（电力系统及其自动化专业论文）超级电容器储能系统的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 电能是人类生活中最重要的能源。随着国民经济的发展，人民生活水平不断提 高，电力用户对电能质量提出了更高要求。在提高电能质量方面，储能元件正发挥 着越来越大的作用。本文中对超级电容器储能技术进行了研究。超级电容器是一种 新型储能元件，有储电能力高，功率密度大的优点，可以快速充放电，而且寿命长， 是高效实用的储能元件。文中对电能质量问题的现状和超级电容器储能系统进行了 介绍，分析了超级电容器储能系统的工作原理，建立了储能系统的数学模型并对控 制器进行了设计，在此基础上对系统电路进行了硬件设计和软件编程，并进行了仿 真分析。结果表明，该设计方案可以实现超级电容器对负荷侧的平稳短时供电。随 着超级电容器制造工艺的提高和成本的下降，超级电容器储能及应用技术研究将是一个 很有潜力的发展方向，具有很大应用价值和市场潜力。 关键词：电能质量，超级电容器，数学模型，仿真 a b s t r a c t p o w e ri st h em o s ti m p o r t a n tr e s o u r c ei no u rd a i l yl i f e h i g h e rp o w e rq u a l i t yh a sb e e n r e q u e s t e db y c o m m e r c i a la n di n d u s t r i a lc u s t o m e r sw i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to f e c o n o m i c sa n dt e c h n o l o g y p o w e rs t o r a g ee q u i p m e n t sp l a yav e r yi m p o r t a n tr o l ei n i m p r o v i n g t h ep o w e r q u a l i t y s u p e rc a p a c i t o ri sa n e w p o w e rs t o r a g ee q u i p m e n tw i t ht h e a d v a n t a g e so fh i g hp o w e rc a p a c i t y ，h i g he n e r g yd e n s i t y ，r a p i dc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n g p r o c e s s ，a n dv i r t u a l l y u n l i m i t e d c y c l e l i f e t h e p o w e rs t o r a g et e c h n i q u e i n s u p e r c a p a c i t o r s w a ss t u d i e di nt h i s p a p e r p o w e rq u a l i t y a n ds u p e rc a p a c i t o rd e v i c e sw e r e i l l u s t r a t e d t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo f s u p e rc a p a c i t o r sw a si n v e s t i g a t e da n dam a t h e m a t i c a l m o d e lw a se s t a b l i s h e dt od e s i g nt h ec o n t r o l l e r s e v e r yp i e c eo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei nt h e s y s t e mc i r c u i tw a si n s t a l l e d ，a n d s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sw e r ep e r f o r m e d t h es i m u l a t i o n e x p e r i m e n tr e s u l t s s h o w e ds u p e rc a p a c i t o r sc o u l db eas h o r t t e r mp o w e rs u p p l yp r o v i d i n g s t a b l eo u t p u tv o l t a g e s u p e rc a p a c i t o ri sb e c o m i n gap o t e n t i a lp o w e rs t o r a g et e c h n i q u ew i t h t h ei m p r o v e m e n to f t e c h n o l o g ya n d d e c r e a s i n g c o s to f p r o d u c t i o n s h a n gm i a o ( p o w e rs y s t e ma n d i t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f l ig e n g y i na n dz h a n gj i a n c h e n g k e y w o r d s ：p o w e rq u a l i t y ；s u p e rc a p a c i t o r ；m a t h e m a t i c a lm o d e l ；s i m u l a t i o n 声明 本人郑羹声疆：诧处所箍交静磷学位论文越级电窑嚣储髓系统静研究，楚本 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 采。耱奉天联知，除了文中餐剩荫良标注秘熬滚之楚终，论文中不惫含其 龟人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包宙为获得华北电力大学威其他激育机构的学位或证书丽使 t 蓦l 遥戆程精。与我一瀚工捧瓣露恚慰零瑟究疆敲豹爨餐灵献绣已在论文中搀了疆确的遴 明并表示了谢意。 学位论文作者签名：堂日期：竺竺! ! ! 兰 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、使用学使论文的规定，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 段复制并保疆学位论文：学校可允许学位论文被焱阅或借阅；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。 f 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 俸者签名： 丑期：竺竺：! 蔓 导帮签名：弛故酬 华北电力大学硕士学位论文 箔一章绪论 1 1 遣力市场的发展和龟能质逵问题的提浅 2 0 世纪8 0 年代以来，畿赛毫力王业开始邀力髂期改革，其核心裁是实现电力企洼 的私有化和构建竞争性电力市场。电力市场( p o w e rm a r k e t ) 是电力系统中的发电、输 电、耄 要趣、蠲户各部分组织捺调运行并遽行魄力交翕麴综台传。建立瞧力枣场豹曩的是 利用市场经济的竞争机制，促进和改变电力正业传统的经营方式，使之能不断的提高技 术能力和科学管理水平，最大程度的到用社会资源，实现电力系统安全、优疑、高效的 运行，以获得最大的经济效瑟和社会效益i l l 。1 9 9 2 年，电力部正式提出建立豳内的电力 市场。随着我国电力体制改孳的进一步深化，电力行业被薰级为两大电网公词和五大发 电公弼，国家电力虢管会正式挂牌运转，电力市场正在逐步形成。 电能作为商品，电能质量自然裁成为英重要的特征参数，成为电力市场中的 个重溪元素。i e e e 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。电能质蹩包括电压质量、电流质量、供电质量和用 电质蹩，涉及到电压、频率、波形和三相平衡等方舔的用毫可靠幢、连续经、可操作往 等方砸。 针对电能质量润题，各国都在开展改落电髓蔟量这方萄的磷究。美阐电力科学 研究院的n h h i n g o r a n i 博士于1 9 8 8 年率先提出了”用户淑力”( c u s t o mp o w e r ) 的 概念驻1 ，在粼电阙中，稻鞠”用户电力”技术将配电系统改造成无瓣闯停魄、无电莲 闪变、无不对称现象和无谐波的实时控制的柔性化配电网，即利用各种电力电予控 箭器采提离黼电网供奄可纛往及毫能质量。霹蓊，美国嚣攫毫气公司、德餮谣门子 公司、日本三菱电气公司、瑞典a b b 公司等各大电力设备制造厂都制造出相戍的 产蘸。在美函、欧澜良及末南亚酶獗翔瑗，邑经奔多释类黧静装漾投入了实际运毒亍。 近年来，我嗣的清华大学、电科院、西安交大、浙江大学、哈工大、和华北电力大 学等众多辩掰院校晚在该领域遂嚣了有懿靛尝试。 鉴于此，国家电力公司制订的2 0 0 1 2 0 0 5 2 0 1 5 年科技发展规划中明确将“电 憝震鬟酶分衔与控翻技零”列舞蘩点磷究谍逶。我校帮鬻家电力公霞合作，开娥送 行配电电能质量分析与控制模拟试验系统的研究。本设计就是这个项目中的子项 蓬。 配电电能质量分析与控制系统的应用与推广可使电力用户提高工作效率和产 鑫爱藿，降低生产泼本；瓣撰电众泣寒漤，霹减少在耀寒瞧力枣场条 串下豹箨瞧羚 偿，电力按质论价，增加德电收髓，树立为用户良好服务的形氖。该方向的研巍不 铰曩鸯毽谂意义，嚣盈兵凑重要熬实爱狯蓬。 华北i 乜力大学硕士学位论文 l ，2 遗矮襞曩及其重要性 电能质爨问题范围很广，主要包括电压质量、电流质量、供电质嫩和用电质量问题。 由于电力系统中的毫气设备跫按额定电压和额定频率设计、箭造的。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，电气设备的运行眭能会减 弱，效率下降，严重辩可麓使设备无法正鬻工作，罄至导致设备绝缘损坏、烧毁或爆宴乍 等。因此，系统电压质量、频率质量以及供电可靠燃的好坏对电气设备的安全运行与使 用寿命有重要的影镌，蠢接关系到惫力系统螽隽蘸安全稳定犟譬经济遨行。 电压是电能质墩的重要指标之。影响电能质量的电压干扰，主要瓴括电艇偏 穆，三楣不平衡，壤蘧滚动与闲交，窀蓬懿谐波分羹，毫藤跌落犟羹瓣霹繇邀等”淄。 t ，2 ，l 电压偏穆 电压偏移是指电力系统中某一运行点的实际电厩与系统标称电愿不符的情况，该运 雩亍点抟电压镳差是德壁供电系统正紫运行与溪熬一顼主要摆撅。供电系统耍三鬻运行对， 某一节点的实际电臌与系统标称电聪之差对系统标称电压的百分比称为该节点的电压 镰差。其数学表达式如式( 1 一 ) 所示： r ，rr a u = = 生= 生1 0 0 f l 一1 、 “ 式中：力u 一一电压偏差 协。一一实嚣电愿 沪一系统标称电压 邈力系绞中憨负旖良及发电极缝熬出力疆嚣雩发生变他，网终缕擒睫卷运行方式 的改变而改变，系缆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 不平德是弓| 越系统魄压壤移豹主要原因。输电线鼹过长，输送容建过大，导线参数 不匹配等输电网络结构的不合理识能导致电压偏移。 电压馈移对，髑电设螽运毒亍性能恶化，运行效率驿低，可能蠖| 子过邀压丽损坏 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 线路功率极限会大蠛度降低，可能产生系绞的不稳定现象，甚至导致电力系统崩溃， 造成系统的解列。滔系统电压偏低时，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；系统电攫镳毫，电网的电晕损糕也将增大，这些都会使供电成本 增加。 1 2 2 篷珏纛糨不平撬 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 不平衡是蠢系统孛务耪菲对称性蘸障 起，魄魏羊藕接遮鬣鼹、嚣稻接速筑貉或两鞠稻 2 华北电力大学硕士学位论文 闻矮路等e 琵鬻往不平餐是惫力系统在正常遮行 主瀵下，毒供奄舔节的不平衡或弱惫环 节的不平衡引起的。供电环节一般涉及到发电机、变雎器和线路，熊中供电线路的不平 鬻楚弓 怒宅耀不平镶瓣主要辫素；弱奄环节鹣三稳受萄不对褥是弓l 越系统奄蘧甭平衡静 主要因素。 系统奄簇靛三榻不平衡会对惫气设备产生不楚澎稳。受滓毫蘧会黯堍凌棍产生 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 于电蓬静三鞠不乎鬻，换滚爨会产生较大戆谐波，这裁会慰换滚撰懿谐波治理撬窭 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 动装鬟误动佟，威胁至l 电力系绫戆安全运行：电压三耀不乎鸯还会增期线路上熬瓣 加损耗，降低电力系统运行的经济性。 l 。2 3 毫匿滚动与闲蜜 电压波动是电压均方根值一系列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，这种电压波动现象裔可能多次出现，变纯过程可能怒规 则的、不规则的，或是随机的。引起电压波潮豹原因是多种多样的：配电系统的短路故 障或开关搽 乍，无功功率补馁装置或大墅整流设备的投切，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。 电压波麓会弓| 怒部分电气设备不能正常工作，德由于实际情况中电压波动僵往穗小 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 备的照明电蠢源中，鑫绶瘴占缀大琵镄，丽囱窳汀静电功率与电源惫压静平方成正跑， 受电压波动的影响较大。因此，研究电压波渤的影响时，通常选白炽灯光照设备受影响 静程度俸为弼断电嚣波凌是秀可殴缓受酶依耀。毫巍源酸电蓬波动逡成订光照凄不稳定 引起人眼的视觉反戚称为闪变。 1 2 4 电压的谮波分藿 淫渡是一个髑期电气量麴正弦波分量，莛频率为基波频率兹整数倍。谶波一般怒在 稳态情况下出现的，产生谐波的畸变波形是连续的娥至少持续几秒种但有的暂态渤作 弓| 趣鹣波形酶变也可能持续瓣闯毙较长，这糖悸爨下裁霹钱会导致谐波匏出现。2 0 蠛纪 8 0 年代以来，电力电子学已经逐渐成为- f 7 新兴的科学，与之对应的现代电力电子技术 也褥到了迅速豹发震。电力电子装嚣在实理功率控剃靼处理豹同慰，都搀不可避免媳产 生非正弦波形，向电力系统注入谐波电流，使得公熬连接点的电压波形产生畸变，从而 影哟电# l 质蹙。 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。程电力危害方面，谐 波会导致旋转电规等熬附加损耗增麴，缩短使用寿禽；会产生过电压，造成电气元件及 设备的故障与损坏；会造成电能计鬣的错误。在信号干扰方面，谐波会对通信系统产生 3 华北电力大学硕士学侥论文 电磁予撬，铰电售震麓下降；会馒螽渤控割釉绦护装嚣不正确动 乍：会危害功率处懑器 的e 常运行。 1 2 5 毫压鼷落和瞬时断奄 电压跌蕊是指供电电压均方攫德在短时润内突然下蹲熬愤援。彀疰跌藩戆摇值、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蒋时 的电压均方根僮与额定电压均方根馕的比氆；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 降低到接近予零对，称为电愿中断。根据中断持续时间的长短，电鹰中断又可以分为长 时间中断和颟时间中断。对长短时间中断的持续时间，其定义还未统一，一般将2 3 分 钟以内的中款定义为短时间中断，3 分钟以上的为长时间中断。短时间中断又稼为瞬间 断电，它可阻引起灯光熄灭、显示屏幕空自，甚至破坏正常的生产谶程，使计算机储患 丢失，控制系统失灵。瞬间断电往往绘用户辫来不馒甚至是严重的缀济损失，产生不良 的社会影响。 当逛力蓉统孛发生短路救障、感应电扭嶷动、嚣毒、开关操作、变压嚣及电容器组 的投切时，均有可能导致电压跌落。其中，缀路故障、感应电机启动和雷击又是电聪跌 落的主要诱殿。电力系统中熬永久悭数障可以被断路器清除，但这墩就导致了该线路上 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，谗种故障就转化为短 时同中断。 1 3 超级电容器储能系统 在提高泡能质爨的过程中，储畿系统琵怒着越来越大酌 譬雳。校褥容薰大，j 、静区躺， 储能系统的主要作用也各有不同。大型储能系统主要用作电力网的可调发电电源，对电 力弼进行控翻和调节，如颓率控镧、备霜容蓬控镧、动态袄遮响应、鬻峰填谷调平受薷 以及防止系统解列和瓦解等。中型储能系统主要适用于大功率远距离输变电系统。篡主 要功髓寿提离输毫稳定注、缝潦窀聪稳定、帮稳谐波、调节爨蓠等。夸囊锉耗系统翊震 来调节电能质量和搬高供电w 靠性，其主要劝能有电压控制、抑制电压波动与闪交、抑 涮毫压下黢、瞬辩繇奄侯毫等【7 秘。 1 3 1 各釉僚能系统发展现状 现阶段，可应照于配电网的储能系统主要有下砸几类：魈导储能系统、蓍电池储能 系统、飞轮德能系绞稠超级电容嚣德能系统。 超导储能( s m e s ) 是利用超譬线制成的线圈，将电网供电励磁产生的磁场能艟储 存起来，在辫要时秀送回电嘲或童按绘受蔚供电【 ”。由于超导储能存继豹电磁9 2 不经过 其它形式的能量转换，且线豳在按邋零下2 7 3 c 的低温环鞴下电阻缀小，所以其能量损 4 华北电力大学硕士学位论文 耗很少，转换效率可达到9 5 以上。此外，超导储能还有调节容易，不受地域限制，维 护方便，无污染等优点。超导储能正得到越来越深入的研究，但其也有冷却费用高，对 磁场环境和电流强度等敏感的缺点。 蓄电池储能系统( b e s s ) 是最早的多次利用电源，由于各种原因在电力系统中一 直没有受到重视。随着电力电子技术的发展，使蓄电池的直流形式的电能可以转变成交 流电并入电网或供应交流用户。现在一般用蓄电池储能系统解决变电站操作电源问题， 有时也用蓄电池储能来协助无功补偿装! 酉! ，或用于抑制电压波动和闪变。然而蓄电池的 充电电压不能太高，要求充电器具有稳压和限压功能。蓄电池的充电电流不能过大，要 求充电器具有稳流和限流功能，所以它的充电回路也比较复杂。另外，电池受充放电电 流的限制，充电时间长，般为十几小时，充放次数仅数百次，因此限制了使用寿命。 维修费用高。 飞轮储能( f e s ) 技术是在5 0 年代被提出的。9 0 年代以来，超导磁悬浮技术研究 进展很快，配合真空技术，把电机的摩擦损耗和风损耗降到了最低限度。另外，高强度 的碳素纤维合成材料的出现，大大增加了动能储量。这些都对飞轮储能的发展产生了重 要的影响【i “。飞轮储能与外界交换能量通过电动、发电机系统。当飞轮储存能量时，飞 轮储能系统作为电动机运行，飞轮加速；当飞轮释放能量时，飞轮储能系统作为发电机 运行，飞轮减速。目前飞轮储能系统的组成和控制比较复杂，且损耗较大。 1 _ 3 2 超级电容器储能系统 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。 图1 1 超级电容器 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e ) 所隔离。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 5 华北电力大学硕士学位论文 面，从而达到保存能量的目的。能获得比较大的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。 超级电容器具有以下特点： ( 1 ) 电容量很大，1 9 9 5 年报道了电容量达2 3 0 0 f 的超级电容器。 ( 2 ) 和普通电容器相比，具有很高的能量密度。是普通电容的1 0 1 0 0 倍，般可 达2 0 7 0 m j m 3 。 ( 3 ) 漏电流极小，具有电压记忆功能，电压保持时间长。 ( 4 ) 充放电性能好，且无需限流和充放电控制回路，不受充电电流限制，可快速充 电，通常几十秒。 ( 5 ) 储存和使用寿命长，维修费用很小。 ( 6 ) 使用温度范围广，可达- - 4 0 + 8 5 。而电池仅为0 * c + 4 0 。 ( 7 ) 比蓄电池安全，如果短路的话，超级电容器不会爆炸。 用超级电容器储能，它的能量是通过逆变器释放出来。由于它的充电电压可达4 0 0 v 以上，所以可以通过整流装置直接对超级电容器充电。以上介绍的几种储能系统，在能 量密度( e m ) 、功率密度( p m ) 、使用寿命和效率方面做了比较，如表卜1 所示： 表1 1 各储能系统的比较 储能方法能量密度功率密度使用寿命效率 s t o r a g em e t h o d e l m w h l k g p m 【w k g 】 c y c l e 1 i f e r l ) 超级电容器储能 2 57 0 0 0 1 8 0 0 0 1 0 6 9 5 s c 超导磁储能 1 6 + ( b 4 c ) 1 6 。显然，这种 方式将会大大提高计算的精度。这种方法仅适用于计算量小，计算精度要求高的环 境下。 非线性运算。在数值计算中，除了基本的加减乘除运算外，还有其它许多非线 性运算。在此系统中，主要涉及三角函数运算。由相角计算正弦值、余弦值的方法 有两种：查表法，混合法。查表法是快速实现非线性运算最常用的方法，采用这种 方法必须根据自变量的范围和精度要求制作一张表格。查表法求值所需的计算就是 根据输入值确定它在表中的地址，由地址得到相应的值。这种方法需要的存储量大， 但运算量小，计算精度高。混合法是建立在查表法的基础之上，它采用计算的方法 以确定当输入值处于表格中两点之间时的对应值。可以看出，混合法所需要的存储 量小，但运算量大，精度低。实际中，为了保证精度以及运算速度，我们采用了查 表法。 4 4 4 控制程序设计 控制软件主要包含以下几大功能模块：初始化模块：p w m 信号生成模块：p i 控制模块：保护模块。下面对各个模块进行一介绍。 ( 1 ) 初始化模块。 系统启动之后，软件对d s p 内部开始进行初始化。首先要禁止所有中断，封锁 驱动信号，这是正确进行初始化的前提。然后对系统的各寄存器、变量等赋初值。 接下来设置各中断、系统时钟和事件管理器。初始化事件管理器包括p w m 寄存器 的设置，p w m 比较方式的设置，输出方式设置和死区设置等内容，比较复杂。之 后初始化各i o 口，因为d s p 的许多引脚是多重复用的，所以在使用之前要定义好 相应的功能。再往下就是a d 初始化。最后通过使能定时器时钟，就完成了整个初 始化模块。程序初始化模块的流程图如图4 7 所示。 华北电力人学硕士学位论文 初始化开始 禁止所有中断 封锁驱动信号 寄存器定义、变量、常量定义 并赋初值 系统时钟设置 中断模块初始化 事件管理器初始化 i 0 口韧始化 a d 初始化 使能定时器时钟 图4 7 初始化模块流程图 ( 2 ) p w m 信号生成模块。 比较 匹配 定时器1 标志 对称、不对称 波形发生器 s v p w m 控制器 初姑化结求 台成 死区时 问单元 死区时 间控制 盥罴 辑电路巨。，品。 输出电 平控制 图4 - 8p w m 电路功能结构图 脉宽调制电路包括p w m 电路、死区产生单元和输出逻辑电路。脉宽调制电路 与全比较单元相结合可以产生具有可编程死区和输出极性的六路p w m 输出，其结 构框图如图4 - 8 所示。软件分为两部分，即主程序与中断服务程序。产生p w m 信 号，是通过t m s 3 2 0 f 2 4 0 的f u l lc o m p a r e ，p w m 单元实现的。它有六个输出端， 分别对应于逆变器a 、b 、c 三相的上下桥臂。主要涉及三个寄存器：周期寄存器， 比较寄存器，计数寄存器。 周期寄存器决定了p w m 信号的周期，p w m 信号的输出在每一个周期的起始时 刻被置为1 或0 ( 可以在软件中设罱) 。在一个周期内，计数寄存器的值每经过一个 机器时钟周期就增加1 ，然后与比较寄存器的值相比较，如果二者相等，则p w m 单元的输出将发生翻转，否则保持不变。当计数寄存器的值与周期寄存器的值相等 3 6 华北电力大学硕士学位论文 时，计数寄存器被复位为0 ，重新计数，开始下一个周期。在不同的周期内向比较 寄存器内写入不同的值，p w m 输出将会有不同的占空比。 对称p w m 波形的特点是脉宽信号对称于载波周期的中心线。定时器1 的工作 方式要设成连续增减模式。一个p w m 周期内有两个比较匹配，一个是在周期匹配 前的递增计数期间，另外一个是在周期匹配之后的递减计数期间。周期匹配之后， 一个新的比较值可以表示为有效，使p w m 脉冲的第二个边沿提前或延迟。比较寄 存器和定时器的周期都可以在线改变。p w m 逆变器中三角载波频率的选择应考虑 两点：首先，载波频率越高，工作过程中开关器件上的功率损耗越大；其次，载波 频率太低，逆变器输出的正弦波平滑性较差，总谐波畸变率( t h d ) 会变大，交流 滤波电路的成本增高。 ( 3 ) p i 控制模块。 电压调节的设计对整个系统的调节性能起着决定性得作用。本系统采用p i 型调 节器，原理如图4 - 9 所示： ，( f ) 十e ( t 一h 一一 一 图4 9p i 调节器原理图 根据上面的p i 调节器原理图可知： “( r ) = k p 【p ( r ) + 1 lp ( t ) d t 】 ( 4 1 ) 将式( 4 1 ) 离散化可得： “( 月) = k ， g ( ”) + r r , p ( ，) 】 ( 4 2 ) j = o 式中，晒为比例系数，t 为采样时间，( ”) 为调节器第n 次输出值，e ( ”) 为第n 次给定与反馈偏差。显然式( 4 2 ) 在使用过程中，需保存前1 1 次偏差值累加之和a 用 微处理器实现此算法时，很容易发生数据溢出，因此需对该式作适当处理。第n 1 次输出量为： 月- - i u ( n 一1 ) = k ，p 印一1 ) + t t i e ( 朋 ( 4 3 ) j = 0 将式( 4 3 ) 与式( 4 2 ) 相减，整理可得： 3 7 华北电力大学硕士学位论文 以功= u ( n 一1 ) + k p p ( 哟一e ( n 一1 ) 】+ k 。( 哪( 4 4 ) 其中k i = 巧 正为积分系数，此式形式简单，只需保存上次计算的“( n - 1 1 和 e ( n - 1 ) ，软件易于实现。 对p i 算法离散化后，可以很容易用软件实现调节器功能。但在实际应用中，考 虑到一些具体情况，还需对p i 调节加以一定的限制，针对不同的情况采取最佳控制 方法。 a 输出限幅 对于p i 调节器，当偏差值输入较大时，输出值会很大。可能会一下就使输出饱 和，不仅对开关管有较大冲击而且可能会导致系统不稳定。所以需对p i 调节器的输 出限幅，即当l “i u 卅。时，令泸。 b 积分分离 在普通的p i 数字控制器中引入积分环节的目的，主要是为了消除静差、提高精 度。但在过程的启动、结束或大幅度增减设定值时，短时间内系统输出有很大的偏 差，会造成p i 运算的积分积累，致使算得的控制量超过执行机构可能最大动作范围 对应的极限控制量，最终引起系统较大的超调，甚至引起系统的振荡。引进积分分 离的控制算法，既保持了积分作用，又减小超调量，使得控制性能有了较大的改善。 c 死区设置 当在输出变化较小时，通过计算得到的p w m 控制寄存器的值可能也会有小幅 度的振动，这样会使系统不稳定。若设置适当的死区范围，则可消除这种振荡，又 不会太大影响输出精度。若死区时间太短，容易使i g b t 产生过流；死区时间太长， 将会使输出电压中的谐波分量增多。因此要根据电路的载波频率合理设置死区时 间。本设计中的死区时间设置为5us 。 ( 4 ) 保护模块。 当系统发生故障时，除了与之对应的故障信号可以传给d s p 外，还要产生一个 总的故障信号，该故障信号表示了目前系统中存在着故障。将总故障信号连接至 p d p i n t 中断源上，每当一有故障发生，p d p i n t 引脚被置成低电平。当将p d p i n t 中断使能时，d s p 立刻自动将所有事件管理器输出引脚置成高阻态进行封锁。这样 就关闭了所有的功率模块，保护了系统。从而防止了主电路部分发生误操作。这是 故障防护的第环。由于故障发生的种类是不一样的，其处理方式也不同，这就需 要判断目前系统发生的是何种故障，以便采取不同的保护措施。通过硬件上的特定 连接，可以将故障信号集中映射到程序空间的某位置上。每一个故障对应着该地址 上的一位，检查该位的状态就可以判断是否存在着故障。通过对这些地址的位进行 扫描，就可以知道系统中发生的故障的类型和数目。判断出发生的故障类型后，可 以让程序跳转到为每个故障的保护子程序中。 3 8 华北电力火学硕士学位论文 4 5 本章小结 本章根据储能系统的主电路，对功率电路中采用的i p m 模块进行了深入的分 析。设计了控制电路的控制结构，对设计原则以及注意事项作了详细说明。介绍了 d s p 芯片的性能，对控制程序中初始化模块、p w m 信号发生模块和p i 控制方法的 数学机理进行了深入的研究。 华北电力大学硕士学位论文 匪习舟当箨一 o。慧卜芸=圣七pw m 脉冲发生器 l l 一_ _ a 7 b 一一 =： 图5 - 2 低通滤波器结构图 低通滤波器又称高阻滤波器，是指抑制频谱中的高频信号、保留低频信号的一种模 型或器件。在本系统中，要测量的数据是逆变器输出的工频电压信号，但逆变器输出的 实际交流电压包含大量高频信号，这就对下一步正确的p i 控制产生了影响。为此，在 4 0 华北电力大学硕士学位论文 测量单元前面加装低通滤波器是十分必要的。常用的低通滤波包括理想低通滤波器、巴 特沃思低通滤波器( b u t t e r w o r t h ) 、指数低通滤波器、梯形低通滤波器等，本系统采用 的是理想低通滤波器。 u + 黪二弩tu 牛广尹乒薹警t 圳：k m u 。( 5 - 1 ) 矗，：j 生坐生止一0 。：互一d 。 ( 5 2 ) ( r l + j c o l i ) + ( r + j c o c ) z + z r 、。 卟枷1 刊虬 这里的矾是受控量，当不考虑负荷的变化时，可得到下式： 塑：i 土i u 。 o o m l z l + z r l 。 4 1 ( 5 3 ) ( 5 4 ) 华北电力大学硕十学位论文 = u , 。1f c o s 8 q 剐2 o 伊s ， l l ! l a b c 一 一1 由。变换器1 交流电压参考值r 叫一 i 二! 互二k 卜r 卜 ：一 岫。 p w m 发生器 - - “” 1 1 “埘“m c 卜：三磲捍 q ：i 季 图5 - 4 控制器模型 控制器首先从逆变器交流侧采得三相电压信号“胁，对电压信号进行p a r k 变换转换 为砌0 坐标，与三相交流电压参考信号和锁相环的同步信号共同作用，经过p i 控制器 计算给出交流电压的调制信号“ l a b c , 通过p w m 脉冲发生器最终输出p w m 脉冲，送入 逆变器控制i g b t 的通断，最终达到稳定电压的目的。 5 2 仿真结果及分析 5 2 1 仿真模型参数 在图5 1 所示的仿真模型中，超级电容器的电容量c = 0 6 5 f ，初始电压为1 0 0 0 v ； 逆变器开关频率2 k h z ；低通滤波器的参数为2 m h + 6 6 p f ；采样环节的采样时间为5 p s ； 交流侧电压参数为3 8 0 v 5 0 h z ；控制器中的p i 参数妫= 0 4 ，k , = 5 0 0 ；调制采用s p w m 方式。 4 2 蛩 兰! ! 皇垄盔堂堕主堂篁笙苎 5 2 2 仿真结果 图5 - 5 是当负荷为阻性负荷，r = 4 5q 时的超级电容器电压、负荷侧有功无功功率、 p w m 调制度、交流侧三相电压瞬时值和a 相电压有效值的仿真结果。 爵4 亭 2 b 钆0 t 、 o91 n 4o 5 t s 一； ：一一j 一 图5 - 5 阻性负荷仿真结果 4 3 ： 一 譬_ j 二， 一 一 ) _ 一 h ： 以 一 i _ | 苫一 孓一舞 1 5 o 5 1 ， 吣 o 。 ndo ， 8 b 4 2 o 0 0 o o 蛊、子 兰些皇垄三：! = ；兰燮垡丝塞 图5 6 是当负荷为阻感性负荷，尺= 4 5 o 、l = 0 0 1 9 h 时的超级电容器电压、负荷 侧有功无功功率、p w m 调制度、交流侧三相电压瞬时值和a 相电压有效值的仿真结果。 1 。 9 0 0 啪 7 0 0 臼 亭 b 屯 娶 乎 一r 00 10 2030 40 , 50 6 n 70 80 , 91 t s r 一。一一l 一一一_ _ _ 一_ 1 i 1 i ，一一一一j o708o91 图5 - 6 阻感性负荷仿真结果 4 4 | | 一广 一 一 _ 一 了量穗 _ | 。一一 毒净 一一# = 。 。 麓o 华北电力大学硕士学位论文 图5 - 7 是当负荷为阻性负荷，r = 2 9 q 时的超级电容器电压、负荷侧有功无功功率、 p w m 调制度、交流侧三相电压瞬时值和a 相电压有效值的仿真结果。 1 。 8 0 0 。 4 0 0 6 4 z 钆0 o 4 x 1 0 08 t s 12 ： i 、? 0n 2n 4o b t s 12 ! 图5 - 7 阻性负荷仿真结果 4 5 1 5 0 5 1 ， o ：宝 。 矗飞3= 华北电力大学硕士学位论文 图5 8 是当负荷为阻感性负荷，r = 3 6 1q 、l = 0 0 1 5 4 h 时的超级电容器电压、负 荷侧有功无功功率、p w m 调制度、交流侧三相电压瞬时值和a 相电压有效值的仿真结 果。 1 0 0 0 9 0 0 之8 0 d 乎7 0 0 6 0 0 09 08 基 07 0 6 0 5 0 0 6 t s ： 图5 - 8 阻感性负荷仿真结果 4 6 华北电力人学硕士学位论文 52 _ 3 结果分析 仿真结果表明： 1 超级电容器直流侧电压随着时间的推进以指数形式逐渐下降，为维持交流侧电 压的稳定，逆变器的调制度m 逐渐增大。需要指出，逆变器的调制度上升的上限为1 ， 当调制度到达上限时，如果直流侧电压继续下降，交流侧就无法继续将负荷电压维持在 额定状态。 2 有功功率和无功功率的仿真结果表明，可以在负荷侧得到稳定的有功无功功率。 说明该仿真系统可以实现对阻性负荷或阻感性负荷稳定的短时供电，达到通过储能系统 提高电压质量的目的。 3 交流侧电压瞬时值和有效值的仿真结果显示，通过p i 控制，可以在逆变器的输 出端得到平稳的三相工频电压，该电压可以满足电能用户对电能质量的要求。 5 3 本章小结 本文在m a t l a b 平台上搭建了超级电容器短时供电系统的仿真模型，对滤波器和p i 控制器的数学模型进行了设计，确定了仿真模型中各个模块的参数，对阻性负荷和阻感 性负荷分别进行了仿真研究，结果表明，当p i 控制器的参数选择合理时，该系统可以 在短时间内以平稳的交流电压对负荷进行送电，从而在一定程度上提高用户的用电可靠 性。 4 7 一兰i ! 皇垄奎堂堡圭堂垡垒奎 第六章结论 电能是人类生活中最重要的能源。随着国民经济和科学技术的发展，计算机技 术、大功率电力电子技术、现代控制理论在电力系统中得到越来越广泛的应用，电 力市场中的广大电力用户和电力企业对电能质量的要求发生了重大变化。电能质量 问题范围很广，主要包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量问题。在这其中， 电压跌落和瞬时供电中断己被认为是影响许多用电设备正常、安全运行的最严重的 动态电能质量问题，已成为目前影响供电可靠性的主要干扰。所有对电压跌落和瞬 时供电中断的研究与消除成为研究电能质量问题的重点。 在提高电能质量的过程中，储能系统正起着越来越大的作用。储能技术主要包括超 导储能，蓄电池储能，飞轮储能和超级电容器储能。超级电容器是近年来出现的一种新 型能源器件，与其他储能元件比较，具有储电能力大、充电时间短、重复使用次数多等 优点。 本文研究的超级电容器储能系统是将电能通过整流单元储存到超级电容器内，需 要时通过逆变单元将能量释放出去，以起到调节、维持电压以及短时供电的作用。 这样，就可以有效地抑制负荷扰动造成的电压波动，并在系统发生故障情况下对负 荷进行短时供电，从而起到提高系统的供电能力和供电可靠性的作用。本文的主要 工作及成果总结如下： ( 1 ) 对储能系统的工作机理进行了分析，研究了超级电容器储能系统的电路结 构。 ( 2 ) 对超级电容器储能系统进行了深入的数学分析，通过开关函数和占空比分 别在a b c 和d q o 坐标下建立了相应的数学模型。 ( 3 ) 完成了功率主电路的设计与焊接，调试了部分d s p 控制程序。 ( 4 ) 建立了超级电容器储能系统短时供电情况的数学模型，在m a t l a b 平台上搭建了 仿真模型，并对不同负荷类型情况进行了详细的仿真与分析。 超级电容器器件是一种颓型的能源器件，现有产品在储能容量、电压等级等方面的 指标还有所欠缺，而且器件的成本也较高，这些都影响了它在电力系统中的大批量应用。 随着其工艺技术的提高和成本的下降，超级电容器储能及应用技术的研究正成为一个很 有潜力的发展方向，具有很大应用价值和市场潜力。 坐! ! 塑垄查堂堡主堂垡堡壅。 1 】 2 3 】 【4 】 5 6 】 7 8 9 1 0 】 1 1 1 2 】 【1 3 1 4 【1 5 1 6 】 1 7 i 1 8 】 参考文献 于尔铿，谢开，韩放，等电力市场概述电网技术，1 9 9 5 ，3 ( 1 9 ) ：5 8 6 2 w e d w a r dr e i d p o w e rq u a l i t yi s s u e s s t a n d a r d sa n dg u i d e l i n e s i e e et r a n s a c t i o n s o n i n d u s t r y a p p l i c a t i o n s 1 9 9 6 ，3 2 ( 3 ) ：6 2 5 6 3 2 n g h i n g o r a n i i n t r o d u c i n gc u s t o mp o w e r i e e es p e c t r u m ：v 0 1 3 2 ，n o 6 ，j u n e1 9 9 5 n h w o o d l e y , l m o r g a na n da s u n d a r a m e x p e r i e n c ew i t ha ni n v e n t e r b a s e dd y n a m i c v o l t a g er e s t o r e r i e e e t r a n s p o w e r d e l i v e r y ：v 0 1 1 4 ，n o 3 ，j u l y19 9 9 m o r i s m a t s n n o ，k h a s e g a w a ，t o h n i s h i ，e t c d e v e l o p m e n t o fal a r g es t a t i cv a r g e n e r a t o ru s i n gs e l f - c o m m u t a t e di n v e r t e r sf o ri m p r o v i n gp o w e rs y s t e ms t a b i l i t y i e e e t r a n s a c t i o n so np o w e r s y s t e m s ：v 0 1 8i s s u e ：1 ，f e b19 9 3 h a q u e ，m h c o m p e n s a t i o n o fd i s t r i b u t i o n s y s t e mv o l t a g es a gb y d v ra n d d s t a t c o m p o w e rt e c h p r o c e e d i n g s ：2 0 0 1i e e ep o r t o ，v 0 1 1 ，2 0 0 l 陈警众电能质量讲座、第三讲、改善电能质量的新设施供用电，2 0 0 0 ，1 2 ：5 2 - - 5 4 孙树勤电压波动与闪变+ 北京：中国电力出版社，2 0 0 0 孙树勤，林海雪干扰性负荷的供电北京：中国电力出版社，1 9 9 9 林海雪电力系统的三相不平衡北京：中国电力出版社，2 0 0 0 赵贺电力电子学在电力系统中的应用灵活交流输电系统北京：中国电力出 版社2 0 0 0 年：2 0 1 2 4 2 张建成，陈志业，杨以涵飞轮储能技术在电力系统中的应用电力情报，n o 3 1 9 9 7 ：4 7 f a r a h m a n d j c j h i g h p o w e r2 3 0 0 fd