超级电容器储能控制系统的研究【毕业论文】.doc

毕业设计（论文）-超级电容器储能控制系统的研究【毕业论文】 超级电容器储能控制系统的研究摘 要随着国民经济的发展和科技的进步，人民生活水平的不断提高，无论是工业、农业，还是商业，以及人民的日常生活都对电能质量提出了越来越高的要求。于是，各种各样的电网补偿元件出现在实际生产中。由于具有良好的性能，储能元件越来越受到人们的关注。本文中对超级电容器的储能控制技术系统了研究。超级电容器是一种新型的储能元件，具有储电能力强，功率密度高的优点，可以快速充放电，而且寿命长，充电反复次数高，是高效实用的储能元件。文中首先对超级电容器出现的背景进行了说明，并且介绍了超级电容器的结构和原理，并对简单的储能控制技术进行研究。然后，本文在上文理论基础上建立了简单的超级电容器储能控制系统，研究设计了其中各个模块的构成和作用。最后，利用MATLAB对该系统的作用进行仿真，得出结论。结果表明：超级电容器储能控制系统能够很好的提高和改善电网电能质量。关键词：电能质量； 超级电容器； 储能控制系统； 仿真目 录1 绪论1.1 问题的提出1.2 电压质量及其重要性 电压干扰的方面 电压质量问题的重要性1.3 引起电压干扰的原因与解决办法 引起电压干扰的原因 解决电压质量波动的措施1.4 储能设备的发展现状1.5 本章小结2 超级电容器简介2.1 超级电容器的产生背景2.2 超级电容器的原理及分类2.3 超级电容器的特点2.4 超级电容器的应用2.5 本章小结3 超级电容器储能系统结构及控制技术3.1 超级电容器的等效电路模型3.2 超级电容器储能系统基本理论3.3 超级电容器储能控制系统主电路3.4 整流单元的选择3.5 逆变器的选择与控制 逆变器的选择 逆变器的控制方法3.6 DSP控制系统3.7 abc-dq0坐标变换3.8 本章小结4 SPWM控制技术4.1 PWM控制技术4.2 SPWM调制方法4.3 采样型SPWM法 自然采样法 规则采样法4.4 SPWM波形的实现 模拟调制方法 SPWM 芯片控制4.5 本章小结5 超级电容控制系统的设计5.1 超级电容器控制系统的主电路构成5.2 功率主电路的设计5.3 DSP控制电路和抗干扰设计 DSP控制电路的设计理论 TMS320C5410芯片的基本介绍 DSP控制电路设计路设计 DSP控制系统的抗干扰设计5.4 PI控制器设计 PI控制器原理 PI调节器的参数整定5.5 本章小结6 超级电容器控制系统仿真6.1 仿真模型的建立 滤波器的设计 PI控制器设计6.2 仿真数据6.3 结果分析6.4 本章小结7 结论1 绪论1.1 问题的提出随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，社会和人民生活对电力需求越来越大，这极大地促进了电力事业的发展，使电网不断扩大，与此同时，用户对供电质量和供电可靠性的要求越来越高，甚至连电源的瞬时中断也不能接受，任何微小的电力问题都会对社会造成无法估计的损失。与此同时，信息产业和新技术产业的飞速发展以及传统行业采用计算机管理及新的控制技术的应用，使得电网中对电能质量敏感的负荷所占比重越来越大，这就意味着信息社会不仅依赖于电力供应，而且更需要新的特殊性的电力供应。电能作为商品，电能质量自然就成为其重要的特征参数，成为电力市场中的一个重要元素。IEEE给出电能质量问题的一般解释为：在供电过程中导致电气设备出现误操作或故障损坏的任何异常现象。电能质量包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量，涉及到电压、频率、波形和三相平衡等方面的用电可靠性、连续性、可操作性等方面。 针对电能质量问题，各国都在开展改善电能质量这方面的研究。美国电力科学研orani博士于1988年率先提出了“用户电力”（Custom Power）的概念，在配电网中，利用“用户电力”技术将配电系统改造成无瞬间停电、无电压闪变、无不对称现象和无谐波的实时控制的柔性化配电网，即利用各种电力电子控制器来提高配电网供电可靠性及电能质量。为了这一目标，美国西屋电气公司、德国西门子公司、日本三菱电气公司、瑞典ABB公司等各大电力设备制造厂都制造出相应的产品。在美国、欧洲以及东南亚的新加坡，已经有多种类型的装置投入了实际运行。与此相较，我国在这一方面还处于起步阶段，部分院校与研究机构正在进行着一些有益的尝试，并取得了一定的成果。配电电能质量分析与控制模拟实验系统的应用与推广可使电力用户提高工作效率和产品质量，降低生产成本；对供电企业来讲，可减少在将来电力市场条件下的停电补偿，电力按质论价，增加售电收益，树立为用户的良好服务形象。该项目的研究不仅具有理论意义，而且具有重要的实用价值。1.2 电压质量及其重要性随着科技的发展和社会的进步，人们已经离不开电了。人们无时无刻不再消耗的电能，电灯、电风扇、电脑、洗衣机等越来越多的电气设备进入人们生活的每个角落。于是越来越多，越来越大的发电厂被人们建造，为了能量的节约与合理利用，大面积的公用电网被建立了起来。理想状态的公用电网应该是以恒定的频率、正弦波形和标准电压对用户供电。同时在三相交流系统中，各相电压和电流的幅值应大小相等、相位对称且互差。但由于系统中的发电机、变压器和线路等设备非线性或不对称，负荷性质多变，加之调控手段不完善及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想的状态并不存在，因此产生了电网运行、用电设备和供用电环节中的各种问题，也就产生了电网质量的概念。电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。而电能质量又包括电压质量（Voltage quality）、电流质量 Current quality 、供电质量 quality of supply 、用电质量 quality of consumption 这四个基本方面。如果供电系统中有非线性元件和负荷，即使供电电压为正弦波形，其电流波形也将偏离正弦波形发生畸变，非正弦波形的电流在供电系统中传递，由于沿途电压降使各供电点的电压波形将受其影响而产生不同程度的畸变。所以，电流质量问题引起的后果会在电压质量问题上体现出来，由于电力系统中的电气设备是按额定电压和额定频率设计、制造的。在额定电压和额定频率下运行时，电气设备的运行性能最优、效率最高；反之，电气设备的运行性能会减弱，效率下降，严重时可能使设备无法正常工作，甚至导致设备绝缘损坏、烧毁或爆炸等。于是可以说，电压质量是决定电能质量的重要指标之一。影响电网质量波动的电压干扰，主要包括电压偏移、三相不平衡、电压波动与闪变、电压的谐波分量、电压跌落和瞬时断电等几个情况。 电压干扰的方面 从电力系统和电力用户共同关心的问题来看，电能质量可以归结为：电能质量 供电质量 电压质量+供电可靠性。其中，供电可靠性包括系统的容量和安全性，而对于电压质量问题则主要包括：电压偏移、电压跌落和瞬时断电、电压三相不平衡、电压波动与闪变、电压的谐波分量等。.1 电压偏移电压偏移是指电力系统中某一运行点的实际电压与系统标称电压不符的情况，该运行点的电压偏差是衡量供电系统正常运行与否的一项主要指标。供电系统正常运行时，某一节点的实际电压与系统标称电压之差对系统标称电压的百分比称为该节点的电压偏差。其数学表达式如式 1-1 所示： 1-1 式中：-电压偏差； -实际电压； -系统标称电压。电力系统中的负荷以及发电机组的出力随时发生变化，网络结构随着运行方式的改变而改变，系统故障等因素都将引起电力系统功率的不平衡。系统无功功率的不平衡是引起系统电压偏移的主要原因。输电线路过长，输送容量过大，导线参数不匹配等输电网络结构的不合理也能导致电压偏移。电压偏移时，用电设备运行性能恶化，运行效率降低，可能由于过电压而损坏设备。输电线路的输送功率受功率稳定极限的限制，当系统运行电压偏低时，输电线路功率极限会大幅度降低，可能产生系统的不稳定现象，甚至导致电力系统崩溃，造成系统的解列。当系统电压偏低时，电网的有功功率损耗、无功功率损耗以及电压损失都将增加；系统电压偏高，电网的电晕损耗也将增大，这些都会使供电成本增加。.2 电压跌落和瞬时断电 电压跌落是指供电电压的均方根值在短时间内突然下降的情况。电压跌落的幅值、持续时间和相位跳变是标称电压跌落的最重要的三个特征量。电压跌落的幅值是指跌落时的电压的均方根值与额定电压的均方根值的比值；从电压跌落发生到结束之间的时间为持续时间；电压跌落时还往往伴随着电压相位的突然改变，称为相位跳变。当电压均方根值降低到接近于零时，称为电压中断。根据中断持续时间的长短，电压中断又可以分为长时间中断和短时间中断。对长短时间中断的持续时间，其定义还未统一，一般将23分钟以内的中断定义为短时间中断，3分钟以上的为长时间中断。短时间中断又称为瞬间断电，它可以引起灯光熄灭、显示屏幕空白，甚至破坏正常的生产过程，使计算机信息丢失，控制系统失灵。瞬间断电往往给用户带来不便甚至是严重的经济损失，产生不良的社会影响。 当电力系统中发生短路故障、感应电机启动、雷击、开关操作、变压器及电容器组的投切时，均有可能导致电压跌落。其中，短路故障、感应电机启动和雷击又是电压跌落的主要诱因。电力系统中的永久性故障可以被断路器清除，但这也就导致了该线路上的长时间供电中断的故障，当保护动作可以短时间内重新供电时，这种故障就转化为短时间中断。.3 电压三相不平衡电力系统电压三相不平衡可以分为事故性不平衡和正常性不平衡两类。电压事故性不平衡是由系统中各种非对称性故障引起，比如单相接地短路、两相接地短路或两相相间短路等。正常性不平衡是电力系统在正常运行情况下，由供电环节的不平衡或用电环节的不平衡引起的。供电环节一般涉及到发电机、变压器和线路，其中供电线路的不平衡是引起电压不平衡的主要因素；用电环节的三相负荷不对称是引起系统电压不平衡的主要因素。 系统电压的三相不平衡会对电气设备产生不良影响。负序电压会对电动机产生制动转矩，引起电动机振动，同时增加电动机的铜耗，使得电动机的效率降低；由于电压的三相不平衡，换流器会产生较大的谐波，这就会对换流器的谐波治理提出更高的要求；电压三相不平衡系统的负序分量过大，可能导致一些相关的保护和自动装置误动作，威胁到电力系统的安全运行；电压三相不平衡还会增加线路上的附加损耗，降低电力系统运行的经济性。.4 电压波动与闪变 电压波动是电压的均方根值一系列的相对快速变动或连续改变的现象，其变化周期大于工频周期。在配电系统运行中，这种电压波动现象有可能多次出现，变化过程可能是规则的、不规则的，或是随机的。引起电压波动的原因是多种多样的：配电系统的短路故障或开关操作，无功功率补偿装置或大型整流设备的投切，功率冲击性波动负荷都可能导致电压波动，其中以波动性负荷为电压波动的主要诱因。 电压波动会引起部分电气设备不能正常工作，但由于实际情况中电压波动值往往小于电气设备的电压敏感值，所以它很少造成电气设备的损坏。但在办公、商用和民用设备的照明电光源中，白炽灯占很大比例，而白炽灯的电功率与电源电压的平方成正比，受电压波动的影响较大。因此，研究电压波动的影响时，通常选白炽灯光照设备受影响的程度作为判断电压波动是否可以接受的依据。电光源的电压波动造成灯光照度不稳定引起人眼的视觉反应称为闪变。.5 电压的谐波分量谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。谐波一般是在稳态情况下出现的，产生谐波的畸变波形是连续的或至少持续几秒种，但有的暂态动作引起的波形畸变也可能持续时间比较长，这种情况下就可能会导致谐波的出现。20世纪80年代以来，电力电子学已经逐渐成为一门新兴的科学，与之对应的现代电力电子技术也得到了迅速的发展。电力电子装置在实现功率控制和处理的同时，都将不可避免地产生非正弦波形，向电力系统注入谐波电流，使得公共连接点的电压波形产生畸变，从而影响电能质量。 谐波的污染与危害主要表现在对电力和信号的干扰影响方面。在电力危害方面，谐波会导致旋转电机等的附加损耗增加，缩短使用寿命；会产生过电压，造成电气元件及设备的故障与损坏；会造成电能计量的错误。在信号干扰方面，谐波会对通信系统产生电磁干扰，使电信质量下降；会使自动控制和保护装置不正确动作；会危害功率处理器的正常运行。 电压质量问题的重要性总的来说，电能质量关系到国民经济的总体效益在近五到十年随着高新技术尤其是信息技术的飞速发展基于计算机微处理器控制的用电设备和电力电子设备在系统中的大量使用他们对系统干扰比机电设备更敏感因此对电质量的要求也一旦出现电质量问题轻则造成设备故障,重则造成整个系统的损坏由此带来的损失是难以估量的 Super capacitors 是近几十年来，国内外发展起来的一种介于常规电容器与化学电池二者之间的新型储能元件。它具备传统电容那样的放电功率，也具备化学电池储备电荷的能力。与传统电容相比，具备达到法拉级别的超大电容量、较高的能量、较宽的工作温度范围和极长的使用寿命，充放电循环次数可达十万次以上，且不用维护；与化学电池相比，具备较高的比功率，且对环境无污染。因此，超级电容器是一种高效、实用、环保的能量存储装置，它优越的性能得到各方的重视，目前发展十分迅速。图 1-1 几种超级电容的外部结构1.5 本章小结本章描述了现在社会随着科技的发展，人们的生产和生活对电网电压的质量问题要求越来越高，于是电能质量这一概念就被人提出。在最近的时间里，补偿装置有了很大的发展，除了传统的并联电容器、有载调压变压器、同步调相机等外，还有许多新兴基于电力电子技术的补偿装置，极大地改善了电网中的电能质量。各种电力电子器件对提高电网中电能的质量起到了极大地作用，但是仍然有各自的优缺点。 2 超级电容器简介采用电化学双电层原理的超级电容器双电层电容器（Electric Double Layer Capacitor；EDLC）,也叫功率电容器（Power Capacitor）,是一种介于普通电容器和二次电池之间的一种新型储能装置。超级电容器集高能量密度、高功率密度、长寿命等特性于一身, 具有工作温度宽、可靠性高、可快速循环充放电和长时间放电等特点，被广泛应用作微机的备用电源、太阳能充电器、报警装置、家用电器、照相机闪光灯和飞机的点火装置等, 尤其是在电动汽车领域中的开发应用已引起举世的广泛重视。2.1 超级电容器的产生背景 1879年，亥姆霍茨 Helmholtz 发现界面双电层现象，提出了平板电容器的解释模型，但直到1957年Becker获得了双电层电容器的专利，才使得超级电容器的产品化有了新的突破。到目前超级电容器已有50多年的发展历史，其间对于超级电容器的研究主要集中在寻找电极活性物质作为电极的研究上。今后人们将会继续研究与开发新颖的电极材料、选择合适的电解液、优化电容器的组装技术 。目前电极材料可以分为三类：第一类是碳材料；第二类是过渡金属氧化物；第三类是导电聚合物材料。实际上，后两种物质作电极的性能要优于碳材料，但昂贵的贵金属材料以及性能不稳定的导电聚合物掺杂，使得后两类超级电容器的研究多限于实验室，短期内不太可能进行商业化。此外，还有使用不同正负电极材料的非对称型超级电容器 也称混合超级电容器或杂化超级电容器 ，其储能能力大大增加 。在超级电容器的产业化上，最早是1980年NECTokin与1987年松下三菱的产品。到20世纪90年代，Econd和ELIT推出了适合于大功率启动动力场合的电化学电容器。如今，Panasonic、NEC、EPCOS、well、Powerstor、Evans，SAFT，Capxx，NESS等公司在超级电容器方面的研究均非常活跃。总的来说，目前美国、日本、俄罗斯的产品几乎占据了整个超级电容器市场，实现产业化的基本上都是双电层电容器 。2.2 超级电容器的原理及分类按采用的电极不同，超级电容器主要有以下几种类型：碳基电极电容器、贵金属氧化物电极电容器和导电聚合物电极电容器等类型，现在应用最为广泛的为碳基超级电容器。按存储电能的机理不同，超级电容器可以分为两种类型，一种是“双电层电容器” Double Layer Capacitor，DLC Faradic pseundo Capacitance ，由贵金属或贵金属氧化物电极等组成，其电容的产生是基于电活性离子在贵金属表面发生欠电位沉积，或在贵金属氧化物表面及体相中发生氧化还原反应而产生的吸附电容，该类电容的产生机制与双电层电容不同，并伴随电荷传递的过程发生，通常具有更大的比容性，但由于贵金属价格昂贵，因此此种电容一般用于军事领域。碳基超级电容器 Double Layer Capacitor，DLC 图 2-1 超级电容原理图当用直流电源为超级电容器单体充电时，电解质中的正、负离子聚集到固体电极表面，形成“电极/溶液”双电层，用以贮存电荷。双电层厚度的形成，依赖于电解质的浓度和离子的尺寸，其容量正比于电极表面积，而与“电极/溶液”双电层的厚度成反比；其贮能量受电极材料表面积、多孔电极孔隙率和电解质活度等因素的影响。2.3 超级电容器的特点超级电容器作为一支新型的储能元件，具有以下显著特点：（1）超级电容的电容量非常高（0.1F50 000F），比同体积钽、铝电解电容器的电容量大2 00050 000倍；（2）漏电流极小，具有电压记忆功能，电压保持时间长；（3）功率密度高，可作为功率辅助器，提供大电流；（4）充放电效率高，具有超长的自身寿命和循环寿命，充放电次数大于10万次；（5）对过充放电有一定的承受能力，短时间的过电压不会对其产生严重的影响，能够反复的、稳定的充放电；（6）比蓄电池安全，短路状态下，超级电容器不会发生爆炸；（7）温度范围宽-40+70，而一般电池则只有0+60；（8）维护费用少，材料环保，无污染。但是，目前超级电容器还在研究和发展阶段，理所当然的会有一些需要改进的方面，比如说能量密度较低，体积能量密度较差，和电解电容器相比，工作电压较低，作为非水系电解液要求高纯度、无水，并且非水系电解液对于装配环境要求严格，造价较高。鉴于其优良特性，超级电容器非常适合在多种系统中应用。2.4 超级电容器的应用超级电容器作为大功率物理二次电源，在国民经济各领域用途十分广泛：各发达国家都把超级电容的研究列为国家重点战略研究项目。1996年欧共体制定了超级电容器的发展计划，日本“新阳光计划”中列出了超级电容器的研制，美国能源部及国防部也制定了发展超级电容器的研究计划 。我国从80年代开始研究超级电容器，北京有色金属研究总院、锦州电力电容器有限责任公司、北京科技大学、北京化工大学、北京理工大学等也陆续开展超级电容器相关研究工作。2005年，中国科学院电工所完成了用于光伏发电系统的300 Wit1 kW超级电容器储能系统的研究开发工作。2006年8月，世界首条超级电容公交商业示范线在上海率先启动，上海振华港机利用超级电容器作为轮胎式集装箱龙门起重机储能装置实现了绿色，取得良好效果。2008年8月，北京理工大学具有自主知识产权的纯电动动力系统应用到北京奥运用电动客车中。虽然针对超级电容器研究成果颇丰，但整体来看，我国的研究与应用水平明显落后于世界先进水平。目前超级电容器正逐渐步入成熟期，市场越来越大，有越来越多的公司聚焦到生产超级电容器上。超级电容器主要应用于以下几个方面： 1 超级电容器在便携式仪器仪表中如驱动微电机、继电器、电磁阀中可以替代电池工作，它可以避免由于瞬间负载变化而产生的误操作； 2 应用在500A以下的，主要作为主供电的后备电源。在数字调频音响系统、可编程消费电子产品、洗衣机等中作为CMOS、RAM、IC的时钟电源并在测量仪器、自动控制模块等中提供高温85条件下系统时钟电源； 3 超级电容器技术还可应用在移动无线通讯设备中。这些设备往往采用脉冲的方式保持联络，由于超级电容器的瞬时充放电能力强，可以提供的功率大，因此在这一领域的应用也非常广阔。 4 在众多大型石化、电子、纺织等企业的重要电力系统特别是在大功率系统上的瞬态稳压稳流，超级电容器是几乎不可替代的器件。另外，芯片企业在选址时考虑电力的波动也是一个非常重要的环节,而超级电容器系统则可以完全解决这个问题； 5 超级电容器在短时UPS系统、电磁操作机构电源、太阳能电源系统、汽车防盗系统、汽车音响系统等系统上也具有不可替代的作用。在风力发电或太阳能发电系统中，由于风力与太阳能的不稳定性，会引起蓄电池反复频繁充电，导致寿命缩短，超级电容器可以吸收或补充电能的波动，解决这一问题； 6 超级电容器在电动汽车、混合燃料汽车和特殊载重车辆方面也有着巨大的应用价值和市场潜力。作为电动汽车和混合动力汽车的动力电源，可以单独使用超级电容器或将其与蓄电池联用。这样，超级电容器在用作电动汽车的短时驱动电源时，可以在汽车启动和爬坡时快速提供大电流从而获得大功率以提供强大的动力；在正常行驶时由蓄电池快速充电；在刹车时快速存储发电机产生的瞬时大电流，回收能量，从而减少电动汽车对蓄电池大电流放电的限制，延长蓄电池的循环使用寿命，提高电动汽车的实用性； 7 超级电容器在电动助力车市场上的应用也正在扩展。电动助力车上的蓄电池由于其充放电电流要求苛刻，能量难以进行瞬时回收，而超级电容器非常容易满足这些要求。超级电容器在电动助力车起动、加速与爬坡时对系统进行能源补充，并在刹车时完全回收能量，提高系统性能。2.5 本章小结本章主要介绍了超级电容的产生背景、原理、特点以及应用范围。从基本上讲解了超级电容这一新型的电网补偿装置的原理及发展，其优良的性能是它迅速成为了现在研究的一个热点。3 超级电容器储能系统结构及控制技术3.1 超级电容器的等效电路模型 超级电容的基本结构包括：集电板、电极、电解质和隔离膜。超级电容的储能原理基于多孔材料“电极/溶液”界面的双电层结构，从阻抗角度分析，等效电路为一般的RC电路，其等效电路如图2-5所示。其中，EPR为等效并联内阻，ESR为等效串联内阻，C为等效容抗，L为等效感抗。EPR主要影响超级电容的漏电流，从而影响超级电容的长期储能性能，EPR通常很大，可以达到几万欧姆，所以漏电流非常小。L代表超级电容器的感性成分，他是与工作频率有关的分量。图3-1 超级电容的等效电路模型3.2 超级电容器储能系统基本理论随着社会的发展和科技的进步，各行各业对于生产过程和产品的质量要求越来越高，这也就使得它们对于电能质量的要求也越来越高，从而使得各种各样的电能质量控制装置不断接入配电系统之中。对于这些装置，不仅要求其输出电压稳定可靠，而且要求其输出电压正弦度好，动态响应速度快。经过一段时间的研究，其控制技术得到了不断的发展，由最早的开环控制发展到输出电压瞬时反馈控制，由模拟控制逐渐发展到了全数字控制，性能有了极大的提高。而如今，变流技术领域的一个研究热点就是逆变器的数字控制方法，并且出现了多种逆变器离散化的控制方法，主要包括数字PID控制、状态反馈控制、无差拍控制、重复控制、模糊控制以及神经网络控制等。这其中，最常用的方法是PID。控制与其它控制方法相比，PID算法具有如下优点：PID算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息，可以使控制过程快速、准确、平稳，具有良好的控制效果；PID控制算法在设计过程中不过分依赖系统参数，因此系统参数的变化对控制效果的影响很小，控制的适应性好，有较强鲁棒性；PID算法简单明了，已经形成了一套完整的设计和参数调整方法。但是，数字PID控制算法也不可避免的会有一些局限性。一方面是系统的采样量化误差降低了算法的分辨率，使得PID调节器的控制精度变差；另一方面，采样和计算延时使得被控系统成为一个具有纯时间滞后的系统，造成了PID调节器的设计困难，稳定域减小。随着高速信号处理器DSP及高速A/D的出现，才使得数字PID技术有了进一步应用。3.3 超级电容器储能控制系统主电路众所周知，电压、频率、波形和三相平衡是影响电压质量问题的四个主要方面，其中包括用电的可靠性、稳定性和连续性，电网系统要求尽量易于操作，合理利用和节约能源以及较少的维护费用等。能够影响电能质量的电力网络上的电气干扰的情况主要包括：电压的突然跌落和上升及电压的完全中断，电压的谐波分量，电压的波动与闪变，电压的三相不平衡等，其中最为严重的电能质量问题就是电压的突然跌落以及电压的完全中断。而如今超级电容器则可以很好的解决这问题。本文主要研究超级电容器储能系统并联在系统和负荷之间，通过整流器将电能储存在超级电容器中。当储能系统向外供电时，逆变器将直流电能转换为交流电能，通过变压器将能量输送回电网或负荷。由于超级电容器储能系统具有储能单元，在配电系统发生供电电压中断时可以向负荷短时供电，所以，该系统可以有效抑制负荷扰动造成的电压波动，在提高系统的供电能力和供电可靠性方面也有很好的作用。超级电容器储能系统的主电路结构主要包括：整流单元、储能单元和逆变单元。整流单元采用三相全桥整流器，给超级电容器充电以及为逆变单元提供直流电能。逆变单元采用IGBT组成的三相电压型逆变器，通过变压器与电网相联。超级电容正常工作时，通过IGBT的通断将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压，就像一个电压型逆变器，只不过其交流侧输出接的不是无源负载，而是电网。因此，当仅考虑基波频率时，可以将超级电容器储能系统等效为幅值和相位均可控制的交流同期电压源。超级电容器储能系统的结构及连接方式如图3-2所示：图3-2 超级电容储能系统结构3.4 整流单元的选择工作于开关状态的功率半导体器件是现代电力电子技术的核心，半控型功率开关元件的问世标志着现代电力电子技术时代的开始。现代电力电子器件是指全控型的电力半导体器件，可分为双极型、单极型和全控型三大类。现代电力电子器件向着全控化、集成化、高频化、多功能化和智能化方向发展。双极型功率开关器件的主要特点是通态压降低、阻断电阻高和电流容量大，适用于较大容量的变流系统。其主要有电力晶体管 GTR 、门极可关断晶闸管 GTO 和静电感应晶闸管 SITH 等。其中GTR具有控制方便和通态压降低的优点，但存在二次击穿问题和耐压难以提高的缺点。一般应用于几十千伏安以下、开关频率低于10kHz的场合。GTO是目前能做到耐压最高、电流容量最大的功率开关器件之一，现在最大容量可达5000V、4500A。但其关断增益小，门极反向关断电流较大。需设置专门的驱动电路，开关频率一般为12kHz，多应用在200kVA以上的大容量变流设备中。SITH是大功率控开关器件。它的通态电阻小、开关速度快，可用于高频感应加热电源。但其制造工艺复杂，成本较高。单极型功率开关器件的典型产品主要有功率场效应晶体管 MOSFET 和静电感应晶体管 SIT 。它们属于电压控制器件，驱动功率小。MOSFET的电流容量和耐压难以提高，多用于中小容量、开关频率较高的场合。SIT的输出功率大，多用于高音质音频放大器、通讯设施和空间技术等领域。混合型功率开关器件是由单极型和双极型功率开关器件集成混合制造，利用耐压高、电流密度大、导通压降低的双极型器件作为输出级，同时利用输入阻抗高、响应速度快的单极型MOS器件作为输入级，兼有两者的优点。这类器件的典型产品有绝缘栅双极晶体管 IGBT 、MOS晶闸管 MCT 和功率集成电路 PIC 等。MCT是晶闸管和MOSFET的混合集成，它阻断电压高，电流容量大，通态压降和损耗小，开关速度高，开关损耗小，是最有发展前景的全控型功率半导体器件。但现在实际应用很少。PIC是指功率开关器件与驱动电路、控制电路、保护电路等的总体集成，使强电和弱电达到完美的结合，完成了信息与动力的统一，推动电力电子技术进入智能化时代。但其耐压和电流容量很小。IGBT是MOSFET与GTR复合形成的一种新型器件，自八十年代中期以来发展十分迅速，开关频率已超过20kHz。它既具有功率MOSFET的电压驱动、开关频率高、无二次击穿问题等优点，又具有GTR通态电流大、反向阻断电压高等优点。近年来，在开关电源、电机控制以及其它要求开关频率高、损耗低的中小容量变流设备中，IGBT有取代功率MOSFET和GTR的趋势，成为应用最广泛的功率开关器件之一。基于以上对各种常用全控型功率开关器件的对比分析，本文设计的三相桥式逆变器的功率开关元件采用IGBT。三相全桥整流电路由于其较好的优越性，在现如今的工业上取得了广泛应用。三相全桥式全控整流电路的电路如图3-3所示。三相全桥整流电路通过对两组桥臂晶闸管元件的有序控制，可构成电源系统对负载供电的6条回路。每一整流回路中含有2只晶闸管元件，1只为共阴极组的某相元件；另1只则应为共阳极组的另一相元件。各整流回路的交流电源电压为两元件所在相间的线电压，等值电路和单相半波可控整流电路相同。图3-3 三相全桥整流电路3.5 逆变器的选择与控制 逆变器的选择逆变电路根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。它们也分别被称为电压源逆变电路（VSTI）和电流源逆变电路（CSTI）。电流型逆变电路主要存在两个缺陷：一是输出电流中含有较大的纹波，用滤波器消除会影响高频波形的产生；二是不便于调试和稳定。另外还有软开关逆变器以及谐振式逆变器等，但这类逆变器主电路及控制过于复杂。因此，本设计采用的是三相电压型逆变器，其逆变电路的结构如图3-4所示。图3-4 三相电压型逆变器功率器件的驱动电路作为主电路和控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整体性能影响很大。驱动电路的性能，影响着功率器件的开关状态、开关时间、开关损耗，对系统的运行效率、可靠性和安全性都有重要意义。驱动电路的作用是将DSP控制芯片输出的PWM控制脉冲放大到足以驱动功率开关管，所以从原理上来讲，驱动电路主要起开关功率放大作用，即脉冲放大器。但其重要性在于功率开关管的开关特性与驱动电路的性能密切相关，采用不同的驱动电路来驱动相同的功率开关器件，将得到不同的开关特性。性能优良的驱动电路能改善功率开关管的开关特性，从而减小开关损耗，提高整个系统的效率及功率器件工作的可靠性。因此，驱动电路的优劣直接影响逆变器的性能。在功率变换装置中，根据主电路的结构，其功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式。采用隔离驱动方式时需要将多路驱动电路、控制电路、主电路互相隔离，以免引起灾难性的后果。隔离驱动可分为电磁隔离和光电隔离两种方式。光电隔离具有体积小，结构简单等优点。本逆变电源控制系统选用美国国际整流公司 International Rectifier，简称IR 生产的IR2136作为驱动电路的驱动芯片，它兼有光藕隔离 体积小 和电磁隔离 速度快 的优点，适合中小功率变换装置的驱动器件。图3-5 IR2136引脚图 IR2136三相逆变器驱动器集成电路集成了6个MOSFET或IGBT高电压栅极驱动器，能兼容CMOS输出或LSTTL输出，提供低至3.3V的逻辑，其可输出的最大正向峰值驱动电流为120mA，而反向峰值驱动电流为250mA。此外，此集成电路支持坚固耐用的设计，提供高达50V/ns的dv/dt耐量和较低的di/dt驱动电流，防止噪音干扰。它的性能超过光藕或变压器，支持高频工作，死区时间低至250ns，一般接通/关断时间为400ns。同时，它的内部集成有过流、欠压、防直通等保护功能和EN使能端，使用户能够可靠地保护被驱动的功率管，外部的RC网络经过延时能够自动清除过流故障，且当故障发生时，可通过FAULT端口声光报警。正常工作时，输入IR2136的6路触发脉冲经过输入信号处理器处理后变为6路输出脉冲，驱动下桥臂功率管的信号LIN 1- LIN3经过输出驱动器功放后，直接送往被驱动功率器件。而驱动上桥臂功率管的信号HIN1-HIN3先经过集成于IR2136内部的3个脉冲处理器和电平移位器中的自举电路进行电压变换，变为3路电位悬浮的驱动脉冲，再经过对应的3路输出锁存器锁存并经严格的驱动脉冲欠电压与否检验之后，送到输出驱动器进行功放后才加到被驱动的功率管。当电路发生过流，即由电阻网络组成的电流检测电路检测到的信号高于0.5V时，则IR2136内部的电流比较器迅速翻转，促使故障逻辑处理单元输出低电平，则封锁3路输入脉冲信号处理器的输出，使IR2136的输出全为低电平，从而关闭功率开关管，达到保护功率管的目的；同时IR2136的FAULT脚变为低电平，该信号也通过光藕隔离后送往DSP。若IR2136发生工作电源欠压，则欠压检测器迅速翻转，也会进行类似动作当IR2136驱动上桥臂功率管的自举电源工作电压不足时，则该路的驱动信号检测器迅速动作，封锁该路的输出，避免功率器件因驱动信号不足而损坏。当用户的脉冲输出环节发生故障时，逆变器同一桥臂上的2个功率开关管的输入信号同时为高电平，则IR2136输出的2路门极驱动信号全为低电平，从而可靠地避免桥臂直通现象发生，使功率开关管得到有效保护。 逆变器的控制方法随着电力电子器件的迅速发展，变频技术得到了广泛的应用，与此相对应的是各行各业对于电能质量越来越高的要求，这不仅要求逆变器有稳定的输出电压和长时间工作的可靠性能，而且要求逆变器输出电压的正弦度好，动态性能佳、反应迅速。在近些年，逆变器的控制理论得到了不断发展，由最早的开环控制发展到输出电压瞬时反馈控制，由模拟控制逐渐发展到全数字控制。近年来，随着大规模集成电路ASIC、现场可编程逻辑器件FPGA及数字信号处理器DSP技术的发展，逐渐由模拟控制转向数字控制，即向数字化方向发展。实现数字化可带来以下好处：（1）可以采用更先进、更复杂的控制方法。输出电能质量好，可靠性高，便于实现智能控制；（2）控制电路的元器件数量明显减少，从而缩小了控制板体积，提高了系统的抗干扰能力；（3）输出控制采用软件处理，设计和制造灵活。一旦控制方法改变，只需要修改程序即可，无需变动硬件电路，大大缩短了设计周期。逆变器的全数字控制是当今研究的一个热点，出现了多种逆变器离散化的控制方法，包括数字PID控制、状态反馈控制、无差拍控制、重复控制、模糊控制以及神经网络控制等。再现如今的逆变器控制中，最常用的就是数字PID控制方法。PID调节是Proportional 比例 、Integral 比例 、Differential 微分 三者的缩写，具体实现方式包括电压瞬时值反馈控制和电压电流双闭环反馈控制，其控制的原理图如图3-6所示。图3-6 逆变器的数字PID控制与其他控制方法相比，数字PID控制方法具有如下几方面的优势：（1）PID算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息，可以使控制过程快速、准确、平稳，具有良好的控制效果；（2）设计过程不过分依赖系统参数，控制的适应性好，有较强鲁棒性；（3）算法简单明了，已经有完整的设计和参数调整方法。 但是数字PID控制也有其一些不足，例如：系统的采样量化误差降低了算法的分辨率，使得PID调节器的控制精度变差；采样和计算延时使得被控系统成为一个具有纯时间滞后系统，造成PID调节器的设计困难，稳定域减小。但随着高速A/D和高速信号处理器DSP的出现，PID控制又将会有进一步的发展。3.6 DSP控制系统传统的产生SPWM波形的方法能够用于逆变器中实现幅值和频率可调的正弦波电压。当负载为线性时效果还好，但它不是对输出电压进行逐点控制的。因此当该逆变器带非线性负载时，电压将发生畸变，谐波增加，严重影响负载的正常工作。这是就出现了数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）。数字信号处理就是对信号的数字处理，包括对信号进行采集、变换、滤波、估值、增压、压缩、识别等。图3-7是数字信号处理系统的简化框图。此系统先将模拟信号转换为数字信号，经数字信号处理后，在转换成模拟信号输出。图3-7 数字信号处理系统简化框图数字信号处理技术之所以可以发展的这样迅速，应用的如此广泛，是与它的突出的优良性能分不开的：精度高；灵活性强；可靠性好；时分复用。DSP系统的设计流程如图3-8：图3-8 DSP设计流程图DSP是一款高性能的数字处理芯片，它不仅运算速度快，还有专门用于实现PWM的片内外设。运用DSP我们可以方便的实现频率很高的SPWM控制信号，从而减小滤波器的尺寸，而且值相同DSP完全有可能用于逆变器中实现输出电压的控制。3.7 abc-dq0坐标变换 abc坐标下的逆变单元数学模型具有物理意义清晰、直观等优点。但在这种数学模型中，逆变交流侧均为时变交流量，因而不利于控制系统的设计。为此可以通过坐标变换将三相静止abc坐标系转换成和交流电网基波频率同步旋转的dq0坐标系，该变换通常称为Park变换。经过坐标变换，可以简化控制系统的设计。在dq0坐标下的数学模型建立过程中，一般采用两种坐标变换方法：1、等量坐标变换；2、等功率正交坐标变换。等量坐标变换是指abc坐标系中的通用矢量与dq0坐标下的通用矢量相等的变换。三相物理量可以用一个空间旋转矢量在坐标轴上的投影来表示，这个表示三相对称物理量的矢量就叫做通用矢量。所谓等功率坐标变换是指abc坐标系中的功率量与dq0坐标系中的功率量相等的变换。本文下面的分析采用的是等量变换。 设Park变换矩阵P为： （3-1）对公式（3-1）式进行Park变换可以得到交流侧dq0坐标下的电压回路方程： （3-2）对式（3-2）进行Park变换可以得到直流侧dq0坐标下的电压动态方程： （3-3）引入状态变量X，且，可以得到dq0坐标下占空比描述的数学模型的状态表达式： （3-4）其中A、B、C分别是： （3-5） （3-6） （3-7）在静态情况下，假设系统三相对称运行，因此没有零序分量，交流系统侧状态变量的一阶导数为0，交流侧A相相电压初始相位角为0度，即，X为基波电抗，则可以推导出： （3-8）具有比较明确的物理意义。当为恒定值时，交流侧无功功率只q轴电流成正比。直流侧有功功率由两部分组成，前一部分代表理想功率，后一部分则表示开关器件的损耗，可以先根据无功定值计算出的数值，这样，有功功率也就只与相关了。这样，在该模型中有功无功就解耦了。另外，考虑到正常运行时损耗远小于有功功率的传输值，因此，和也就可以近似看成线性关系了。在此模型中，交直流相互解耦，而且交流侧无功功率和直流侧有功功率分别与和成线性关系。3.8 本章小结 本章从原理方面对超级电容储能与控制系统进行了研究，在基础和理论上对于超级电容储能与控制系统的基本理论，以及其中所需的整流、逆变、控制和abc-dq0坐标变换进行研究。4 SPWM控制技术SPWM法是为了克服等脉宽PWM法的缺点而发展起来的，是通过改变PWM输出的脉冲宽度，使输出电压的平均值接近于正弦波。实现的方法就是以正弦波作为基准波（调制波），用一条等幅的三角波（载波）与基准正弦波相交，由交点来确定逆变器的开关模式。当正弦波高于三角波时，使开关器件截止。这样，使输出的脉冲系列的占空比按正弦波规律变化，当正弦值最大时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则最小；当正弦值较小时，脉冲的宽度也最小，而脉冲间的间隔则较大4.1 PWM控制技术 PWM控制，就是采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制来等效地获得所需要的波形PWM系统在很多方面有一定的优势，例如：主电路线路少，需要的功率器件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少；装置效率高。逆变器的PWM控制方法有多种，目前比较常见的有：三角波调制法、三角波比较跟踪控制、滞环比较控制以及空间矢量控制等。在采样控制理论中有一个重要的理论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。该原理称为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。运用面积等效原理，可以将PWM波形等效成所需要的波形，一般常用的是按正弦规律变化的SPWM波形。4.2 SPWM调制方法正弦波脉宽调制（SPWM）是指按正弦波规律调制输出脉冲列电压中的各脉冲宽度，使输出脉冲列电压在斩波周期内的平均值对时间按正弦波规律变化。SPWM技术采用等腰三角形作为载波信号，正弦电压作为调制信号，通过正弦波电压与三角波电压信号相比较的方法，确定各分段矩形脉冲的宽度。由于三角波两腰间的宽度随其高度线性变化，当任一条不超过三角波幅值的光滑曲线与三角波相交时，都会得到脉冲宽度正比于该曲线值的一组等副、等距的矩形脉冲列。故用正弦波电压信号作为调制信号时，可获得脉冲正比于正弦值等幅、等距的矩形脉冲列。该信号用于逆变器电子开关的开通与关断控制时，逆变器就是SPWM逆变器。根据三角波和正弦波相对极性的不同，正弦波脉宽调制可分为单极性SPWM和双极性SPWM两种方式。（1）单极性SPWM单极性SPWM是指三角形载波信号和正弦波调制信