（电力电子与电力传动专业论文）超级电容器储能系统中双向dcdc变流器设计.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i c ，t h ep o w e rq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t yh a v e b e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tt oh u m a n a n dt h ep r o b l e mo f t h ep o w e rs y s t e m i st h ei m b a l a n c eo fp o w e rg e n e r a t i o na n dg r i dl o a d ，s oa d d i n ge n e r g ys t o r a g es y s t e m a tt h eu s e rl o a ds i d et os o l v et h ep o w e ri m b a l a n c ep r o b l e mb e t w e e ns u p p l ya n d d e m a n di sa v e r ys i g n i f i c a n tt h i n g i nt h i sp a p e r , t h es t o r a g et e c h n o l o g i e su s e di np o w e rs y s t e m sw e r ei n t r o d u c e d ； t h es u p e r - c a p a c i t o rd e v i c ea n dt h et y p i c a la p p l i c a t i o n so fs u p e r - c a p a c i t o re n e r g y s t o r a g es y s t e mw e r ei n t r o d u c e d ；a n dt h ev a r i o u sk i n d so fb i d i r e c t i o n a ld c d c c o n v e a e rf o rt 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 mw e r ei n t r o d u c e d b e c a u s eo f t h es i n g l es u p e r - c a p a c i t o rs t o r a g ee n e r g yl i m i t ，s 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 n e e d sac e r t a i nn u m b e ro fs u p e r - c a p a c i t o rs e r i e s p a r a l l e lc o m b i n e dt oa c h i e v et h e r e q u i r e ds t o r a g ee n e r g y t h i sp a p e ri n t r o d u c e da l lk i n d so fs u p e r - c a p a c i t o re q u i v a l e n t c i r c u i tb yr e f e r e n c i n gt ot h el i t e r a t u r e ，a n di n t r o d u c e das e r i e s p a r a l l e lc o m b i n a t i o n m e t h o d so ft h es u p e r - c a p a c i t o rb a n ku s i n go n eo ft h ee q u i v a l e n tc i r c u i t as m a l ls 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 mi sb u i l t t h es u p e r - c a p a c i t o rb a n k , t h em a i nc i r c u i th a r d w a r ea n dt h ec o n t r o lc i r c u i th a r d w a r eu s e di ns 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 mi sd e s i g n e d b e c a u s et 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 u s e di nt h i sp a p e ri st os o l v et h ep r o b l e mo ft h ei m b a l a n c eb e t w e e ne n e r g ys u p p l ya n d d e m a n d s o ，t h eb i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e ru s e di nt h es u p e r - c a p a c i t o re n e r g y s t o r a g es y s t e mh a st w oo p e r a t i n gm o d e s ：w h e nt 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 e s y s t e ma b s o r b e de n e r g yf r o mt h eg r i d ，t h eb i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e rw o r k s i n b u c km o d e w h e nt 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 mr e l e a s ee n e r g yt ot h e g r i d ，t h eb i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e rw o r k si nb o o s t m o d e t h i sp a p e rm o d e l i n g t h eb i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e ri nt h et w oo p e r a t i n gm o d e ，a tt h es a m et i m e ， a c c o r d i n gt ot h es y s t e mp a r a m e t e r s ，t h ec l o s e d - l o o pp a r a m e t e r si sd e s i g n e d f i n a l l y , e x p e r i m e n t a li sd o n ew h e nt 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 mi nt h ew o r k i n g l 浙江大学硕士学位论文 摘要 t w om o d e ，s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h r o u g ht h ed e s i g no ft h e s u p e r - c a p a c i t o rb a n ka n dt h eb i d i r e c t i o n a l d c d cc o n v e r t e rc l o s e d - l o o pc o n t r o l p a r a m e t e r si nt 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 ，t h es u p e r - c a p a c i t o re n e r g y s t o r a g es y s t e mc a l l s o l v et h ep r o b l e mo fp o w e ri m b a l a n c eb e t w e e ns u p p l ya n d d e m a n d k e y w o r d s ：s u p e r - c a p a c i t o r , s e r i e s - p a r a l l e ld e s i g n ，b i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r , m o d e l i n g ，c l o s e d - l o o pc o n t r o l 1 1 1 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸姿态堂或其它教育机构的学位或 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谢意。 学位论文作者签名：习重旁 签字日期： 例f o 年妒占卯 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堑望盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文储签名习髻衣 导师签名： 签字日期：劫卜年b 弓月。眄 签字日期：月狄年 腙 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景与课题意义1 1 】1 2 1 1 3 1 随着经济发展，社会对电网的依赖程度越来越高，未来电网所面临的主要问 题为以下几个方面：系统装机容量难以满足峰值负荷的需求。现有电网在输 电能力方面落后于用户需求。用户对电能质量和供电可靠性的要求越来越高。 电力企业市场化促使用户侧需要能量管理技术支持等。由于我国电网的一些特 殊因素：地域广泛，电网规模大，电力的远距离和超大容量的传输，负荷中心和 能源中心联系非常薄弱等。这些问题使我国的电网安全性的问题更加突出。一方 面，通过在电网负荷端加装先进的能量管理环节，提高电能质量，使电网高效运 行。另一方面，随着能源短缺和环境保护的双重压力，各国政府都在加大对可再 生能源和清洁能源的开发，发展可再生能源和清洁能源，以实现人类的可持续发 展。当前主要的可再生能源和清洁能源主要为：风力发电，光伏发电，潮汐发电， 地热发电，燃料电池等，这类发电系统的特点是规模和功率比较小，系统可靠， 无污染，对环境比较友好。对于新能源系统，其最大缺点是受环境影响比较大， 如风力发电和光伏发电系统，由于风速和光照具有随机性，所以发出的电能也是 时刻变化的，所以需要储能系统对其进行能量管理，对于清洁能源发电系统， 由于其发电系统的机械惯性等原因，一般也需要储能系统对其进行能量管理。 应用于电力系统中的能量管理系统主要是各种电力储能系统，在电力系统中 的储能系统一般为：超级电容储能系统，抽水储能系统，超导储能系统，蓄电池 储能系统，飞轮储能系统，压缩空气储能系统等。下面对这些储能系统的特点及 其主要应用的领域进行介绍。 超级电容储能系统：由于材料和结构技术的发展，大容量的电容制造成为 可能，大容量的电容为储能提供了条件，目前超级电容大多用于高峰值功率，低 容量的场合。由于自放电水平比较低，因此其可以在电压跌落和瞬态干扰期间提 高供电水平，超级电容器储能系统特点是体积小，安装简单，效率可以达到9 5 ， 充放电速度快。限制其发展因素为能量成本高，每千瓦时达到三万多美元。 抽水储能：抽水储能电站特点是容量可以任意建造，储存的能量释放时间 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 可以从几小时到几天，效率一般在5 5 8 5 ，主要应用领域为日夜负荷调节， 频率控制，提供系统的备用容量等，限制其发展的因素为建设工期长，工程投资 大。 超导储能：超导储能的应用场合为负荷均衡，动态电压调节，暂态稳定， 电压稳定，频率调整，输配电系统稳定等，超导储能的效率比较高，可以达到 9 5 ，限制其发展的因素为能量成本较高，随着超导体的高温化，超导储能的成 本将会大范围下降，其应用范围也将扩大。 蓄电池储能：蓄电池储能主要用于u p s ，电能质量调节，备用电池等。传 统的铅酸电池应用最广泛，但是其效率比较低，而且其充电速度比较慢，不适用 于大电流放电。由于充放电过程中存在化学反应，所以其寿命非常短，大约为 5 0 0 次充放电次数的寿命，对环境不友好。新型电池不断被开发出来，他们的性 能大大改善，但是由于成本或其他原因，在大容量储能系统中还没有广泛普及。 飞轮储能：主要应用于调峰，频率控制，电能质量调节等。飞轮储能优点 是不需要维护，且对环境没有不良影响，效率可以达到9 0 。其缺点为成本高。 目前主要用于在时间和容量方面介于短时储能和长时储能应用的场合。 压缩空气储能：压缩空气储能一般用于调峰用燃气轮机发电厂，其消耗燃气 比常规燃气轮机少4 0 ，其建造时间大约为一到两年，建造的能量成本大越为3 美元每千瓦时，整体效率可以达到7 0 。目前主要是美国和德国在进行试验研究。 由于对电能的高功率密度，高能量密度，高效率和高可靠性的需求，通过电 力储能技术来解决电网的电能供需不平衡问题也越来越受电力公司，电能高端用 户的重视，由于超级电容的一系列优点，未来在需要进行电力储能以电网电能质 量的场合，超级电容作为储能器件将被广泛采用。 目前，实用化的超级电容，其单体的超级电容耐压都比较低，储存的能量有 限，通过对超级电容的串并联可以提高超级电容储存的能量，由于超级电容器本 身具有的一些缺点( 串联等效电阻相对一般电容要大) 及超级电容器储能系统需 要一定数量的超级电容器进行串并联，这都需要对超级电容有一个基本了解，根 据前人的文献，本文首先对超级电容器本体做了介绍，对超级电容等效电路模型 及超级电容器组的串并联优化设计做了一下整理，其次对超级电容储能系统中的 功率变换器( 双向d c d c 变流器) 进行分析，对一具体应用于超级电容储能系 2 浙江大学硕士学位论文第章绪论 统的双向d c d c 变流器进行了硬件电路的搭建，并对双向d c d c 变流器进行 了建模及闭环参数设计，最后通过搭建的实验平台对超级电容储能系统的超级电 容储能和超级电容释能进行了验证，仿真和实验验证了通过对双向d c d c 变流 器的闭环控制设计，超级电容器储能系统可以平衡电网的电能供需不平衡问题。 1 2 超级电容储能系统技术研究现状 本文研究的课题为超级电容储能系统解决电网电能供需不平衡问题中的应 用，系统的电路图如图1 1 所示，超级电容储能系统的功能是对电网的电能进 行能量管理，在用电低谷时，将电网多余的能量储存在超级电容中，在用电高峰 时将超级电容储存的能量释放以补偿电网的峰值负荷需要，由于超级电容储能器 是工作于电力系统中，目的是进行对电网的能量进行管理，而非功率调节，所以 当并网变流器在超级电容组进行能量存储时，工作于整流状态，可以等效为一个 理想直流电压源；当并网变流器在超级电容组进行能量释放时，工作于逆变状态， 向电网输送恒定的有功功率，可以等效为一个恒值电阻。在实际系统中，将并网 变流器用直流电压源或恒定电阻替代。本文重点对超级电容器组两种工作模式时 所对应的双向d c d c 变流器的两种工作模式进行了研究。 v 时 并网 埘 变流 i r 出宁 + 器 b 工 双向 广t d c ，d c ：c 睇变流器 l j 一 盯 吣 i 图1 1 电力系统储能中超级电容器储能系统 1 2 1 超级电容器储能系统应用综述1 4 1 1 5 1 1 6 i 1 7 1 1 8 i1 9 l o 超级电容器储能系统已经广泛应用于电动汽车，新能源发电储能，电力系统 中电能质量调节等。 超级电容器用于混合电动汽车中，其应用原理图如图1 2 所示，由于汽车 在行驶过程中经常需要加速启动或减速刹车，由于加速电动机需要很大的启动电 流，大的启动电流对不论是蓄电池还是燃料电池都会造成大的伤害；而汽车进行 浙江大学硕上学位论文第章绪论 减速制动时，根据研究制动所需要的能量占驱动能量的5 0 。如果加入超级电容 储能器对汽车启动加速和刹车减速进行能量管理，既可以降低对电动汽车中蓄电 池或燃料电池的伤害，又可以回收多余的能量，延长电动汽车的行驶里程。 冈些塑堕r 面f 卜堂吖网 i 竺蚓塑耐竺垦兰l 图1 2 超级电容器用于混合电动汽车原理图 目前超级电容器用于电动汽车主要是美日一些汽车生产商( 如丰田) 在做， 超级电容器用于电动汽车的主要问题是：超级电容器的能量密度还比较低( 目前 最大只有1 0 w h k g ) ，功率密度也有待进一步提高，而且超级电容价格还非常高。 所以超级电容器广泛应用于电动汽车还需要一定时间。 超级电容用于新能源发电，新能源主要为风能发电和光伏发电，由于太阳能 和风能等新能源具有时间特异性，风速会时大时小，太阳光照会有强有弱，若将 新能源发电进行直接并网，可能会造成电网运行不稳定，为了弥补新能源发电的 这些缺点，可以使用超级电容器作为中间的能量存储环节，在风力或光照充足时， 超级电容器储能，当风力或光照不足时，超级电容器释能，以使新能源发电输出 功率平滑，满足电网需求。力日拿大和德国已经进行相关的研究，德国的e n e r c o n 风轮机公司已经将超级电容作为风轮机的后备电源用于超级电容发电系统的功 率传输中，其风轮机的输出功率在3 0 0 k w 6 m w 之间。我国中科院电工所也在 进行相关研究，并搭建了一个用于光伏发电系统的3 0 0 w h l k w 的超级电容器储 能系统。图1 3 是应用于双馈风力发电系统的超级电容储能系统，图1 4 是光伏 发电储能系统原理图。 图1 3 应用于双馈风力发电系统的超级电容储能系统 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 图1 4 应用于光伏发电系统的超级电容储能系统 超级电容储能系统在电力系统中的应用目前主要为电能质量调节，在现实的 供电系统中，由于非线性负载的广泛应用及大型电机的突然启停，电网电压谐波 会增加，出现波形畸变，电压瞬间跌落等问题，这会对需要高质量的供电设备造 成伤害，为了提高供电质量，超级电容储能系统作为储能元件来改善电能质量已 经被广泛应用。目前超级电容储能系统在电力系统主要用于动态电压恢复器 ( d v r ) ，配电静止同步补偿器( d s t a t c o m ) ，统一电能质量调节器( u p q r ) 和不间断电源( u p s ) 中，图1 5 为采用超级电容储能的d v r 系统框图，图1 6 为采用超级电容储能的d s t a t c o m 系统框图。在d v r 系统中，电网正常时， 电网通过双向a c d c 维持超级电容的储能量，当电网发生电压突降时，超级电 容释放能量来维持负载端电压幅值稳定，从而提高了负载供电的可靠性。由于超 级电容相对于传统的电解电容储能能量大大增加，使得d v r 装置应用于大功率 场合成为可能。在d s t a t c o m 系统中，系统主要是对电网进行无功补偿，以 提高电网的稳定性，电网正常时，电网通过双向a c d c 维持超级电容的储能量， 当电网需要进行无功和有功补偿时，超级电容储能器通过双向a c d c 向电网输 送无功和有功，从而提高电网的稳定性，由于超级电容能够大容量的存储能量， 使得d s t a t c o m 对电网的调节能力大大增加。超级电容储能系统在统一电能 质量调节器( u p q r ) 和不间断电源( u p s ) 中的应用与上面的应用类似，在这 里就不过多叙述了。 浙江大学硕上学位论文第一一章绪论 电 网 d v r li 虱警 负 载 图1 5 采用超级电容储能的d v r 系统框图 电 网 负 载 图1 - 6 采用超级电容储能的d s t a t c o m 系统框图 1 2 2超级电容储能系统用双向d c d c 变流器综述1 1 0 l l u l1 1 2 11 1 3 1 作为储能元件通过并网变流器接入电网系统，超级电容接入并网变流器的直 流母线有两种方式：一种是直接接到逆变器的直流母线；另一种是通过功率变换 器接入直流母线。超级电容器通过串并联构成储能阵列，由于超级电容器在充放 电过程中，其两端电压变化范围很大，因此必须通过功率变换器接入直流母线， 使并网变流器向电网输送功率时，功率变换器能够提供恒定的直流母线电压。因 此接入功率变换器后，具有超级电容电压等级要求低，利用率高等优点。针对超 级电容储能器具有功率双象限流动进行储能和释能的特点，功率变换器必须采用 电流能够双象限流动的变流器双向d c d c 变流器。 和单向d c d c 变流器一样，双向d c d c 变流器按隔离和非隔离分为两类。 主要的非隔离双向d c d c 变流器： 6 浙江大学硕上学位论文 第一章绪论 非隔离的半桥型双向d c d c 变流器 + v - 图1 7 非隔离的半桥型双向d c d c 变流器 把非隔离的半桥型双向d c d c 变流器的功率二极管变为双向开关后具有同 样的结构，构成非隔离的半桥型双向d c d c 变流器，其电路如图1 7 所示，这 种双向d c d c 变流器结构简单，但是如果系统工作在电流连续模式，n - 极管 的反向恢复问题严重，电流断续则流过开关管的电流峰值会很大，大功率系统中 一般采用多重化结构或采用软开关技术。 b u c k 。b o o s t 双向d c d c 变流器 图1 8b u c k b o o s t 双向d c - d c 变流器 b u c k b o o s t 双向d c d c 变流器电路如图1 8 所示，其能量经过电感l 储存和传递，不适用于大功率场合应用。同半桥型双向d c 加c 变流器一样，可 以使电感电流工作于断续状态，但流过开关管的电流峰值会变大，优点是结构简 单。 c u k 双向d c d c 变流器 + v 图1 - 9c u k 双向d c d c 变流器 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 c u k 双向d c d c 变流器电路如图1 9 所示，其能量经过三次变换传递到负 载，其电路不适用于大功率场合应用，效率比较低，实际电路中很少应用。 s e p i c z e t a 双向d c d c 变流器 + 图1 1 0 s e p i c z e t a 双向d c d c 变流器 s e p i c z e t a 双向d c d c 变换器电路如图1 1 0 所示，将s e p i c 或z e t a 中的二 极管变换成双向开关后就变为s e p i c z e t a 双向d c d c 变换器，其电路能量传输 与c u k 双向d c d c 变换器类似，也不适用于大功率场合应用。 带隔离变压器的双向d c d c 变流器主要为隔离型b u c l o o s t 的双向 d c d c 变流器。 高频 逆变 整流 高频 整澍 逆变 图1 1 l 隔离型b u c l c 汨o o s t 的双向d c d c 变流器 在非隔离的b u c k b o o s t 的双向d c d c 变流器中插入高频变压器即可构 成隔离型b u c 舯o o s t 的双向d c d c 变流器，电路如图1 1 l 所示，其中高频 逆变整流和高频整流逆变单元可由全桥，半桥，推挽等电路构成。下面分析一 下由双全桥，双半桥，双推挽电路构成的双向d c d c 变流器。 双全桥型的b u c k b o o s t 的双向d c d c 变流器，其电路如图1 1 2 所示， 这种电路多应用于电源侧为电流源的大功率场合，由于全桥变换，各个功率器件 的电压电流应力减小，同样的器件可以传输更大的功率，适合于大功率场合应用。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 + v - 肆叫申e + = v ；略叫略 - li 图1 1 2 双全桥型的b u c 量汨o o s t 的双向d c d c 变流器 双半桥型的b u c k b o o s t 的双向d c d c 变流器，其电路如图1 1 3 所示， 其相对于全桥变流器，要求功率器件的电流容量大，而且其支撑电容要求比较高， 适合于中功率高压应用。 + 叫略上一一略 = = l s c l3 庐=v ? 叫pp 略： _ - _ - 双推挽型的b u c k b o o s t 的双向d c d c 变流器，其电路如图1 1 4 所示， 其结构比较简单，但因为变压器漏感引起大的开关电压尖峰，开关管工作条件恶 劣，适合于中低压场合应用。 + v 上 叫 l s c nnnn 卫j 兀i i 江 岁t i+ 一 c 丰v d ml 一 占 图1 1 4 双推挽型的b u c k b o o s t 的双向d c d c 变流器 双向d c d c 变流器中，非隔离型的电路比较简单，容易实现，且能满足低 压，大电流场合应用，但是其电压转换比较低，隔离型双向d c d c 变流器可以 实现大的电压变比，且能满足不同功率等级场合，然而在低压，大电流场合应用 时，效率低。 从上面对各种双向d c d c 变流器的分析可知：非隔离式的双向d c d c 变流器 结构比较简单，所用的有源器件比较少，而隔离型双向d c d c 变流器存在隔离 9 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 变压器，因此可以通过调整隔离变压器的增益来实现双向d c d c 变流器的大范 围变压，由于实际的超级电容储能系统的双向d c d c 变流器的两端电压变比并 不高，从成本和可靠性方面考虑，本文超级电容储能系统中采用非隔离型双向 d c d c 变流器。由于非隔离型双向d c d c 变流器中的c u k 和s e p i c z e t a 型电路 的能量都为经过三次变换，不适合于大功率场合应用。本文采用结构最简单，可 靠性最高的半桥型非隔离的双向d c d c 变流器。其电路如图1 1 5 所示：双向 d c d c 变流器的低压侧接超级电容器组，高压侧接并网逆变器的直流母线。 + v 图1 1 5 半桥型双向d c d c 变流器 1 3 本文选题意义与研究内容 由于电能的特点，无法像化石能源一样储存，所以发出的电能必须用掉，电 力储能，尤其是大容量的电力储能，一直是电力系统中的一个需要解决的大问题， 而随着新能源发电系统的大发展和各中脉动性用电设备的增加，对电力储能的需 求也越来越迫切，在用户侧发展合适的储能系统来平衡电网中电能的供需不平衡 是一件非常有意义的事情。而作为具有功率密度大，充电时间短，使用寿命长， 充放电效率高等特点的超级电容会在电力系统中作为储能器而被广泛的应用。本 文针对超级电容器的特点和电网的需求等特点，设计了超级电容储能系统中的双 向d c d c 变流器，使在用电低谷时超级电容根据指令能够进行充电储能，在用 电高峰时根据指令能够放电释能。 本文的主要内容包括以下几个方面： 第一章介绍各种电力系统中的各种储能系统，以及超级电容储能系统的各种 典型应用，并介绍了应用于超级电容储能系统的各种双向d c d c 变流器的特点。 第二章介绍了超级电容器的原理和超级电容器的特点，并对超级电容器的等 效电路模型做了分析，最后对超级电容器组的优化组合设计做了介绍。 l o 浙江大学硕士学位论文第章绪论 第三章根据本课题具体要求，设计了超级电容器储能系统中的超级电容器 组、双向d c d c 变流器的主电路硬件和控制电路。 第四章对超级电容器储能系统中的双向d c d c 变流器的两种工作模式进行 了建模，设计了系统的控制参数，并对双向d c d c 变流器的软件进行了设计。 第五章对超级电容器储能系统中双向d c d c 变流器的两种工作模式进行了 相关实验，给出了实验波形。 第六章是对本文的总结。 浙江大学硕士学位论文第二章超级电容器特点及超级电容器组设计 第二章超级电容器特点及超级电容器组设计 超级电容器是超级电容储能系统中最重要的器件之一，本章根据文献对超级 电容器的原理和超级电容器的特点进行了介绍，并对超级电容器的等效电路模型 做了介绍。超级电容储能系统需要一定数量的超级电容器单体串并联来实现系统 的要求，如何确定超级电容器的数量，如何对超级电容器进行串并联，使得超级 电容器组即满足系统的储能要求，同时系统的可靠性又最高，也是设计超级电容 储能系统的一个重要问题。本章最后对超级电容器组中超级电容器单体数量设计 及串并联组合方式设计进行了分析。 2 1 超级电容器1 5 l 1 1 4 1 1 1 5 10 6 11 1 7 l 1 1 5 11 1 9 1 超级电容器是近年来发展起来的一种介于电容器和化学电池之间的新型储 能元件，根据储存电能机理不同，超级电容可以分为两类：一类是电化学双层电 容( e l e c t r o n i c c h e m i c a ld o u b l e 1 a y e rc a p a c i t o r s ，e d l c s ) ，其高表面积的碳材料电极 和溶液界面形成双电层；一类是法拉第准电容器( f a r a d a yp s e u d o c a p a c i t o r ) ，其电 活性物质在电极材料表面进行欠电位沉积，并可以发生可逆化学反应，从而在电 极上产生电位。实际的超级电容会同时包含两种电容器的电容分量，只是所占分 量不同而已，此外还有使用不同正负极材料的非对称型超级电容器( 也称混合超 级电容器) 。由于活性炭材料比较便宜，性能也稳定，易于实现工业化，目前各 类已经实用化的超级电容器多为碳材料双电层超级电容器。 图2 1 是双电层超级电容器的原理图，超级电容器的电极与电解液接触后， 一层电荷会聚集在电极板上，而极性相反的电荷则在电解液中，从而在电极和溶 液之间形成双电层，双电层超级电容器一般采用比面积很大的多孔性碳和具有准 电容特性的水合氧化钌( r u 0 2 * x h 2 0 ) 按照一定比例做成电极材料，在此类电极中， 电离子可以嵌入到无定形的氧化钌基体中，而不像其他材料只能在表面存储电 荷，因而其活性炭的电极具有很大的表面积，可以达到2 0 0 0 m 2 儋，从而它可以 获得很高的比电容值( 可达到7 6 8f g ) 。再使用3 8 硫酸或是胶体高分子聚合 物作为电解质，将玻璃一聚丙稀隔膜夹在阳极和每片阴极箔片之间，组成电极基 1 2 浙江大学硕士学位论文第二章超级电容器特点及超级电容器组设计 片，再通过基片组装成超级电容器。 电解质 活性炭 电极 图2 1 双电层超级电容器结构图 现在市场上产品化的超级电容器基本上是美国，日本和俄罗斯几个国家生产 的，生产厂商主要有：p a n a s o n i c ，n e c ，e p c o s ，m a x w e l l ，e v a n s ，s a f t ，p o w e r s t o r ， n e s s 等，我国超级电容器研究比较晚，目前主要有锦州电力容器有限责任公司， 北京科技大学，北京有色金属院等厂商和研究院所在做有关超级电容本体的研 究。 超级电容作为储能元件具有如下的特点： 电容值大。超级电容器采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极，与电解 液接触的面积大大增加。根据电容量的计算公式，两极板的表面积越大，则电容 量越大。因此，一般双电层电容器容量很容易超过lf ，它的出现使普通电容器 的容量范围骤然跃升了3 4 个数量级。目前单体超级电容器的最大电容量可达 到1 0 0 0 0 f 。 高的比功率。比功率是指单位时间能够储存或释放的能量，比功率越高，储 存或释放能量的速度就越快。超级电容器的内阻很小，并且在电解液界面和电极 材料本体内均能够实现电荷的快速贮存和释放，因而它的输出功率密度高达数 k w k g ，是一般蓄电池的数十倍。 低的能量比。比能量是指单位体积或重量可以释放或存储的能量，目前超级 电容器的比能量大约为1 8 w h k g ，虽然远远大于普通的电解电容，但是相对于蓄 电池，超级电容器的比能量还是偏低。 充放电寿命长。超级电容充放电次数可达一百万次，而蓄电池的充放电寿命 1 3 浙江大学硕士学位论文第二章超级电容器特点及超级电容器组设计 很难超过1 0 0 0 次；可以提供很高的放电电流，如2 7 0 0f 的超级电容器额定放电 电流不低于9 5 0 a ，放电峰值电流可达1 6 8 0 a ，一般蓄电池通常不能有如此高的 放电电流，一些高放电电流的蓄电池在如此高的放电电流下的使用寿命将大大缩 短。 快速充放电。超级电容可以从数十秒到数分钟内快速充电，而蓄电池在如此 短的时间内充满电将是极危险的或是几乎不可能的。 储存寿命长。超级电容器充电之后贮存过程中，虽然也有微小的漏电电流存 在，但这种发生在电容器内部的离子或质子迁移运动乃是在电场的作用下产生 的，并没有出现化学或电化学反应，没有产生新的物质。而且所用的电极材料在 相应的电解液中也是稳定的，故理论上超级电容器的贮存寿命几乎可以认为是无 限的。 工作温度范围宽。超级电容的工作范围在4 0 c 8 5 c f 而蓄电池的工作温度 一般在2 0 6 0 。 高可靠性。超级电容器工作过程中没有运动部件，维护工作极少，因而超级 电容器的可靠性是非常高的。 相对于传统的储能器一蓄电池，超级电容器作为新型储能元件，其在充放电 速度，比功率，受环境温度影响，维护方面，其特性远远优于蓄电池，而且通过 测量超级电容器的端电压，就可以计算出超级电容储能系统的储能量，可以方便 储能系统的能量管理。但由于其价格相对还较高，比能量还偏低，其广泛应用还 需要一定时间，但是随着科技的进步，超级电容器的广泛应用，其价格有望大幅 度下降，比能量进一步提高，相信在不久的将来，超级电容器作为储能器件将会 被广泛使用。 目前超级电容器研究的热点主要是如何提高超级电容器的比能量和比功率 ( 即提高超级电容器的功率密度和能量密度) ，提高超级电容的可靠性、稳定性 和扩大超级电容器的应用范围上。电化学家的研究主要在开发新电极材料及选择 合适的电解液上，以提高超级电容的功率密度和能量密度。电力电子专家则侧重 于在了解超级电容的基础上，通过对超级电容器组的优化组合和附加功率变换器 对超级电容器组储能进行能量管理，从而提高超级电容器组的可靠性和超级电容 器组的储能利用率。 1 4 浙江大学硕士学位论文第二章超级电容器特点及超级电容器组设计 2 2 超级电容器的等效模型分析1 2 0 1 1 2 1 1 1 2 2 11 2 3 1 1 2 4 11 2 s l 由于用活性碳作为电极的双电层超级电容器价格相对便宜，技术也比较成 熟，所以应用比较广泛，因此对碳电极双电层超级电容器的等效模型进行分析。 目前超级电容器的等效电路模型主要有两种：经典拜德极化电池模型和n e w m a n 等人提出的传输线模型。拜德极化电池模型如图2 2 所示，r 1 为分离电阻，取决 于双电层电容器的所用电解质的电导率和电极材料的表面积；k 为电荷转移电 阻，c d 为吸附电容，如和c 。由电极材料表面的法拉第反应所引起的电荷转移量 大小，其值随温度变化而变化。 图2 2 拜德极化电池模型 图2 3 为超级电容器传输线模型，文献【2 0 】对超级电容器的传输线模型做了详 细的分析：极化电极中的每一个孔都有无数孔嵌套而成，每个孔的化学行为都与 其物理形状有关，其活性炭极的模拟等效电路有无数个子电路并联嵌套而成，且 其电容电阻与超级电容的应用环境有关。 刊卜 li 图2 3 超级电容器传输线模型 超级电容器还有另外两种等效电路，其等效图如图2 4 和图2 5 所示，其相 关参数的物理意义这里就不在赘述，可以从相关文献 2 2 1 1 2 3 上查得。 kkk 图2 - 4 超级电容器等效电路 浙江大学硕士学位论文第二章超级电容器特点及超级电容器组设计 图2 5 超级电容器等效电路 对于超级电容器用于超级电容储能系统，采用上述的超级电容器精细的等效 电路模型虽然能够提高系统模型精确度，但是却会带来模型的复杂化。从对功率 变换器的设计来说，超级电容器可采用简单的集总电路模型( 也称超级电容器的 经典等效模型) ，这样可以大大减化系统设计的复杂性，超级电容器集总电路模 型如图2 - 6 所示。 图2 6 超级电容器集总电路模型 超级电容器等效为一个理想的电容器c f 并联一个阻值较大的并联等效电阻 k 后串联一个阻值较小的串联等效电阻k 。文献【2 5 】对超级电容器的经典模型和 传输线模型做了对比，并进行了仿真测试，测试结果证明在对超级电容器进行慢 速放电和突加负载时的放电电流下，超级电容器的两种等效电路的放电电流和电 容两端电压基本吻合。所以在本文中，超级电容器采用经典等效电路来替代。 2 3 超级电容器组的优化设计1 2 6 l 1 2 7 1 超级电容器相对于一般的电解电容具有电容值大，比能量和比功率高等优 点，但是其串联等效电阻k 却比电解电容大很多，一般为毫欧级，所以在对超 级电容进行大电流充放电时，其串联等效电阻所带来的影响不可忽略。由于超级 电容的单体电压耐压远远低于电解电容( 最高为5 v ) ，而超级电容储能系统中超 级电容器组的耐压一般要远远大于单体超级电容器的耐压，这就需要对超级电容 器进行串联，同时由于单体超级电容器的容值有限，在需要储存特定能量的要求 1 6 浙江大学硕士学位论文第二章超级电容器特点及超级电容器组设计 下，需要对超级电容器进行并联。如何对超级电容器进行串并联，使得超级电容 器组即满足系统的储能要求，又不降低系统的可靠性，也是设计超级电容储能系 统的一个重要问题。下面对超级电容器组进行串并联设计。 理想超级电容器的储能量公式为：形= 1 ，v f 2 ，；g ow 。为超级电容器储 存的能量，c f 为超级电容器的容值， v f 为超级电容器的电压。超级电容数量 设计超级电容小电流充放电时，等效串联电阻飚上压降可以忽略，此时超级电 容等效为理想电容，能够按照理想电容的能量公式进行储能容量的分析计算，则 多只超级电容构成一定容量的储能阵列时，可按照能量约束法 3 3 1 进行优化设计， 但在大电流充放电时，串联等效电阻k 上的功耗占系统总功耗的比例较大， 不能忽略。这种情况下可采用功率约束法【2 7 】对超级电容器组进行优化设计。 能量约束法：能量约束法适合于对超级电容器进行小电流充放电情况，在超 级电容储能系统中，超级电容器有一个最高充电电压v m 积和最低放电电压v m i n ， 设系统设计的超级电容器充放电电流为i ，最低放电电压为v m i n 时，如果存在 约束条件： k i , c 足， ( 2 - 1 ) 则在对超级电容器组设计时，就可以忽略超级电容器的串联等效电阻k 在 超级电容器充放电时所引起的能量损耗。假设超级电容器组的储能量设计为w 。， 超级电容器的最高充电电压设计为v m 舣和最低放电电压设计为v m i n ，当储能阵 列超级电容设计的串联数目为a ，并联数目为b 时，则a n b 满足： 口6 ：= _ _ ；_ ( 2 - 2 ) 口6 = ：o _ - c f ( k 2 一2 ) 实际应用中，a 、b 均取整数。 功率约束法：当超级电容器在大电流充放电时，根据超级电容器的放电功率 等于负载输出功率与等效串联电阻飚上消耗功率之和这一理想功率平衡条件， 设每个电容值为c f ，假设设计的超级电容器组的超级电容器串联数目为a ，并联 数目为b ，根据文献【2 7 1 得： 口6 ：兰巴! 刍堡三兰垦址 矿 2 ( 2 3 ) 超级电容串并联方式设计：根据超级电容器组的储能需求设计出需要的超级电容 1 7 浙江大学硕士学位论文第二章超级电容器特点及超级电容器组设计 器数量后，再对超级电容串并联组合的方式进行设计。 超级电容储能阵列串联的数目a 由双向直流变换器设定的工作范围决定。当 双向直流变换器直流电容侧电压确定之后，设定工作范围就确定了超级电容串联 电压，从而确定了串联数目a ，由已定的a 值确定并联数b 。 当确定了超级电容阵列串并联数目之后考虑具体连接方式时有两种可能： a 只超级电容先串联后b 组并联；b 只超级电容先并联后a 组串联。文献 2 6 】通过 概率的方法分析了储能阵列两种连接方式的可靠性和超级电容容量的分散度，得 出结论t 先b 并后a 串的阵列组合方式不仅能够提高储能模块的可靠性，还能够 减小超级电容容量的分散度，从而降低对超级电容器电压均衡电路平衡能力的要 求。 2 4 本章小结 本章首先对超级电容器中的双层电容器的原理进行了介绍，并对超级电容器 的特点进行了介绍，根据文献对超级电容器的等效电路进行了综述。最后根据前 人的分析，对超级电容器组数量的设计和串并联方式的设计做了介绍。 1 8 浙江大学硕士学位论文第三章应用于电力储能的双向d c d c 变流器的硬件系统设计 第三章应用于电力储能的双向d c d c 变流器的硬件系统设计 3 1 双向d c d c 变流器的工作模式 在超级电容储能系统中，双向d c d c 变流器是超级电容与并网变流器的接 口，是实现