超级电容储能系统

超级电容储能系统（精选八篇）

超级电容储能系统 篇1

随着我国城市人口的急剧增长, 导致城市的交通问题也日益严重。因此, 需要发展运量大、污染少、可靠性强、节能环保等优点的城市轨道交通[1]。在未来几年, 我国城轨的建设即将步入了高速发展时期。由于城市轨道交通列车启动和制动频繁、速度变化较大、站间距较短, 列车启动或者加速时, 会造成直流牵引网电压的降低;列车再生制动时会产生大量再生制动能量, 产生的能量会回到直流牵引网, 从而造成直流牵引网电压的抬升, 当直流牵引网电压严重过高时, 会导致再生制动失效, 从而整个轨道交通网络的供电都会受到影响, 列车再生制动的能量约占总耗能的20%-60%[2]。为解决以上问题, 国内主要采取电阻能耗型处理再生制动能量, 大量的再生制动能量没有被有效利用而是被电阻以发热的形式消耗掉, 电阻能耗型消耗能量产生的热能会使隧道和站台的温度大幅上升, 从而导致对站内的空调和通风系统要求的提高, 这样不仅浪费了电能, 还会增加城市轨道交通的运营成本, 所以轨道交通急需新型的储能装置来解决这一系列的问题, 使再生制动能量得到很好的回收利用, 达到节能的目的[3]。

1 超级电容储能系统

1.1 超级电容储能系统工作原理

超级电容储能型作为一种新型的储能系统, 具有功率密度高、充放电速度快、效率高、耐温性能好、维护费用低、清洁能源等优点[4]。超级电容作为一种新型的储能装置广泛应用于各个领域。超级电容储能型再生制动能量吸收装置原理图如图1所示, 由双向DC-DC变换器和超级电容组构成。当列车在启动阶段时, 会造成牵引网电压的下降, 超级电容放电来补偿下降的牵引网电压;当列车在再生制动阶段时, 会造成牵引网电压的抬升, 超级电容充电吸收再生制动产生的能量并储存起来。超级电容储能型装置的主要作用是能够抑制牵引网的电压的波动, 防止牵引网电压过高或者过低, 防止再生制动失效和吸收再生制动产生的能量。

1.2 双向DC-DC变换器

双向DC-DC变换器对输入和输出电压的极性并不影响, 只改变电压的大小。根据控制系统产生的脉冲来控制IGBT开关管的通断, 当一个IGBT的开关管导通, 另一个IGBT的开关管关断, 关断的IGBT中反向二极管续流进而构成回路。双向DC-DC变换器通过IGBT的通断和二极管的续流来实现能量的双向传输。双向DC-DC变换器的种类十分繁多, 主要分为隔离式变换器和非隔离式变换器, 隔离式变换器中有变压器, 则隔离式变换器的变压器会使超级电容储能系统的成本和损耗大大增加。因为非隔离式的双向DC-DC变换器的结构简单、控制方便、成本比较低廉、输出的电流纹波小[5], 所以非隔离式的双向DC-DC变换器广泛应用储能系统中。非隔离式双向DC-DC变换器在功能上实际上是Buck电路和Boost电路的组合。如图2所示为非隔离式的双向DC-DC变换器的拓扑结构。

1.3 超级电容储能系统控制策略

双向DC-DC变换器控制超级电容充放电是一个二阶电路, 两个变量分别是电容电压和电感电流。所以论文采用的控制策略是直流牵引网电压外环、电感电流电流内环的双PI控制。

图3为双向DC-DC变换器的控制框图。图中直流牵引网电压Udc与直流牵引网电压给定值Uref的差值经过PI电压调节器调节得到电感电流的给定值IL*, IL*与实际电感电流值的差值通过PI电流调节器得到的输出, 最后经过脉宽调制得到触发开关器件的控制信号PWM值。

2 逆变回馈系统

2.1 逆变回馈系统工作原理

逆变回馈型再生制动能量吸收装置如图4所示。当列车再生制动时, 产生的再生制动能量会导致牵引网电压抬升, 这时逆变回馈型装置把多余的能量回馈到交流电网中[6]。基本工作原理为:当列车再生制动时, 产生的电能会使牵引网电压超过预设值, 这时候三相逆变器开始工作, 将再生制动产生的能量由直流变为交流回馈到交流电网, 回馈的电能能够用于地铁照明系统和空调系统[7]。

2.2 逆变回馈系统控制策略

图5为并网逆变系统控制原理图, 采用了空间矢量控制, u*dc为电压给定值, udc为实际直流牵引网电压, 电压给定值与实际测量值进行比较, 若udc超过给定值u*dc, 则逆变器触发启动, 然后将差值经过PI调节器输出得到电流给定值id*。经过d-q解耦得到的电流分量为id、iq, id与id*经过比较器后的值再经过PI调节器输的得到电网电压前馈补偿ud, 电流分量iq与iq*经过比较器后的值再经过PI调节器输的得到电网电压前馈补偿uq, ud、uq经过Park逆变为uα、uβ, 再把uα、uβ信号进行空间矢量调制, 最终得到触发逆变器的开关信号。

3 MATLAB仿真

3.1 仿真模型的建立

城市轨道交通超级电容储能系统仿真模型的主要参数, 直流牵引网:电压Udc=1500V, R1=0.2Ω, L1=0.012H, C1=0.05F;超级电容电压Uscmin=500V, Uscmax=1000V, 储能容量C=121.9F, 内阻RES=5.6mΩ, 储能电感L2=56m H, 滤波电容C2=74.4μF, 开关管开关频率5000Hz;交流电网电压380V。超级电容储能模块作用为释放储能的电能和吸收抬升的直流牵引网电压, 双向DC-DC模块主要作用为控制超级电容进行充放电, 机车牵引传动模块作用主要为模拟列车运行, 并网逆变模块作用主要为当列车再生制动时, 超级电容储能系统吸收再生制动能量, 当快要达到额定电压时, 这时启动逆变回馈装置, 把多余的再生制动能量回馈到交流电网供照明系统和空调系统使用。

3.2 仿真结果

地铁牵引供电系统中没有超级电容储能系统时, 牵引网的电压如图6所示。在没有超级电容储能系统的情况下, 地铁的启动和制动会导致牵引网电压的造成波动较大。

图7所示是地铁牵引供电系统加入了超级电容储能系统。在有超级电容的情况下, 地铁的启动和制动对牵引网电压能够进行很好补偿和吸收。

比较图6和图7中电压波形可以看出, 无超级电容时, 牵引网电压波动很大;有超级电容时, 牵引网电压在1500V上下波动。验证了超级电容能够有效的控制牵引网电压的波动和对双向DC-DC变换器的控制策略是正确的。

图8为逆变器交流侧的电压波形, 逆变器把升高的直流牵引网电压逆变为交流, 但是电压还需经过LCL滤波, 得到的电压已经近似正弦波, 最后经过变压器变压后的电压波形如图9所示, 电压完全变成了正弦波, 而且符合国家照明系统用电标准。表明通过超级电容储能系统和逆变回馈装置进行协调控制, 能够分担一部分升高的牵引网电压, 从而减少车载超级电容的体积, 延长车载超级电容的使用寿命。

图10是超级电容两端的电压, 当牵引网电压跌落时, 超级电容进行放电补偿跌落的电压;当牵引网电压升高时, 超级电容进行充电。列车在惰行状态下时, 超级电容不进行工作。

5 结语

本文主要分析了超级电容储能系统和逆变回馈系统的工作原理, 设计了双向DC-DC变换器的直流牵引网电压外环、电感电流内环控制策略和逆变并网的空间矢量控制策略。在matlab/simulink中搭建了超级电容储能系统和逆变并网系统仿真模型, 模拟列车的实际运行状况, 仿真结果验证超级电容储能系统能够稳定直流牵引网电压和控制策略的可行性, 逆变并网系统能够逆变一部分升高的牵引网电压, 减少车载超级电容的体积。

参考文献

[1]张秋瑞, 葛宝明, 毕大强.超级电容在地铁制动能量回收中的应用研究[J].电气化铁道, 2012, 23 (2) .ZHANG Qiurui, GE Bbaoming, BI Daqiang.Application of super capacitor braking energy recovery in the subway[J].Electrified Railway, 2012, 23 (2) .

[2]张慧研, 韦统展, 齐智平.超级电容器储能装置研究[J].电网技术, 2006, 30 (8) :92-96.ZHANG Huiyan, WEI Tongzhan, QI Zhiping.Super capacitor energy storage device research[J].Power System Technology, 2006, 30 (8) :92-96.

[3]Hase S, Konishi T, Okui A, et al.Fundam-ental System for DC Electric Railway System[C]//Power Conversion Conference, 2005, 3:1456-1459.

[4]刘冠男, 张相军.基于超级电容储能双向DC/DC变换器控制模型分析[J].电力电子技术, 2013, 47 (10) :81-83.LIU Guannan, ZHANG Xiangjun.With super capacitor energy storage bidirectional DC/DC converter control model[J].Power Electronics Technology, 2013, 47 (10) :81-83.

[5]王雪迪, 杨中平.超级电容在城市轨道交通中改善电网电压的研究[J].电气传动, 2009, 39 (3) :77-80.WANG Xuedi, YANG Zhongping.Improvement of the super capacitor voltage grid in Urban Rail Transit[J].Electric Drive, 2009, 39 (3) :77-80.

[6]宋层, 王欣, 龚晓妍.基于无速度传感器的地铁永磁牵引电机SVPWM控制仿真[J].新型工业化, 2016, 6 (5) .Song Xin, Wang Xin, Gong Xiaoyan.SVPWM control simulation of Metro permanent magnet traction motor based on speed sensorless[J].Journal of New Industrialization, 2016, 6 (5) .

超级电容储能系统 篇2

关键词：超级电容；能量管理系统；起重机；DC/DC变换器

中图分类号：TH215；TM531.4 文献标志码：A

Application of super capacitor and EMS in crane

XUE Shilong, ZHENG Kaiyu, LIU Shimei

(Logistics Engineering College, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 200135, China)

Abstract： In order to save energy when the crane is coming down, by means of super capacitor and Energy Management System (EMS), which is used to control DC/DC converter to exchange energy between super capacitor and hoisting gear of the crane, according to the operation features of a crane, a method to save energy of crane by means of EMS is presented. The serial communication software and dynamic data processing software are developed in the integrated developing environment VB 6.5 so as to build the real time monitoring system of EMS. The result is proved by experiment equipment, and the experiment result shows that adopting the real time monitoring system of EMS can control the charge time of super capacitor efficiently, and enhance the operation performance of crane.

Key words： super capacitor; energy management system; crane; DC/DC converter

0 引 言

近年来，能源和环境问题越来越受到人们的关注，如何保护环境、节约能源已成为不容忽视的问题.港口起重机起升机构频繁起动和制动，要求动力源具有较高的峰值功率和可靠、高效的吸收再生制动能量的能力.^［1-4］电机在制动过程中会产生大量的能量，传统上有2种方式处理这些再生能量：一种是在变频器直流侧增设能耗电阻，直接消耗再生能量；另一种是将再生能量回馈电网.若增设能耗电阻，制动产生的再生能量就浪费掉了，而且需要很大的散热空间；如果回馈给电网，虽然可以节约能量，但会对电网造成很大冲击，即对电网造成污染，传统的处理方式已经不能满足需求.

在国外，从20世纪80年代起，超级电容器已经进入商业运行；而在国内，其使用历史只有10年左右.过去，超级电容器被认为是低功率、低能量,不具有很长寿命的器件，主要作为备用或辅助器件用在录像机和闹钟中.^［5-10］

近年来，超级电容器技术飞速发展,使用范围也不断扩大，被认为是介于充电电池和电容器之间的新型能源器件.超级电容器在许多领域都有广阔的应用前景,如便携式仪器设备、数据记忆存储系统、电动汽车能源和应急后备电源等方面，特别是在电动汽车上的应用优势明显.

近来，专家开始研究双层电容器在高压、高能系统中的应用，特别是峰值能量需求频繁的比功率高的系统.例如电动汽车，在匀速行驶时由蓄电池供电，加速时由超级电容供电，目前，在烟台已有超级电容辅助供电的电动汽车在试运行；再例如美国国家航空和宇宙航行局（NASA）正在研究的用以代替水力驱动系统的电力驱动系统，航天飞机的主要发动机需要短期高功率的能量，利用超级电容器可以满足这方面的需求.

随着科学技术的进步，具有充放电速度快、储能量大等优点的新型储能元件——超级电容的出现，解决了再生能量的问题.控制超级电容先把电机制动产生的能量储存起来，在电机启动时再将储存的能量释放出来，不仅可以提高电能的使用效率，而且可以减少对电网的冲击.^［11-18］

本文采用可编程控制器、DC/DC变换电路、超级电容、变频器和电机等构建物理仿真系统，模拟港口起重机起升机构的各种工作状态，控制超级电容充放电，实现回收、储存、释放电机再生制动能量，改善起重机起升机构的起动性能.

1 系统构建

本文所述系统能够回收、储存和释放再生制动能量，改善起重机起升机构的起动性能.如图1所示，系统主要由超级电容，DC/DC变换电路，可编程控制器PLC，变频器与监控系统等构成.其中，超级电容器组由8个20 F/2.7 V的单体超级电容串联而成，额定电压为21.6 V；通过RS232串口通信进行PLC（FX2N系列）和上位机之间的数据传输.系统中，速度编码器检测电机的转速和转向；霍耳传感器检测超级电容器实时电流，并把检测到的值传输给可编程控制器PLC；上位机与PLC之间进行串口通信，用来分析判断电机及超级电容的工作状态.通过改变PLC模拟量输出模块的电压给定值来控制DC/DC变换器工作状态，以达到电机制动时超级电容吸收再生制动能量、电机启动时超级电容释放能量的目的.

DC/DC变换电路的主电路由PWM发生器、IGBT及其驱动电路、电感、滤波电容和电流检测元件等组成，见图2.PWM发生器用SG3525A，IGBT的驱动芯片用EXB841，电流检测功能由ACS704来完成.

应用超级电容器与逆变器的直流侧一起给起升机构的电动机供电，利用双向DC/DC变换器进行升降压，以保持电机两端工作电压的稳定性.^［2］

当电机进入发电状态时，母线电压上升，此时给IGBT2以触发脉冲使其导通，电能储存到电感L中，从PWM波形的下降沿开始IGBT2关断，电感L，超级电容C和二极管D1形成回路，电感为超级电容充电.IGBT2持续开通、关断，直到母线电压下降至不足以使IGBT2开通，即母线电压回落到安全值时，充电过程结束.

提升货物时，电机进入电动状态，IGBT2的触发脉冲关断的同时给IGBT1以触发脉冲，超级电容放电，能量储存到电感中，IGBT1关断后，升压回路切断，电感泵升电压使得二极管D2导通，电流流向负载，将存储的电能回馈到母线上，从而增大起动电流，改善起动性能.

2 系统监控及实验结果分析

霍耳传感器ACS704检测电路中瞬时电流，并把检测到的值传输给可编程控制器PLC，应用VB 6.5中MSComm控件实现PLC与上位机之间进行串口通信，把实时的电压、电流值通过上位机的人机友好界面显示出来，见图3.观测电路电流以及超级电容和负载两端的电压的变化曲线，由此可以分析判断超级电容和电机的工作状态, 从而通过改变PLC模拟量输出模块的电压给定值来控制DC/DC变换电路的工作状态.

2.1 恒定PWM占空比充电实验

设定PWM波形频率为f=556 Hz，占空比为61%，超级电容端电压变化曲线如图4所示.对超级电容充电到其额定电压的80％，大约需要29 s.考虑到起重机实际工作时，一般会放电到额定电压的50%～60％后开始充电，所以只考虑超级电容两端电压从12 V升高到16 V所需要的时间.从电压的显示波形来看，大约需要15 s，即超级电容从电压60％充电到80%需要15 s时间.

充电过程中充电电流值过小，导致超级电容两端电压上升缓慢.如果能增大充电电流，就可以在更短的时间内完成电容的充电过程.为此可以通过采用改变PWM输出的脉冲宽度，即增加占空比的方式来实现.图5是在PWM输出频率为f=556 Hz，占空比为87.5%的情况下得到的超级电容端电压变化曲线.由电压的变化曲线可知，超级电容两端的电压从60％上升到80%（12 V上升到18 V）需要11.6 s，与相同频率下占空比为61%的情况相比，显然充电时间缩短了.

另经分析发现，恒定PWM占空比时，充电过程不仅电流值小，而且电流的波动剧烈.

2.2 基于PID调节PWM占空比充电实验

如果能使充电电流维持在一定的范围内，不随时间的延长而剧烈减小，并减小电流的脉动，就能使充电速度加快并且会使电压上升更加平稳.

图6所示电流电压曲线是在PWM发生器产生频率为f=556 Hz,占空比为61%情况下，对超级电容进行充电得到的.在充电过程中，采用PID调节，充电电流一直维持在2.5 A附近，波动很小；超级电容端电压平稳上升，从额定电压的60％上升到80％(从12 V上升到16 V)所需时间仅为5 s.

本系统对超级电容的充电应用了PID调节，即通过改变PWM的占空比的方式使电流保持恒定，快速、平稳地给超级电容充电.

分析以上试验结果发现，采用PID调节控制充电电流使其维持在恒定值，就可以在短时间内完成对超级电容的充电.试验结果表明，该系统可以在6 s甚至更短的时间内将超级电容

从其额定电压的60%充电至80%，完全满足港口起重机实际工作的需求.

3 结 论

本文根据起重机的工作特点，采用超级电容及能量管理系统控制DC/DC变换器，使起重机在落货时，超级电容能回收再生能量；在起升时，超级电容能释放能量.在VB 6.5环境下，设计通信和动态数据处理程序，构建能量管理实时监控系统.试验结果表明，采用PID调节控制超级电容充电电流，不仅可以储存、回馈制动产生的能量，而且可以在电机起动时提供电流，改善系统性能.

参考文献：

［1］陈永真. 电容器及其应用［M］. 北京: 科学出版社, 2005： 13-14.

［2］孟丽囡. 超级电容器组及能量管理系统［J］. 辽宁工学院学报, 2005, 25(2): 71-74.

［3］陈巧玲. 基于碳纳米管和碳原子线的超级电容器［D］. 南京: 南京师范大学, 2003.

［4］蒋先锋, 韩敏芳. 煤炭地下气化与高温燃料电池联合发电系统［J］. 上海电力, 2005, 18(5): 455-457.

［5］强国斌, 李忠学, 陈杰. 混合电动车用超级电容能量源建模［J］. 能源技术, 2005, 26(2): 58-61.

［6］韩明武, 黄军, 杨世彦. 超级电容电动公交车用双向直流驱动器的设计［J］. 电力电子技术, 2007, 41(1): 51-53.

［7］阮越广. 电动车辆新型能量回收电机的研制［D］. 杭州: 浙江大学, 2004.

［8］于维平, 孟令款, 杨晓萍, 等. 化学法制备掺杂CoO的NiO及其电容性能研究［J］. 金属热处理, 2005, 30(9): 23-26.

［9］郭天瑛, 朱经纬, 宋谋道, 等. 块状碳/氧化镍复合物的合成及电容特征［J］. 电化学, 2006, 12(4): 394-397.

［10］刘志祥. 超级电容器相关技术研究［D］. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2002.

［11］朱修锋. 纳米MnO2/C混合超级电容器的研究［D］. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2003.

［12］冷超. 超级电容器储能系统发电控制的研究［D］. 保定: 华北电力大学, 2004.

［13］刘献明. 金属氧化物超级电容器电极材料的研究［D］. 乌鲁木齐: 新疆大学, 2003.

［14］杨晓芳. 基于纳米碳管的超级电容器［D］. 杭州: 浙江大学, 2004.

［15］常志江. 混合动力电动汽车动力系统匹配性研究［D］. 西安: 西北工业大学, 2004.

［16］李奇睿. 基于超级电容器的统一电能质量调节器的研发［D］. 北京: 华北电力大学, 2005.

［17］丁海洋. Nano-NiO/C超级电容器的研究［D］. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2004.

［18］曹正策. 混合动力电动公交车动力系统的研制［D］. 武汉: 武汉理工大学, 2004.

超级电容储能系统 篇3

超级电容器作为近几十年来发展起来的新型储能元件,具有电容值大、充放电寿命长、能够快速充放电及比功率高等一系列优点,在混合电动汽车、起重机、燃料电池发电系统等一些小容量且需要功率快速交换的系统中得到广泛应用[1,2]。

随着经济社会的发展,人类社会对电网电能的质量和可靠性要求越来越高,未来电网面临的一个重要问题是电网发电和电网负荷的不平衡[3]。在当前的电网系统中,为了满足峰值负荷的需要,通常需要一些调峰电厂进行高峰负荷调节,而调峰电厂的成本高、利用率低、性价比不高。可通过在用户负荷端加超级电容器储能系统对电网能量进行管理,解决供电系统存在的用电负荷和电能供应不平衡问题,在电网负荷低谷时对多余电能进行存储,在电网负荷高峰时将储能回馈给电网,以满足电网峰值负荷需要。这样既满足了电网峰值负荷的需要又充分利用电网低谷负荷时的电能,相对于应用于光伏发电系统和燃料电池系统中,超级电容器储能系统应用于电网中不仅起到能量缓冲,还起到缓冲电网负荷、提供短时供电等作用[4]。

本研究首先对应用于电网系统中解决供电系统存在用电负荷和电能供应不平衡问题的超级电容器储能系统运行模式做介绍,对超级电容器储能系统运行于充电储能模式时双向DC/DC变流器工作方式进行分析,并设计此时变流器的闭环控制参数,实现对超级电容器充电储能过程的控制。最后,搭建一个小容量的超级电容器储能系统,进行超级电容器充电储能实验,以验证超级电容器储能系统运行于充电储能模式时闭环控制设计的有效性。

1 超级电容储能系统运行模式分析

应用于电网中的超级电容储能系统的电路如图1所示,超级电容通过双向DC/DC变换器和并网变流器与电网连接,电网处于用电高峰时,并网变流器工作于逆变状态,向电网输送能量,双向DC/DC变换器工作于升压电路模式,维持并网逆变器的直流Bus电压恒定,此时超级电容处于放电释能状态;电网处于用电低谷时,并网变流器工作于整流状态,从电网吸收能量,并且维持直流Bus电压恒定,双向DC/DC变换器工作于降压电路模式,给超级电容器充电储能,使超级电容充电储能到预定值。

本系统中双向DC/DC变换器选用半桥型非隔离式双向DC/DC,其电路结构如图2所示。这种电路结构简单,采用的有源器件少,控制容易,效率较高,适用于电压变比不大、中小功率的情况,大功率应用时一般采用多重化结构。

下面对超级电容器储能系统充电工作模式时双向DC/DC变流器运行模式进行分析,并进行闭环控制设计。

2 充电工作模式时分析及控制设计

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,并网变流器工作于整流状态,等效为一个直流电压源,根据文献[5],超级电容器组等效为一个理想电容器并联一个阻值较大的电阻Rep(并联等效阻抗)和串一个阻值较小电阻Res(等效串联阻抗)。超级电容器充电工作模式时的等效电路如图3所示,此时开关管Sc1工作在PWM状态,开关管Sc2工作于二极管状态。双向DC/DC电路等效于一个Buck电路。

超级电容器充电工作模式的控制框图如图4所示,为了限制超级电容器储能系统充电储能时的充电电流和实现对超级电容器组充电电流进行控制,充电时采用超级电容充电电流内环和充电电压瞬时值外环的双环控制。在图4中:K1为电感电流的采样系数;为了方便电感电流采样,电流采样后通过滤波器将其开关纹波滤掉,系统只采样电感电流的直流分量,GLf(s)为电感电流滤波器的传递函数;Gi(s)为电流环控制器;K2为超级电容电压的采样系数;Gv(s)为电压瞬时值环控制器;1/Vm为PWM调节器的增益。从控制框图可以看出:当超级电容电压较低时,电压瞬时值环输出值饱和,限幅后作为电感电流的给定,此时超级电容处于恒流充电状态,当超级电容电压达到预定值时,电压瞬时值环起作用,此时处于恒压充电状态。

这里采样电流滤波器采用美信公司生产的MAX291芯片来实现。根据文献[6]、文献[7]可知滤波器的传递函数GLf(s)如下:

式中ωc—滤波器的截止角频率。

根据文献[8]可知,电流环的被控系统占空比到电感电流的传递函数Gid(s)为:

式中Vbus—直流Bus电压;Lsc—储能电感;Csc—超级电容器组等效电容;Res—超级电容器组等效串联电阻;Rep—超级电容器组等效并联电阻。

电流环控制器Gi(s)采用PI调节器,即:

式中Kii—电流环的积分调节器;Kip—电流环的比例调节器。

对超级电容充电时电压瞬时值环进行闭环控制[9,10],电压瞬时值环的被控系统为Gicl(s)×Gvi(s),其中电流环闭环传递函数为:

超级电容电压到电感电流的传递函数为:

电压瞬时值环控制器Gv(s)采用PI调节器:

式中Kvi—电压瞬时值环的积分调节器;Kvp—电压瞬时值环的比例调节器。

本研究搭建了一个最大充放电功率为2 k W,最大储能量为60 k J的超级电容器储能系统,其中双向DC/DC变流器主电路参数为:

超级电容器组:Csc=12.5 F;电感Lsc=418μH;

直流Bus电容:Cdc=750μF,直流Bus电压:Vdc=300 V,超级电容最高充电电压:Vscmax=100 V。

超级电容组等效电路为:一个电容值为Csc=12.5 F的理想电容器并联一个阻值为10 kΩ的电阻Rep后串联一个阻值为0.28Ω的电阻Res。

设置开关管的开关频率为fs=20 k Hz,电感电流滤波器的截止频率fc=5 k Hz,PWM调制器的增益Vm=1,电感电流采样系数K1=1/25,超级电容电压采样系数K2=1/300。

由于电感电流采样的滤波器截止频率为5 k Hz,系统设置电流环的PI调节器的转折频率为80 Hz,电流环的穿越频率为800 Hz,求得:电流环PI调节器参数为:Kip=0.176,Kii=88.349。电流环补偿前后的Bode图如图5所示,可见:补偿后电流环的相位裕量为45°,增益裕量为5.6 d B。

在低频段,电流环等效为一个比例环节,电压瞬时值环等效为一个积分环节。根据被控系统的特性,这里设计电压瞬时值环的穿越频率为1 Hz,取PI调节器的转折频率为0.1 Hz。求得电压瞬时值环PI调节器参数为:Kvp=937.9,Kvi=589.3。电压瞬时值环补偿前后的Bode图如图6所示,可见:补偿后电压瞬时值环的相位裕量为84°。

3 实验验证

本研究在双向DC/DC实验平台上对超级电容充电模式功能进行了验证,实验参数如下:直流母线电压Vbus=300 V,电感Lsc=418μH,开关频率fs=20 k Hz,巴特沃斯滤波器转折频率fc=5 k Hz。超级电容器采用日本贵弥功公司生产的超级电容,其单台电容参数为:电容值CF=100 F,内阻抗为Re=35 mΩ,最大充电电压为Vmax=15 V,系统采用8台超级电容串联,参数为:Csc=12.5 F,串联等效阻抗Resr=0.28Ω,并联等效电阻Rp=10 kΩ。

实验中对超级电容组从零开始对其预充电到75 V。为了验证设计对超级电容器组的充电控制,实验分别采用恒流充电电流为10 A和20 A的充电模式。超级电容器组充电电流为10 A时的充电电压电流波形如图7所示。超级电容器组充电电流为20 A时的充电电压电流波形如图8所示。其中,超级电容器组的充电电流波形为经过巴特沃斯滤波器滤波后的波形。

从上面的实验波形可以看出,超级电容器组电压较低时,电压瞬时值环输出饱和,不起作用,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,储能系统可以按实际需要设定充电电流的大小。从图7可看出在超级电容器组充电的前70 s,由于超级电容器组的电压较低,超级电容器组以设定的10 A电流进行恒流充电,70 s后,由于超级电容器组充电到预定电压,超级电容器组转入恒压充电模式进行充电。图8与图7类似,在充电的前35 s超级电容器组以设定的20 A电流进行恒流充电,35 s后,超级电容器组转入恒压充电模式进行充电。

4 结束语

本研究对应用于解决供电系统电能供应和用电负荷不平衡问题的超级电容储能系统运行模式进行了分析,并对超级电容器储能系统充电储能模式时的双向DC/DC变流器进行了闭环控制设计,最后进行了实验,设定了不同的恒流充电区充电电流值对超级电容器组进行充电储能。实验结果表明:通过对应用于超级电容器储能系统中的双向DC/DC变流器闭环控制,能够实现对超级电容器储能系统充电储能过程控制,从而能够解决供电系统电能供应和用电负荷不平衡问题。

摘要：针对电网供电系统存在用电负荷和电能供应不平衡问题,设计了超级电容器储能系统。对设计的超级电容器储能系统两种工作模式(充电储能模式和放电释能模式)进行了介绍,对超级电容器储能系统充电储能运行模式时的双向DC/DC变流器工作方式进行了分析,同时设计了闭环控制参数,从而实现了对超级电容器储能系统充电储能过程的控制。实验结果表明,通过对双向DC/DC变流器在超级电容器充电工作模式时的闭环控制,有效地实现了对超级电容充电储能过程的控制。

关键词：储能,超级电容器,双向DC/DC变流器,充电控制

参考文献

[1]LI Nan,ZHANG Jian-cheng,ZHONG Yun.A Novel Char-ging Control Scheme for Super-Capacitor Energy Storage inPhotovoltaic Generation System[C]//Third InternationalConference on DRPT 2008.Nanjing:[s.n.],2008:2671-2675.

[2]HUA Cheng-yong,MIERLO V,BOSSCHE V D,et al.En-ergy Sources Control and Management in Hybrid Electric Ve-hicles[C]//EPE-PEMC 2006.12th International.Portoroz:[s.n.],2006:524-530.

[3]程时杰,文劲宇,孙海顺.储能技术及其在现代电力系统中的应用[J].电气应用,2005,24(4):1-8.

[4]王鑫,郭佳欢,谢清华,等.超级电容器在微电网中的应用[J].电网与清洁能源,2009,25(6):18-22.

[5]NELMS R M,CAHELA D R,NEWSOM R L,et al.AComparison of Two Equivalent Circuits for Double-layer Ca-pacitors[C]//APEC 99.Fourteenth Annual Volume 2.Dal-las:[s.n.],1999:692-698.

[6]冯乙引.开关电容滤波器MAX291/292/295/296的特性与应用[J].集成电路应用,1996(5):18-20.

[7]祁才君.数字信号处理技术算法分析与应用[M].北京:机械工业出版社,2005.

[8]徐德鸿.电力电子系统建模及控制[M].北京:机械工业出版社,2005.

[9]张慧妍.超级电容器直流储能系统分析与控制技术的研究[D].北京:中科院电工所,2006.

超级电容储能系统 篇4

关键词：超级电容,电压不均衡,非能耗型,均衡器

0 引言

超级电容器的电容量很大, 可以达到数千法拉, 但是其额定电压很低, 一般只有1 V~3 V[1]。在城市轨道交通储能系统中, 需要通过多个超级电容串并联使用, 才能满足电机对电压等级的需求。由于各超级电容单体内部特征参数的不一致性, 容易导致在快速充放电情况下各电容单体的电压不均衡, 从而降低超级电容组的能量储存能力和使用寿命。因此, 采取合适的电压均衡措施使超级电容单体电压保持一致具有非常重要的意义。

1 均衡电路方案的介绍及优缺点分析

目前国内外的研究者已经提出了一些针对超级电容的均衡方法, 大体可以归类为能耗型均衡[2]以及非能耗型均衡[3,4,5]两种。

1.1 能耗型电压均衡方法

最简单的能耗均衡方法是将每个电容单体并联电阻器, 如图1所示。这是为了使各单体自放电率趋于平衡来防止电压不平衡。这种方法增加了自放电率, 不利于能量存储。为了能够对每个单体的放电速度进行调节, 经常在并联电阻器时串联一个开关, 当一个单元的电压接近一定的水平时, 开关闭合, 单体通过电阻器放电。然而, 在大电流充电条件下, 均衡电流一般比较高, 这将导致大量的能量以发热的形式损耗。

1.2 非能耗型电压均衡方法

非能耗型电压均衡方法按照能量转移的方式, 分单体对单体和模组对单体两种。

1.2.1 单体对单体能量转移方法

常用的一种单体对单体能量转移的均衡方法有开关电容法, 典型电路如图2所示。。

这种方法采用额外的储能单元, 将电压较高超级电容单体能量转移到电压较低单体中。这样有利于能量的利用。但是, 这种均衡时间比较长。

1.2.2 模组对单体能量转移方法

典型的模组对单体能量转移方法有多变压器AC/DC和多绕组单变压器AC/DC方案, 多变压器方案如图3所示。

此方案有利于模块化设计, 均衡时间较快。但是, 不适合串联电容单体较多的场合。同时, 方案中AC/DC整流基本都采用不可控二极管整流。然而二极管一般都有导通压降损耗, 降低了均衡器的电压均衡精度。

1.3 具有一对多输出的电源拓扑均衡方案

考虑到城市轨道交通储能系统模组内单体电压为2.7 V, 正常充电时最大电流会达到几百安培, 为实现快速均衡的要求, 考虑设计的均衡器均衡电流需要接近100 A, 因此这里需要采用低压大电流直流变换器。对比之前提出的均衡器方案, 采用模组对单体能量非耗散能量转移方案更合适。针对储能系统电压等级高达900 V的场合下, 采用多变压器方案无疑成本过大。而且考虑模组内各电容单体不需同时均衡, 若采用模块化AC/DC, 每个模组需要多AC/DC模块, 设计冗余, 成本较高, 所以具有一对多输出的电源拓扑更适合当前需求, 如图4所示。

在此均衡器中, 变压器的副边整流输出也改为采用同步整流技术, 以减少开关管导通压降, 提高电压均衡精度。同时, 通过设计可以达到100 A均衡电流, 减少了均衡时间。

2 均衡器均衡电流控制

在本系统中, 主要是通过向电压较低的单体电容灌电流实现电压均衡。因此, 推挽变压器初级采用控制电流方式, 电流给定值由采样控制板给出, 结构如图5所示。在实际闭环控制系统设计中, 选用LEM公司的电流传感器HAS50采集初级电流, 使用高速运放搭建模拟控制器, 采用定频调宽方式实现变压器初级恒流控制。

3 可控整流桥设计

为了减少导通损耗, 用导通电阻小的MOSFET管替代传统的整流二极管, 搭建全桥可控整流电路, 此种整流电路具有功耗低和可控性的双重优点, 用于大电流整流控制具有很大的优势。可控整流电路结构如图6所示, 当超级电容不需要充电可以通过拉低栅极驱动电压关断MOSFET管, 切断电容充电回路。

电路中MOSFET选用IR公司的IRFS7434-7PPb F。该MOS-FET通态电阻RDS (ON) 典型值只有0.7 mΩ, 最大值1 mΩ, 漏极电流高达240 A, 适合当前可控整流电路的使用。

4 仿真分析

为了验证本方案的效率及可行性, 我们采用美国Synopsys公司的一款EDA软件Saber对包含4个串联超级电容单体的系统进行了仿真验证。

本文4个单体仿真初始电压分别设置为V1=2.6 V, V2=2.5 V, V3=2.8 V, V4=2.7 V, V3>V4>V1>V2。

电压值最小的C2电容最先开始由均衡电流补偿, 均衡电流峰值可达180 A, 随着V2的增加, C1电容的均衡电流开始增加。最终四个单体的电压会快速达到一个相同的值。

5 实验分析

为了进一步验证本方案的可行性, 我们在完成理论分析与仿真的基础之上, 根据实际环境, 搭建了实物系统模型, 对方案做了验证与分析, 在本次实验环境中, 我们采用两个电容值为3 000 F的单体电容, 对变压器性能, 初级电流闭环控制以及可控整流部分做了进一步验证。

2个单体实验初始电压分别为V1=2.75 V, V2=2.45 V。实验中, 每隔5 s记录一次两单体的电压值, 两单体的电压在历时45 s后基本达到均衡, 并在之后的充电过程中始终保持一致。

6 结语

本文提出了一种新的串联超级电容充电均衡电路, 其均衡器全桥同步整流电路具有很高的浪涌电流能力。同时, 由于采用的MOSFET的导通电阻非常小, 这使得该均衡器在提供很大的均衡电流时保持非常低的传导损耗, 从而实现电压的快速平衡。

从仿真分析和实验结果可以看出本文提出的超级电容器电压均衡电路具有均衡速度快、损耗低、发热量小、实现简单等特点, 能有效地解决城市轨道交通中采用超级电容储能系统中单体或者模组电压的均衡问题。

参考文献

[1]胡斌, 杨中平, 林飞, 等.城市轨道交通用超级电容器组等效电路模型研究[J].机车电传动, 2013 (5) :65-68.

[2]韩晓男.超级电容串联均压研究[J].东北电力大学学报, 2010 (4) :68-72.

[3]胡国文, 李超, 林萍.超级电容器电压均衡技术研究综述[J].电测与仪表, 2014 (22) :22-29.

[4]逯仁贵, 王铁成, 朱春波, 等.基于飞渡电容的超级电容组动态均衡控制算法[J].哈尔滨工业大学学报, 2008 (9) :1421-1425.

超级电容储能系统 篇5

储能式现代有轨电车, 采用储能电源作为牵引动力源, 车辆能够无接触网运行。以超级电容作为储能元件能够实现能量的高效利用和循环利用, 达到绿色节能的目标[1]。

储能电源的主要功能为: 车辆到站时由地面充电系统给储能电源充电, 车辆离站后由储能电源给车辆供电, 以及吸收制动能量。

1储能电源介绍

储能电源以超级电容为储能元件, 主要由箱体、模组、主控单元、电压均衡单元、检测与保护电路、散热系统等部分构成。 系统方案如图1所示。

1. 1控制电源

控制电源负责给主控单元、检测电路以及散热系统和电压均衡单元提供DC24V的直流恒压。

1. 2主控单元

每个储能电源配置一个主控单元, 主控单元由主控和辅控两部分组成, 主控板负责以下几个功能。

状态监测: 监测储能电源和各模组的状态, 存储故障信息。

通信功能: 负责与车辆、调试/显示系统、辅控单元、采样控制单元进行通信。

电压均衡: 模组级电压均衡控制。

辅控板负责储能电源风扇控制、接地保护的电压采样、储能电源充/放电电流采样、快速熔断器状态监测、系统内部通信以及统供电等。

1. 3电压均衡单元

电压均衡单元包括采样控制电路及电压均衡电路, 每个模组配置一个电压均衡单元, 采样控制电路用于模组电压采样、 电压均衡、温度信号采集以及与主控单元的通信。

电压均衡电路是用于实现电压均衡功能的执行单元。包含模块和模组两级均衡模式, 共同实现储能电源内各个模块间的电压均衡。模块级电压均衡采用DC/DC变换器法, 模组级电压均衡利用8路DC/DC模块全部工作所产生的能量损耗来实现。模块级电压均衡为主, 模组级电压均衡为辅, 共同实现储能电源模块间的电压均衡。

1. 4散热系统

散热系统由12个风扇构成, 由主控单元通过电压均衡单元检测到的温度信号发出相应等级的控制信号, 控制12个风扇的启停, 风扇实行分级控制。

1. 5检测电路

检测电路负责电压电流检测以及故障检测, 主控单元对检测到的电压电流信号及故障信息进行处理后存储。

储能电源控制系统具有故障报警功能, 所有故障信息会以日志形式进行存储, 方便用户对储能电源进行维护。

2结构方案

双层布置的储能电源由箱体、43个模组 ( 含电压均衡单元) 、1个主控单元、2个熔断器、2个电流传感器、1个电压传感器、对外接线铜排和端子、12个风扇以及内部连接铜排等配件组成。结构图如图2所示。

43个模组分上下两层安装 ( 下层22个, 上层21个) , 电流传感器、电压传感器、主控单元和配线端子安装在上层模组的空留区域, 熔断器和控制线连接器均安装在接线盒区域。

风扇均匀分布在两块左侧板上, 与模组对应地分上下两层布置。

每个模组包括16个2并8串的16个超级电容单体、1个电压均衡单元和连接铜排等。

3结语

基于超级电容的有轨电车储能电源是储能式轨道交通储能电源系列产品的基础, 该产品为储能电源的超级电容集成技术打下坚固基石, 是超级电容运用的里程碑。

摘要：超级电容器作为一种新型的储能原件, 在有轨电车上逐步推广应用, 针对新型有轨电车超级电容储能电源, 对它的系统和结构做了详细介绍。

关键词：超级电容,储能电源,系统

参考文献

超级电容储能系统 篇6

关键词：超级电容,最大功率跟踪,C8051F320

1、引言

近年来, 由于常规能源的有限性和分布不均匀性, 不能满足经济可持续发展的需要, 所以人类将目光集中在了可再生能源上。而太阳能作为一种清洁的可再生能源, 日益被独立供电系统所看重。由于太阳能受日照和天气的影响, 如何将太阳能存储起来以备阴雨天和晚上的使用是本文着重解决的问题。本文权衡了各种储能器件, 比较其发展前景和优势特点, 选择超级电容作为储能装置。

2、超级电容简述

超级电容器是一种高能量密度的无源储能元件, 主要是通过电极/电解质界面形成双电层中离子的吸附和脱附, 来实现能量的储存与释放。即利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量, 大多数超级电容器可以做到法拉级, 容值范围可达1~5000F, 并且在使用时, 可以通过串联或者并联以提高耐压和容量。

超级电容的最大充放电性能是由活性物质表面的离子取向和电荷转移速度决定的。其主要特点表现在:功率密度高、循环寿命长、工作温度范围宽、免维护、绿色环保。

超级电容器作为能量储存器件具有与可充电电池不同的充放电特性。在充放电时, 电池具有较稳定的输出电压, 而超级电容器的输出电压随电能容量减少而下降。必须通过DC/DC转换才能变成恒电压输出。超级电容器的存储能量与其输出电压的关系为:。所以通过测量的电压很容易计算超级电容器的存储能量。

与传统蓄电池相比, 超级电容对于充/放电电流没有严格的限制, 能更好的适应太阳能电池发电能力波动范围较大的特点。

3、系统的硬件部分

本设计以超级电容组作为储能设备, 以C8051F320为控制芯片, 并合理设计其充放电电路, 以保证整个系统的稳定性.

3.1 独立供电系统的总体结构

独立供电系统由太阳能电池板、超级电容和控制器组成。控制器通过对太阳能电池板的电压及电流的采集, 实现太阳能电池最大功率点跟踪, 最大效率的存储太阳能, 并对超级电容和系统的安全进行管理;超级电容组作为储能设备, 通过DC/DC电源芯片输出稳定的直流电压并为控制器本身供电。系统结构如图1。

设计主要为12V的直流负载供电, 电流传感器选用MAX472, 场效应管Q1、Q2、Q3选用IRF540, 并由驱动芯片TC4427EPA驱动, 稳压器U1、U2选用LM2576, DC/DC变换器选用MAX668。

3.2 超级电容组的充放电设计

设计总体思路是:利用C8051F320的捕捉/比较模块产生PWM调节充电电流以实现最大功率跟踪, 以最大效率对超级电容组充电;通过控制MCU的I/O口线, 实现放电装置的通断, 以保证系统非正常情况下供电。

设计中, 满足用电量的需求, 由公式, 可得超级电容组的电容量。基于对系统造价 (超级电容值大小与价格有关) 的考虑, 特设置场效应管Q1、Q2来管理负载和控制器的通断。超级电容组的电压和电流分别通过分压电阻、电流传感器送至单片机, 并与单片机内部预设电压Uref1、Uref2作比较, 在Q1、Q2作用下完成对负载和控制器的通断。但单片机工作电压不足以驱动场效应管, 故需加驱动芯片, 而TC4427EPA峰值输出电流可达1.5A, 输入电源电压工作范围-4.5V至18V, 满足设计要求。

超级电容组的电压在充放电过程中呈不稳定的状态, 随充电而升高, 随放电而减小。设计采用稳压器U1、U2对超级电容电压进行升降压稳压后对负载和控制器供电。考虑最大限度的使用超级电容所储存的电能, 设计希望稳压芯片的输入最小电压尽可能的小, 因此设计选用LM2576稳压芯片 (输入电压范围为1.23~37V) 。

设计参数:超级电容组24V、175F, =1.6V, =1.5V, 单晶硅太阳能电池2W、18V。

4、系统的软件设计

系统采用太阳能作为发电器件, 由光伏电池的P-V输出特性可知, 随着端电压由0逐渐增大, 输出功率呈现先升高后降低的态势, 因此, 为最大效率的存储太阳能, 如何实时调整光伏电池的工作点, 使其始终工作在最大功率所对应的电压值附近, 即实现最大功率跟踪 (MPPT) 是系统解决的主要问题。

实现最大功率跟踪的方法很多, 系统选用扰动观察法。原理是每隔一定的时间增加或者减少光伏阵列输出电压, 并观测之后其输出功率变化方向, 来决定下一步的控制信号。即先给出一个扰动输出电压信号 (Upv+ΔU) , 再测量其功率变化, 与扰动之前的功率值相比, 若功率值增加, 则表示扰动方向正确, 可继续向同一 (+ΔU) 方向扰动;若扰动后的功率值小于扰动前, 则往反 (-△U) 方向扰动, 直至太阳能电池输出功率趋于最大, 即

本文通过比较太阳能电池板当前输出功率和前一次输出功率, 按照扰动观察法调整得到最大功率点, 对超级电容充电, 在放电过程中, 设置场效应管Q3管理负载的通断, 设置场效应管Q2管理对控制器的供电。系统的流程如图2。

5、设计结论及分析

本着新能源超级电容在新领域的应用研究, 本设计采用C8051F320控制器完成了在太阳能最大功率点时的信号采集, 最大效率的完成了超级电容的充电, 并设置电压门限, 保证了系统持续稳定供电。特别是超级电容作为新生储能元件, 以其优势特点, 更广的应用领域的开发将使其具有更好的应用前景。

参考文献

[1]何祚庥.可再生能源[J].人类能源利用的必然趋势.中国石油大学学报 (社会科学版) , 2007.2.

[2]侯振义.直流开关电源技术及应用[M].电子工业出版社, 2006.

超级电容储能系统 篇7

风力发电是当前发展最快的可再生能源发电技术[1]。但是,风能是一种随机变化的能源,风速变化会导致风电机组输出功率的波动,对电网的电能质量产生影响[2]。因此,研究并网风电场的输出功率调节成为风力发电技术中的重要问题。

目前风电有功功率波动多采用直接调节风力涡轮机运行状态的方法来平滑其输出功率[3],但该方法的功率调节能力有限;无功功率波动通常采用并联静止无功补偿装置进行无功调节[4] , 但无功补偿装置无法平抑有功功率波动。附加储能设备既可以调节无功功率、稳定风电场母线电压[5,6],又能在较宽范围内调节有功功率,是当前的一个研究热点。风力发电研究表明位于0.01 Hz～1 Hz的波动功率对电网电能质量的影响最大[7,8],平抑该频段风电波动采用较短时间的能量存储就可以达到目的[9],因此能够实现短时能量存储的较小容量的储能设备对风力发电具有更高的实用价值。以往抑制风电功率波动多考虑采用蓄电池、飞轮或超导等储能技术[10,11,12,13],超级电容储能技术关注较少。超级电容器具有功率密度极高、循环寿命长、环境无污染和免维护等优点,随着制造技术的发展,超级电容器的能量密度有了很大提高,在一些短时电力储能场合已经进入了商业化应用阶段[14,15]。利用超级电容器存储能量,平抑风电场输出功率重要频段的风电波动具有良好的应用前景。

本文介绍了一种基于超级电容储能的风电场功率调节系统,针对系统结构特点和工作原理提出了网级控制、超级电容能量管理和变流器控制相结合的控制策略,仿真结果表明该系统在平抑了0.01 Hz～1 Hz风电场有功功率波动的同时,通过无功功率调节稳定了风电场母线电压,具有良好的运行性能。

1 系统结构和运行原理

图1为带有调节装置的并网风力发电系统结构示意图。公共连接点(PCC)处接有本地负荷,超级电容器组(SC)作为直流侧的储能元件,功率调节系统(PCS)采用四象限电压型变流器(VSC)级联双向直流变换器(Bi-DC/DC)结构,最终通过升压变压器并联于风电场输出端母线。

该装置有以下2种工作模式:

1)风电场功率调节模式:当检测到设定频段的有功功率波动时,装置快速吸收波动的有功、无功功率,平滑风电场功率输出,维持风电场输出端母线电压稳定。

2)充放电模式:一方面在装置最初安装或检修后重启时将超级电容器组充电到预先设定的电压值Vsc_ref,在装置故障或检修时将超级电容器组储存的电能释放;另一方面当没有检测到设定频段内的有功功率波动时,通过对超级电容器缓慢的充放电维持超级电容器电压Vsc_ref。为保证超级电容器组有相同的充放电空间,根据式(1)来进行Vsc_ref的设定:

$\begin{array}{l}\frac{1}{2}C{}_{\text{s}\text{c}}V{}_{\text{s}\text{c}\_\max }^2-\frac{1}{2}C{}_{\text{s}\text{c}}V{}_{\text{s}\text{c}\_\text{r}\text{e}\text{f}}^2=\frac{1}{2}C{}_{\text{s}\text{c}}V{}_{\text{s}\text{c}\_\text{r}\text{e}\text{f}}^2-\\ \frac{1}{2}C{}_{\text{s}\text{c}}V{}_{\text{s}\text{c}\_\min }^2(1)\end{array}$

式中:Csc为超级电容器组的电容量;Vsc_max为超级电容器组允许的最高充电电压;Vsc_min为超级电容器组允许的最低放电电压。

2 控制系统

如图2所示,控制系统由图中虚线框内的3部分组成:网级控制、超级电容能量管理和变流器控制。网级控制根据风电场有功功率和输出端母线电压波动情况给出装置的有功、无功功率指令。超级电容器具有电压随充放电时间改变的充放电特性,因此通过超级电容能量管理,一方面在功率调节模式中避免过欠电压发生,另一方面在充放电模式控制充放电功率。变流器通过VSC的有功、无功功率解耦控制,快速跟踪网级控制和超级电容能量管理给出的有功、无功功率指令。系统输出功率变化会导致直流母线电容器上的电压波动,故通过Bi-DC/DC对超级电容器快速充放电来恢复并维持直流母线电压。

2.1 网级控制

网级控制为了滤除风力涡轮机输出功率中0.01 Hz～1 Hz频段的波动成分, 1 Hz以上成分主要被风力涡轮机的惯性所吸收[10,11],有功功率控制需要滤除Pwind中0.01 Hz以上波动成分,故将Gwind(s)设计为一阶巴特沃斯高通滤波器[7,13]:

$G{}_{\text{w}\text{i}\text{n}\text{d}}(s)=\frac{\tau s}{1+\tau s}(2)$

式中:τ为滤波器的时间常数,穿越频率设置为0.01 Hz时τ=16 s。

如不考虑容量限制且变流器控制带宽远高于1 Hz,使变流器在1 Hz以上有良好响应,则

${\rm P}{}_{\text{s}\text{c}}={\rm P}{}_{\text{r}\text{e}\text{f}}^{*}={\rm P}{}_{\text{w}\text{i}\text{n}\text{d}}\frac{16s}{1+16s}(3)$

Pwind中0.01 Hz～1 Hz频段的波动成分由功率调节装置来吸收。

由于风电场输出端母线电压对无功功率波动更为敏感,因此可以通过无功功率的调节来维持母线电压[9]。如图2所示,Vbus_ref为母线电压设定值,GQ(s)为PI调解器,$G{}_{\text{Q}}(s)=k{}_{\text{Q}\text{p}}+\frac{k{}_{\text{Q}\text{i}}}{s}$,其中kQp=6,kQi=700。

2.2 超级电容能量管理

超级电容能量管理通过超级电容器电压控制环和电压限制模块来实现。设计超级电容器电压环带宽远低于0.01 Hz,那么在功率调节模式时该环路的作用可以忽略,仅通过电压限制模块来实现超级电容器电压管理。超级电容器快速提供充放电功率平抑风电波动时,其电压会随之迅速变化并可能导致过充放电的发生,过充电会严重影响超级电容器使用寿命,过放电则会导致超级电容器输出功率受限,因此由电压限制模块保证超级电容电压在允许的范围之内。Pref>0时如图3中虚线所示,Kpsc为功率限幅系数,当Vsc<Vsc_up时, Kpsc=1,P*ref=Pref;充电到Vsc_up后开始对Pref进行降幅处理,当Vsc>Vsc_max时, Kpsc=0,P*ref=0,保证超级电容器不会过充。Pref<0时如图中实线所示,同理保证超级电容器不会过放。

在充放电模式中,没有检测到设定频段的有功功率波动即Pref=0,仅超级电容器电压环起作用,通过缓慢的充放电维持超级电容器电压为Vsc_ref。如图4所示,通过电压调节器Gv_sc(s)给定超级电容器充放电功率。

图4中,Gv_sc(s)=ksp+ksi/s,其中ksp=0.447,ksi=0.002 8,电压环带宽为0.002 Hz,即1/5的风电场有功功率滤波器穿越频率,因此超级电容器电压环不会对风电功率调节产生影响。

2.3 变流器控制

变流器控制系统如图5所示,有功、无功功率控制可以通过id和iq的解耦控制来实现。双向直流变换器采用双环控制策略,电压外环控制直流母线电压保持不变,电流内环控制超级电容器充放电电流的动态变化,避免超级电容器充放电电流超过限制。

为实现变流器功率和直流母线电压的精确控制,本文采用状态空间平均的方法建立了变流器的数学模型,并从控制设计的角度出发引入Park变换,得到dq坐标系下小信号开关周期平均数学模型,其等效电路如图6所示。

由变流器小信号模型可以得出环路控制器设计需要的传递函数,变流器控制环路设计及参数详见附录A。

3 储能单元设计

风电功率调节系统主要平抑0.01 Hz～1 Hz的风电功率波动,因此根据风电功率最低频率波动配置储能单元的储能容量,考虑储能单元有相同的充放电空间,首先分析在(Vsc_ref,Vsc_max)充电空间内能够吸收的能量如下式所示:

$E{}_{\text{s}\text{c}1}={\displaystyle \int {\rm P}}{}_{\text{s}\text{c}}(s)={\displaystyle \int \frac{\tau s}{1+\tau s}}{\rm P}{}_{\text{w}\text{i}\text{n}\text{d}}(s)\le 2\tau {\rm P}{}_{\text{w}\text{i}\text{n}\text{d}0.01}(4)$

式中:Pwind0.01为风电场0.01 Hz有功功率波动幅值,在最恶劣的情况下Pwind0.01为0.5倍的风电场容量。

在(Vsc_ref,Vsc_min)放电空间内能够释放的能量与充电空间内能够吸收的能量相同,故储能单元总储能量如下式所示:

$E{}_{\text{s}\text{c}}=4\tau {\rm P}{}_{\text{w}\text{i}\text{n}\text{d}0.01}(5)$

超级电容器单体电压一般较低(2.5 V左右),因此储能单元由多个超级电容器单体串并联组成以达到系统容量需求。储能单元设计要综合考虑能量和功率2方面需求。储能单元储存的总能量表示为:

$E=\frac{{\rm N}}{2}C{}_{\text{s}\text{c}\_\text{u}\text{n}\text{i}\text{t}}(V{}_{\max }^2-V{}_{\min }^2)\ge E{}_{\text{s}\text{c}}(6)$

式中:N为超级电容器单体的个数;Csc_unit 为单体电容量; Vmax为超级电容器耐压; Vmin为超级电容器允许的最低放电电压。

大电流放电情况考虑到超级电容器串联等效电阻的影响,根据电路原理的最大功率传输定理可以得到储能单元最大放电功率为:

${\rm P}{}_{\max }={\rm N}\frac{V{}^2}{4R{}_{\text{e}\text{s}\text{r}}}\ge {\rm P}{}_{\text{s}\text{c}}(7)$

超级电容器放电到最低电压Vmin时仍能保证额定功率输出,Vmin需要满足下式:

$V{}_{\min }\ge 2\sqrt{\frac{R{}_{\text{e}\text{s}\text{r}}{\rm P}{}_{\text{s}\text{c}}}{{\rm N}}}(8)$

将式(8)代入式(6)得到N的限制条件为:

${\rm N}\ge \frac{\frac{2E{}_{\text{s}\text{c}\text{e}\text{s}}}{C{}_{\text{s}\text{c}\_\text{u}\text{n}\text{i}\text{t}}}+4{\rm P}{}_{\text{s}\text{c}\text{e}\text{s}}R{}_{\text{e}\text{s}\text{r}}}{V{}_{\max }^2}(9)$

4 仿真结果

用于仿真研究的风力并网发电系统结构图以及基于超级电容储能的风电场功率调节装置参数详见附录B。风电场输出端通过并联2.15 Mvar的电容器组提供恒定无功对异步发电机组进行无功补偿,实现风电场单位功率因数。

假定风电场在120 s内的风速变化如图7所示,图8给出在此风速下的风电场有功功率和无功功率波动情况,有功功率波动的瞬时幅值达到8 MW(0.53(标幺值)),而无功功率虽然通过电容补偿器的无功补偿维持在0,但仍存在较大波动。注入电网有功功率和调节系统吸收的有功功率如图9所示。

采用功率调节装置后,风电场输入电网的有功功率波动瞬时幅值为2 MW(0.13(标幺值)),波动减小了75%。风电场注入电网的无功功率和调节系统吸收的无功功率如图10所示,由调节装置吸收了风电场输出无功功率的波动成分,使注入电网的无功功率波动也明显减小。

没有调节装置时风电场输出端母线电压受到无功功率波动影响会有较大波动,如图11(a)所示,其波动幅值接近0.1(标幺值),图11(b)为有调节装置时风电场输出端母线电压,电压波动幅值仅0.01(标幺值)。

超级电容器电压如图12所示。通过能量管理其电压始终被限制在允许范围之内, Vsc_max=1.4 kV,Vsc_min=0.7 kV。为验证能量管理中超级电容器电压环的工作情况,进行了超级电容器充、放电过程的仿真。如图13所示,超级电容器组经300 s的充电过程达到Vsc_ref=1.1 kV,从600 s开始对超级电容器组放电,900 s放电完毕。

5 结语

本文针对基于超级电容储能的风电场功率调节装置的工作原理和结构特点,提出了网级控制、超级电容能量管理和变流器控制相结合的控制策略,并进行了风电场短时功率波动调节的仿真研究。仿真结果显示:设计的风电场功率调节装置具有良好的动态性能,不仅能很好地吸收风电场输出无功功率的波动成分,起到了抑制电网电压波动的作用,也有效地平滑了输入电网的有功功率波动。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

超级电容储能系统 篇8

1 永磁同步电机—电梯曳引系统

在常见永磁同步电机—电梯曳引系统中, 主要包括供电电网、变频器、曳引电机和电梯负载等部分, 其结构如图1所示。

电梯负载为位能性负载, 当电梯运行于满载上行和空载下行时, 曳引电机工作在一三象限, 曳引电机处于电动状态;当电梯运行于满载下行和空载上行时, 曳引电机工作于二四象限, 曳引电机处于放电状态, 此时曳引电机会反馈回直流母线大量能量。通常的做法是将这部分反馈能量通过在直流母线并联耗能电阻处理掉, 如图2 (a) 所示。对于电梯负载来说, 其工作需求导致其将长期处于发电状态, 采用以上做法会导致较多能量被消耗。

针对上述问题, 目前市场上的主要解决方法是通过另设逆变电路或者将系统前端的不控整流变为可控整流, 把反馈电能再次转换成三相交流电反馈至公共电网, 如图2 (b) 和图2 (c) 所示。此方法可以提高电能使用效率, 有很多科研机构和企业在这一领域己经取得了一定的成果。但其缺点是进行实时反馈时, 反馈的能量难以保证与交流电网的频率和相位保持一致, 且反馈成分中的高频部分会影响电网的稳定性。针对以上情况, 研究更为高效、安全、稳定的电梯节能技术势在必行。

2 基于超级电容储能的曳引系统

通过外带储能装置对电梯曳引系统进行节能控制是目前热门的研究方向。带有储能装置的永磁同步电梯曳引系统的具体结构如图3所示。其中储能装置和电梯系统之间通过双向DC/DC变换器来实现能量流动。

目前储能装置主要有电池和超级电容两种, 与电池相比, 超级电容具有以下优点:超级电容可以弥补常用蓄电池功率密度小的缺陷, 对普通电容能量密度小的不足也进行了改进, 同时超级电容充放电速度快, 效率高, 可靠性好。所以本文采用超级电容来实现系统节能。

2.1 系统控制策略

带有超级电容的永磁同步电机—电梯曳引系统的控制策略应符合以下原则:在满足曳引机功率需求的情况下, 最大程度地发挥超级电容回收能量的能力, 在曳引电机处于电动状态时将能量释放, 实现节能最大化, 由此, 可得到系统控制策略如表1所示。

2.2 双向DC/DC变换器及其控制方式

本文采用非隔离型双向DC/DC变换器, 其拓扑结构如图4所示。该类型的变换器结构简单, 开关管的电压尖峰问题不严重, 效率高, 适用于大功率场合。

充电时, 系统的能量从直流母线流向超级电容, 开关S1和二极管D2工作, 双向DC-DC变换器工作在Buck状态, 负载为超级电容;放电时, 系统的能量是从超级电容流向变频器直流母线, 开关S2和二极管D1工作, 双向DC-DC变换器工作在Boost状态, 负载为与直流母线相连的逆变器。

该变换器电路由开关器件构成, 可知其为非线性系统。因变换器开关频率远高于调制频率, 所以可利用传递函数和线性化技术建立数学模型[5]。考虑到电感和电容器的内阻, 其Buck电路的小信号等效电路如图5所示。

根据图5及此处研究的双向变换电路, R值可认为较大, 其传递函数为

式中, D为图5中变压器变比。

Boost电路的交流小信号等效电路如图6所示, 其传递函数为

式中, D为图6中变压器变比。

由上述数学模型可知, 系统为小阻尼二阶系统, 系统的稳定裕度小, 转折频率附近会有一定的震荡, 系统开环性能较差, 所以为了使系统在各种工况条件下均能输出稳定的电压和电流, 控制系统采用电压外环和电流内环的双闭环控制方式, 其原理框图如图7所示。

3 超级电容储能主要参数设计

电梯系统的曳引电机参数已知时, 可通过式 (3) 求得电梯运行单个工况周期所需的能量

式中, P为曳引电机实时功率。

基于超级电容储能能力满足电梯运行一个工况周期的原则, 可由式 (4) 得到超级电容容值

式中, ρ为储能装置工作效率;η为节能率;Q为电梯一个工况周期所需能量。

双向DC/DC变换器主要参数包括共用电感L和稳压电容C。电感L和电容C可由下式求得

式中, D是双向DC/DC变换器的占空比, D=VC/VDC;ΔiL是电容允许通过最大电流纹波;ΔVDC是电容允许通过最大电压纹波值;fPWM是开关管开关频率。

4 仿真分析

本文在Matlab/Simulink环境下建立了永磁同步电机—电梯曳引系统的仿真模型, 如图8所示[6,7,8]。

仿真模型中包括主回路、电机控制回路、超级电容储能装置3部分。由上文中超级电容计算公式可以求得给定实验条件下的超级电容容值。超级电容充放电效率受其SOC (荷电状态) 影响, 通常超级电容SOC应>0.5, 同时一般的电容器均会有约10%~20%的容量偏差, 所以设置超级电容限值时应充分考虑以上两点。系统主要参数如表2所示。

系统工作在额定负载运行情况下, 电梯曳引电机的运行状态如图9和图10所示。由图9可知, 电梯曳引电机实际转速能够较好地跟随给定, 动态过程超调<2%, 其运行过程中转矩输出平稳, 稳态运行时A相电流具有良好的正弦性, 因此, 该系统具有较好的控制性能。

由图10 (a) 和图10 (b) 可知, 当电梯上行, 超级电容放电, 超级电容两端电压下降, 电流变大。当电梯下行, 超级电容充电, 超级电容两端电压上升, 电流变小, 整个运行过程, 电压电流变化较为平稳。图10 (c) 所示为超级电容输出功率和电梯曳引电机输出功率的对比。图10 (d) 所示为系统运行过程中, 超级电容的能量变化与电梯曳引系统能量变化之间的对比。其中电梯运行单个周期所需最大能量为5.56 k J, 该运行过程中超级电容所吸收能量为3.27 k J, 由上可知, 在忽略实际机械损耗和变频器工作效率的情况下, 整个运行过程中系统节约了58.8%的能量。

5 结束语

在永磁同步电机—电梯曳引机系统中引入超级电容储能环节, 并通过双闭环控制方法来实现超级电容的充放电。由仿真可知, 系统动态过程转速超调<2%, 稳态过程转矩转速静态误差<1%。系统额定负载运行单个周期能够节约58%的系统能量。仿真结果表明, 该系统具有良好的运行性能, 同时实现了较好的节能效果。该系统仍然存在一定不足, 本文提出的仿真条件为系统工作在理想状况下, 在实际应用中, 机械损耗和变频器工作效率等会对节能效果造成一定影响, 同时电容的充放电和能耗电阻切换会在一定程度上影响电梯的速度的恒定, 从而对舒适性和安全性造成影响, 这些都需要在下一步工作中进行改进。

摘要：现有永磁同步电机—电梯曳引系统一般是通过电阻消耗电梯运行过程中的再生能量, 耗能大且效率低。对此, 文中引入超级电容储能环节, 利用双向DC/DC变换将储能元件并联至中间直流母线, 通过对变换器的控制, 使得系统在永磁同步电机再生发电运行时给超级电容充电, 而在电机电动运行时为超级电容放电, 以充分利用负载再生能量, 提高系统的运行效率。仿真结果表明, 相比传统耗能方式, 采用超级电容储能可有效回收利用系统的再生反馈能量, 系统工作在给定实验条件下, 单个周期节约能量占系统所需最大能量的58.8%, 同时该系统动态过程中转速超调<2%, 稳态过程中转速转矩静态误差<1%。由此可知, 该系统可实现较好的节能效果, 同时还具有良好的运行性能。

关键词：超级电容,永磁同步电机—电梯曳引系统,双向DC/DC变换器

参考文献

[1]张富恩, 吴乃优, 张金陵, 等.交流调速电梯原理、设计及安装维修[M].北京:机械工业出版社, 2000.

[2]吴安顺, 宋德风, 高俊山, 等.最新实用调速系统[M].北京:机械工业出版社, 1999.

[3]申瑞, 张自强, 董燕.电梯节能能量回馈控制系统设计[J].河南科技大学学报:自然科学版, 2010 (1) :27-30.

[4]YAZDANI A, IRAVANI R, CORPORATION E.Voltagesourced converters in power systems[M].New York:Wiley Online Library, 2010.

[5]徐德鸿.电力电子系统建模及控制[M].北京:机械工业出版社, 2008.

[6]徐格宁, 胡增嵘.电梯速度曲线、行程及时间综合分析[J].中国工程机械学报, 2004, 18 (1) :1390-1396.

[7]陆华颖, 程光伟, 陈凯.模糊PID双闭环直流电机调速系统仿真[J].电子科技, 2011, 24 (10) :56-58.