【《超级电容器-锂电池混合储能特性及控制策略分析案例》3400字】

超级电容器-锂电池混合储能特性及控制策略分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u4243超级电容器-锂电池混合储能特性及控制策略分析案例 187081.1超级电容器工作特性 1277121.1.1超级电容器工作原理 1169141.1.2超级电容器等效模型 2211171.1.3超级电容器输出特性 274971.2锂电池工作特性 3296111.2.1锂电池工作原理 329151.2.2锂电池等效模型 3302261.2.3锂电池输出特性 4228341.3混合储能控制系统结构及控制策略的研究 4236131.1.1混合储能系统结构 4194701.1.2混合储能系统运行及控制策略 5223221.4混合储能系统仿真 855511.4.1混合储能系统充电仿真测试 9111211.4.2混合储能系统放电仿真测试 12255171.5小结 141.1超级电容器工作特性1.1.1超级电容器工作原理超级电容器，主要是指基于双电层原理工作的双电层超级电容器。常用超级电容器的电解质为碳材料，其内部结构原理如图3-1所示。图3-1超级电容器结构图如图3-1所示，超级电容器由一个正、负极板，两个电极板间的隔膜及其电解液构成，两个极板可视为是置于电解液中的两个活性碳电极。根据电容器原理，电极间距和表面积决定了电容器容量。超级电容器采用多孔活性碳电极，和电解质具有极大的表面积，且双层之间的距离也非常小，故超级电容器具有很大的电容量，可以用来储存大量的静电能量[19-24]。1.1.2超级电容器等效模型为了更好的分析和应用超级电容器，需要对超级电容器进行建模，对此学者们提出众多等效模型。一般采用简化模型，主要有以下几种：非线性简化模型、经典模型以及简化串联RC模型。前两种模型都考虑了电感效应，但正常工作时漏电流极小，可以忽略其电感效应，为便于分析，本文采用简化串联RC模型。如图3-2所示为简化串联RC模型，其由串联等效电阻R和理想电容器Ｃ串联而成。图3-2简化串联RC模型如图3-2所示，图中，USC表征超级电容端电压；ISC表征流过电容C的电流，R表征等效串联电阻。1.1.3超级电容器输出特性如图3-2所示，根据电路原理，可得电路方程：（3-1）超级电容器SOC可表示为：（3-2）式（3-2）中：Qt是在时间t存储在超级电容器中的电荷量，QN是超级电容器的总容量，Umax是超级电容器正常工作时的最大电压值，Umin是超级电容器正常工作时的最小电压值。将式（3-1）代入式（3-2）可得：（3-3）式（3-3）中：U0是超级电容器的初始电压；故可得超级电容器储存的能量JSC为：（3-4）1.2锂电池工作特性1.2.1锂电池工作原理锂离子电池采用电化学储能方式，其内部由正负极、隔膜、外壳和电解液四个部分组成，本文以磷酸铁锂电池为例对其进行分析[41]：（1）当施加电场时，锂离子离开正极，通过电解质和膜后进入负极，正锂离子减少，负锂离子增加，即为充电状态；（2）反之，锂离子离开负极，进入正极，正锂离子增加，负锂离子减少，即为放电状态。充放电过程中，锂电池正、负极和电解液的化学方程式可分别表示为：（3-5）（3-6）（3-7）1.2.2锂电池等效模型锂电池的等效电路模型中较为常见的包括二阶RC模型、Thevenin模型、内阻模型。其两者模型中考虑了极化因子，可以解决环境温度变化或电池老化引起的计算精度下降的问题，但模型的结构比较复杂。考虑到本设计受环境因素极小，故采用内阻模型，模型结构如图3-3所示。图3-3内阻模型如图3-3所示，内阻模型由理想电压源E和内阻Rb串联而成，其结构简单，实用性强。其中Ub是锂电池的端电压；Ib是锂电池电流。1.2.3锂电池输出特性根据图3-3内阻模型，可得锂电池输出特性方程为：（3-8）荷电状态SOC特性方程为：（3-9）1.3混合储能控制系统结构及控制策略的研究1.1.1混合储能系统结构本文设计了基于双有源全桥DC/DC变换器的超级电容-锂电池混合储能系统，如图3-5所示。图3-5超级电容-锂电池混合储能系统如图3-5所示，超级电容器和锂电池分别经过双有源全桥变换器1、2连接到直流母线，构成并联型超级电容器-锂电池混合储能系统。1.1.2混合储能系统运行及控制策略混合储能系统控制框图如图3-6所示。图中Uref、Udc分别为直流母线电压的参考值和实际值；Usc为超级电容电压的实际值。图3-6混合储能系统运行控制框图当系统母线电压发生波动时，超级电容器先进行调节，以下为超级电容器控制过程：（1）当UL1<Udc<UH1：直流母线电压的波动较小，在微电网自行调节范围内，储能系统不动作，此时，超级电容器的输出电流为0。（2）当UH1<Udc<UH2：直流母线电压升高，超级电容器储能系统开始工作，为充电状态，从微电网中快速吸收能量。（3）当UL2<Udc<UL1：直流母线电压降低，超级电容器储能系统开始放电，此时输出电流，向微电网快速输出能量。超级电容器的储能控制流程如下图3-7所示：图3-7超级电容器储能控制流程随着超级电容器储能持续工作，当其端电压超过单独调节范围时，向锂电池发出动作信号，锂电池也进行调节，二者协调配合，实现对母线电压的调节，维持直流微电网的稳定性。超级电容端电压Usc1、Usc2、Usc3、Usc4分别为锂电池储能系统动作临界值，锂电池控制过程为：（1）当Usc2<Usc<Usc3：只采用超级电容器的单独调节，该区间为锂电池储能系统的不动作区。此时，锂电池储能输出电流为0；（2）当Usc3<Usc<Usc4：超级电容器端电压过高，锂电池储能系统开始充电，锂电池从微电网中吸收功率；（3）当Usc1<Usc<Usc2：超级电容器端电压过低，锂电池储能系统开始放电，锂电池向微电网提供能量。锂电池储能运行流程图具体见图3-8所示。图3-8锂电池储能控制流程为了避免超级电容器和锂电池的深度充电和放电，防止装置损坏，需设定其工作区间，当运行超过设定限值时，停止工作。（1）超级电容器：采用端电压Usc设定工作区间，为（Usc1，Usc4）；（2）锂电池：采用剩余容量SOCb确定运行区间，为（SOCbmin，SOCbmax）。该控制策略可以充分发挥超级电容和锂电池的优势，通过采集直流母线电压和超级电容器电压就可以实现其作用，不需要计算高低频功率，降低了控制的复杂性。1.4混合储能系统仿真根据上述超级电容-锂电池混合储能系统图3-5，本文搭建了基于Matlab/simulink的混合储能系统图，如图3-9所示。图3-9混合储能系统仿真模型仿真参数同后文4.4.1中的设置，仿真模型中对应的两个控制模块，图3-10为超级电容器控制模块，图3-11为锂电池控制模块。图3-10超级电容器控制模块图3-11锂电池控制模块根据混合储能系统的功能，设定以下两种运行状态对其进行仿真测试：（1）混合储能系统充电，用于直流母线电压上升时，吸收系统能量；（2）混合储能系统放电，用于直流母线电压下降时，提供系统能量。1.4.1混合储能系统充电仿真测试超级电容器-锂电池混合储能系统充电仿真测试如下图3-12、3-13所示。图3-12为充电模式1，此模式只有超级电容器动作，图3-13为充电模式2，此模式下超级电容器和锂电池都处于充电状态。图3-12充电模式1仿真测试充电模式1的仿真结果如图3-12所示。开始时系统功率保持平衡，在0.031s时负荷减少或光伏输出功率增加，直流母线电压升高至416.93V，系统功率有剩余。此时超级电容器发生动作，吸收系统功率，处于充电状态，充电电流值逐渐增加，端电压逐渐增大，锂电池储能系统未达到动作电压，处于截止状态。最终Udc稳定在411.2V，Isc稳定在-12.25A，Usc逐渐增大，Ib为0A，SOCb为50%。图3-13充电模式2仿真测试充电模式2的仿真结果如图3-13所示。开始时系统工作在稳定状态，在0.05s时由于负荷迅速减少或光伏输出功率大幅度增加，直流母线电压Udc增大到438.2V，系统工作在充电模式1，超级电容器充电，端电压逐渐增大，在0.268s时Usc增大到102V，锂电池储能系统达到动作电压Usc3，锂电池开始充电。最终Udc稳定在427.5V，Isc稳定在-12.12A，，Ib为-1.3A，SOCb为50.022%。1.4.2混合储能系统放电仿真测试超级电容器-锂电池混合储能系统放电仿真测试如下图3-14、3-15所示。图3-14为放电模式1，此模式只有超级电容器放电，图3-13为放电模式2，此模式下超级电容器和锂电池均处于放电状态。图3-14放电模式1仿真测试放电模式1的仿真结果如图3-14所示。开始时系统功率保持平衡，在0.02s时负荷增加或光伏输出功率减少，直流母线电压降低至378.5V，系统功率不足。此时超级电容器发生动作，输出功率，处于放电状态，放电电流值逐渐增加，端电压逐渐减小，锂电池储能系统未达到动作电压，处于截止状态。最终Udc稳定在388.2V，Isc稳定在12.22A，Usc减小至98.2V，Ib为0A，SOCb为50%。图3-15放电模式2仿真测试放电模式2的仿真结果如图3-15所示。开始时系统处于稳定，在0.02s时由于负荷迅速增加或光伏输出功率大幅度减少，直流母线电压迅速下降到352.2V，超级电容器迅速放电，直流母线电压在0.028s时达到365.3V。超级电容器端电压不断减小，在0.37s时Usc减小到98V，锂电池储能系统达到动作电压Usc2，锂电池开始放电，放电电流逐渐增大。最终Udc稳定在371.78V，Usc减