（电力电子与电力传动专业论文）电梯系统中超级电容储能的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w h e na ne l e v a t o rm o v i n g ，t h ep o w e ri n p u tc o n s t a n t l yc h a n g i n g 。s oi t h a v eg r e a tp o t e n t i a l i t i e so ne n e r g yr e c o v e r ya n dc o n s e r v a t i o n 。t h em a j o r o b j e c t i v eo ft h i sp a p e r i st oe x p l o r et h ec a p a c i t yn e e d so f s u p e r c a p a c i t o r i n e n e r g ys t o r a g es y s t e m a s s o c i a t e dw it ht h e c h a r a c t e r i s t i c so fe l e v a t o r ，a n dt h eb i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e rc a n b eu s e di nt h es y s t e m t h ep a p e ra n a l y z e dt h ec h a n g i n go fe n e r g ys t a t u sw h e na ne l e v a t o r m o v i n gb a s e do nr e s e a r c h i n go ft h es t r u c t u r ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f e l e v a t o r a c c o r d i n gt ot h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep o w e ro f t h e b i d i r e c t i o n a lr e c t i f i e ri nf r o n ta n dt h ec a p a c i t yn e e d so f s u p e r c a p a c i t o r ， r e a c h e dt h ec a l c u l a t em e t h o do ft h ec a p a c i t yn e e d so f s u p e r - c a p a c i t o ra n dt h e ng i v e sas i m p l ea n de f f e c t i v ep r o g r a mo fe n e r g y m a n a g e m e n tt or e d u c et h ec a p a c i t yn e e d s t h isp a p e ra ls oc o m p a r e dt h ea d v a n t a g e sa n dd is a d v a n t a g e so f d i f f e r e n tb i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e rt o p o l o g y c o n s i d e r i n gt h eu s a g e i nt h ee l e v a t o rs y s t e m ，c o m et oac o n c l u s i o nt h a tt h eb u c k b o o s t b i d i r e c t i o n a lc o n v e r t e rw i11b et h eb e t t e rc h o i c e a tl a s t ，ab i - d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e rb a s e do nd s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) w a sd e s i g n e d ，w i t ht h ef u n c t i o n so fc h a r g i n gs u p e r c a p a c i t o r w i t hc o n s t a n tc u r r e n t o rc o n s t a n t v o l t a g e a n dd i s c h a r g i n g s u p e r c a p a c i t o r w i t hc o n s t a n tc u r r e n tt od cb u s k e y w o r d s ：s u p e r c a p a c i t o r ，e n e r g ys t o r a g e ，c a p a c i t o rc a p a c i t y ， b i d i r e c t i o n a l ，d cc o n v e r t e r ，d i g i t a lc o n t r o l 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 节能电梯发展及市场前景 电梯作为一种特殊的交通工具，已在现代城市生活中得到广泛使用。随着城 市化建设进一步加强，作为高层建筑的垂直运输工具，电梯的数量正在以飞快的 速度增长。 电梯在给人们的生活带来巨大方便的同时，也带来了相当大的负面影响，最 主要的就是能耗问题。在现代高层建筑中电梯已经成为仅次于空调的第二能耗大 户，节能问题迫在眉睫。电梯在减速制动或者像重力势能减小方向运行时，电梯 消耗的功率为负值。以往的电梯采用机械制动的方法，将这部分能量以热的形式 散发掉，这不但造成了极大的浪费，而且多余的热量会使机房温度升高，增加散 热的负担和成本。 从理论上考虑，在加速过程中输送给电梯的动能，在减速制动时会完全反馈 回来，而考虑到一般情况下，电梯带载向上运行以及向下运行的概率分布基本趋 于平衡，因此势能的变化从整体上来看应该为零，也就是说电梯在理论上有可能 不耗电。实际中，如果我们能够回收多余的动能以及势能，电梯系统真正消耗的 能量就只限于电能变换中的损耗和机械损耗，其中主要包括变频器，曳引电机， 以及曳引系统的机械损耗。从这个角度来看，电梯节能的潜力巨大。 1 2 超级电容储能技术的研究以及应用情况 1 2 1 国内外的研究状况 1 9 5 7 年超级电容器在美国取得专利。1 9 8 5 年日本n e e 公司率先实现了产业 化，推出了百法级的超级电容器产品，并于1 9 9 1 年研制出了1 0 0 0 f 5 5 v 、储能 约6 k j 的活性炭双电层电容器，单体器件的工作电压约为0 9 v ，6 个单体器件串 联组成一个5 5 v 电容器。此后，超级电容器技术快速发展，m a x w e l l 、e p c o s 、 n e s s 等公司，都生产容量从几法拉至数千法拉的超级电容器系列产品。目前， s 浙江大学硕士学位论文 超级电容器的基础研究己经非常成熟，包括电极活性物质的制备、电极成型、电 解液的研究等。对于液体电解质双层电容器的研究成为主要方向，而在电极材料 方面的研究方向主要包括活性炭、活性炭纤维、碳气凝胶、碳纳米管k 一刮等。 随着纳米碳材料和电极制作工艺的不断进步，超级电容器的各项性能不断提 高，尤其是能量密度方面。目前，m a x w e l l 公司生产的超级电容器产品已经能达 到功率密度5 7 2 k w k g ，能量密度1 7 2 w h k g 。n e s s 公司的产品，能量密度也已 达到了5 6 9 w h k g ( 2 0 0 6 年) 。能量密度的提高，为超级电容器的大容量电力储 能应用奠定了基础。 我国的超级电容器研制工作起步较晚，始于从2 0 世纪8 0 年代。近年来，清 华大学、上海交通大学、北京科技大学、哈尔滨工程大学、中科院电工研究所、 解放军防化研究院、成都电子科技大学等，都开展了超级电容器的基础研究和器 件研制。其中，成都电子科技大学研制的基于碳纳米管一聚苯胺纳米复合物超级 电容器，能量密度达到了6 9 7 w h k g ，并具有良好的功率特性。”。 在产业化方面，大庆华隆电子有限公司是首家实现超级电容器产业化的公 司，其产品包括3 5 v 、5 5 v 、l l v 等系列旧1 。北京金正平、石家庄高达、北京集 星、江苏双登和上海奥威等公司都开展了超级电容器的批量生产，并已在诸多 领域中得到了一定的应用。我国在超级电容器基础技术上的研究，以及产业化的 形成，为开展超级电容器储能系统的研究和应用，奠定了良好的技术基础和物质 条件。表1 1 是从互联网上所得三种型号超级电容器的基本数据和价格，额定电 压均为2 7 v ，最大3 o v 。表中数据将用于第四章中的收益成本分析。另外，价 格大致在o 1 5 r m b f 左右，相对于2 0 0 6 年的0 2 0 r m b f 有较大下降，且表中数 据为零售价，若要大量应用，仍然有较大下降空间。 6 浙江大学硕士学位论文 表1 1 几种超级电容参数及市场价格( 2 0 0 8 年) 容量( f )5 0 0 02 4 0 01 2 0 0 容量误差 - 1 0 2 0 - 1 0 2 0 一l o 、2 0 额定电流( a )8 0 0 ( 最大2 0 0 0 )4 6 8 ( 最大1 1 0 0 )2 3 5 ( 最大5 5 0 ) 能量体积比( w h l ) 5 25 25 6 功率体积比( k w l ) 4 94 95 3 直流内阻( 朋q )0 5o 8 1 6 体积( m l )9 1 04 6 52 1 6 质量( g ) 9 9 05 0 02 4 0 循环寿命( 2 5 。c ) 5 0 0 0 0 0 次5 0 0 0 0 0 次5 0 0 0 0 0 次 零售价格( r m b ) 6 5 03 0 02 0 0 1 2 2 关于超级电容应用的研究状况 超级电容器作为产品己趋于成熟，近年来随着生产技术不断进步，其价格也 不断降低，应用范围不断地拓展，总的来说主要有如下几个大的应用领域： 1 ) 小功耗电子设备的备用电源 在一些小功耗的电子设备和各种消费类电子产品中，超级电容器可以取代蓄 电池，成为主电源或热备用电源。如，各种电动玩具、自动防故障装置、存储器、 微处理器、系统主板、时钟等。 2 ) 电动汽车及混合动力汽车 超级电容器可以作为电动汽车的唯一动力源9 j ，或者与可充电蓄电池、燃 料电池、飞轮等储能装置或发电设备混合使用，驱动电动汽车或混合动力汽车。 由于功率密度大，超级电容器能够在汽车启动、加速、爬坡等过程中提供所需的 峰值功率，满足电机的峰值功率需求，并在刹车时将回馈的能量储存起来。这样， 可以大幅度减小对蓄电池等储能装置的功率需求，节约了空间，减轻了重量；还 可以增加汽车的一次充电运行距离，提高新型动力汽车的可行性和实用性。 3 ) 变频驱动系统的能量缓冲器 超级电容器与功率变换器构成能量缓冲器，可以用于电梯等变频驱动系统。 当电梯加速上升时，能量缓冲器向驱动系统中的直流母线供电，提供电机所需的 峰值功率；并在电梯减速下降过程中，吸收电机通过变频器向直流母线回馈的能 7 浙江大学硕士学位论文 量。一些特殊配电网如无轨电车用配电网，由于电压等级较低，更容易受到电压 跌落的影响。由超级电容器构成的能量缓冲器，可以在配电网负荷加重时，向电 机提供启动所需的冲击电流，以减小对配电网的功率需求，避免过大的电压跌落， 影响其它设备的正常工作1 。 4 ) 电网的电力调峰和电能质量改善 以超级电容器作为电力储能装置，可以用于电网或配电网的电力调峰。在夜 间负荷较小时将电力储存在超级电容器中，并在白天用电高峰期释放出来，以减 小电网的峰谷差，提高容量利用率。 超级电容器还可以用于电网或配电网的动态电压补偿( d v r ) 系统，以改善 电能质量。当电网或配电网出现电压跌落、闪变和间断等电能质量问题时，超级 电容器通过逆变器释放能量，及时输出补偿功率并维持一定的时间，以保证电网 或配电网的电压稳定，使敏感用户设备正常、不间断地运行。而且，超级电容器 通过功率变换器，还可以对配电网进行无功功率补偿、谐波电流消减。容量较大 的甚至还可以作为重要负载的u p s 。 5 ) 可再生能源发电系统分布式电力系统 在可再生能源发电或分布式电力系统中，发电设备的输出功率具有不稳定性 和不可预测性的特点。采用超级电容器储能，以充分发挥其功率密度大、循环寿 命长、储能效率高、无需维护等优点，可以单独储能，可以与其它储能装置混合 储能n 町。 超级电容器储能与太阳能电池相结合，可以应用于路灯、交通警示牌、交通 标志灯。，以及阴极保护设备等。超级电容器作为储能装置，应用于独立光伏、 风力发电、燃料电池等分布式发电系统，可以对系统起到瞬时功率补偿的作用， 并可以在发电中断时作为备用电源，以提高供电的稳定性和可靠性别。 1 2 3 超级电容器储能的优点 作为新兴能量储存器件，超级电容器与蓄电池及普通电解电容器相比，具有 明显的优点，表1 2 所示为超级电容器、铅酸蓄电池、普通电解电容器典型产品 8 浙江大学硕士学位论文 的性能指标对比1 ，引。可以看出，超级电容器兼具蓄电池能量密度大和普通电 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，环境友好，而且在使用中无需维 护。 表1 2 普通电解电容，超级电容，蓄电池性能比较 性能 电解电容器铅酸蓄电池 超级电容器 循环寿命( 次) 5 0 0 - 2 0 0 0 5 0 0 0 0 0 充放电效率 1 7 0 一9 0 9 0 9 7 充电时间1 0 。6 1 0 。3 s小时级 秒级 温度范围- 4 0 1 2 5o c接近室温 一4 0 7 0o c 能量密度( w h 堙) 0 21 0 - 1 0 0 2 0 功率密度( k w i 姆) 1 0 00 1 - 0 52 一1 0 1 ) 循环寿命长 室温条件下，超级电容器深度充放电时的充放电循环次数可达5 0 万次以 上吲，或可以工作9 0 0 0 0 小时。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，这 个特点在本文的应用中尤其重要。 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n 0 3 ，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 c 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6 4 8 a ，而放电电流峰值则高达1 8 0 0 a 以上。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。 9 浙江大学硕士学位论文 3 ) 充放电速率快 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串联结构，由于等 效串联内阻很小，因而超级电容器的充放电时问常数很小，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，其充放电周期效率可以达到9 8 以上，有些甚至达到9 9 以 上9 ，1 1 13 | 。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 耗低于1 0 ，蓄电池则为2 0 一3 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 温度范围内j 下常工作，而不会发生明显的性能降低。 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：w = l ，、c u 2 。因而 么 对剩余能量的判断简单而准确，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，尤其是应用于长期的、大容 量的电力储能场合。从目前的产品情况来看，主要存在以下的不足之处。 1 ) 能量密度较低 超级电容器的能量密度与蓄电池相比偏低，大约是铅酸蓄电池的3 0 。在相 1 0 浙江大学硕士学位论文 同的能量需求条件下，其体积重量比蓄电池组大得多，应用范围受到制约，还不 适宜于大容量的电力储能。 但近些年来由于技术的不断进步，其能量密度提高很快，有些研究起步较早 的国家，如r 本等国，已经研制出了能量密度达到蓄电池水平的超级电容器。 2 ) 端电压波动范围大 超级电容器的端电压随着储能量的变化波动较大，在充放电过程中会不断地 上升或下降，但负载在工作过程中一般要求端电压稳定，从而需要在超级电容器 与负载之间配置一个电压转换器，以达到稳压的目的。电压转换器的使用，造成 了系统的结构复杂、成本上升和能量转化效率下降。 3 ) 串联均压问题 超级电容器的单体电压很低、存储能量较少，一般需要进行串并联组合才能 达到要求的电压等级和储能容量。由于电容量和等效并联内阻等器件参数的差 异，导致串联单体电容电压在工作过程中的不一致15 j 。导致一部分单体电容 电压过低，容量不能被充分利用，而一部分的电压过高，内部电解液发生分解而 失效。因此，需要进行串联均压处理1 4 1 引，以提高电容器的容量利用率和安全 性。但增加了系统的复杂程度，并造成了一定的能量损耗。 此外，目前超级电容器的价格较贵，大容量电力储能的成本很高。但主要原 因不是材料和工艺问题，而是产业化程度问题。从近年来价格变化趋势可以预见， 在不远的将来，随着超级电容器应用范围的扩展和产业化进程的加快，其成本会 进一步降低，达到合理化的程度和具有较强市场竞争力的水平。 1 3 双向d o d o 变换器 d o d o 变换器是将一种直流电变换为另一种形式直流电的技术，通常d c d c 变换器都是单向工作的。然而在许多应用场合，诸如对二次电源充放电过程，通 过d c d c 变换器的能量需要能够双向流动。如蓄电池或超级电容充电，能量从电 网流向电池或电容。放电时则正好相反，在这些场合应用的d c d c 变换器是双向 d c d c 变换器。1 7 1 l l 浙江大学硕士学位论文 1 3 1 双向d c d c 变换器的发展和研究现状 由于双向d c d c 变换器在储能等方面具有广泛的应用前景，近些年来，有不 少研究机构都对此进行了研究。例如美国国家电力电子系统中心研究用于燃料电 池车的双向d c d c 变换器，使用全桥拓扑和模拟控制技术，功率1 6 k w 8 19 z o 。 文 2 1 ，2 2 ，2 3 为日本学者在u p s 和太阳能方面所作的研究。国内目前进行相关 的研究主要有香港理工大学、浙江大学以及中国科学院电工研究所等机构。文 2 4 ，2 5 ，2 6 是浙江大学研制的一种p w m 加相移控制的双向d c d c 变换器，1 5 k w 功率时效率达到9 0 。 目前国内外的研究工作在具体应用方面多为混合动力，u p s ，太阳能、风能 发电等方面，而用于电梯节能系统的应用较少出现。 1 3 2 双向d c d c 变换器的应用领域 一般来说，凡是类似蓄电池或者超级电容这样的储能装胃，在具体应用的时 候一般都要加上双向d c d c 变换器。前面1 2 2 小节提到的各种超级电容器的应 用领域都要用到双向d c d c 变换器。 另外还有其他的储能装置，例如飞轮储能系统，超导储能系统等。以及大功 率应急后备电源、u p s 系统、移动电源等等诸多方面都有应用。 1 4 本文选题依据和主要工作 1 4 1 选题依据 电梯负载的特点是启动时因加速度而需要较大的力矩但功率并不大，随速度 上升，功率会逐渐上升到一个峰值。在电梯进入平稳运行阶段时，当电梯总负载 是负重提升的情况，需要输入平稳的功率；反之当电梯总负载是负重下降时，还 会p j 夕i 释放势能。从概率上讲，向上和向下运行的概率大致相当，动能最终会完 全回馈，最终只有电能和机械能的效率损耗。因此，电梯系统的负载特点是：功 浙江大学硕士学位论文 率在大范围内波动，而平均值并不大。 在大多数常规电梯控制系统中，当电梯减速或释放势能时，采用电阻负载消 耗动能。比较先进的能量回收电梯，采用电能回馈技术，电梯机械能由永磁电机 转成电能、通过双向p w m 整流电路直接回馈到电网。 由于电梯运行时的功率变化幅度很大，因而会对电网造成较大冲击，尤其是 能量回馈时，对用户配电系统造成较大扰动，危害电力系统安全运行。另外，由 永磁电机发出的电能经过变频驱动电路处理已经是直流电，该电能通过p w m 双向 整流电路转换为交流电送电网，通常认为其效率不如以直流电形式直接储存。 综上所述，在整流器与逆变器之间的直流母线上加挂一个带有双向d c d c 电路的超级电容储能装置，既可以高效率的吸收回馈能量、达到节能目的，又可 以平衡功率、减少对电网的冲击。 另外，虽然近些年来超级电容器的价格有较大幅度的下降，但是相对于传统 的蓄电池的储能方法，价格仍然较高。研究电梯运行的特点，设计一套合理高效 的超级电容器能量管理方案，对于以较少的容量配置实现节能目标，进而最大限 度的节约成本是十分有意义的。 1 4 2 本文主要工作 本文研究了电梯系统的运行过程，并以此为依据，详细分析了电梯运行当中 功率、能量的变化特点。给出了一种简单有效的能量管理方法，在达到同等作用 的情况下，减少了超级电容的容量。并在此基础上，对于不同要求下，用于储能 的超级电容器的最小容量进行了计算。 另外，还为超级电容储能装置设计了配套的双向d c d c 变换器，实现了多种 控制方式，在小功率下满足了超级电容储能装置运行的需要。 本文主要研究超级电容储能装置在馈能电梯系统当中的应用，主要工作分为 两部分，其一是为超级电容储能装置设计双向d c d c 变换器，另一个是超级电容 的能量管理方案的选择以及容量的计算，其中后一部分，既有关超级电容相关参 数的设置，尤其是容量的选择，是研究的重点。全文共分为五章，主要内容如下： 第一章主要介绍了超级电容器目前的研究现状，以及其在各种领域中的应用 情况，对比了超级电容器在用于储能时相比于其他储能装置的优缺点，主要对比 浙江大学硕士学位论文 了其与蓄电池的区别。之后对双向d c d c 变换器进行罩简单的介绍，最后对全文 的基本结构进行了说明。 第二章主要介绍了各种双向d c d c 变换器的拓扑结构以及各自的优势，并在 比较这些电路拓扑之后选定了b u c k b o o s t 型双向变换器作为主电路拓扑，重点 分析了这种电路拓扑的二极管反向恢复问题以及初步解决方案。 第三章主要介绍了双向d c d c 变换器硬件电路及其数字控制的设计。前半部 分分析了所用半导体器件的容量选择，随后给出了辅助电源的设计方法，驱动电 路以及信号采样电路的结构和功能要求。后半部分为数字控制部分的设计。首先 建立了双向d c d c 变换器的数学模型，随后介绍了控制方式的软件实现方法，其 中包括d s p 芯片内部资源情况，p w m 信号的生成方式，采样时间的安排，软件流 程的设计，p i 控制的实现等。 第四章重点介绍了超级电容器容量的计算方法，以及有效的能量管理方案。 首先对电梯的基本结构进行了说明，并给出了将动能与势能分别计算的方法，以 及功率曲线。为了方便计算，对功率曲线采取了近似，并对两种近似方法作了比 较。在近似功率曲线的基础上，对超级电容器容量进行了具体计算，得出了超级 电容器容量与整流器功率的关系。最后根据这个关系曲线的特点，给出了超级电 容器容量以及整流器功率设置的简单参考原则。 第五章为仿真及实验的波形，给出了恒电流充电模式到恒电压充电模式转换 的仿真波形，以及分段恒流充电，恒压充电以及恒流放电的实验波形。 1 4 浙江大学硕士学位论文 参考文献 1 钟海云，李荐，戴饱阳等新型能源器件超级电容器发展最新动态电源技术， o c t 2 0 0 1 ，2 5 ( 5 ) ：3 6 7 3 7 0 2 马f ：志，魏秉庆，徐才录等应用丁超级电容器的碳纳米管电极的几个特点清华大学学 报( 自然科学版) ，2 0 0 0 ，4 0 ( 8 ) ：7 一1 0 3 马f i ：志，魏乘庆，徐才录等基下碳纳米管的超级电容器中国科学( e 辑) ，2 0 0 0 ，3 0 ( 2 ) ：1 1 2 - 1 1 6 4 邓梅根，杨邦朝，胡永达基丁碳纳米管一聚苯胺纳米复合物的超级电容器研究化学学 报，2 0 0 5 ，6 3 ( 1 2 ) ：1 1 2 7 - 1 1 3 0 5 邓梅根，杨邦朝，胡永达基于碳纳米管一聚苯胺纳米复合物的超级电容器研究化学学 报，2 0 0 5 ，6 3 ( 1 2 ) ：1 1 2 7 一1 1 3 0 6 钟海云，李荐，戴艳阳等新型能源器件超级电容器研究发展最新动态电源技术， o c t 2 0 0 1 ，2 5 ( 5 ) ：3 6 7 3 7 0 7 国产超级电容器己进入实用化阶段电池= 【：业，第9 卷第6 期，1 2 ，2 0 0 4 ：3 3 1 8 n g u y e nbd p e r f o r m a n c eo fs u p e r c a p a cit o r sa se n e r g ys t o r a g ea lt e r n a tiv e s p h d d i s s e r t a t i o n d e p a r t m e n to fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n gc a li f o r n i as t a t eu n i v e r s i t y ， l o n gb e a c h ，m a y2 0 0 3 9 c e g n a rej ，h e s shl ，j o h n s o nbk ap u r e l yu l t r a 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 h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e su t i l i z i n gab a s e dd c d cb o o s tc o n v e r t e r a p p l i e dp o w e r e l e c t r o n i c sc o n f e r e n c ea n de x p o s i t i o n 。2 0 0 4 n i n e t e e n t ha n n u a li e e e ，2 0 0 4 ，2 ： 1 1 6 0 一1 1 6 4 1 0 韦文生，梁吉，徐才录等碳纳米管超大容量电容器在光伏系统中的应用太阳能学报， 2 0 0 2 ，2 3 ( 2 ) ：2 2 3 2 2 6 1 1 新山信一郎，中村宏一等采用新型电力储能装置e c s 的p v - e c s 系统的开发日本电气 学会论文志b ，1 2 0 ( 2 ) ：2 6 4 2 7 0 1 2 3b a r k e rp u lt r a c a p a cit o r sf o ru s ei np o w e rq u a l it ya n dd is t r i b u t e dr e s o u r c e a p p li c a t i o n s p o w e re n g i n e e r i n gs o c i e t ys u m m e rm e e t i n gi e e e 。2 1 2 5j u l y2 0 0 2 ，i t 31 6 3 2 0 1 3 唐西胜，齐智平基于超级电容器储能的独立光伏系统研究太阳能学报，2 0 0 6 ，2 7 ( 1 1 ) 1 4 l i n z e nd ，b u l l e rs ，k a r d e nee ta 1 a n a l y s i sa n de v a l u a t i o no fc h a r g e b a l a n c i n g l s 浙江大学硕士学位论文 c i r c u i t so np e r f o r m a n c e ，r e l i a b i l i t y ，a n dl i f e t i m eo fs u p e rc a p a c i t o rs y s t e m s i e e e t r a n so ni n d u s t r ya p p l i c a t i o n s 。s e p t - o c t2 0 0 5 ，4 1 ( 5 ) ：1 1 3 5 一1 1 4 1 1 5 孟丽囡，陈永真，宁武超级电容器串联应用 j 辽宁工学院学报，f e b2 0 0 5 ，2 5 ( 1 ) ： 1 - 2 1 6 b a r r a d ep ，p i t t e ts ，r u f e ra e n e r g ys t o r a g es y s t e mu s i n gs e r i e sc o n n e c t i o no f s u p e rc a p a c i t o r s ，w i t ha na c t i v ed e v i c ef o re q u a li z i n gt h ev o l t a g e s e p f l ，s w i s s f e d e r a li n s tt e c h n o l ，l a u s a n n e ，s w i t z e r l a n d ，2 0 0 0 1 7 许海平大功率双向d c d c 变换器拓扑结构及其分析理论研究，中国科学院博十学位论 文，2 0 0 5 1 8 w a n gk ，l i nc y q ud ，l e ef c l a ij s b i d i r e c t i o n a ld ct od cc o n v e r t e r s f o rf u e lc e l1 s y s t e m s i e e e1 9 9 8 ：4 7 5 1 p o w e re l e c t r o n i c si n t r a n s p o r t a t i o n ，1 9 9 8 ，p a g e ( s ) ：4 7 5 1 1 9 k u n r o n gw a n g ，l e ef c ，l a ij o p e r a t i o np r i n c i p l e s o fb i d i r e c t i o n a l f u l l - b r i d g e d c d cc o n v e r t e rw i t hu n i f i e ds o f t s w i t c h i n gs c h e m e a n d s o f t s t a r t i n gc a p a b i l i t y ，a p p l i e dp o w e re l e c t r o n i c sc o n f e r e n c ea n de x p o s i t i o n ， a p e c2 0 0 0 v o l u m e1 p p 1 1 1 1 1 8 2 0 k u n r o n gw a n g ，l i z h iz h u ，d a y uq u ，o d e n d a a lh l a ij l e ef c d e s i g n ， i m p l e m e n t a t i o n ，a n de x p e r i m e n t a lr e s u l t so fb i d i r e c t i o n a lf u l l b r i d g ed c d c c o n v e r t e rw i t hu n i f i e ds o f t s w i t c h i n gs c h e m ea n ds o f t s t a r t i n gc a p a b i l i t y p e s c0 0 2 0 0 0 ，v o l u m e2 ，p a g e ( s ) ：1 0 5 8 1 0 6 3 2 1 h i r a c h ik ，y a m a n a k am ，t a k a d at n a k a o k am ，f e a s i b l ed e v e l o p m e n t so f u t i l i t y - i n t e r a c t i v e m u l t i f u n c t i o n a lb i d i r e c t i o n a lc o n v e r t e rf o rs o l a r p h o t o v o l t a i cg e n e r a t i n gs y s t e mi n c o r p o r a t i n gs t o r a g e b a t t e r i e s p o w e r e l e c t r o n i c ss p e c i a li s t sc o n f e r e n c e ，p e s c 9 5 ，v 0 1 1 ，p p 5 3 6 5 4 1 2 2 d o i s h i t ak ，h a s h i w a k im ，a o k it ，k a w a g o ey ，m u r a k a m in h i g h l yr e l i a b l e u n i t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l yu s i n g ab i d i r e c t i o n a lc o n v e r t e r t e l e c o m m u n i c a t i o n se n e r g yc o n f e r e n c e 。i n t e l e c 9 9 p a g e ( s ) ：5p p 1 卜3 2 3 h i r a c h ik 。k a j i y a m a 九，m i it ，n a k a o k am c o s t e f f e c t i v eb i d i r e c t i o n a l c h o p p e r - b a s e db a t t e r y li n ku p sw i t hc o m m o ni n p u t o u t p u tb u sl i n ea n di t s c o n t r o ls c h e m e i e e ei e c o n1 9 9 6 v o l u m e3 ，p p 1 6 8 1 1 6 8 6 2 4 赵川红，徐德鸿，范海峰，陈刚 p 删加相移控制的双向d c d c 变换器中国电机工 程学报，第2 3 卷第1 0 期7 2 7 7 2 5 赵川红，范海峰，徐德鸿相移控制双向变换器能量传输电感的优化设计电力电子技 术，第3 7 卷第5 期，3 3 - 3 8 2 6 赵川红，范海峰，徐德鸿双向d c d c 变换器的改进相移控制设计电力电子技术， 第3 7 卷第3 期，1 2 3 0 1 6 浙江大学硕士学位论文 第二章双向d c d c 电路拓扑结构及方案选择 对于本文所研究的超级电容储能系统，由于超级电容器在储能值变化时，端 电压也相应在一个较宽的范围内变化，而直流母线上的电压相对固定，因此需要 加入一个双向d c d c 变换器，以保证直流母线与超级电容器之问能量传递的稳定 和通畅。这个双向d c d c 电路主要有下面几个要求，其一是能够在输入( 输出) 电压大范围变动时，依然可以稳定的工作。由于对超级电容器充电的过程有一定 的复杂性，电路需要能够工作于多种方式。由于系统的作用是回收过去浪费的能 量，因此希望效率要尽可能的高，否则相对于直接将能量反馈回电网的方式，将 难以体现出优势；另外，不希望为此付出过高的代价，否则回收能量不足以收回 成本，这实际上是将节约的能量以另外一种形式浪费掉，得不偿失。 本章的主要任务是通过对各种双向d c d c 电路拓扑的比较，在充分考虑各种 要求的基础上，选择合适的主电路拓扑结构，并根据主电路结构确定了相应的控 制方案。 2 1 各种双向d c d c 变换器拓扑结构 就目前电力电子的研究成果来看，双向d c d c 变换器的拓扑结构大致可以分 为有隔离变压器的隔离型变换器和基本的非隔离型变换器两大类。下面将分别给 予介绍。 2 1 1 非隔离型双向d c d c 变换器拓扑结构 非隔离型双向d c d c 变换器的拓扑结构主要由单向d c d c 拓扑结构改进而 来，典型的非隔离型单向d c d c 变换器拓扑结构有：b u c k ，b o o s t ，b u c k b o o s t ， c u k ，s e p i c ，z e t a 等六种。它们都可以改进成双向d c d c 结构，如图2 1 所示。 1 7 浙江大学硕士学位论文 ( a ) b u c k 广- ，一rt r 一， ( c ) b o o s t 汀! !， o ) s e p i c l i 厂 ( b ) b u c k b o o s t 厂一。ti 【。1。，j ( d ) b o o s t b u c k ( k ) z e t a( i ) z e t a i s e p i c 图2 1 几种典型的单向d c d c 变换器以及它们对应的双向变换器 从图中我们可以看到，这几种比较常见的单向d c d c 变换器如果将二极管改 成开关，并在开关上反并联二极管，它们都可以改进成双向d c d c 变换器。另外， 在基本的b u c k ，b o o s t 等d c d c 单元的基础上进行级联或者并联，也能够形成新 的双向d c d c 变换器，上面提到的c u k ，z e t a ，s e p i c 等就是这样产生的。图2 2 是常用的级联型以及并联型b u c k b 0 0 s t 双向电路。 1 8 浙江大学硕士学位论文 l ! n r r l l 五_ 五 一一叫一? 一l 。l j 。一。一 - 五 乙 ( a ) 级联型b u c k b o o s t 双向变换器( b ) 并联型b u c k b o o s t 双向变换器 图2 2 级联型和并联型b u c k b 0 0 s t 双向变换器 图2 2 a 所示是级联的拓扑结构，相比于简单的b u c k b o o s t 型双向变换器， 在增加功率管的同时降低了电感和电容上的电气应力。图2 2 b 是并联型结构， 在相同纹波下电感可以取较小值，平均电流也减半，有利于减少重量体积，简化 电感的设计，在大功率条件下是比较理想选择。1 2 3 1 2 1 2 隔离型双向d c d c 变换器拓扑结构 图2 3 是隔离型双向d c d c 变换器最基本的构成，电能由一个直流端流入， 经过逆变成为交流，再经隔离变压器转换，最后整流变成直流电能由另一个直流 端口输出。 图2 3 隔离型双向d c d c 变换器基本结构 图中的高频整流逆变单元可以使用常见的结构，例如全桥、半桥，推挽结 构等等；也可以由d c 开关电源的结构，如正反激等。另外，典型的b u c k ，b o o s t 1 9 滴 一 一l； 丑一一 一 一 一 、丕，一千一一掣 一 浙江大学硕士学位论文 单元经过改进，也可以用于该整流逆变器。 图2 4 列举了两种隔离型双向d c d c 变换器的结构，图2 4 a 是双全桥结构， 隔离变压器两边都为全桥整流逆变结构，开关数量较多，但半导体器件上的电 器应力较小。图2 4 b 为c u k 电路中间插入变压器得到，可以看到，电路两边实 际上分别是b o o s t 电路和b u c k 电路，由于传递能量过程当中经历了多个储能器 件，在效率方面表现不够出色。 i 厂一 ： l i p_ 1 予 = 麴箜! 绩掏垦u c k 结构_ 一 图2 4 两种隔离型双向d c d c 变换器拓扑结构 2 2 几种双向d c d c 变换器拓扑的比较 2 2 1 隔离型