超级电容器储能系统研究

中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 1 页 共 33 页摘要超级电容器是一种新型绿色储能器件，具有充放电速度快、功率密度大、循环寿命长、高低温性能好等储能优势，此外，还具有免维护、无污染等优点，在储能领域将具有广阔的前景。本文设计了一种应用于发电网的超级电容器储能系统。首先分析了超级电容器的储能原理，研究了超级电容器的充放电特性，介绍了应用于超级电容器储能系统中的双向 DC/DC 变换器。对搭建的超级电容器储能系统的超级电容器组、主电路和控制电路进行了设计。由于超级电容器储能系统主要应用于解决电能的供需不平衡，所以超级电容器储能系统中的双向 DC/DC 变换器有两种工作模式: 超级电容器组从光伏电池吸收能量储能时，双向 DC/DC 变换器工作于 Buck 电路模式;超级电容器组向负载释放能量时，双向 DC/DC 变换器工作于 Boost 电路模式。最后对超级电容器储能系统的两种工作模式进行了仿真。仿真结果表明，通过对超级电容器储能系统中超级电容器组的设计和双向 DC/DC 变换器的闭环控制设计，超级电容器储能系统能够实现解决电能供需不平衡。关键词：超级电容器；双向 DC/DC 变换器；储能；充放电；中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 2 页 共 33 页AbstractSuper capacitor is a green energy storage devices, with fast charge and discharge, power density, long cycle life, high and low temperature performance and good storage advantages, in addition, also has a maintenance-free, pollution, etc., in the field of energy storage will have broad prospects.This paper presents a grid applied to hair super capacitor energy storage system. First analyzes the super capacitor energy storage principle of a super capacitor charge and discharge characteristics, describes the super capacitor energy storage system used in bidirectional DC / DC converter. On the structures of the super capacitor energy storage system of the super capacitor bank, the main circuit and control circuit design. As the super capacitor energy storage system is mainly used to solve energy supply and demand imbalance, so the super-capacitor energy storage system in a bi-directional DC / DC converter has two operating modes: super capacitor energy storage absorb energy from the photovoltaic cell, the bi-directional DC / DC converter operates in Buck circuit model; super-capacitor pack release energy to the load, the bidirectional DC / DC converter operates in Boost circuit mode.Finally, the super capacitor energy storage system two operating modes are simulated. Simulation results show that the super capacitor energy storage system by the super capacitor bank design and bi-directional DC / DC converter closed-loop control design, super capacitor energy storage system is able to achieve a settlement electricity supply and demand imbalance.Keywords： Supercapacitors； bidirectional DC / DC converter；storage；charge and discharge；中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 3 页 共 33 页目录1 绪论 11.1 课题研究背景及意义 .11.2. 超级电容器的发展状况和研究现状谢 .11.2.1 超级电容器 .11.2.2 超级电容器发展概况 .21.2.3 超级电容器储能系统技术研究现状 .41.3 本文主要设计内容 .42 超级电容器工作原理和特性分析 52.1 超级电容器的工作原理及特点 .52.1.1 超级电容器的工作原理 .52.1.2 超级电容器的特点 .62.2 超级电容器的模型建立 .62.3 超级电容器的串并联设计 .82.4 超级电容器充放电特性 .83 超级电容器储能系统设计及控制策略 113.1 双向 DCIDC 变换器主电路设计 .123.1.1 双向 DC/DC 变换器的工作原理 .123.1.2 双向 DC/DC 变换器的参数设计 .153.2 储能系统控制策略的设计 164 超级电容器储能系统仿真 214.1 双向 DC/DC 变流器 BUCK电路仿真 .214.2 双向 DC/DC 变流器 BOOST电路仿真 .23结论 26参考文献 29致谢 29中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 4 页 共 33 页1 绪论1.1 课题研究背景及意义超级电容器的发展始于 20 世纪 60 年代，起先被认为是一种低功率、低能量、长使用寿命的器件。但到了 20 世纪 90 年代，由于混合电动汽车的兴起，超级电容器才受到广泛的关注并开始迅速发展起来。现今，大功率的超级电容器被视作一种大功率物理二次电源，各发达国家都把对超级电容器的研究列为国家重点战略研究项目。目前，超级电容器在电力系统中的应用越来越受到关注，如基于双电层电容储能的静止同步补偿器和动态电压补偿器等，国内外对他的研究和应用正在如火如荼地进行。与常规电容器不同的是它的容量可达到法拉级甚至千法拉级，且具有功率密度高，充放电速度快，寿命长，工作温度范围宽，可靠性高以及无污染等特点。超级电容器的出现填补了传统静电电容器和化学电源之间的空白，并以优越的性能及广阔的应用前景而受到了许多国家的重视。由于超级电容器储能密度大，且能快速地吸收和释放能量，因而在光伏发电、风力发电等分布式发电系统中对提高电能质量的作用重大。当分布式发电系统出现电压波动、大电网短时间供电中断等情况时，超级电容器可快速充放电以改善负荷电压，从而保证系统的安全性和可靠性 1-2。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)和电化学电容器中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 5 页 共 33 页（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 3-5。电化学电容器采用 Rub 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儿倍;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，使它们在电极一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（Helmholt 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 6。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。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 5000F7-9。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 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中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 6 页 共 33 页解释模型。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(SQHIO)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一首家实现超级电容器产业化的公司，其产品包括 3.5V,5.5V,11 V 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，奠定了良好的技中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 7 页 共 33 页术基础和物质条件。1.2.3 超级电容器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 10-11。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 本文主要设计内容针对超级电容器在放电时电压不断下降，不宜直接对负载供电，通常需要在超级电容器和负载之间加入功率变换环节这个问题，设计一种可以实现能量双向流动的 DC/DC 变换器，分析 双向 DC/DC 变换器的理论，建立超级电容器储能系统的直流变换模型，对不同的功率流向采用不同的控制方法，并进行仿真与实验验证，从而可提高超级电容器的能量利用率。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。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 8 页 共 33 页2 超级电容器工作原理和特性分析2.1 超级电容器的工作原理及特点2.1.1 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亥姆霍茨（Helmholtz）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 12。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。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 9 页 共 33 页与静电电容器类似，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。2.1.2 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 2300F。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2070 MJ/m 3 时 13。(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。2.2 超级电容器的模型建立实际上，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、电容以及相应的中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 10 页 共 33 页特性时间常数组成。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。+_RESRREPR图 2.1 超级电容器等效电路模型其中，R ESR(equivalent series resistance）为等效串联电阻，R EPR (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。R ESR 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。R ESR 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:中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 11 页 共 33 页sarypNR其中，N s 串联器件数，N P 为并联支路数。超级电容器组的等效电容为：parysC2.3 超级电容器的串并联设计本文系统要求超级电容电压范围为 60-100V，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 。 2maxin42()SssWabCV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电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=10K 。2.4 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)恒流充电方式中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 12 页 共 33 页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 14-16，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允电。(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 17-19。(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：u(t)=uc(t)+ IsRESR (2.1)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 20，则：中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 13 页 共 33 页(2.2)COSW由式（2.1）和式（2.2）,得：(2.3)()()EPtCRSEPSCSutIRUIe显然，充电电流越大，充电时间越短。超级电容器的充电能耗 为 ，()SWt2SEIRt可知 是充电电流 Is 与充电时间 t 的二元函数。()SWt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 为：CW(2.4)21()uU充电过程中消耗的总电能 为：O(2.5)0()tSIdt由能量守恒定律，整个充电过程中充电所消耗的能量为: OSCW因此，变得到超级电容器的横流充电效率 为:(2.6)COSW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，凡 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 20。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。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 14 页 共 33 页3 超级电容器储能系统设计及控制策略负荷荷整流器逆变器DC-DC 变换器超级电容器图 3.1 超级电容器储能系统工作原理图上述超级电容器储能系统主电路主要包括三部分：整流单元、储能单元和逆变单元。整流单元采用三相全桥整流器，给超级电容器充电以及为逆变单元提供直流电能。逆变单元采用 IGBT 组成的三相电压型逆变器，通过变压器与电网相联。超级电容器储能系统并联在系统和负荷之间，电网通过整流器将交流电转换成直流电，再通过双向变换器（DC-DC）给超级电容器充电。当储能系统向外供电时，双向交换器充当放电器，通过 IGBT 逆变器将直流侧电压转换成与电网同频率的交流电压通过变压器将能量输送回电网或负荷。本文主要仿真的是超级电容器储能系统中双向变换器的两种工作状态。超级电容器的诸多优势，使它在各个领域得到广泛应用。随着电力电子技术中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 15 页 共 33 页的发展，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。3.1 双向 DCIDC 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 3.2 所示:图 3.2 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。3.1.1 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，Q 2 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，Q 1 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。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 16 页 共 33 页双向 Buck-Boost 变换器共有以下三种工作方式。 图 3.3 双向 buck-boost 变换器电感电流波形(1)第一种方式是 Buck 方式，能量从 V1 侧向 V2 侧流动， 自左至右，电流Li波形如图 3.2(a)所示。Q 1 导通， 增加，到 t=ton 时， Q1 截止，Q 2 导通，但因二极LiD2 续流，故 Q2 没有电流流过。(2)第二种方式是 boost 工作方式， 自右向左，如图(b)所示。若 Q2 在 t=tonLi期间导通， 在 V2 作用下增加，t=T 时，Q 2 截止，Q 1 导通， 经 D1 向负载侧，Li Li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，Q 2 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 出现正负交替。在 t=0-ton 期间 Q1Li导通，但 Q1 仅在 t=0-ton 期间通过电流，在 t=t-t1 期间 为负，实际上是 D1 续流。it=ton 时， , Q1 关断，Q 2 导通，在 t=ton-t2 期间，实际上是 D2 续流，直到maxLit= t2 时， t=ton-t2, =0 后，才有电流流过 Q2 ， 反向增加，到 t=T 时 ，Q 2Li minL中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 17 页 共 33 页截止，进入下一周期。当 时，在一个开关周期内，电感电流 大maxinLLi Li于零的部分面积等于小于零的部分面积，即 ，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，则能量从 V1 向 V2 侧传输。若 ，则能量从maxinLLi maxinLLiV2 向 V1 侧传输。图 3.4 是超级电容器组成的储能系统的主电路拓扑，U 1 是直流母线的电压，RL 是等效电阻，C a 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 3.4 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，这种状态中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 18 页 共 33 页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。3.1.2 双向 DC/DC 变换器的参数设计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 和 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：120V2)输出电压：200V3)输出功率：1kW4)开关频率：f s=20kHz(1)开关管 Q1 和 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 8.3A,最大值为10A,最大电压为 200V。(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: (3.4)22(1)0.BUSLsVDif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:min10.52Dax36中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 19 页 共 33 页将计算所得占空比代入式(3-9)得出 L1=3mH(3)电容 C3C 4 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：6510ESRC电容等效串联电阻为：R ESR=0.25可得电容值为：C 3 =241F 仿真时取 460FC4 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 220F。3.2 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图 3.5 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 电路等效于为一个 Buck 电路。图 3.5 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，这对中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 20 页 共 33 页直流负载都有不利影响，因此可把直流母线电压作为充电判据。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，如果端电压大于一定值，为了防止超级电容超过耐压值，采用以直流母线端电压为控制目标的闭环控制策略。如果超级电容端电压小于 V，为了防止电流过大，使用恒流控制策略。充电过程逻辑控制图如图 3.6 所示：VdcVdc+V 封锁脉冲恒流充电（I）Vdc-VVsc 额定充电结束恒压充电否是是是否图 3.6 充电过程控制框图其中恒流充电过程采用滞环电流控制，电流波形图如图 3.7 所示。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 21 页 共 33 页图 3.7 恒流控制下电流波形设给定值为 ，环宽为 。当电流小于给定值的时候，开关管开因为母线电ii压大于超级电容电压，电流上升，当电流大于 + 时，开关管关断，电流通过二i极管续流并减小，当电流小于 - 时，开关管开通，电流增大，母线能量继续流il 一句超级电容，当电流大于 + 时，重复刚才的过程。当超级电容电压达到耐压值的 90%时，为了防止过充损坏超级电容，充电模式改为恒压充电，图 3.8 是恒压充电控制框图。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 22 页 共 33 页图 3.8 超级电容器充电控制框图恒压充电控制方案中，以直流母线电压为控制月标，给定值为功率平衡时母线电压值，给定值和实际值的误差信号经过 PI 调节后作为内环给定信号，内环为流过电感电流，内环误差信号再经过 PI 调节和限幅环节后进入调制器，最终生成开关管开关信号。在这个过程中，充电电流非常小，起到了限流作用，又尽可能多的向超级电容中储存能量。（2）超级电容器放电控制策略光伏电池阵列输出的能量不能满足负载的需要，需要超级电容器组放电放电提供不足的能量。超级电容将储存的能量经过双向 DC/DC 变流器向直流负载释放能量，以恒定功率向电网输双向 DC/DC 变流器工作于 Boost 电路模式时的等效电路如图 3.9 所示。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 23 页 共 33 页图 3.9 放电模式等效电路双向 DC/DC 变流器工作于 Boost 电路模式时，控制采用电感电流内环和直流母线电压外环。其控制电路框图如图 3.10 所示。图 3.10 双向 DC/DC 变流器 Boost 电路模式控制框图由图 3.10 可见，外环为直流母线电压环，内环为电感电流环。电压外环的作用是维持直流母线电压恒定，电流环的作用是提高系统的快速响应。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 24 页 共 33 页4 超级电容器储能系统仿真4.1 双向 DC/DC 变流器 Buck 电路仿真对超级电容进行充电模式仿真，此时双向 DC/DC 变流器工作于 Buck 电路模式，母线电压等效为 Vbus=200V 的理想电压源。图 4.1 充电控制等效电路等效电路图如图 4.1 所示，为了缩短充电时间，这里设置超级电容器组由 0V充电到 96V。设置恒流区的充电电流为 20A。将超级电容器组充电到 96V 的波形见图 4.2。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 25 页 共 33 页图 4.2(a)超级电容器组充电电压图 4.2(b)Buck 变换器降压斩波波形中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 26 页 共 33 页图 4.2 为超级电容充电波形，其中图 4.2(a)为超级电容充电电压波形，图4.2(b)为 Buck 变换器降压斩波波形。从上面的仿真波形可以看出，超级电容器组电压较低时，充电电流逐渐增大，此时电流环快速调节，超级电容器组以期望的电流进行恒流充电；当超级电容器组电压达到预充电压时，电压瞬时值环起作用，超级电容器组转为恒压充电模式进行充电储能。由于系统的充电电流为人为设定，所以储能系统可以根据实际需要设定充电电流的大小。4.2 双向 DC/DC 变流器 Boost 电路仿真当电网处于用电高峰时，超级电容器放电释能，维持直流母线电压恒定，以使变