（电气工程专业论文）超级电容器直流电源的研制及应用.pdf

华北电力人学i j 程硕士学位沦文摘要 摘要 超级电容器作为一种新型电力储能技术，由于其动态响应速度快，储、释能效 率高，被认为是一种非常有前途的电能存储器件。超级电容器直流储能单元是超级 电容器储能系统中最为关键部位，其可靠工作对提高超级电容器储能系统的效率和 能量利用率，增强储能系统的可靠性具有重要的意义。本文立足于超级电容器直流 储能单元的研究与应用设计，建立了超级电容器与蓄电池直接并联储能的等效模 型；针对脉动负载，分析了储能系统的性能改善及其影响因素。对超级电容器应用 于直流电源，研究了基于超级电容器单独储能和基于超级电容器和蓄电池混合储能 的直流电源系统两种方案，通过一系列的试验，验证了超级电容器应用于直流电源 系统的可行性和可靠性，具有一定的理论意义和实用价值。 关键词：超级电容器，电能储存，直流电源，混合储能 a b s t r a c t a san e wk i n do fe n e r g ys t o r a g ec o m p o n e n t ，s u p e r c a p a c i t o r sh a v ef a s tr e s p o n s e ， h i g hc h a r g e d i s c h a r g ee f f c i e n c y ， a n dt h e r ea r et y p e so fc o m m o d i t i e so ns a l ew h i c h s p e e d u pa s s e m b l e a n df a c i l i t a t et oe n l a r g ee n e r g ys t o r a g ec a p a c i t y t h e r e f o r e血e s u p e r c 印a c i t o ri sc o n s i d e r e dt h em o s tp r o m i s i n ge n e r g ys t o r a g ed e v i c e s u p e r c a p a c i t o r d ce n e r g ys t o r a g es y s t e mi st h ek e yd e v i c eo ft h es u p e r c a p a c i t o re n e r g ys t o r a g es y s t e m i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l eo ni m p r o v i n ge m c i e n c ya n dr e l i a b i l i t yo fs u p e r c a p a c i t o r e n e r g ys t o r a g es y s t e m i n c o n c l u s i o n ， b a s e do ns o m e i m p o n a n ta s p e c t so f s u p e r c a p a c i t o re n e r g ys t o r a g eu n i ta p p l i c a t i o na n dd e s i g n ，t h ee q u i v a l e n tm o d e lo f d i r e c t l yp a r a h e l e ds u p e r c a p a c i t o r b a t t e r yh y b r i dw a ss e tu pa n dt h ep e r f o m a n c ea n di t s i n n u e n c ef a c t o r sw e r ea n a l y z e dq u a n t i f i c a t i o n a l l yw i t hp u l s a n tl o a da sa ne x a l l l p l e a s s u p e r c a p a c i t o ru s ei nd cp o w e rs u p p l y ，t w op r o g r a m m ew e r ep u tf o r w a r df o rt h ed c p o w e rs u p p l y ； o n ei sb a s e do ns u p e r c a p a c i t o rs o l e s t o r a g e ， t h eo t h e ri sb a s e do n s u p e r c a p a c i t o r b a t t e r ) rh y b i de n e r g ys t o r a g e w h i c hh a v et h e o r ya n dp r a c t i c a lm e a n i n g s t op r o v i d eo p t i o n a ls c h e m et ot h ep r o j e c ta p p l i c a t i o n s f a nw e i ( e l e c t r i c a l e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a n g j i a n c h e n g k e y w o r d s ：s u p e r c 印a c i t o r e n e 嘲，s t o r a g e ，d cp o w e rs u p p l y ，h y b 订de n e 唱ys t o r a g e 华北电力人学i j 程硕士学位沦文摘要 摘要 超级电容器作为一种新型电力储能技术，由于其动态响应速度快，储、释能效 率高，被认为是一种非常有前途的电能存储器件。超级电容器直流储能单元是超级 电容器储能系统中最为关键部位，其可靠工作对提高超级电容器储能系统的效率和 能量利用率，增强储能系统的可靠性具有重要的意义。本文立足于超级电容器直流 储能单元的研究与应用设计，建立了超级电容器与蓄电池直接并联储能的等效模 型；针对脉动负载，分析了储能系统的性能改善及其影响因素。对超级电容器应用 于直流电源，研究了基于超级电容器单独储能和基于超级电容器和蓄电池混合储能 的直流电源系统两种方案，通过一系列的试验，验证了超级电容器应用于直流电源 系统的可行性和可靠性，具有一定的理论意义和实用价值。 关键词：超级电容器，电能储存，直流电源，混合储能 a b s t r a c t a san e wk i n do fe n e r g ys t o r a g ec o m p o n e n t ，s u p e r c a p a c i t o r sh a v ef a s tr e s p o n s e ， h i g hc h a r g e d i s c h a r g ee f f c i e n c y ，a n dt h e r ea r et y p e so fc o m m o d i t i e so ns a l ew h i c h s p e e d u pa s s e m b l ea n df a c i l i t a t et o e n la r g ee n e r g ys t o r a g ec a p a c i t y t h e r e f o r e血e s u p e r c 印a c i t o ri sc o n s i d e r e dt h em o s tp r o m i s i n ge n e r g ys t o r a g ed e v i c e s u p e r c a p a c i t o r d ce n e r g ys t o r a g es y s t e mi st h ek e yd e v i c eo ft h es u p e r c a p a c i t o re n e r g ys t o r a g es y s t e m i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l eo ni m p r o v i n ge m c i e n c ya n dr e l i a b i l i t yo fs u p e r c a p a c i t o r e n e r g ys t o r a g es y s t e m i n c o n c l u s i o n ， b a s e do ns o m ei n l p o r t a n t a s p e c t s o f s u p e r c a p a c i t o re n e r g ys t o r a g eu n i ta p p l i c a t i o na n dd e s i g n ，t h ee q u i v a l e n tm o d e lo f d i r e c t l yp a r a h e l e ds u p e r c a p a c i t o r b a t t e r yh y b r i dw a ss e tu pa n dt h ep e r f o m a n c ea n d i t s i n n u e n c ef a c t o r sw e r ea n a l y z e dq u a n t i f i c a t i o n a l l yw i t hp u l s a n tl o a da sa ne x a l l l p l e a s s u p e r c a p a c i t o ru s ei nd cp o w e rs u p p l y ，t w op r o g r a m m ew e r ep u tf o r w a r df o rt h ed c p o w e rs u p p l y ； o n ei sb a s e do ns u p e r c a p a c i t o rs 0 1 e s t o r a g e ， t h eo t h e ri sb a s e do n s u p e r c a p a c i t o r b a t t e r ) rh y b i de n e r g ys t o r a g e w h i c hh a v et h e o r ya n dp r a c t i c a lm e a n i n g s t op r o v i d eo p t i o n a ls c h e m et ot h ep r o j e c ta p p l i c a t i o n s f a nw e i ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gj i a n c h e n g k e y w o r d s ：s u p e r c 印a c i t o r e n e 嘲，s t o r a g e ，d cp o w e rs u p p l y ，h y b 订de n e 唱ys t o r a g e 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的工程硕士学位论文超级电容器直流电源的研制及应 用，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：叠丝牡日 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名： 日期：212 ：! 竺! 兰娶日期： 华北电力人学1 ：群硕十学位论文 1 1 选题的意义 第一章绪论 直流电源作为供电电源，在变电站、发电厂、大中型厂矿企业等供电系统中占 有很重要的地位，主要用于向控制、保护、通信设备、自动装置操作机械和调节机 械的传动机构供电，同时还可以作为独立的事故照明电源，所以其性能及可靠性直 接影响到整个供电系统的正常安全运行【l 】。 在我国l l o k v 、3 5 k v 、1 0 k v 终端变电站以及厂用6 k v 配电系统，广泛采用了 蓄电池直流电源和硅整流电容储能直流电源作为操作、控制以及保护电源。由蓄电 池组成的直流电源，可以存储很大的电能从而实现停电时长时间的直流供给，在一 些重要变电站( 如1 1 0 k v 及以上级别的变电站) 应用广泛【2 】【3 1 。然而有些末端站及用 户站，实际上并不需要停电后长时间的直流供给，只是在分、合闸操作时需要直流 电能。考虑到要保证事故分闸的可靠性使用了蓄电池式直流电源，必然带来很高的 运营成本，设备需要经常的维护保养且使用寿命很短。另外故障率也因其电池的多 节串联而增加，任何一节电池有问题，都将影响整个蓄电池组的正常工作，且废弃 蓄电池对环境带来很大危害。由于上述设备存在的问题，人们迫切希望有较好的办 法来解决，超级电容器的出现及其具备的优良性能为解决这一问题带来了希望【4 】【5 1 。 当前，超级电容器储能技术在国内还处于前沿探索阶段，因此对超级电容器储 能及应用技术开展深入的研究具有十分重要的意义，可以为解决电力系统、可再生 能源、电动汽车以及冲击性负载中出现的问题提供一个新的解决方案。 超级电容器单独储能和超级电容器与蓄电池组成混合储能系统在我国仅仅处 于理论研究与初步试用阶段，而系统的研究超级电容器直流储能单元、超级电容器 充电均压、混合储能系统模型及其实际应用设计可以为超级电容器的产业化发展打 开市场之门，意义深远。 本文的选题就是在以上背景下开展的，并基于某石油管理局2 0 0 7 年科技发展 计划一“变电站新型直流屏的研究与应用 ，课题主要进行超级电容器储能、超级 电容器与蓄电池混合储能及其在直流电源中的应用设计的一些关键技术进行研究。 1 2 直流电源介绍 直流电源中的操作直流电源是保证发电厂和变电所正常、安全运行的电源设 备，亦可以用于石化、冶金、矿山、建筑及电气化铁路等需要2 2 0 v ( 11o v ) 直流电 源的场合。 华北电力人学：i ：程硕十学位论文 在发电厂和变电所中，直流控制负荷和动力负荷对安全性、可靠性和运行稳定 性要求较高。直流控制负荷包括电气和热工系统的控制电路、信号回路、保护电路、 通信设备、自动装置、事故照明和某些执行机构等，直流动力负荷包括断路器分合 闸的操作机构，火电厂中的汽轮机润滑油泵、发电机氢密封油泵及给水润滑油泵的 直流电动机等，直流电源系统，作为变电站中不可或缺的二次设备，对发电厂和变 电站正常、安全运行乃至整个电力系统的稳定运行，都起着极为重要的作用。直流 电源系统在电力系统中兼有控制电源和保安电源的双重作用，电力操作直流电源部 分由充电模块、电池组、调压和微机监控等几部分构成。 1 3 现有直流电源系统中应用的蓄电池组及其存在的问题 1 3 1 镉镍蓄电池直流电源 直流母线输出2 2 0 v 电压时，一般由1 8 0 只蓄电池组成。蓄电池在加工生产中不 可能做到每只电池的充放电特性完全一致，虽然生产厂家在出厂时进行了匹配组 合，到了用户手中就没有多少挑选的余地。在使用中用同一个充电电源，又向同一 负荷放电，久而久之由于个别电池的特性差别越来越大，而影响整个装置的性能。 镉镍蓄电池在运行中长期处于浮充状态，充电机性能的好坏直接影响电池的寿命。 一般厂家承诺电池寿命大于l o 年，但在实际运用中往往只有3 5 年。这是因为浮充 电流如果过大，会使电解液中的水电解成氢和氧，这两种气体混合是危险的爆炸 气体，如果通风不良就有可能发生危险。过充电会使电池冒液，在电池外表及连接 片上产生墨绿色氧化物，腐蚀构件，降低绝缘，使自放电增加。过充电还会产生氧 化还原反应，在负极板上生成氧化镉，减少极板有效面积，容量减小，这就是俗称 的“记忆，效应。镉镍电池有较硬的放电特性，放电量达到8 0 时，电压下降也不 明显，因此稍有疏忽就会造成电池过放电，导致极性反转而报废。由于直流电源是 变电站设备中的重中之重，直接影响到变电站的安全运行，直流电源是日常必检项 目。 1 3 2 密封铅酸蓄电池直流电源 由于镉镍蓄电池维护量大，一种免维护密封铅酸蓄电池( 简称阀控蓄电池或 v r l a 电池) 开始得到广泛应用。因为是全密封电池，无需加水，这给维护带来很多 好处，但同时也给观测和维护带来困难。“免维护 这一名词给使用者带来认识上 的错误，导致使用者放松对蓄电的同常维护和管理。由于阀控蓄电池在我国问世只 有1 0 年左右，至今还没有特别成熟的制造、运行经验【7 】。 1 、阀控蓄电池的寿命 厂家说明书将蓄电池的寿命标注为10 年、15 年、2 0 年，是过分夸大了，因而在 2 华北电力大学j 1 ：程硕i ：学位论文 说明书上标称5 年比较合理；对于胶体蓄电池，如德国阳光、银彬等可用1o 年以上。 另外厂家说明书上标注的寿命是有前提的，要在规定的运行温度、标准的充放电方 式( 包括负载大小) 下运行，实际上这些条件只有在实验室才能达到。 2 、影响阀控蓄电池寿命的主要因素 ( 1 ) 阀控蓄电池寿命对温度十分敏感 生产厂家要求电池运行环境温度为l5 2 5 ，当环境温度超过2 5 ，每升高 l o 电池寿命就要缩短一半。例如对5 年期寿命的电池，当环境温度为3 5 时，实 际寿命只有2 5 年，如果再升高1 0 达到4 5 时，其寿命只有约1 2 5 年了。安装阀控 蓄电池的配电室，室内温度还要高，对蓄电池的运行极为不利。 ( 2 ) 过度放电 蓄电池被过度放电是影响蓄电池使用寿命的另一重要因素。这种情况主要发生 在交流停电或充电模块损坏后，蓄电池组为负载供电期间。当蓄电池被过度放电到 输出电压为零时，会导致电池内部有大量的硫酸铅被吸附到电池的阴极表面，形成 电池阴极的“硫酸盐化。由于硫酸铅本身是一种绝缘体，它的形成必将对电池的 充、放电性能产生不好的影响。因此，在阴极板上形成的硫酸盐越多，电池的内阻 越大，电池的充、放电性能就越差，其使用寿命就越短。 ( 3 ) 板栅的腐蚀 在开路状态下，铅合金与活性二氧化铅直接接触，而且共同浸在硫酸溶液中， 它们各自与溶液建立不同的平衡电极电位。正极栅板不断溶解，特别是在过充电状 态下，正极由于析氧反应，水被消耗，h 增加，从而导致正极附近酸度增高，反栅 腐蚀加速。如果电池使用不当，长期处于过充电状态，那么电池的栅板就会变薄， 容量降低，会缩短使用寿命。 ( 4 ) 长期处于浮充电状态 蓄电池大多数都处于长期的浮充电状态下，只充电，不放电，这种工作状态极 不合理。大量运行统计资料表明，这样会造成蓄电池的阳极极板钝化，使蓄电池内 阻急剧增大，实际容量远远低于其标准容量，从而导致蓄电池所能提供的实际后备 供电时间大大缩短，减少其使用寿命。 ( 5 ) 失水 蓄电池失水也是影响其使用寿命的因素之一，蓄电池失水会导致电解液比重增 加，电池栅板的腐蚀，使蓄电池的活性物质减少，从而使蓄电池的容量降低而导致 其使用寿命减小。当失水5 5 时，容量降到7 5 ；失水达到2 5 时，容量基本消 失。 目前，为了改善蓄电池的工作过程，延长其使用寿命，对系统的能量管理做了 很多的工作，如改进充放电方法；进行过充过放保护；根据多种条件判断蓄电池的 3 华北电力人学：f ：祥硕十学位论文 荷电状态，如端电压、温度、电解液密度、充放电电流等。而且，针对分布式发电 系统的特点，对蓄电池器件本身进行改进，如，优化板栅合会，加大极板厚度等， 这些措施可以有效地延长蓄电池的使用寿命，尽管如此，基于电化学反应的可充电 蓄电池在直流系统中存在着一定的局限性，很难达到预期的性能要求和技术指标， 超级电容器的出现及其具备的优良性能为解决这一问题带来了福音。 1 4 超级电容器简介 超级电容器亦称双电层电容器是近年来出现的一种新型能源器件，所以称之为 “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。 各种储能元件储存能量形式大不一样，电池以电化学能的形式储存能量。电化 学能在电池的两个极板的界面处通过电化学反应发生转化。传统物理电容由电极和 电介质构成，储存的电能来源于电荷q 在两块极板上的分离，两块极板被真空( 相 对介电常数为1 ) 或一层介电物质( 相对介电常数占) 所隔离，其储能量比较小。超 级电容器填补了电池和传统的物理电容之间的空白。由于不存在介质，系统为达到 电化学的平衡，电荷在电极和电解质的界面之间自发的分配形成阴阳离子的界面， 从而达到保存能量的目的【6 】。能获得大的比电容是因为极板为活性炭，它具有极大 的有效表面积s 。传统物理电容中所储存的能量随外加电压的升高而连续升高，直 到电介质被击穿。而电池中所储存的能量只与电池电动热成正比。可见，电池适用 于长时间低电流的供电需要，而超级电容器适用于短时间大电流的放电。 1 5 论文的主要研究内容及主要工作 全文共分五章，各章主要内容如下： 第一章：首先介绍了直流电源系统，分析了直流电源发展现状和目前存在的问 题，介绍了超级电容器，分析了超级电容器储能及其应用技术的研究意义。 第二章：本章介绍了目前直流电源系统中常用的充电模块、调压模块和监控系 统。分析了各种模块及方法的优缺点，为以后超级电容器直流电源的结构设计打下 了基础。 第三章：详细地介绍了超级电容器储能的特点，通过与蓄电池等储能系统的比 较，提出了超级电容器和蓄电池混合储能的系统方案，建立了超级电容器蓄电池混 合储能系统的数学模型，针对脉动负载，定量地分析了混合储能在峰值功率提升、 损耗降低和运行时间延长等性能上的改善情况，为混合储能系统的实际应用设计提 供了理论依据。 第四章：对超级电容器单独储能直流电源进行了设计和制作，同时对超级电容 4 华北电力人学一i ：程硕十学位论文 器一蓄电池混合储能直流电源进行了研制。在本章中，给出了系统的详细设计方案， 并给出了超级电容器充电、放电，断路器合闸操作、断路器分闸操作等实验结果。 通过这些结果可以看到，所设计的混合储能直流电源可以依靠超级电容器提供2 0 多次合闸电能和上百次的分闸能量，同时在系统断电的情况下，可以依靠少量的蓄 电池为控制和信号母线提供长达4 小时的直流电能。该装置结合了蓄电池和超级电 容器的优点，代表了未来变电站直流电源系统的发展方向。 第五章：对全文所作的工作及主要研究成果进行总结，同时提出了下一步工作 展望。 5 华北电力大学j ：稃硕士学位论文 第二章直流电源系统 目f j ，电力操作直流电源由充电模块、调压、微机监控和蓄电池组等几部分构 成，现在介绍各部分的功能及其相关技术9 】【10 1 。 2 1 充电模块 2 1 1 充电模块发展现状 充电模块是整个系统中十分重要的组成部分，正常运行时，它向蓄电池提供浮 充电流，同时向控制、信号、保护、自动装置等常规负荷供电，在蓄电池放电后， 要向蓄电池提供主充或均充电能。目前，我国电力使用直流分合闸电源大部分采用 相控、磁饱和类电源，但是相控电源存在功率因数、纹波、效率、体积等方面不足， 另外，由于充电设备与蓄电池并联运行，若纹波系数较大，会出现蓄电池脉动充电 放电，影响蓄电池的使用寿命。 高频开关电力电源系统与可控硅整流装置的技术指标比较情况如表2 1 表2 1 高频开关电力电源系统与晶闸管相控电源的技术性能比较表 技术指标内容高频开关电力电源系统晶闸管相控电源 稳压精度0 5 1 稳流精度o 5 2 纹波系数 0 0 5 2 效率 9 0 7 5 功率因数 o 9o 7 动态响应 2 0 0us4 0 m s 可靠性高低 噪音 5 0 d b6 0 d b 开机浪涌无有 系统结构模块化结构传统柜结构 系统通讯接口 r s 4 8 5r s 2 3 2 无 微机监控智能电池管理“四遥”功能无 目前，新建、改造的通信电源己全部采用开关电源，电力系统中，开关电源也 在逐步取代相控电源。 2 1 2 高频开关电源 6 华j 匕电力人学， 科硕+ 学位论文 发达国家新建电厂和变电站己基本采用高频开关电源，高频开关电源先将输入 的工频交流电经整流滤波后得到直流电压，再通过功率变换器变换成高频脉冲电 压，经高频变压器和整流滤波电路最后转换为稳定的直流输出电压。因其采用脉冲 宽度调制( p w m ) 电路来控制大功率开关器件( 功率晶体管、m o s 管、i g b t 等) 的 导通和截止时间，故可以得到很高的稳压和稳流精度及很短的动态响应时间。高频 开关电源内部还应用了软开关技术和无源功率因数校正( p f c ) 技术，所以开机浪 涌基本消除，功率因数大幅提高，、是晶闸管、磁饱和类直流电源系统的更新换代产 品。 随着电子元器件、新的变换控制技术和新的控制理论在电源系统中的应用，电 源系统的供电方式经历了集中式供电、分布式供电阶段。 传统的集中式供电系统的固有缺陷是：单台电源供电，一旦发生故障则可能导 致系统瘫痪，并导致不可估量的损失。因而在八十年代，随着高频电源技术及新型 功率器件的发展，分布式电源供电技术成为国际电力电子学的研究热点，研究内容 包括：高频化电源变换技术、高功率密度封装技术、电源单元并联技术、功率因数 校正技术以及电源模块化和电源系统智能化技术等。所谓分布式电源供电是相对于 集中式供电而言的，由相对较小的模块化电源积木式地组成大功率电源系统。模块 化电源系统完全打破了单个电源在功率上的局限，用户可以象搭积木一样根据电源 的功率需求进行组合，当某一模块发生故障，可以热更换此模块，而其他模块平均 分担该故障模块的负载，不影响整个系统的工作，以此提高系统的安全性，方便维 护，节省投资。 电源系统模块化的设计方法，可大大提高系统的灵活性，有利于降低电源系统 的体积和重量，减轻各电源模块中功率开关器件的电应力。从系统角度来讲可实现 冗余设计，提高系统可靠性。所谓冗余是指：设n + n 台变换器模块并联，其中n 台 用以供给负载所需的电流，n 台为后备( 或称为冗余) 模块，当正在工作的模块出现 故障时后备模块投人运行，这样正在工作的n 台模块中即使有n 台同时发生故障， 电源系统也仍然保证提供1 0 0 的负载电流。 电源系统可由标准化的模块组合而成，于是电源产品的种类可大大减少，便于 规范化，带来的好处是：一方面降低不同容量电源的设计成本和重复投资，另一方 面减少生产和维护费用。因此许多大功率、高可靠度的电源系统采用了模块化电源 系统。 在模块化电源系统中，各电源模块并联运行，为保证各模块间电应力和热应力 的均匀合理分配，以实现电源系统中各模块承受的电流的自动平衡均流，以及当输 人电压或负载电流发生变化时，保持各模块输出电压稳定，并有较好的均流瞬态响 应特性，需引入有效地负载分配机构或负载分配控制策略，如采用并联均流技术。 7 华北l 乜力人学l ：程硕十学位论文 2 1 3 开关电源模块并联均流技术 电源模块问实现均流的方法很多，而且根据电源系统的性能要求以及电源模块 的类型( 如d c d c 模块、d c a c 模块等) 的不同，均流措施也多种多样，一般来讲常 规的均流方法有以下几种：输出阻抗法、平均电流自动均流法、最大电流自动均流 法、热应力均流法、主从均流法、外加均流控制器、均流母线法等等。 下面对其中几种较有代表性或较为常用的均流方法作简单介绍。 1 、输出阻抗法 此法是通过调节d c d c 变换器的输出外特性倾斜度( 即输出阻抗) ，以达到并联 模块均流的目的。图2 1 表示一个d c d c 变换器的外特性( 或称为输出特性) 示意图 = ( ，。) 木尺空载时，模块的输出电压为v o m 。x 。d c d c 变换器的负载电压v 。与负载 电流i 。的关系可用下式( 1 一1 ) 表示： v 0 = v 蒜。一o ( 2 1 ) 当电流增量为i 时，负载电压增量为v ，得v i = r ，v i 代表d c d c 变换器的输出电压调整率。 + 厂_ 1 v i d c d c t 。 + 图2 1d c d c 变换器外特性 两台相同容量、具有相同参数的d c d c 变换器模块并联情况，如图2 2 所示， 其外特性方程如式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 所示。 虼 图2 2 两台并联d c d c 变换器外特性 8 ，i-； 一 寸。 、 一 、 o 一 +l圳计llil，lii川 一靠 o v 华北电力人学l ：程硕十学位论文 得到式( 2 2 ) 、( 2 3 ) ，其中r l 、r 2 分别为模块1 和模块2 的输出阻抗。 v 0 l = v o m 。一r i i 。i ( 2 2 ) v 矗= v | o m 觚一r 2 1 0 2 ( 2 3 ) 模块并联时v 。l _ v 。：= v 。，于是可得式： i 。，：业 ( 2 4 ) ” r l i m ：邋 ( 2 5 )m 一“u ， r 2 比较图2 2 中两条外特性曲线可知，模块1 外特性斜率小( 即输出阻抗小) ，分 担的电流比外特性斜率大的模块2 多。如果能设法将模块1 的外特性斜率( 即输出 阻抗) 调整得接近模块2 ，则可使这两个模块的电流分配接近均匀。 输出负载均流方法的最大优点是线路简单，而且均流时各模块间没有均流母线 的连接，各模块均流独立完成。但是，这种方法的负载调整率差，均流精度低，以 牺牲外特性换取各模块之间的均流。在小电流时均流特性较差，大电流时均流特性 较好但模块间仍存在较大的均流误差，而且降低了输出电压调整率，输出电压上升 率不同的模块间使用这种方法则较难均流。改进的下垂控制法中加入了电流补偿， 模块间均流特性和电压调整率都得到了改善，但是增加了控制部分的复杂性。 2 、自动均流法 按电流大小自动均流法包括最大电流法和平均电流法。二者的共同特点是均流 过程受闭环控制，均流性能较好。 、 ( 1 ) 最大电流法自动均流 主从均流法是指定某一模块为主模块，它的输出电流作为均流命令信号，剩余 模块作为从模块，其输出电流跟随主模块电流实现均流。这种方法的缺点是一旦主 模块故障就会使整个系统瘫痪，无法实现冗余。为此，有人提出了最大电流自动均 流法。这是一种自动设定主模块和从模块的方法，即在n 个并联的模块中，输出电 流最大的模块将自动成为主模块，而其余的模块则为从模块。最大电流作为指令电 流，各从模块根据自身电流与指令电流之间的差值调节自身的给定电压，校正负载 电流的分配不均匀，实现模块间均流。这种方法又称为自动主从控制法。由于在n 个模块并联的系统中，没有事先设定哪一个模块是主模块，而是按电流大小排序， 电流大的模块，自动成为主模块，所以这种方法又被称为民主均流法。这种方法的 均流效果较好，支持热插拔( 失效模块不会影响整个系统) ，而且有现成的均流芯片 ( u c 3 9 0 7 、u c 3 9 0 2 等) 可供使用，是目前一种较好的均流方法。 9 华北t 毡力人学l ：程硕十学位论文 ( 2 ) 平均电流自动均流法 母线式自动平均电流法在1 9 8 8 年以专利形式提出。所有模块通过一根均流母 线相互连接，每个子模块从母线上获得自身的电流参考信号，通过控制环的调节实 现均流。由于每个模块都只与均流母线发生联系，模块能够在线热插拔，从而实现 系统的增容和在线维修，这种方法不存在主模块，所以各模块的均流情况相同，都 比较好。 2 2 调压模块 电力操作电源的额定输出电压一般选为1 1 0 伏或2 2 0 伏，如果考虑蓄电池维护均 充电运行的需要，输出电压最高则可达到额定输出电压的1 1 5 ，因此电力操作电源 的输出电压较高，如对2 2 0 伏系统，最高输出电压可达到2 5 3 伏，在现有直流电源系 统中，与合闸等冲击性负载相连的母线为合闸母线，与保护和控制类负载相连的母 线为控制母线，又因为蓄电池的端电压变化范围很大，所以在电力系统中，合闸母 线直接接在蓄电池的输出端，控制母线通过调压装置间接与蓄电池相连接，以获得 比较稳定的工作电压。 2 2 1 硅链调压 传统的调压装置是硅链，其原理是在合闸母线上串入硅堆，利用硅堆压降降低 输出电压。这种调压方法简单、可靠，但是有输出电压不能连续调节( 调节电压的最 小分辨率为一节硅堆的压降) 和效率低的缺点。开关电源技术日益成熟，调压模块可 以考虑用d c d c 变换器实现输出电压的无级调节并得到较高的效率。同时，由于蓄 电池端压变化范围较宽，最高端压和最低端压分别高于或低于所需控制母线电压( 如 2 2 0 伏) 。因此希望调压装置能够升降压变换，还保持较高的效率，所以使用具有升 降压特点的d c d c 变换电路作为调压模块是十分必要的。 硅堆降压v c 黼r ? 黼。 图2 3 硅链调压装置结构图 硅链调压装置的结构见图2 3 ，实时检测控制母线电压v 砌，控制硅堆投切的数 目，利用其导通压降调节输出，使其稳定在2 2 0 伏或1 1 0 伏左右。如果v 埘在设定电压 范围之内，保持当前硅链投入情况不变，否则改变投入硅链的数目，调节控制母线 电压。最小分辨率是一节硅链的导通压降，因此输出电压是有级调节。设一节硅链 1 0 华北电力人学一啊掣硕+ 学位论文 压降为v d ，接人线路中的硅链数目为k ，输出负载恒定为r l ，不计线路中其他损耗， 可得硅链降压装置的效率为： 7 7 ：黑 以：( o ，z ) 7 7 2 以2iu ，z i 。 2 2 0 + k v d 、。 ( 2 6 ) 其中v d 为一节硅堆的压降，k 为硅链中硅堆节数，从式( 2 6 ) 可知，装置效率不 高，而且在硅链可调节电压范围内，合闸母线电压越高，效率越低。 2 2 2d c d c 变换器调压 随着电力电子技术的发展，p w m 控制的d c d c 变换器以其高效可靠的特点越来 越多地应用在调压方面。调压器模块采用高频开关电源模块并联组成，模块的输入 和输出采用完全隔离的设计，彻底杜绝了合母和控母直通现象的产生。无论合母电 压如何变化，控制母线输出电压稳定在2 2 0 v o 5 ，且具有双向降压特性：交流不 停电时，降压模块将来自合母的电压降至2 2 0 v ( 1 1 0 v ) ；如果交流停电，由于储能 模块不断的放电，当电压低于2 2 0 v ( 1 1 0 v ) 时，降压模块将来自储能模块的电压升 至2 2 0 v ( 1 1 0 v ) ，保证控制母线电压始终稳定在2 2 0 v ( 1 1 0 v ) 。 2 3 监控部分 直流电源监控部分由整流模块监控单元、配电监控单元和监控模块等组成，监 控模块与各监控单元之间通过r s 4 8 5 串行通讯接口实现主从式通讯，采用分级管理、 集中监控的思想，实现电力直流操作电源的智能化控制，电力直流操作电源方框图 如图2 4 所示。 图2 4 电力直流操作电源方框图 华北i 毡力人学f ：氍硕士学位论文 分级监控主要包括监控单元( 包括整流模块监控单元和配电监控单元) 和监控模 块，根据需要还可以增加p c 机、远程监控设备r t u 等作为上一级管理监控模块。整 流模块监控单元和配电监控单元分别负责整流模块和配电部分的监控，监控单元通 过r s 4 8 5 串行口，接受监控模块的统一管理。监控模块通过各监控单元监测电源系 统的运行参数( 如电压、电流等) 和工作状态( 正常、故障等) 信息，并根据设置进行控 制，而且能够通过近端r s 2 3 2 或r s 4 8 5 接口和远传m o d e m 端口接受来自上一级控制 系统的指令，实现遥控、遥信、遥测等功能。 2 4 本章小结 本章介绍了目前直流电源系统中常用的充电模块、调压模块和监控系统。分析 了各种模块及方法的优缺点，为以后超级电容器直流电源的结构设计打下了基础。 1 2 华北电力人学。l ：程硕： 学位论文 第三章超级电容器一蓄电池混合储能系统的研究 3 1 超级电容器储能的特点 作为新兴能量储存器件超级电容器与铅酸蓄电池及普通电解电容器相比，具有 明显的特点和优点，超级电容器、蓄电池、电解电容器典型产品的性能指标对比情 况如表3 - 1 所示。从中可以看出，超级电容器兼具蓄电池能量密度大和电解电容器 功率密度大的优点，充放电速度快，充放电效率高，循环寿命长，高低温性能好。 此外，超级电容器的材料几乎没有毒性，对环境无污染，而且在使用中无需维护 【l o 】 【l5 1 。 表3 1 超级电容器、蓄电池、电解电容器的性能比较 性能 超级电容器蓄电池电解电容器 循环寿命( 次) 1 0 0 o o o3 0 0 1 0 0 0 1 0 6 充放电效率9 0 9 5 7 0 8 5 1 充电时间1 秒数分钟 数小时 1 0 一1 0 一3 s 温度范围一4 0 7 0 。c室温一4 0 1 0 5 4 c 能量密度( 臃傀) 3 15 2 0 l o o o 1 功率密度( 尼肜堙) 1 2 5o 0 5 0 2l0 1 0 0 0 1 、循环寿命长 室温条件下，超级电容器深度充放电时的循环次数可达5 0 万次以上，作为能量 储存装置，其使用寿命与系统中的功率变换器、控制器等装置相当甚至更长，在很 多应用场合均可视为永久性器件，可以做到“一经安装，无需更换”。 2 、功率密度大 超级电容器属于物理储能器件，其充放电过程实质上就是导电离子在电极上的 吸附和脱附过程，电极材料巨大的表面积使得这一过程几乎没有任何障碍，因而其 充放电过程理论上不受限制，具有很大的功率密度，约为铅酸蓄电池的2 0 倍。大功 率输出和输入能力很强。例如，当环境温度为2 5 时，容量为2 4 0 0 f 的某型超级电 容器的额定放电电流不低于4 6 8 安，而放电电流峰值则高达19 2 0 安。采用超级电容 器储能，在各种需要短时大功率充放电和负载功率脉动等应用场合中具有很好的适 应性，能够以较小的容量实现较大的功率输出。 3 、充放电速率快 1 3 华北l 乜力人学一1 ：科硕+ 学位论文 超级电容器可以等效为一个等效串联内阻与理想电容器的阻容结构，由于等效 串联内阻很小，因而超级电容器的充放电时间常数很小，可以允许以很大的速率充 放电。超级电容器可以在数十秒或数分钟的时间内完成快速充电或放电。蓄电池在 充放电过程中会受到参与电化学反应的离子扩散速度的限制，因而充放电速率慢。 4 、充放电效率高 超级电容器的等效串联内阻很小，在充放电过程中的能量损耗小，因而具有很 高的充放电效率。在包括功率变换器能量损耗的情况下，超级电容器的充放电周期 损耗约为1 0 ，其充放电周期效率可以达到9 0 以上，而蓄电池充放电周期损耗可 达2 0 3 0 。 5 、高低温性能好 超级电容器在能量的交换过程中不发生电化学反应，因而与可充电蓄电池相 比，对环境温度的依赖性大为减弱，具有良好的高低温性能。超级电容器能够在 一4 0 7 0 。c 温度范围内正常工作，而不会发生明显的性能降低，对温度环境要求宽 松，而蓄电池则需要满足苛刻的环境温度。 6 、能量管理简单准确 超级电容器的储能量与端电压之间具有确定的关系，即，e = o 5 c u 2 。因而对 荷电状态( s o c ) 的判断简单而准确，只需检测端电压，就可以准确确定所储存的 能量，方便了系统的能量管理。 7 、环境友好 双电层超级电容器使用的材料安全、无毒、环保。电极材料主要由碳组成，不 含铅、镉等重金属，不会对环境带来污染，也不会对生产或使用人员造成伤害。此 外，超级电容器属于静止储能器件，没有转动的机械部分，在使用中安全可靠，不 会给环境带来噪声污染。 当然，超级电容器也存在着较明显的不足之处，如能量密度比较低，端电压波 动范围大等，不适用于长时间放电和大容量的电力储能场合，另外，目前超级电容 器的生产成本还比较高。 3 2 超级电容器一蓄电池混合储能方案的提出 驱动脉动负载时，要求电源具有较高的功率输出能力。蓄电池由于技术成熟、 性能可靠，被广泛使用。由于蓄电池在能量的存储和释放过程中要发生电化学反应， 并受到参与反应的离子扩散速度的影响，蓄电池的大功率输出和输入能力不足。如 果采用蓄电池作为脉动负载的主电源或备用电源，需要配置很大的容量才能满足负 载的峰值功率需求，造成了较大的容量浪费，并导致蓄电池组过于庞大笨重。在变 电站直流电源中，给一个不经常使用的电磁操作机构配备足够容量的2 2 0 v 的蓄电 1 4 华北电力人学i ：群硕十学位论文 池组，很大程度上增加了成本和维护和保养的工作量。 此外，当驱动大功率脉动负载时，蓄电池的内部损耗和发热量大，端电压会出 现较大的跌落，严重的甚至会造成蓄电池过早地发生过放电损坏而停止供电，给用 电设备带来不便甚至造成更大的经济损失。 2 2 0 2 1 0 1 9 0 1 8 0 。 r 。一一一一一卜一一一一一r 一一一一一r 一一一一一一一一一一一r 一一一一一f 一一一一一一 l i 一一一一一l 一一一一一l 一一一一一 i 一一一一一r 一一一一一广一一一一一r 一一一一一一一一一一r 一一一一一r 一一一一一+ 、i 1 0o 0 5o 10 1 50 2 0 2 50 3o 3 5 t ，s 图3 1 变电站直流电源在电磁操作机构工作时电池组电压波形仿真图 图3 1 为变电站直流电源给c d l 0 i i 型电磁操作机构供电时，蓄电池端电压波 形仿真图，从图中我们不难看出，在通电后极短时间内，蓄电池端电