鄰香港特區(qū)，作為全國第四個負(fù)荷過千萬的城市，全市的用電量甚至可與一個普通省份用電量相比較，在這 2020平方公里的土地上承載了1315 萬千瓦的負(fù)荷，而這其中大部分為各類微電子、半導(dǎo)體、生物醫(yī)藥、精密制造等高新技術(shù)類企業(yè)，以及醫(yī)院、金融業(yè)、通信行業(yè)、大型數(shù)據(jù)中心等敏感類用電企業(yè)，因此近年來對電網(wǎng)的供電電能質(zhì)量提出了更高

12、的要求。如何滿足這類高端用戶對于高品質(zhì)供電的應(yīng)用需求， 已成為深圳電網(wǎng)亟待解決的難題。在這種情況下，統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置作為電能質(zhì)量治理的有效設(shè)備之一，成為了深圳電能質(zhì)量綜合治理工作的重點，而作為統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置的核心部件儲能系統(tǒng)， 如果能夠?qū)⒕哂写笕萘康某夒娙萜髯鳛樾铍姵氐饶茉丛O(shè)備的替代儲能，就能為電壓暫降和短時間停電提供更加優(yōu)化的解決方案。 在以往的設(shè)計研發(fā)中，雖然超級電容自身的物理屬性決定了它的充放電速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)的高于蓄電池，即使組合了超級電容與蓄電池，從整體的使用壽命考慮，也會采取單獨控制超級電容與蓄電池的充放電策略， 避免高頻的電壓暫降補償使蓄電池同超級電容一起不斷的充放電。因此

13、，單純通過比較單用超級電容或蓄電池，以及超級電容與蓄電池組合儲能三種方案的充放電效率進而決定最優(yōu)方案的實際意義并不是很大。同時，部分儲能系統(tǒng)采用蓄電池的目的在于成本低廉地提高耐壓等級和補償容量，并可避免串聯(lián)大量超級電容所造成的成本標(biāo)高。因此，在深圳電能質(zhì)量綜合治理中，通過利用統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，如何有效的組合超級電容與蓄電池，建立一種既能滿足大容量長時間的補償需求，又能夠應(yīng)對深圳近年高頻率的電壓暫降事件，同時又能將開發(fā)及治理成本壓縮到最低，對環(huán)境污染也盡可能最小的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置儲能單元優(yōu)化模型變得很有必要。1儲能系統(tǒng)性能1.1超級電容與蓄電池的性能比較超級電容的使用壽命長，同蓄電池相比

14、較，理論上的使用壽命可達(dá)10 萬回以上，而普通的鉛酸蓄電池，鎳鎘電池， 鋰離子電池等只有300800 回左右的使用壽命；無需維護，相對鉛蓄電池平均58 年就要更換一次的維護特點， 超級電容器的充放電過程不含化學(xué)反應(yīng)，基本不存在特性劣化的問題，所以一般15 年內(nèi)不需要維護；環(huán)保，不含鉛、鎘等重金屬，對環(huán)境的污染性較小，廢棄時不需要回收處理。使用溫度范圍廣，低溫下（ -10）不容易劣化，使用溫度范圍可達(dá) -2585，同比之下蓄電池的抗低溫能力較弱；充放電效率高，由于內(nèi)部電阻非常小，發(fā)熱非常少，相比鉛蓄電池可大電流放電，尤其是短時間內(nèi)的充放電非常有利。一般充放電時間數(shù)秒，而蓄電池則需要數(shù)小時才能充滿

15、； 無記憶效應(yīng)，不存在因電池放電深度不同， 充放電不完全而導(dǎo)致蓄電池暫時性的容量減小和使用時間縮短等問題。超級電容器與現(xiàn)階段一些比較主流的蓄電池性能比較參數(shù)詳見下表4：表 1 超級電容器與蓄電池的性能比較table 1 performance of edlc and storage battery 種類項目雙電層電容鉛酸蓄電池鎳鎘蓄電池鋰離子電池工作電壓03v 2.0v 1.2v 3.6v 使用壽命10 萬回以上500 800 回300 回以上300 1000 回溫度范圍-25 850 500 45-20 50能量密度13 wh/kg 75 wh/kg 90 wh/gh 300 wh/kg 功

16、率密度5000 w/kg 40 wh/kg 80 wh/kg 120 wh/kg 充電時間數(shù)秒數(shù)小時數(shù)小時數(shù)小時公害性少含鉛含鉻少成本高低中高耐放電強弱由表 1 可見，超級電容具有極高的使用壽命、功率密度以及非常短的充電時間，是極為理想的儲能系統(tǒng)替代能源。然而，超級電容的耐壓等級極低，需要通過大量串聯(lián)分壓的形式提高整體的耐壓性能，導(dǎo)致成本過高而經(jīng)濟性很差。同時， 單一利用傳統(tǒng)的鉛酸電池， 雖然價格低廉， 但重金屬的利用勢必會造成不可避免的環(huán)境污染，且后期的維護成本較高，容易造成二次浪費。因此，通過組合超級電容和蓄電池，作為儲能系統(tǒng)的蓄能單元成為了最為理想的解決方案。1.2儲能系統(tǒng)的評價指標(biāo)在組

17、合超級電容和蓄電池的儲能系統(tǒng)中，衡量儲能系統(tǒng)的優(yōu)化程度的指標(biāo)有如下：1，儲能系統(tǒng)的總?cè)萘縫e，根據(jù)實際的電壓暫降事件， 通過充放點控制策略的最優(yōu)化可決定超級電容和蓄電池的各自補償容量；2，整體的耐壓等級ul；3，開發(fā)成本要求gtc：選用不同廠商不同容量的超級電容和蓄電池，成本也會隨之浮動，本論文中超級電容和蓄電池的成本取市場平均值作為參考。如果對超級電容的容量要求比較大，那么單體的價格會隨之變高，同時耐電壓等級不變，因此串聯(lián)的個數(shù)不會發(fā)生變化，如為了擴大容量，可增加蓄電池的匹配數(shù)量；4，儲能系統(tǒng)的綜合使用壽命le：以超級電容的理論使用壽命為基值， 由充放電控制策略所延長的蓄電池使用壽命來判斷；

18、5，儲能系統(tǒng)的體積 s和質(zhì)量 w；6，穩(wěn)定性 , 對后續(xù)開發(fā)高穩(wěn)定性的系統(tǒng)設(shè)備起到借鑒性作用，其中穩(wěn)定性指標(biāo)涉獵的范圍比較廣5。在儲能系統(tǒng)方面，主要從廠商提供的產(chǎn)品質(zhì)量來定義，本文中所涉及的穩(wěn)定性指標(biāo)為了避開模型建造過程中過于復(fù)雜的不確定因素，均以預(yù)設(shè)的常數(shù)值 f出現(xiàn)。2優(yōu)化模型儲能系統(tǒng)的優(yōu)化控制流程請參考圖1，實際運算過程中，可由實際需要的預(yù)置補償容量 pe，儲能系統(tǒng)的成本控制參數(shù)gtc，以及耐壓等級 ul計算出單獨使用超級電容作為儲能單元時， 超級電容實際的串并聯(lián)個數(shù)n1, a1；此時根據(jù)超級電容補償方案中的電容器的具體規(guī)格，如單體靜電容量ce、價格 ge和額定電壓 ue等參數(shù)， 綜合蓄電

19、池的容量ps，耐壓等級 us計算得到超級電容與蓄電池的混合系數(shù) n1, a1, b1；再由超級電容，蓄電池的單體尺寸 v1，v2，質(zhì)量 m1， m2，計算得到裝置的總體尺寸及重量評價指標(biāo)s和w；同時，利用超級電容與蓄電池的使用壽命l1，l2，計算得到儲能系統(tǒng)的綜合使用壽命le，并不斷通過校正其中蓄電池每充放電一次與超級電容充放電次數(shù)總和的比值n2，形成負(fù)反饋，進而最終得到儲能系統(tǒng)各評價指標(biāo)矩陣的優(yōu)化解。pe: 儲能系統(tǒng)預(yù)置補償容量；ul: 耐電壓等級；gtc: 成本控制指標(biāo)；v: 儲能單元總體積；w: 儲能單元總重量；le: 綜合使用壽命； : 各項指標(biāo)的相關(guān)性矩陣。這里 作為儲能系統(tǒng)優(yōu)化程度

20、各項指標(biāo)之間的相關(guān)程度， 并不在本論文中深入討論，各項指標(biāo)的變量關(guān)系如下: 代入矩陣 中，則有 : 由此可解得儲能系統(tǒng)的混合因子表達(dá)式，即矩陣 r =( n1 a1 b1)t的解為：其中，系數(shù)矩陣s=(a b c )t為：以上儲能系統(tǒng)的補償容量均為理論值，實際線路中的負(fù)載功率因數(shù)cos ，超級電容及蓄電池放電效率 k及逆變器的效率 均已忽略。將上述求得的評價指標(biāo)矩陣，利用雷達(dá)圖對分別由 pe，ul， gtc，v，le，s，w等6個坐標(biāo)軸圍成的區(qū)域，根據(jù)兩兩坐標(biāo)軸所代表的變量之間的相關(guān)性，進行排列組合式的面積求解，并根據(jù)排列組合數(shù)的平均面積值，確定各變量的優(yōu)化解，如圖2所示。3仿真實驗3.1實驗

21、設(shè)計為了驗證補償線路中，以深圳電能質(zhì)量問題為依據(jù)， 電壓暫降發(fā)生時超級電容及蓄電池混合儲能系統(tǒng)在控制策略層面提高蓄電 池 使 用 壽 命 的 效 果 ， 本 文 使 用matlab/simulink模擬混合儲能系統(tǒng)對電壓暫降的補償過程( 圖 3) ，并利用上一節(jié)計算得到儲能系統(tǒng)模型優(yōu)化后的超級電容及蓄電池的組合參數(shù)，包含三相電壓暫降發(fā)生模塊、電壓暫降檢測模塊、電壓暫降補償模塊、混合儲能模塊和負(fù)載等仿真模塊6 7 8 9對深圳電能質(zhì)量問題的最惡劣情況，如10s內(nèi)發(fā)生的 10 次電壓暫降 ( 表 2) 進行了補償驗證仿真實驗。表 2 電壓暫降數(shù)據(jù)table 2data of voltage sag

22、s 起始時間 s時長s暫降跌落幅值 p.u.1 1.0 0.2 0.393 2 3.0 1.0 0.447 3 4.5 0.3 0.186 4 5.4 0.5 0.164 5 6.3 0.2 0.207 6 7.0 0.6 0.383 7 8.0 0.2 0.347 8 8.5 0.3 0.363 9 9.0 0.4 0.595 10 9.5 0.2 0.611 圖 4 繪制了相電壓有效值曲線。電壓暫降補償分兩個階段， 由儲能系統(tǒng)優(yōu)化模型計算得到的超級電容與蓄電池混合使用比n1, a1, b1決定了超級電容儲能單元的容量pedlc和蓄電池儲能單元的容量ps，t1時間段內(nèi)由超級電容補償線路電壓暫降，超級電容放電到額定電壓pl的 40%后停止放電；在t2時間段，由蓄電池補償電壓暫降，如圖中灰色區(qū)域d所示：只有在線路電壓處于穩(wěn)態(tài)時允許超級電容充電；線路處于電壓暫態(tài)不穩(wěn)定時，超級電容自動停止充電。3.2實驗結(jié)果由仿真結(jié)果可以看出，利用儲能優(yōu)化模型組合的超級電容與蓄電池混合儲能系統(tǒng)在控制策略合理的情況下，不僅可以良好地補償線路電壓暫降，而且超級電容的使用有效地減少了蓄電池的放電次數(shù)，延長了儲能系統(tǒng)的整體使用壽命，其中蓄電池每充放電一次與超級電容充放電次數(shù)總和的比值n2決