超级电容器储释能双向变换器设计与仿真毕业论文.doc

超级电容器储释能双向变换器设计与仿真毕业论文 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2超级电容器的发展概况和研究现状21.2.1超级电容器21.2.2超级电容器发展概况31.2.3超级电容储能系统技术研究现状41.3本文主要设计内容5第2章 基于超级电容器储能的独立光伏系统72.1系统的总体结构设计72.2系统的储能分析92.2.1超级电容器在系统中的作用92.2.2系统能流模型分析102.3本章小结12第3章 超级电容器工作原理和特性分析133.1超级电容器的工作原理及特点133.1.1超级电容器的工作原理133.1.2超级电容器的特点143.2超级电容器的应用模型建立153.3超级电容的串并联设计163.4超级电容器充放电特性173.5本章小结19第4章 超级电容器储能系统设计及控制策略214.1双向DC/DC变换器主电路设计214.1.1超级电容器储能系统对双向变换器的要求214.1.2双向DC/DC变换器的工作原理224.1.3双向变换器参数设计254.2储能系统控制策略的设计264.3本章小结29第5章 超级电容器储能系统的仿真315.1双向DC/DC变流器Buck电路仿真315.2双向DC/DC变流器Boost电路仿真345.3本章小结35结论36参考文献37致谢39附录140附录246附录351附录459附录565第1章 绪论 第1章 绪论1.1 课题背景进入21世纪后，人类社会高速发展，同时却带来了众多的能源和环境问题。在有限的可利用能源和环境保护的双重制约面前，人类面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战。能源和环境问题越来越突出，主要表现在传统能源的不断减少及其对环境造成的危害日益突出。为了解决能源危机，全世界都把目光投向了可再生能源，人们希望可再生能源能够缓解目前紧张的能源供应。而在可再生能源中太阳能由于其具有独特的优势越来越受到人们的重视，丰富的太阳能是取之不尽、用之不竭的，分布范围广，为广泛利用创造了条件，同时不污染环境，可再生，是国际上公认的理想替代能源。太阳能开发利用技术发展很快，已经形成了一个产业链即光伏产业，包括纯多晶硅原材料生产、光伏电池生产、光伏电池组件生产及相关生产设备的制等。此外，太阳能光伏发电技术也已经取得了长足发展，但作为能源，太阳能最大的缺陷就在于其具有不稳定性及不连续性。为了充分利用太阳能，提供持续可靠的能源，通常在光伏发电系统中都需要增加储能装置。光伏系统采用储能技术，不仅能提供稳定而优质的电能，而且整个发电系统的运行可靠性及连续性都得到提高。因此，储能装置是光伏发电系统中的关键组成部分。而目前，光伏发电系统普遍采用的是蓄电池储能，但蓄电池自身并不完善，循环寿命短、污染环境、对环境温度要求高、充电时间长和瞬时功率输出小等缺陷制约了光伏发电系统的大规模发展，增加了系统发电成本。20世纪70年代末出现了一种新型储能元件超级电容器，其电容量为法拉级甚至达到数千法拉，充电速度非常快，单体可在数秒或数分钟内完成，并且具有大功率密度。由于其具有储能方面的独特特点，已经越来越受到人们重视。近年来，超级电容器取得了飞速发展，在诸多需要储能的领域已经开始广泛使用超级电容器。超级电容器作为储能装置具有很多优越的性能，在很多场合己经取代了蓄电池进行储能，但同时也要看到超级电容器不利于储能的地方，超级电容器储能技术还有待进一步发展。基于以上背景，本文主要围绕超级电容器储能系统及其在光伏发电系统中的应用进行研究，将超级电容器作为光伏发电系统的储能装置，以改善系统的输出电能质量，并提高系统的稳定性和供电持续性。本文所研究的光伏系统为独立光伏发电系统，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DC/DC变流器)进行分析，对一具体应用于超级电容储能系 统的双向DC/DC变流器进行了硬件电路的搭建，并对双向DC/DC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DC/DC变换器的闭环控制设计，超级电容器储能系统可以平衡电能供需不平衡问题。1.2超级电容器的发展概况和研究现状1.2.1超级电容器目前，关于超级电容器的分类方法并未完全统一，一般认为超级电容器包括双电层电容器(Electric Double Layer Capacitor，EDLC)和电化学电容器(Electrochemical Capacitor)两大类。其中，双电层电容器采用高比表面积活性炭，并基于碳电极与电解液界面上的电荷分离而产生双电层电容。电化学电容器采用RuO，等贵金属氧化物作电极，在氧化物电极表面及体相发生氧化还原反应而产生吸附电容，又称为法拉第准电容。由于法拉第准电容的产生机理与电池反应相似，在相同电极面积的情况下，它的电容量是双电层电容的几倍;但双电层电容器瞬间大电流放电的功率特性比法拉第电容器好。本文所研究和应用的超级电容器，主要是指基于双电层原理工作的双电层超级电容器。双电层原理是德国人Helmholtz于1879年提出的。当金属插入电解液中时，金属表面上的净电荷将从溶液中吸引部分不规则分配的带异种电荷的离子，使它们在电极-溶液界面的溶液一侧离电极一定距离排成一排，形成一个电荷数量与电极表面剩余电荷数量相等而符号相反的界面层。这个界面层由两个电荷层组成，一层在电极上，另一层在溶液中，因此形成双电层(Helmholtz Layer)。由于界面上存在一个位垒，两层电荷都不能越过边界彼此中和，按照电容器原理将形成一个平板电容器。由此可见，超级电容器的充放电过程始终是物理过程，不发生电化学反应。因此，其性能稳定，能量存取速度快，充放电损耗小，与可充电蓄电池相比，具有较大的性能优势。根据电容器原理，电容的容值取决于电极间距和电极的表面积。采用活性炭或活性炭纤维多孔化电极的双电层电容器，电极与电解液的接触面积大幅度增加，可以获得极大的比面积，高达1000-3000m2/g;而且，双电层之间的距离非常小，仅为几个电解液分子，或者约为10-10m。因而，超级电容器具有极大的电容量，可以存储很大的静电能量。一般地，双电层电容器的电容量很容易超过1F，比普通电解电容器高34个数量级。目前，单体超级电容器的最大电容量可以达到5000F。电解液的分解电压决定了超级电容器的最高工作电压。当电容器两极板间电压低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上的电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态。当两极板间电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。电解液的成分不同，其分解电压也不同。一般地，采用水电解液的双电层电容器的单体工作电压约为1V，而采用有机电解液的双电层电容器单体电压可达3-3.5V。1.2.2超级电容器发展概况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。1957年，Becker获得了第一个双电层电容器的专利，这使得超级电容器的有更进一步的发展。到目前为止，超级电容器的发展有50多年了，这期间的研究主要集中研究电极活性物质上。1962年，标准石油公司(SOHIO)生产了一种工作电压为6V的碳材料电极双电层电容器，其大小和汽车蓄电池差不多。1978年，日本电气和松下公司合作研制了一种液体无极性卷绕型的双电层电容器，1983年，日本NEC公司率先将超级电容器推向市场，实现商品化。 限制超级电容器发展的因素主要是超级电容器的功率密度和能量密度，尤其是其能量密度。对超级电容器的研究主要集中在两个方面，一是研制性能更稳定、价格更低的新型电极及电解液材料；另一方面则是通过研究超级电容器的附加设备以提高其储能利用率，即不断改进超级电容器储能技术使储能系统具有更高的可靠性和稳定性。近年来，超级电容器的研究开发热潮席卷全球，许多国家先后投入大量的人力、物力进行超级电容器及其相关应用的研究，并取得了显著的研究成果，美国、俄罗斯、日本等国在超级电容器的很多领域处于领先地位。新产品和新技术不断涌现，阻碍超级电容器应用的能量密度也在不断提高。近日，美国的Nanotek Instuments公司新研制了一种石墨烯超级电容器，其能量密度为85.6Wh/kg，相当于镍氢电池，这是有史以来基于碳纳米材料双电层电容器所达到的最高值，创造了超级电容器储能的新纪录。我国的超级电容器研制工作起步较晚，始于从20世纪80年代。电子部49所率先研制出用于电子电路的容量为法拉级的产品，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-聚苯胺纳米复合物超级电容器，能量密度达到了6.97Wh/kg，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3.5V、5.5V、11V等系列。北京金正平、石家庄高达、北京集星、江苏双登、锦州锦容和上海奥威等公司都开展了超级电容器的批量生产，并已在内燃机的电子启动系统、高压开关设备、电子脉冲设备、电动汽车等领域得到了应用。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。70 第1章 绪论 1.2.3超级电容储能系统技术研究现状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，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;而汽车进行减速制动时，根据研究制动所需要的能量占驱动能量的50%。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。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。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己经被广泛应用。1.3本文主要设计内容本课题的研究目的是设计应用于光伏发电系统的超级电容器储能系统，并能通过储能环节很好的调节负载和光伏发电系统的不稳定性。分析超级电容器的储能原理，提出一种超级电容器的等效电路模型，研究超级电容器的储能特性，并对超电容器储能的几个关键技术进行研究。分析对比超级电容器储能特性，设计储能充放电电路，并研究各种能流模型下储能控制策略。重点主要放在对搭建的超级电容器储能系统的充放电控制进行设计与仿真。第2章 基于超级电容器储能的独立光伏系统 第2章 基于超级电容器储能的独立光伏系统由于超级电容器作为一种储能元件具有充放电速度快、循环使用次数多、寿命长、功率密度高等优良特性，因此以超级电容器作为储能装置可以解决蓄电池使用寿命短、维护不方便等缺陷，在光伏发电领域将具有广泛的应用前景。本文以超级电容器组作为储能装置，构建了独立光伏发电系统，并对系统的总体结构、能量流动、控制系统等进行了分析和研究。2.1系统的总体结构设计在光伏电池阵列与直流母线之间加入 DC/DC 变换器，在超级电容器与主流母线之间加入双向 DC/DC 变换器，能量在直流母线与超级电容器之间双向流动。这种结构能很好的解决光伏电池阵列与超级电容器组串并联数不匹配的问题，可以根据电路结构和功率容量比较灵活的选择；系统结构也比较简单，超级电容器的充放电过程通过一个双向变换器实现，可减轻系统重量。同时双向变换器能够保护超级电容器的充放电过程，保护超级电容器不受损坏；通过选择两个变换器的工作模式，有效实现系统能量流动过程。该系统中单向 DC-DC变换器为提供稳压输出给负载，利用双向 DC-DC 变换器控制超级电容器的充放电，给负载辅助供电或吸收多余电能，结构与图 2-1 相似。图2-1 光伏系统结构框图太阳光经过光伏电池将太阳能转换为电能，由系统控制器控制将电能通过DC/DC 供给负载使用。如果光照充足，发出的电能在满足负载使用的同时，通过双向DC/DC变换器将多余的电能储存在储能元件中，当夜间或太阳光照不充足时，光伏电池发出的电能无法满足负载的要求，此时储能环节就会利用自身所存储的能量，通过系统控制器为负载提供所需电能，保证系统稳定可靠的运行。太阳光经过光伏电池将太阳能转换为电能，由系统控制器控制将电能通过DC/DC 供给负载使用。如果光照充足，发出的电能在满足负载使用的同时，通过双向DC/DC变换器将多余的电能储存在储能元件中，当夜间或太阳光照不充足时，光伏电池发出的电能无法满足负载的要求，此时储能环节就会利用自身所存储的能量，通过系统控制器为负载提供所需电能，保证系统稳定可靠的运行。基于超级电容器储能的独立光伏发电系统的结构，系统的电路图如图2-2所示，采用太阳能为一次能源，超级电容器作为储能单元。系统中光伏电池通过单向变换器连接负载，能量单向流动。超级电容器储能装置通过一个双向变换器连接在直流母线上，能量双向流动。图2-2 光伏发电系统原理图C1和C2分别为其输入端储能电容和输出端滤波电容，L1是电感，Q1和D1分别为功率开关管和续流二极管。Buck/Boost双向变换器两端连接直流母线和超级电容器，C3和C4为滤波电容，Q2和Q3为功率开关管，D2和D3分别为Q2和Q3的体二极管，L2为双向变换器的电感。2.2系统的储能分析2.2.1超级电容器在系统中的作用本系统的储能装置为超级电容器组，由于超级电容器组作为新型储能装置具有很多独特的储能优点，所以本系统在储能上也具有一定的独特优势。与传统储能装置的蓄电池相比，超级电容器在系统中具有以下作用:(l)提高系统的可靠性和持续性与蓄电池相比，超级电容器具有更好的高低温特性，能够适应恶劣的气候条件，这使得系统的可靠性大大增强。此外，由于单体超级电容器具有较高的能量密度和功率密度，因此超级电容器组作为能量储存装置，可以储存较大的能量，在夜间或阴雨天均能向负载供电，保证光伏发电系统的持续供电能力。(2)改善系统的电能质量超级电容器具有较高的功率密度，比蓄电池快很多的充放电速度，能提供瞬时大功率。因此，当电网受到某些因素干扰，电网电压发生波动时，超级电容器组与放电控制器配合，快速吸收纹波峰值功率，可以较快地补偿电压骤降或突升，改善直流母线输出电压，进而改善电能质量。(3)提高系统的能量利用率超级电容器组可以与光伏阵列及充电控制器配合，实现MPPT，使光伏阵列工作点保持在最大功率点附近，进一步提高了光伏电池的放电效率。随着储能技术的不断发展，超级电容器的放电深度将进一步提高，能够释放更多的电能，系统的能量利用率将大大提高。(4)降低投资成本目前，超级电容器产品已经开始批量生产，市场价格较为合理。随着超级电容器产业化的不断发展，超级电容器的成本还将进一步降低，采用超级电容器储能系初始设备成本将进一步降低。另外，与蓄电池相比，超级电容器的循环使用寿命很长，可达105次以上，维护周期长，因此，系统的运行成本将降低。超级电容器作为新型储能装置，具有许多优越的储能优势，其发展速度很快。随着超级电容器储能技术的不断发展，将逐步取代蓄电池成为储能的主流器件。2.2.2系统能流模型分析在本系统中，能源来自于光伏阵列，超级电容器组既可以作为电源，向负载供电，又可以作为负载，将光伏阵列输出的电能储存起来。因此，系统在工作过程中存在着多种能流关系，主要是由光伏阵列的发电状态、超级电容器组的储能状态以及负载的用电状态等因素决定的。在本系统中，能源来自于光伏阵列，超级电容器组既可以作为电源，向负载供电，又可以作为负载，将光伏阵列输出的电能储存起来。因此，系统在工作过程中存在着多种能流关系，主要是由光伏阵列的发电状态、超级电容器组的储能状态以及负载的用电状态等因素决定的。1）当超级电容器的储能量较少，端电压很低，又没有负载需要提供功率时，系统工作在超级电容独立充电储能模式，如图2-3所示。只要外界环境条件可以使光伏电池输出功率，这种工作模式一直维持到超级电容器的储能量达到一定程度，端电压上升到较高的水平，达到其耐压值，不能再存储能量为止。在这个工作模式中，由于超级电容器组经过较深放电，因而初始电压较低，当光伏阵列的全部输出能量都用于对其充电时，超级电容相当于短路，充电电流会非常大，有可能烧坏功率开关器件，因此要对充电电流进行限制，防止因电流过大而损坏充电控制器及相关电路。在充电过程中，系统控制器不断检测超级电容器组的端电压，当上升到一定设定值时，充电控制器转为涓流充电或恒压充电方式，直至端电压达到最高设定值，停止充电。图2-3超级电容器单独充电储能2）当日照强度突然变大时，Boost升压电路进行MPPT控制，功率输出增大，但负载消耗功率不变，如果这个时候超级电容器组端电压比较低，仍然可以存储大量能量，系统就转入光伏阵列同时给超级电容器和负载供电模型，如图2-4所示。这种方式是系统的主要工作方式。这个时候，由于功率输出增大，直流母线电压值首先会增大。当增大到一定值时，系统进入这种工作模式，首先需要判断超级电容端电压，如果端电压太小就采用恒流充电，防止电流过大，如果端电压比较大，可以采用以控制直流母线电压为目标的恒压充电控制。图2-4 光伏列阵同时给超级电容器和负载供电3）当日照强度较小，或者负荷加重时，由超级电容器和光伏阵列组成双电源，一起向负荷供电，如图2-5所示。光伏阵列和超级电容器组一起提供负载所需的能量，这种模式下，以直流母线电压为控制目标，电压低到一定值时，启动双向Buck-Boost变换器放电模式，采用恒压控制，使母线电压上升。图2-5 光伏电池和超级电容器同时给负载供电4）当光伏阵列不能发电时，由超级电容器单独向负荷供电，如图2-6所示。这种情况常出现于夜间或阴雨天，也是独立光伏系统的一种主要工作方式。由超级电容器提供负载所需的全部能量。在工作过程中，系统控制器检测超级电容器组的端电压，防止发生过放电。另外，对负载进行能量管理，优先满足重要负载的用电需求，关闭不重要的负载。图2-6 超级电容器单独放电2.3本章小结通过上述分析可知，由于光伏发电能量的不稳定性，需要用到超级电容器储能系统对光伏发电系统进行能量的平衡控制，当光伏电池发出的能量很多时，光伏电池除了给负载供电外还需要给超级电容器充电，利用超级电容器去储存光伏电池发出的多余的能量；当光伏电池发出的能量不足，不满足负载所需的能量时，需要利用超级电容器放电补充光伏发电能量的不足。所以本论文中将重点研究超级电容器的充放电控制。第3章 超级电容器工作原理和特性分析第3章 超级电容器工作原理和特性分析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。3.1超级电容器的工作原理及特点3.1.1超级电容器的工作原理超级电容器(super-capacitor)，又叫电化学电容器(Electrochemical Capacitor , EC)，双电层电容器(Electrical Double-Layer Capacitor)、黄金电容(Gold Capacitor)、法拉电容，是利用电极和电解质之间形成的界面双电层来储存能量的一种新型电容器，是建立在德国物理学家Helmholz(亥姆霍兹)提出的界面双电层理论基础上的一种全新的储能器件。 由于使用的电极材料和电解质的不同，超级电容器的储能机理各有不同，但是储能过程基本相同。在实用过程中，出于对安全及价格因素的考虑，碳材料双电层电容器使用的比较广泛，且技术也相对成熟。对超级电容器工作原理的理解可以利用传统静电电容器的工作原理进行考虑。静电电容器的工作原理是正负电荷分别在两电极板上迅速累积，造成两极板形成电势差，进而在这两极板间产生电场，电能便储存在电场中，当两极板与外电路形成回路时，正负电荷发生转移便释放了电能。静电电容器的电容量取决于电极间的距离和电极表面积，超级电容器的工作原理与其类似，只是电极表面积非常大，因此电容量很大。当外加电压加到超级电容器的两个电极上时，与普通电容器一样，电极导体与电解液接触后会在其表面产生符号相反的电荷层，这种正电荷与负电荷排列在两个不同相之间的接触面上，而且是以极短间隙排列的，这个电荷分布层就叫做界面双电层。活性炭多孔化电极和电解液是紧密接触的，这样就使实际电极可以获得极大的有效电极表面积，一般可达1200m2/g。如此大的电极表面积使超级电容器的电容量非常大，故可以储存很多的静电能量。当两极板间的电势低于电解液的氧化还原电极电位时，界面双电层上的电荷不会脱离电解液，电容器工作在正常状态(一般低于3V)。当两极板间的电势高于电解液的氧化还原电极电位时，电解液将发生分解，这时电容器处于非正常状态。与静电电容器类似，超级电容器进行充放电的过程也是正负电荷的转移，始终是物理过程，没有化学反应，因此与利用化学反应储能的蓄电池是不同的。3.1.2超级电容器的特点超级电容器作为储能或者功率型的元件，一般是通过与传统电池和电容器进行比较来突出它的特点。(1) 能量密度大 超级电容器的电容量很大，可达2300 F。因此与普通电容器相比，在相同体积或质量的条件下，超级电容器储存的能量要多，即能量密度大，可达20-70 MJ/m3。(2) 功率密度大 与蓄电池相比较，超级电容器的内阻很小，且在电极溶液界面以及电极材料本体内，电荷可以快速储能和释放，因而可以实现大电流的充放电。它的功率密度约为铅酸蓄电池的20倍。这个特点使超级电容器能够在一些短时大功率充放电或者脉动负载的功率输出等场合中，实现以较小容量得到较大的功率。(3) 充放电速率快、效率高 超级电容器的内阻小，因此充放电时间常数小，充放电过程中的能量损耗小。(4) 受环境限制小 超级电容器在储能的过程中只发生电荷的迁移、吸附与解吸附，未发生化学反应生成新物质，因此它的工作温度范围广，对环境无污染。(5) 使用寿命长 超级电容器的使用寿命长得益于它的储能机理，它的循环充放电次数可达50万次以上。在许多场合超级电容器比系统中功率变换器、控制器等装置寿命更长，可视为永久性器件。与此同时，超级电容器也有自身的缺点，如能量密度跟蓄电池相比较低，从而在大容量的电力储能场合下，它的应用就受到了限制；端电压的波动范围比较大，因此在要求端电压稳定的场合，超级电容器与负载之间需要有一个电压适配器。电压适配器的存在，增加了系统的复杂度和成本，降低了能量转化效率；超级电容器的单体电压比较低、储存能量少，一般通过串并联达到要求的电压等级和储能量。这时由于在生产制作的过程中引起的单体电容量和等效电阻等参数的不一致，从而引起了串联均压问题。3.2超级电容器的应用模型建立实际上，超级电容器是一个复杂的阻容网络，超级电容器的等效模型就不能只用一个电容器来准确描述了。每一个支路都是由不同的电阻、电容以及相应的特性时间常数组成。由于超级电容器的内部电阻和电容的形成较复杂，在实际应用中，不适合采用这种复杂的模型，就需要提出实用化的等效模型。目前，人们提出了不少超级电容器的应用模型，如经典德拜极化电池模型和Newman等人提出的传输线模型等。其中，应用最多的模型为电容串并联电阻型，如图2-1所示，该模型称为经典模型，是目前被各种文献引用最多的一种，主要用于原理性分析中。图2-1 超级电容器经典等效电路模型其中，RESR(equivalent series resistance)为等效串联电阻，REPR(equivalent parallel resistance)为等效并联电阻，C为等效电容。RESR的大小对超级电容器的放电能力有重要的影响，放电电流的不同会引起其产生不同的压降，在一定程度上影响了超级电容器的最大放电电流，此外还表征了超级电容器在充放电过程中产生的内部发热损耗。C为超级电容器的等效电容量，是直接表征其储电能力的参数，单位为法拉级。生产超级电容器的厂家对参数的定义各有不同，但一般会给出以上两个参数。REPR主要影响超级电容器的漏电流，从而影响电容器的长期储能性能。REPR一般很大，可以达数万欧姆，所示超级电容器的漏电流一般很大，只是几十或几百微安排。这个等效电路模型己经被广泛采用，事实证明，该模型能够反映出超级电容器的基本物理特性，因此，本文在进行超级电容器仿真及理论分析时均采用了该模型。RC 等效模型结构简单，能够较准确地反映出超级电容器在充放电过程中的外在电气特征，将器件并联或串联不会影响其特性。因此，超级电容器组的等效电路也可以近似为 RC 结构，其等效串联内阻Rarray: (3-1)其中，NS为串联器件数，NP为并联支路数。超级电容器组的等效电容为： (3-2)3.3超级电容的串并联设计本文系统要求超级电容电压范围为60V-100V，所以采用88台超级电容组串并联，此时超级电容器组允许的最高充电电压为 Vmax=120V。对于每台小的超级电容器组，则其最大充电电压为Vsmax=12.5V，最小的放电电压为Vsmin=7.5V。超级电容器组的最大放电功率为1kw，在超级电容器组电压最低时，超级电容器组的放电电流最大，此时超级电容器组的电压为Vmin=60V，根据计算，可以求出此时超级电容器组的放电电流为isc=33.3A。对于单台超级电容器组，此时最小放电电压Vsmin=7.5V。超级电容器组用能量约束法来求取。所需的超级电容器数为88台。在本系统中，系统储能量设计为:Ws=40kJ。由于系统中功率变换器的要求，系统需要由88台小的超级电容器进行串并联，以使超级电容器组端电压满足功率变换器的要求，所以系统采用44台超级电容串联，2台小的超级电容器组并联。超级电容器组的串并联等效电阻及电容器容值可以根据电容器的串并联等效电路求得，这里可以得到本系统的超级电容器组的参数:C=13.64F，Res=0.25，Rep=l0k。3.4超级电容器充放电特性超级电容器具有很长的循环寿命，在理论上可以进行无限次地充放电，在使用过程中老化现象不明显，同时能量存储没有一记忆效应。另外，对充放电过程的监测非常方便，因为其储存的电荷及能量就要通过检测电压就能近似确定。所以超级电容器的充电控制可以借鉴蓄电池的充电方式，也可以利用大脉冲对其进行快速充电。目前常用的充电方式简介如下: (1)恒流充电方式恒流充电方式的主要特点是具有较大的适应性，可以在允许范围内任意选择充电电流。超级电容器采用恒定电流进行充电时其端电压随时间按直线规律升高，电流越大，直线斜率越大。由于超级电容器具有承受大电流的能力，故给其充电的电流选择范围就较大，因此可以结合不同应用需求及超级电容器自身状态进行优化控制。比如，对电动客车充电站等对时间要求敏感的场合，可以采用大电流、短时充电方式;而对于UPS等备用电源设备，则可以用小电流补充充电。(2)浮充充电方式超级电容器在不工作时会以漏电流的形式自放电，而且采用电解液的不同漏电流的大小也有很大差异。另外，从等效电路模型也可以看出，超级电容器由于等效并联阻抗RREP。的存在会在电容开路时通过其放电，可以认为RREP消耗了这部分电能。因此，在一些长期使用需要不断充放电的场合，超级电容器储能的最佳方式就是给其不断浮充充电，以备储能的不断减少。在采用浮充充电方式时，浮充电压不能太低，太低就不能补偿自放电损耗，使超级电容器有效储能容量得不得充分利用。同时选择的浮充电压也不能过高，太高不仅增加能量损耗而且严重时会使超级电容器使用寿命缩短。因此，采用浮充充电方式时浮充电压的选取非常重要。(3)组合充电方式为了有效利用超级电容器的储能容量，可以采用灵活的组合充电方式。这种充电方式时对上述两种方式的补充，即在低压时采用大电流的恒流充电，随电压升高不断改变充电电流或改用恒压充电，直至充到额定电压为止。这种方式适合大多数超级电容器的充电，将会是超级电容器采用最广泛的充电方式之一。超级电容器进行充电时产生的能量损耗主要是等效内阻引起的，系统的充电效率也与其有关。可以看出，这部分能量消耗主要损耗在等效串联阻抗RES上。在进行恒流充电方式时，若充电电流为Is，则 ut=uct+ISRESR (3-3)解式(3-3)关于超级电容器电容电压uc(t)的微分方程，并假设t=0时的则初始条件为uc-(t)= uc+(t)=UC，其中Uc表示某一状态时超级电容器的初始电容电压值，则: uct=REPIS+(UC-ISREP)e-tCREP (3-4)由式(3-3)和式(3-4)，得：ut=ISREP+RES+(UC-ISREP)e-tCREP (3-5)显然，充电电流越大，充电时间越短。超级电容器的充电能耗WS(t)为Is2RESt，可知WS(t)是充电电流Is与充电时间t的二元函数。充电过程中，超级电容器等效电阻能耗的最小化是追求的目标，但由于这个二元函数关系复杂，难以直接给出解析表达式。因此，可以从能效的观点出发，求取超级电容器在充电过程中充电能效的最大化。超级电容器存储的能量Wc为Wc=12Cuc2-Uc2 (3-6)充电过程中消耗的总电能Wo为Wo=0tISutdt (3-7)由能量守恒定律，整个充电过程中充电所消耗的能量为：Wo=Ws+Wc因此，变得到超级电容器的横流充电效率为：=WCWO=WCWC+WS (3-8)超级电容器的放电特性考虑放电电流，采用大电流放电可以提高功率密度，但是能量密度随之会降低。同时，如果小电流放电，RESR 上的电压值比超级电容器端电压小很多时，可以把超级电容器当做理想电容处理。超级电容器的电压波动范围比较大。当它接负载时，为提高储能利用率，可以在超级电容器与负载之间接入功率变换器。超级电容器应用于光伏发电系统中稳定直流母线电压时，采用的充放电方式是上述各种方式的组合。充电时根据条件是恒流转恒压充电，放电时采用的是恒压放电。第4章 超级电容器储能系统设计及控制策略3.5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。第4章 超级电容器储能系统设计及控制策略第4章 超级电容器储能系统设计及控制策略超级电容器的诸多优势，使它在各个领域得到广泛应用。随着电力电子技术的发展，超级电容器与功率变换器组成的储能系统在不断的完善。超级电容器的直流和低频特性，一般应用在直流储能单元中。本章主要是考虑到超级电容器储能系统应用在稳定直流母线时的要求，选择合适的双向变换器，以及控制器的设计。4.1双向DC/DC变换器主电路设计作为储能环节主电路，必须满足能量可以双向流动的条件，本论文采用电路结构简单，控制容易的双向 Buck-Boost变换器作为储能控制主电路，电路拓扑如图4-1所示: 图4-1双向buck-boost变换器电路图双向buck-boost变换器具有以下三个方面的优点：(1)功率开关器件和二极管的电流、电压应力最小；(2)有源开关器件对应的开通损耗最小，对应的电路转换效率最高；(3)由于电感的传递能量，可以省掉一个大容量高电压的电容器。4.1.1超级电容器储能系统对双向变换器的要求光伏发电的一个显著的缺点就是输出的电能受外界环境比如光照强度、温度等影响，使系统不能持续、稳定的输出电能，这会导致系统的稳定性降低，跟踪负荷的能力减弱，夜晚光伏电池不能给负载提供能量。上述现象可以通过超级电容器储能系统得到改善。在独立式光伏发电系统中，常见的超级电容器储能模块可见图 2-1 所示，本章的功率变换器就是双向DC/DC 变换器这一个部分。超级电容器储能系统在该系统中主要功能是实现能量的缓冲，平滑光伏发电系统的脉动性。具体的可分为三个方面的作用：(1)实现系统持续、可靠地供电 光伏发电随环境因素变化比较大，在夜间就可以通过能量型的超级电容器储能系统储存的能量来维持系统工作，即相当于备用电源的作用。同样，光伏发电系统所带的负荷也会引起系统的脉动，此时可以通过功率型的超级电容器实现瞬间功率的调节；(2)改善直流母线的电能质量，增强系统的稳定性 针对独立光伏发电系统，超级电容器储能系统在光伏输出功率或者负荷功率波动等系统扰动时，通过释放或吸收瞬间功率，改善直流母线的质量。在并网型光伏发电系统中，超级电容器储能系统的存在可以有效解决电网电压跌落、浪涌和瞬时供电等动态电能质量问题；(3)保证光伏发电单元的可调度性 超级电容器储能系统的存在，实现固定容量的光伏发电系统制定而不需要实时考虑负载功率的变化。超级电容器储能系统并联在直流母线上，根据直流母线的电压情况，进行储能、释能。该系统通过与光伏发电直流系统的能量交换，使得直流母线电压的稳定，进而向用户提供高质量的电能。但是，由于超级电容器本身电压波动范围比较大，实现上述功能要结合功率变换器。其中的功率变换器可以选择双DC/DC变换器实现能量配置作用。4.1.2双向DC/DC变换器的工作原理当能量从V1侧向V2侧流动，即以V1为电源端，该变换器就是一个Buck变换器，此时Q1为PWM工作方式，Q2不工作，或与Q1互补方式工作。若能量从V2向V1方向流动，即V2为电源端，则该变换器为Boost变换器，此时Q2为PWM工作方式，Q1不工作，或与Q2互补方式工作。因此，Buck-Boost双向直流变换器能量流动方向仅取决于电源的接入位置。若两侧都有电源，则能量流动方向取决于两电源电压大小和占空比D的大小。双向Buck-Boost变换器共有以下三种工作方式。图4-2 双向buck-boost变换器电感电流波形(1)第一中方式是Buck方式，能量从V1侧向V2侧流动，iL自左至右，电流波形如图3-3(a)所示。Q1导通，iL增加，到t=ton:时，Q1截止，Q2导通，但因二极管D2续流，故Q2没有电流流过。(2)第二种方式是boost工作方式，iL自右向左，如图（b）所示。若Q2在t=ton期间导通，iL在V2作用下增加，t=T时，Q2截止，Q1导通，iL经D1向负载侧即V1端流动，知道下一个Ton时Q1再次开通为止。(3)第三种方式是交替工作方式。如图3-3（c）所示是Q1，Q2交替工作是的电感电流稳态波形。在一个开关周期内，电感电流iL出现正负交替。在t=0-ton期间Q1导通，但Q1仅在t=0-ton期间通过电流，在t=t-t1期间iL为负，实际上是D1续流。t=ton时，iL=iLmax，Q1关断，Q2导通，在t=ton-t2期间，实际上是D2续流，直到t= t2时，t=ton-t2，iL=0后，才有电流流过Q2，iL反向增加，到t=T时iL=iLmin，Q2截止，进入下一周期。当iLmax=iLmin则在一个开关周期内，电感电流iL大于零的部分面积等于小于零的部分面积，即iL，平均值为零，这表示在一个开关周期中从v1流向v2的能量等于从V2反向v1的能量，平均传递功率为零。若iLmaxiLmin，则能量从V1向V2侧传输。若iLmaxiLmin,则能量从V2向V1侧传输。图4-3是超级电容器组成的储能系统的主电路拓扑，U1是直流母线的电压，RL是等效电阻，Ca代表超级电容器等效的理想电容，RS是超级电容器的等效串联内阻。当功率开关管Q1、二极管D2工作时，双向Buck-Boost变换器相当于Buck降压模态，直流母线侧给超级电容器储能阵列充电。当功率开关管Q2、二极管D1工作，双向Buck-Boost变换器相当于Boost升压模态，超级电容器储能阵列向直流电网侧放电，释放能量。图4-3 超级电容器储能系统电路图Buck/Boost双向变换器体积小，器件数量少，工作效率较高。该变换器有两种PWM控制方法：1）独立PWM控制方法；2）互补PWM控制方法。在独立PWM控制中，两个开关管Q1/D1和Q2/D2不同时动作，可以等效为单向Buck电路和单向Boost电路的反并联组合，为了保证双向功率流动的平滑稳定，避免瞬时冲击，需要一个状态逻辑单元来实现Buck和Boost状态的平稳切换，这种状态逻辑单元一般采用滞环的形式来实现。互补PWM控制的方法中两个开关管Q1/D1和Q2/D2同时动作，该法使Buck/Boost双向变换器获得软开关环境，不需要状态逻辑单元就可以获得双向状态切换，系统响应更快。在微型电网中，超级电容器作为快速储能，需要迅速且频繁的吸收/发出有功功率，其双向状态切换频繁，更适合采用互补PWM方法。4.1.3双向变换器参数设计Buck-Boost 双向变换器有两种工作模式，Buck 模式下，蓄电池充电储存能量，Boost 模式下，蓄电池放电释放能量。双向变换器参数的设计需要综合考虑这两种工作模式，下面介绍开关管 Q1、Q2、电感 L1 、输入端电容C3 、输出端电容 C4 的选取和设计。 Buck-Boost 双向变换器性能指标： 1)超级电容器电压：120 V 2)输出电压：200 V 3)输出功率：1 kW 4)开关频率： fs = 20 kHz(1)开关管Q1,Q2的选取由前面分析可知，开关管互补导通，可选用同一型号的开关，双向变换器同样选用 Mosfet 作为功率开关管。计算可知，电感电流平均值为8.3 A，最大值为10 A，最大电压为 200V。选择mosfet功率管的型号为mur1560。（2）电感L1参数的设计 双向变换器工作在电感电流连续模式，电感电流按 Buck 模式设计，计算公式为：L2=VBUSD1-D0.1IL2fs (4-1)由于超级电容器组充放电影响，超级电容器组端电压会有所波动,波动范围为10V。受端电压波动影响，占空比会有所变化。计算得：Dmin=110200=0.55Dmax=130200=0.6将计算所得占空比代入式(5-9)得出L1=3mH(3) 电容 C3 、C4 参数的设计 C3用于Buck模式下，平滑蓄电池输入电流，减小电流纹波。电容电压波动主要是由电容等效串联电阻ESR造成的。电解电容与ESR关系为：C=6510-6ESR电容等效串联电阻为：ESR=0.25可得电容值为: C3 =241 F 仿真时取460F C4用于Boost模式下，平滑母线输出电压，减小电压纹波。可以按照计算C3方式得到。计算可得： C4=163F,仿真取220 F。4.2储能系统控制策略的设计系统工作的四种能流模型，在每种能流模型工作方式下，超级电容的充放电方式都和其端电压有关，端电压不同，采取的控制目标，控制策略也不同。(1)超级电容器充电控制策略光伏电池阵列输出的功率大于负载功率，有能量剩余，此时需要向蓄电池充电，将多余的能量储存起来。超级电容器充电工作模式时双向 DC/DC 变流器工作于降压电路模式，直流母线电压等效一个直流电压源。超级电容器充电工作模式时的等效电路如4-4所示，此时开关管 Q1工作在 PWM 状态，开关管Q2工作于二极管状态。双向 DC/DC 电路等效于一个 Buck电路。图4-4充电模式等效电路充电控制策略，当Ps增大或PDC减小时，直流母线电压UDC会升高，这对直流负载都有不利影响，因此可把直流母线电压做为充电判据。当母线电压升高到一定值时，启动充电过程，首先判断超级电容端电压，如果端电