超级电容储能

超级电容储能（精选八篇）

超级电容储能 篇1

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.

超级电容基本参数概念 篇2

超级电容器具有比二次电池更长的使用寿命，但它的使用寿命并不是无限的，超级电容器基本失效的形式是电容内阻的增加( ESR)与 (或) 电容容量的降低.，电容实际的失效形式往往与用户的应用有关，长期过温(温度)过压 (电压)，或者频繁大电流放电都会导致电容内阻的增加或者容量的减小。在规定的参数范围内使用超级电容器可以有效的延长超级电容器的寿命。通常，超级电容器具有于普通电解电容类似的结构，都是在一个铝壳内密封了液体电解液，若干年以后，电解液会逐渐干涸，这一点与普通电解电容一样，这会导致电容内阻的增加，并使电容彻底失效。

一、电压 Voltage

超级电容器具有一个推荐的工作电压或者最佳工作电压，这个值是根据电容在最高设定温度下最长工作时间来确定的。如果应用电压高于推荐电压，将缩短电容的寿命，如果过压比较长的时间，电容内部的电解液将会分解形成气体，当气体的压力逐渐增强时，电容的安全孔将会破裂或者冲破。短时间的过压对电容而言是可以容忍的 。

二、极性 Polarity

超级电容器采用对称电极设计，也就说，他们具有类似的结构。当电容首次装配时，每一个电极都可以被当成正极或者负极，一旦电容被第一次100%从满电时，电容就会变成有极性了，每一个超级电容器的外壳上都有一个负极的标志或者标识。虽然它们可以被短路以使电压降低到零伏，但电极依然保留很少一部分的电荷，此时变换极性是不推荐的。电容按照一个方向被充电的时间越长，它们的极性就变得越强，如果一个电容长时间按照一个方向充电后变换极性，那么电容的寿命将会被缩短。

三、温度 Ambient Temperature

超级电容器的正常操作温度是-40 ℃ ～ 70℃，温度与电压的结合是影响超级电容器寿命的重要因素。通常情况下，超级电容器是温度每升高10℃，电容的寿命就将降低30%～50%，也就说，在可能的情况下，尽可以的降低超级电容器的使用温度，以降低电容的衰减与内阻的升高，如果不可能降低使用温度，那么可以降低电压以抵清高温对电容的负面影响。比如，如果电容的工作电压降低为1.8V，那么电容可以工作于65℃高温下。如果在低于室温的条件下使用超级电容器，那么可以使超级电容工作高于指定的电压，而不会加快超级电容器内部的退化并影响超级电容器的寿命，在低温下提高超级电容的工作电压，可有效地抵消超级电容低温下内阻的升高。在高温情况下，电容内阻会升高，此变化是永久的，不可逆转的(电解液已分解)，在低温下，电容内阻的升高是暂时现象，因为低温下，电解液是黏輖性升高，降低了离子的运动速度。

四、放电 Discharge Characteristics

超级电容器放电时，会按照一条斜率曲线放电，当一个应用明确了电容的容量与内阻要求后，最重要的就是需要了解电阻及电容量对放电特性的影响。在脉冲应用中，电阻是最重要的因素，在小电流应用中，容量又是重要的因素。计算公式如下：

Vdrop=I( R + t/C)

其中Vdrop是起始工作电压与截止工作电压之差，I是放电电流，R是电容是直流内阻，t是放电时间，C是电容容量

在脉冲应用中，由于瞬间电流很大，为减少电压跌落，选用低内阻(ESR)的超级电容(R值)，在小电流应用中，为降低电压跌落，需要选用大容量的超级电容(C值)。

五、充电 Charge Methods

超级电容器具有多种充电形式，比如恒流、恒功率、恒压等。或者与电源并列，比如电池、燃料电池、DC变换器等。如果一个电容与一个电池并联，那么在电容回路中串联一个电阻将降低电容的充电电流，并提高电池的使用寿命。如果串联了电阻，那么要保证电容的电压输出是直接与负载连接，而没有经过电阻，否则电容是低电阻特性将是无效。很多电池系统不允许瞬间大电流放电，否则会影响到电池的寿命。一只电容最大的推荐充电电流计算公式如下:

I=Vw/5R

其中I是推荐的最大充电电流，Vw是充电电压，R是电容的直流内阻。

电容持续采用大电流或者过压充电。会引起电容发热，过热会导致电容内阻增加、电解液分解产生气体、缩短寿命、漏电流增加或者电容破裂。

六、自放电与漏电流 Self Discharge and Leakage Current

自放电与自漏电本质上是一样的，针对超级电容器的结构，相当于在电容内部是正极和负极之间有一条高阻电流通道，这就是意味着在电容充电的时候，同时会有一个额外的附加电流，当在充电是时候，我们可以将此电流当成漏电流;当移去充电电压后，同时电容没有连接负载，这个电流使电容处于放电状态，此时我们将此电流看成自放电电流。

为了可靠地测量漏电流或者放电电流，电容必须被连续充电72小时以上，这同样是由电容的结构决定的。超级电容是模型可以当成几只不同的内阻的超级电容的并联，当充电时，低内阻的超级电容充电速度快，电压很快上升至与充电电压相等，当充电电压移去后，如果高内阻的超级电容还没有被充满，低内阻的超级电容开始向并联的高内阻超级电容放电，这样电容两端的电压下降就会比较快，给人的印象是电容具有比较大的自放电，必须注意的是：当电容容量越大，电容被充满所需的时间就会越长。

七、电容串联 Series Configurations of Super capacitors

单体超级电容器的电压一般为2.5V或者2.7V，在许多应用中，需要比较高的电压，这样可以使用串联的方法来提高电容的电压，必须注意，在串联应用中，每一个单体的电容都不能超过其最大的耐压，一旦长期过压，将导致电容电解液分解、气体产生、内阻增加以及电容寿命缩短。

在放电或者充电时，电容容量的差异或者稳定状态下漏电流的差异，都将导致串联电容分压不平衡。在充电时，串联的电容将进行分压，这样高容量的电容将承受更大的电压压力。比如，如果两个1F的电容进行串联，一只是+20%容量偏差，另一只是-20%容量偏差，电容分压如下：

Vcap1=Vsupply × [Ccap1/(Ccap1+ Ccap2)]其中Vcap1是+20%容量偏差的电容如果充电电压是5V

Vcap1=5V ×[1.2/(1.2+0.8)]=3V

从上式可以看出，如果需要避免分压大于电容的峰值电压3V，那么电容容量误差必须在同一个趋势范围内，比如同为+20%误差或者同为-20%误差。另外也可以用主动电压平衡电路来弥补电容容量的不匹配造成的电压不平衡。

八、被动电压平衡 Passive Voltage Balancing

被动电压平衡电路是采用与电容并联的电阻进行分压，这就允许电流从电压比较高的电容向电压比较低的电容流动，通过这种方式进行电压平衡。选择电阻的阻值是非常重要的，通常要使电阻允许的电流大于电容预期的漏电流。需要记住的是，漏电流在温度升高的时候通常会增大。

被动平衡电路只有在不频繁对电容进行充放电的应用中使用，同时能够容忍平衡电阻引起的额外电流，建议选择平衡电阻阻值时，使平衡电阻的电流大于电容漏电流50倍以上，(平衡电阻值为3.3KΩ-22KΩ,取决于电容的最高操作温度)，虽然大多数平衡电路都采用比较高的平衡电阻，但当串联的电容非常不匹配时，保护是不够充分的。

九、主动电压平衡 Active Voltage Balancing

主动平衡电路强迫串联节点的电压与参考电压相一致，不管电压有多么的不平衡，同时在确保精确的电压平衡时，主动平衡电路在稳定状态下只有非常低的电流，只有当电压超出平衡范围时，才会产生比较大的电流，这些特性使主动平衡电路非常适合于需要频繁充放电的场合。

十、反极性保护 Reverse Voltage Protection

当串联使用的超级电容器被快速充电时，低容量的电压有可能变成反极性，这是不允许的，同时会降低电容的使用寿命，一个简单的解决办法就是在电容的两端并联一个二极管，正常情况下，它们是反压不导通的。使用一个合适的齐纳稳压二极管替换标准的二极管，能够同时对电容过压进行保护。需要注意，二极管必须能够承受电源的峰值电流。

十一、脉动电流 Ripple Current

虽然超级电容器具有比较低的内阻，对相对于电解电容而言，它的内阻还是比较大，当应用于脉动电流场合下，容易引起电容内部发热。从而导致电容内部电解液分解、内阻增加，并引起电容寿命缩短。为了保证电容的使用寿命，在应用于脉动场合时，最好保证电容表面的温度上升不超过5℃。

参数型号：GRP2R7D127额定电压：2.7V容量：120F最大内阻：20mΩ简介：(1)推荐应用领域 消费类电器、工业与汽车、便携式电源工具、短期UPS(不间断电源)新能源储能系统等。 太阳能产品。比如太阳能路灯，交通信号灯. 工作控制产品的掉电后备电源等。 电动车启动电源、轨道车瞬间电流保持、汽车发电机启动电源等。 各种功率补偿及瞬间大电流放电的设备场所。

超级电容选择标准：

对于超级电容的选择，功率要求、放电时间及系统电压变化起决定作用。超级电容器的输出电压降由两部分组成，一部分是超级电容器释放能量;另一部分是由于超级电容器内阻引起。两部分谁占主要取决于时间，在非常快的脉冲中，内阻部分占主要的，相反在长时间放电中，容性部分占主要。

以下基本参数决定选择的电容器的大小：

1、最高工作电压;

2、工作截止电压;

3、平均放电电流;

4、放电时间多长。

超级电容器和电池的选择方法

超级电容与电池比较有如下特性：

a.超低串联等效电阻(LOWESR)，功率密度(PowerDensity)是锂离子电池的数十倍以上，适合大电流放电，(一枚4.7F电容能释放瞬间电流18A以上)。

b.超长寿命，充放电大于50万次，是Li-Ion电池的500倍，是Ni-MH和Ni-Cd电池的1000倍，如果对超级电容每天充放电20次，连续使用可达68年。

c.可以大电流充电，充放电时间短，对充电电路要求简单，无记忆效应。

d.免维护，可密封。

e.温度范围宽-40℃～+70℃，一般电池是-20℃～60℃。

f.超级电容可以串并联组成成超级电容模组，可耐压储存更高容量。

具体选择方法：

★ 建筑工地塔吊标语

★ 塔吊租赁合同

★ 塔吊司机承包合同范本

★ 关于塔吊买卖的合同范本

★ 塔吊使用前的注意事项有哪些？

超级电容器储能系统的功率实时控制 篇3

储能作为实现刚性电力系统柔性化调节的关键技术和实现具有随机非平滑输出特性的新能源柔性接入电力系统的关键设备,以及作为未来智能电网的重要组成部分,其在电力系统中的作用越来越重要[1,2,3,4]。超级电容器(UC)作为新型化学能储能技术,由于具有储能密度大、效率高以及可快速对所并联系统实施功率调节等特点,一直被电力领域研究人员所密切关注。综合国内外的相关研究可以看到,目前对UC储能技术的研究主要集中在其快速功率调节控制及在电力系统应用等方面。文献[5-7]基于电压源型变流器(VSC)工作原理进行了用于UC等储能系统功率调节控制策略的研究。文献[8]则利用UC的快速充放电特性,实现了变频器的低电压跨越。文献[9-10]研究了UC在光伏系统的应用及其对包含可再生能源电力系统小干扰稳定性的改善作用。文献[11-12]设计了基于UC储能系统的动态电压调节器,以实现在电压暂降、骤升以及三相不对称等运行条件下对负荷电压的调节。文献[13-15]进行了基于UC改善风电输出特性,提高并网风力发电机组稳定性的研究。

由于UC储能系统在电力系统的不同应用是以其对所连接电力系统实现快速准确的功率调节为基础,因此,如何提高UC的四象限快速准确功率调节,对于实现其在电力系统的应用具有重要的意义。本文从用于UC储能系统功率调节的VSC的时域数学模型出发,基于VSC的交流侧电流两相旋转坐标系的解耦控制,研究了用于提高UC储能系统功率跟踪动态特性的实时功率控制策略。同时设计了用于连接UC储能系统中UC和VSC接口的DC/DC变换器,并研究了利用UC充放电补偿VSC直流侧电压变化的控制策略。最后通过数字仿真验证了所研究的实时功率控制策略的正确性和可行性。

1 UC储能系统及其工作原理

图1为电力系统用UC储能系统的主电路拓扑结构示意图。图中,UC通过DC/DC变换器、VSC与电力系统连接。

当VSC的直流侧电压维持恒定时,在正确的脉宽调制技术控制下,VSC可以被看作是一个基波电压幅值和相位可控的三相电压源。通过其输出的调制电压和VSC电网侧电压共同作用于等效连接阻抗Zs,产生相位和幅值可控的三相电流ia、ib和ic,从而实现对VSC输入、输出功率的准确控制。同时,由于VSC输入、输出功率将导致其直流侧电容Cdc两端电压的变化,因此需要通过对DC/DC变换器的有效控制实现UC对udc恒定电压的补偿控制。

当对UC进行储能时,DC/DC变换器工作于降压模式,目的是将从电网中吸收的能量储存在UC中,同时避免VSC直流侧母线电压udc因输入功率所导致的电压上升,使其维持恒定;当UC释能时,变换器工作于升压模式,目的是补偿因VSC向电网输出功率所导致的直流母线电压udc下降,使UC能够通过VSC向电网输送功率。当VSC与系统之间无功率交换时,UC通过降压或升压模式补偿VSC直流侧母线电压udc因开关损耗引起的电压变化。

2 UC储能系统的功率实时控制

2.1 VSC交流侧电流的两相旋转坐标系解耦控制

图2所示为六脉冲VSC拓扑结构。

假设三相系统平衡并忽略开关器件的损耗,则根据基尔霍夫定律可以建立VSC的时域数学模型如式(1)和式(2)所示[5]。

其中,usa、usb、usc分别为电网三相电源相电压;ia、ib、ic分别为VSC交流侧的三相电流;idc为VSC直流侧母线电流;udc为VSC直流侧母线电压;Sa*、Sb*、Sc*为三相桥臂的开关函数,值为1代表A、B、C三相上桥臂各开关器件导通、下桥臂各开关器件关断,值为0则代表A、B、C三相下桥臂各开关器件导通、上桥臂各开关器件关断。

遵循功率不变的原则,同时考虑三相对称的条件,利用Park变换可进一步得到式(3)和式(4)所示VSC的同步旋转dq坐标系下的数学模型。

由式(3)可知VSC交流侧d、q轴电流分量分别为

式(4)中,d、q轴电流除受控制电压urd(等于Sdudc)和urq(等于Squdc)的影响外,还受耦合电压ωLiq、-ωLid和电网电压usd、usq的影响。由于仅对d、q轴电流进行负反馈控制不能消除d轴和q轴之间的电流耦合,因此无法利用对直流电压udc的脉宽调制来控制VSC的d、q轴电流分量。

如果在控制VSC输出电流的调制电压中引入电流状态反馈和电网电压的前馈补偿,即式(4)中的urd和urq控制量分别为urd=urd1+urd2+urd3,urq=urq1+urq2+urq3,其中,urd1=usd,urd2=ωLiq,urq1=usq,urq2=-ωLid,则对VSC的d、q轴电流分量控制呈现出式(5)所示的相互独立解耦的一阶惯性环节控制特性。

2.2 UC储能系统的四象限功率控制

式(5)同时表明,在电网电压Us和输入电抗一定的情况下,通过控制VSC交流侧的d、q轴的电压urd3和urq3,能够对变流器交流侧的d、q轴电流进行准确控制。urd3和urq3由电网和UC之间的交换功率确定,如式(6)所示。

其中,Us和Ur3分别为电网和VSC交流侧基波电压的幅值,Ur3=姨u2rd3+u2rq3,δ是Ur3和Us之间的功率角,Zs是反映VSC输入电阻R和电感L的阻抗,PUC和QUC分别是UC储能系统和电网之间交换的有功和无功功率。

根据前面所述的VSC交流侧电流解耦控制原理可知,通过在所确定的urd3和urq3控制分量基础上叠加电流状态反馈和电网电压的前馈补偿,即可实现图3所示的UC储能系统的功率实时控制。如图3所示,整个功率实时控制系统主要由基于PI控制的功率跟踪外环和电流内环2个控制器组成。

图中,外环控制器用于保持UC储能系统与电网交换的功率跟踪来自UC储能系统电力系统用控制器的功率指令值,以实现UC储能系统在电力系统中的应用。它主要依据UC储能系统的功率交换指令值与实际值之间的误差确定用于内环控制器输入的VSC交流侧的d、q轴电流控制分量id和iq。

电流内环控制器首先根据外环控制器的d、q轴指令电流和VSC交流侧实际d、q轴电流的偏差,经PI调节后形成用于控制VSC交流侧电流d、q轴分量的urd3和urq3。然后该控制量分别与引入的urd1、urd2和urq1、urq2控制分量叠加,根据式(7)所示正弦脉宽调制的调制电压信号的幅值M和相位α计算方法,确定用于实现VSC正弦脉宽调制的调制电压信号。

3 UC储能系统中的DC/DC变换器

DC/DC变换器是连接UC与VSC的桥梁,用于实现UC和电网之间的能量传递和转换功能。本文基于图4所示的非隔离型Buck-Boost电路进行了UC储能系统的DC/DC变换器设计[11]。

由图4可知,DC/DC变换器中各直流电流满足:

由于图1所示UC储能系统VSC直流侧电压udc恒定对于实现UC储能系统快速准确的四象限调节具有重要作用,因此由式(8)可知,对DC/DC变换器控制的关键是如何调节UC的充放电电流iUC。

DC/DC变换器的控制原理如图5所示[11]。图中,Udc_ref为高压直流侧电压给定值,Udc_ref与VSC直流侧电压udc的偏差通过电压调节器产生期望的VSC直流母线电流的控制信号idc。根据直流变换器占空比的定义和直流变换器功率守恒原理,可以由idc得到UC充放电电流控制指令iUC_ref,电流调节器的输出信号经脉宽调制产生DC/DC变换器开关器件VT2的控制信号,开关器件VT1的控制信号与VT2互补。通过VT1和VT2的导通实现UC的储能或释能,即当VT1导通、VT2关闭时,DC/DC电路处于Buck运行状态,VSC将系统的能量储能到UC中,同时维持高压直流侧电压的恒定;当VT1关闭、VT2导通时,DC/DC电路处于Boost运行状态,UC的能量通过VSC释放到系统中,同时维持高压直流侧电压的恒定。

4 仿真验证

利用PSCAD仿真软件对图1所示的UC储能系统进行仿真研究。仿真系统主要参数如下:VSC电网相电压幅值为100 V,频率为50 Hz,电网侧滤波电抗器电感L=0.005 H,电阻R=0.2Ω,超级电容器等效电容C=100 000μF,变流器GTO开关频率1.65 k Hz,直流高压侧电压值设定为700 V。功率跟踪外环控制器中的PI调节器参数为:kP=0.001,kI=0.15。电流内环控制器中的PI调节器参数为:kP=10,kI=0.5。

仿真过程设置如下:0~0.5 s,UC储能系统工作在VSC直流电压的稳压阶段;0.5~7.5 s,功率指令为P=15 k W,Q=-5 kvar;7.5~10 s,功率指令为P=-5 k W,Q=-2 kvar;10~12.5 s,功率指令为P=-4 k W,Q=10 kvar;12.5~16 s,功率指令为P=20 k W,Q=10 kvar。UC储能系统的四象限功率跟踪响应曲线如图6所示。

图6(a)描述了超级电容器有功、无功功率跟踪功率指令值的动态跟踪过程。图6(b)和图6(c)分别是有功功率和无功功率对各自功率指令的跟踪响应。由图6所示仿真结果可知,超级电容器在所研究功率调节方法的控制下能在四象限范围内快速跟踪外部有功功率和无功功率指令,具有响应速度快、调节特性好的特点。

图6所示UC储能系统的功率调节过程中,VSC直流母线电压和UC两端电压的响应过程分别如图7和图8所示。对比图6、图7和图8可知,UC两端电压及其内部储能变化与电网输入、输出功率的变化相对应,当UC储能系统从电网输入功率时,UC两端电压因储能增加而上升,当UC储能系统向电网输出功率时,UC两端电压因储能减少而降低,同时在整个功率跟踪过程中,VSC直流母线电压在DC/DC变换器的控制下保持恒定,使VSC能够准确跟踪功率指令。

图9是上述功率跟踪过程中,UC储能系统中VSC电网侧电流的响应过程。由图9(a)(b)可见,电流内环控制器能够根据功率外环控制器的指令快速准确地调节d轴和q轴电流。图9(c)是电网侧电流波形,由图可见,电网向UC提供能量的变化过程主要通过改变VSC电网侧电流的大小和方向来调节。

图10分别是UC储能系统中DC/DC变换器中的UC充放电流iUC、脉宽调制电流iPWM和VSC直流母线电流idc的动态响应过程。由图10可知,各直流电流的动态响应过程与系统中的功率和UC端电压的变化过程相对应,表明DC/DC变换器在调节UC储能的同时,有效地补偿了VSC直流母线电压的变化。

5 结论

超级电容储能 篇4

超级电容器也称电化学电容器,具有良好的脉冲性能和大容量储能性能,质量轻、循环性能好,是一种新型绿色环保的储能装置。近年来受到科研人员的广泛重视和应用市场的关注。

在现代高科技产业发展领域中,由于大量大型装备配套动力电源系统既要求具备高比能量,又要求电源系统具备高比功率,而就化学电源本身的特性而言,两者很难兼顾。特别是在需要高功率脉冲输出的场合,常规的化学电源很难满足要求,如军用特种车辆在全天候条件下的快速启动、卫星通讯、爬坡等等。上述场合现在通常使用铅酸、镉镍等电池产品作为电源时,其比功率往往在100~300W/kg,不仅笨重、维护复杂而且充电速度低、使用寿命短。而超级电容器组合的比功率可以达到1500~5000W/kg。同时,不含充电电池组的超级电容器组合的比功率更可以达到1500~10000W/kg,其特性更适于未来艰苦环境工作以及相关电子技术进步对电源系统提出的技术要求。

二、超级电容器的结构

虽然目前全球已有许多家超级电容器生产商,可以提供许多种类的超级电容器产品,但大部分产品都是基于一种相似的双电层结构,超级电容器在结构上与电解电容器非常相似,它们的主要区别在于电极材料,如图1所示。

三、超级电容器应用于汽车领域

随着环保型电动汽车研究的兴起和发展,目前在民用领域中,超级电容器与各类动力电池配合使用组成复合电池,应用于电动汽车的电源启动系统,在车辆的起步、加速、爬坡、制动过程中起到保护蓄电池和节约能源的作用,甚至可以直接作为电动车的动力电源使用。图2为超级电容器作为电动车动力电源使用时,爬坡试验的速度—时间—距离变化曲线。

从图2可知,使用单组超级电容组时,在4.5%的坡道上可大约行驶500m;在车辆设计时,可根据具体的道路情况(长度、坡度等),采用增加超级电容组的方式(或配备超级别能量密度的超级电容组)可增大爬坡距离,以满足实际使用需要。超级电容器还可以为内燃机以及其他重型汽车发动机的启动系统提供瞬间的大电流脉冲。

四、超级电容器的技术优点

目前,在能源领域主要有三种类型的储能器件:电池、物理电容器以及超级电容器。超级电容器是介于传统物理电容器和电池特性之间的一种新型能源器件,其所具备的巨大优越性主要体现为:

充电时间短,方便用户。超级电容器与铅酸等二次电池一样,可以多次反复使用。当储存在超级电容器中的电能耗尽时,需要重新充电。与传统的二次电池相比,它的充电时间非常短,用户只需等待片刻,这一优点与现代快节奏的工作、生活合拍;而铅酸、镍氢等二次电池的充电,需要等待的时间一般超过数个小时(甚至十余个小时),对使用者来说长时间的充电等待不仅显得非常不便利,而且也容易因此降低其使用兴趣。

循环寿命长,一次购买、终身使用。超级电容器与蓄电池完全不同,超级电容器充电/放电时不像蓄电池那样对电极有破坏作用,其反复充电使用的寿命超过1万次,极限寿命可以达到10万~50万次。可以说是:一次购买、终身使用。

使用温度范围宽。一般说来,超级电容器可以正常工作的温度范围在-40℃~75℃之间。在极限温度(临界高温与低温),其抗恶劣环境温度的能力远远大于传统的蓄电池。因此,在军事、航天航空以及环境恶劣的地区,超级电容器可以发挥电池不能发挥的优势。

健康绿色环保型能源。超级电容器还是一种绿色环保型产品,节能、环保,对使用者和环境都不会产生负面影响,是一种健康的能源。图3为超级电容与铅酸电池、镍氢电池、锂电池的性能比较。

蓄电池的性能通常由活性物质的热力学与动力学性质所决定。一般情况下,在充放电时,电极电位的变化不大,其储存的能量E为:电池放电时活性物质发生氧化还原反应所通过的电量Q,乘以电池两极电位差V,即E=QV;对于超级电容器,电极上活性物质的化学位和电极电位是电极荷电量的连续函数,具体表现为:(1)电极电压和电极中充入电荷的量成线性关系;(2)如果电极电位随时间作线性变化,可以得到一个大体恒定的充电电流。由于其储能时电极电位随充入的电荷量的增加而升高,所以,它所储存的能量为相同电量和电压下蓄电池能量的一半:E=1/2QV。如果升高电容器的电压,则可提高电容器的比能量。

Li-ion、Ni-MH、Lead-acid等化学电池是通过电化学反应,产生法拉第电荷转移来储存电荷的,充电时间长、使用寿命较短,并且受温度影响较大;大电流充放电会直接影响这些电池的使用寿命。因此,对于要求长寿命、高可靠性的电动汽车领域的应用,这些基于化学反应的电池就显出种种不足(见表1)。

五、超级电容器的分类

按电极材料,超级电容器可分为以下3种:(1)碳电极电容器;(2)贵金属氧化物电极电容器;(3)导电聚合物电容器。

按机理,超级电容器可分为两种类型:(1)“双电层电容器”,其电容的产生主要基于电极/电解液上电荷分离所产生的双电层电容,如碳电极电容器;(2)“法拉第准电容”,由贵金属和贵金属氧化物电极等组成,其电容的产生是基于电活性离子在贵金属电极表面发生欠电位沉积,或在贵金属氧化物电极表面及体相中发生的氧化还原反应而产生的吸附电容,该类电容的产生机制与双电层电容不同,并伴随电荷传递过程的发生,通常具有更大的比电容。

根据超级电容器的结构及电极上所发生反应的不同,又可分为对称型超级电容器和非对称型超级电容器。如果两个电极的组成相同且电极反应相同,但反应方向相反,则被称为对称型——碳电极双电层电容器,贵金属氧化物电容器即为对称型电容器。如果两电极组成不同或反应不同,则被称为非对称型,由可以进行n型和p型掺杂的导电聚合物作电极的电容器即为非对称型电容器,其性能表现形式更接近于蓄电池,可表现出更高的比能量和比功率。

按电解液不同,超级电容器可分为水溶液体系超级电容器、有机体系超级电容器、固体物电解质超级电容器。用水溶液体系可获得高容量及高比功率;选用有机溶液体系则可获得高电压从而也可获得高的比能量。

碳电极电容器的研究历史较长。1962年,标准石油公司(SOHIo)认识到燃料电池中石墨电极表面双层电容的巨大利用价值,生产出了工作电压为6V的以碳材料作为电极的电容器。近年来研究主要集中在提高碳材料的比表面积和控制碳材料的孔径及孔径分布,并开发出许多不同类型的碳材料,主要有:活性碳粉、活性炭纤维、碳气凝胶、碳纳米管等。

对贵金属氧化物电极电容器的研究,主要采用Ru02、IRO2等贵金属氧化物作为电极材料。由于Ru02电极的导电性比碳电极好,电极在硫酸中稳定,可以获得更高的比能量,制备的电容器比碳电极电容器具有更好的性能,因此具有很好的发展前景。但是,由于贵金属的资源有限、价格昂贵,限制了它的应用。

导电聚合物电极电容器作为一种新型的电化学电容器,具有高性能和比贵金属超级电容器更优越的电性能。可通过设计选择相应聚合物的结构,进一步优选提高聚合物的性能,从而提高电容器的性能。导电聚合物电极电容器可分为三种类型:(1)对称结构——电容器中两电极为相同的可p型掺杂的导电聚合物(如聚噻酚);(2)不对称结构——两电极为不同的可进行p型掺杂的聚合物材料(如聚吡咯和聚噻吩);(3)导电聚合物可以进行p型和n型掺杂,充电时电容器的一个电极是n型掺杂状态而另一个电极是P型掺杂状态,放电后都是去掺杂状态,这种导电聚合物电极电容器可提高电容电压到3V,而两电极的聚合物分别为n型掺杂和P型掺杂时,电容器在充放电时能充分利用溶液中的阴阳离子,其放电特征与蓄电池非常相似,被认为是最有发展前景的电化学电容器。

电动汽车用超级电容器按QC/T 741-2006分类可分为能量型超级电容器和功率型超级电容器两种:

(1)能量型超级电容器,以高比能量为特点,主要用于高能量输入、输出的电容器。能量型超级电容器UCEF-16V5000F所表示的意义如图4所示:

(2)功率型电容器,以高比功率为特点,主要用于瞬间高功率输入、输出的电容器。功率型超级电容器UCPY-28V300F所表示的意义如图5所示:

六、超级电容器的研究近况

超级电容器具有功率密度高、寿命长、使用温度宽以及充电迅速等优异特性,各国政府和公司都积极开展此方面的研究开发工作,并已有多种产品得到了商业应用。俄罗斯、美国、日本等国已就超级电容器开展了大量研究工作,并取得了一定的进展。表2列出了国外超级电容器的研究现状。

由于动力超级电容具有军民两用的敏感性,国外一直不输出关键技术。国家“863计划”将超级电容器的研究、开发纳入了电动车重大专项课题,我国科技人员经过多年基础研究、科技攻关和反复试验,终于在超级电容器的材料、工艺、测试等方面获得了成功,掌握了其中的核心技术,取得了突破性的进展。

超级电容器凭借其高比功率、长循环寿命等优异特性而在各个领域得到了广泛应用。目前已应用的主要领域有车辆主电源、激光武器、专业计算机系统电源、微型计算机、内燃机中启动电力、信号灯电源、与燃料电池或太阳能电池配套作为装备长寿命供电电源、与镍氢电池等动力电池复合作为装备动力电源(未来可作为弹上武器装备动力电源使用),还可应用于航空航天等领域。

目前,超级电容器得到广泛应用的主要方面是专用车辆领域,如坦克、电动汽车等。特别是电动汽车对动力电源的要求引起了全世界范围对超级电容器这一新型储能装置的广泛重视。超级电容器在专用车辆领域,表现出传统动力电池难以比拟的优越性能。传统动力电池在高功率输出、快速充电、宽温度范围使用以及长寿命等方面存在一定的局限性,有些苛刻条件可能会显著降低电池的寿命。而超级电容器能较好地满足车辆在启动、加速、爬坡时对功率的需求。图6为用超级电容器驱动的电动车辆在启动和爬坡的瞬时对功率的需求情况。瞬时达到140k W以上。图7为启动和爬坡时对电流的需求情况,瞬时达到300A以上。

从对动力超级电容的试验结果来看,我们不难设想:将超级电容作为辅助能源若能与动力蓄电池配合使用,则可减少大电流充放电对电池的损害,延长电池的使用寿命,同时还能通过再生制动系统将瞬间能量回收于超级电容器中,提高能量利用率。随着电动车研究的深化,超级电容器重要的研究方向之一是将其作为辅助能源与高比能量的蓄电池连用,在特种车辆加速、刹车或爬坡的时候提供车辆所需的高功率,在车辆正常行驶时则由蓄电池充电或由车辆刹车时所产生的电能充电,减少汽车对蓄电池大电流放电的要求,达到减少蓄电池的体积和延长蓄电池寿命的目的。

七、结语

随着超级电容器各种材料及工艺方面研究的不断深入,超级电容器的性能将不断提高,应用领域将不断拓宽,超级电容器将为电动汽车技术瓶颈(电池)的解决带来一线曙光。

摘要：文章介绍超级电容器的结构特点、性能优势、研究进展及应用领域,以期在倡导建设节约型社会中,使更多的新能源汽车生产厂家对这一新型储能装置有更深的了解和认识。

关键词：超级电容器,电动汽车,辅助能源

参考文献

[1]国家发展和改革委员会.车用超级电容器[M].北京:中国计划出版社,2006.

[2]华黎,等.动力超级电容车从技术突破到推广应用[A].上海市汽车工程学会学术年会论文集[C].2006.

[3]张步涵,等.超级电容器储能技术及其应用[J].水电能源科学,2006,(5).

超级电容储能 篇5

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 篇6

据中国南车株机公司称, 4月16日, 公司所属浙江南车电车有限公司超级电容储能式现代电车:18m超级电容储能式BRT快速公交车、12m超级电容储能式公交车在宁波下线并亮相。

中国南车株机公司董事长周清和介绍, 上述纯电动公交车无须架设空中供电网, 只需在公交站点设置充电桩, 利用乘客上下车30秒内即可把电充满, 并维持运行5km以上, 可在线循环往复运营。其在制动和下坡时, 还可把80%以上的刹车能量或势能转换成电能回收存储起来再使用。同样的运行工况下, 比没有回收能力的电车可以节约30%~50%的电能消耗。此外, 车辆采用低地板设计、铝合金车身等轻量化技术, 相比其他采用锂电池的慢充式纯电动公交车平均减重约1.2t;配备了中国南车自主研发生产的永磁同步电机, 效率高达96%, 低噪音, 低电耗, 无污染。

中国南车首席专家杨颖介绍, 该车的核心元器件———有机体系超级电容主要由高性能炭材料构成, 安全性高, 可反复充放电100万次以上, 适用环境覆盖我国全地域, 使用寿命长达12年, 弥补了锂电池安全性低、环保性差、充电速度慢、低温区衰减、使用寿命短的不足。

超级电容储能 篇7

关键词：动态电压恢复器,控制,超级电容器,储能

0 引言

近年来, 电能质量问题越来越受到人们的关注, 用户对供电质量的要求也越来越高。电能质量的异常通常表现为幅值或波形的异常, 如电压暂降、三相不平衡、电压波动与闪变、谐波及频率变动等。其中电压暂降是目前最为普遍、危害最大的动态电能质量问题, 抑制电压暂降的装置主要有并联型的配电静止无功补偿器 (D-STATCOM) 及串联型的动态电压恢复器 (DVR) [1,2]。这些补偿装置可以补偿无功功率, 但不能补偿有功功率, 补偿性能易受到限制。

目前普遍采用的储能技术有电池、燃料电池、飞轮储能、超导储能等, 其中电池储能历史悠久、技术成熟稳定、应用也相当地广泛, 但存在工作环境要求高、运行维护复杂、使用寿命短等缺点。超级电容器是近几年来出现的一种新型储能技术, 与电池储能相比具有许多显著的优势, 因其具有循环使用寿命长、功率密度高、响应时间快、充放电效率高、控制简单和无污染等众多优点而被广泛地应用于大功率短期的充放电场合下。在电网电压波动的情况下, 超级储能电容器可通过释放或吸收负荷端的有功功率来改善其电压质量。

本文对采用超级电容储能元件的DVR进行了分析, 建立了基于等效电路的超级电容储能系统模型, 提出了双向DC/DC变换器和双向DC/AC变换器的相关控制策略, 仿真实验结果验证了该恢复器拓扑结构及其控制策略的有效性和正确性。

1 DVR对电压暂降的补偿分析

超级电容器储能DVR的主电路如图1所示[3,4], 其主要由超级电容器组、电压型双向DC/DC变换器、电压型双向DC/AC变换器和控制装置组成。

当电网电压Us发生暂降时, DVR通过变压器串联在电路中, 同时产生补偿电压UDVR来保持负荷端电压UL的幅值不变。由图1可得:

设UL的幅角为0°, 则将式 (1) 展开后得:

其中, Us、UDVR、UL、IL分别为Us、UDVR、UL、IL的幅值;Zs为线路阻抗;α为UDVR的幅角;β为Zs的幅角;δ为Us的幅角;Ф=arctan (QL/PL) 。则DVR的容量为:

根据式 (3) 可画出DVR的对应相量图, 如图2所示。

此DVR所补偿的电压幅值大小为:

在负荷电流给定的条件下, 要使得DVR的容量最小, 电压应取最小值, 此时应该满足:

求解式 (6) 得:

则依据已知条件可以计算出Us的幅角δ值, 再将得出的δ值分别代入式 (3) 和式 (4) , 就可得到串联型DVR的最小容量和最小注入电压。

假设没有超级电容器储能单元, DVR只补偿无功功率, 则此时应该满足:

代入式 (3) 可得:

要满足等式 (9) , 就必须同时满足如下不等式:

从以上分析可以看出采用纯无功方式不一定能补偿电压暂降, 因此, 补偿方案应将逆变器等主回路装置的容量和储能系统的容量有机地结合起来, 采用超级电容作为DVR储能单元, 可在经济和技术上都获得比较合理的方案[5,6,7,8]。当电源电压发生暂降时, 储能单元经升压逆变器输出有功功率;当电源电压出现骤升时, 储能单元吸收整流器降压后的有功功率, 来维持负荷电压的稳定。

2 DVR的数学模型

2.1 双向DC/DC变换器的数学模型

本文采用的非隔离型Buck-Boost双向DC/DC变换器结构见图3[9,10,11]。

设VT1的导通时间为d, 以理想电容电压uC和电感电流iL作为状态变量, 采用状态空间平均法, 建立相应的状态方程如下:

则在稳态工作点 (uC0, iL0, iload0, d0, us0) 处有:

在稳态工作点处施加扰动:uC=uC0+ΔuC, us=us0+Δus, iload=iload0+Δiload, iL=iL0+ΔiL, d=d0+Δd, 忽略二阶分量, 线性化后可得到相应的小信号模型:

取电容电压uC、电感电流iL与输出电流io为输出量, 则可得系统的输出方程:

线性化后可得:

由式 (13) 和式 (15) 建立Buck-Boost双向变换器, 系统框图如图4所示[7]。

2.2 双向DC/AC变换器的数学模型

双向DC/AC变换器主电路结构如图5所示[7,8,9,10,11,12,13,14], 直流电压Ud经过PWM电路后产生逆变桥的输出电压Ui, Ui通过二阶LC滤波器得到正弦波输出电压UC′, 即DC/AC变换器的输出, L′和r分别为滤波电感及其等效阻抗, C′为滤波电容。

对于图5的全桥DC/AC变换器, 忽略逆变桥的滞后作用, 将其看作比例环节, 根据LC滤波器可以写出以[UC′, IL′]T为状态变量的状态方程:

其中, UC′为电容电压, IL′为电感电流, Ui为逆变桥输出电压, 其值为:

其中, S*是开关函数, 当VTl、VT4管导通, VT2、VT3管关断时, S*=1;反之, S*=0。

显然, 由于开关器件具有开通和关断2种状态, 导致方程非线性, 但是在2种状态期间, 方程又是线性的, 所以可以用分段线性化来进行系统建模。这种方法在数字控制中应用十分广泛, 而且利用计算机的数值计算功能可以对系统进行仿真, 它可以精确地模拟电路的工作过程, 借助可视化软件可以对结果做出直观的分析。但是, 在某些场合, 尤其是频域分析中, 分段线性化会使主电路的传递函数复杂化, 增加系统分析和设计的难度。因此, 系统建模通常采用状态空间平均法, 它是基于输出频率与响应频率远小于开关频率的情况, 在一个开关周期内, 用变量的平均值代替其瞬时值, 从而得到连续状态空间平均模型。在此基础上, 运用小信号分析法, 可以非常方便地使用频域分析的各种工具。

当SPWM是线性调制时, 输出脉宽与参考正弦波幅值成正比, 将开关函数用近似表示为:

其中, D为占空比;UM为三角载波峰值;Ur为调制波幅值。

令调制度M=Ur/UM, 并将式 (18) 代入式 (17) 后得到:

将式 (19) 代入式 (16) 得到:

式 (20) 就是利用状态空间平均法建立的状态空间平均模型, 可以推出其频域传递函数:

可见系统近似为一个二阶振荡环节, 尤其是在空载状态下, 由于等效电阻r很小, 系统近似为无阻尼振荡环节, 对扰动的抑制能力很弱。

根据式 (21) 可得到频域下主电路的数学模型框图, 如图6所示。

3 DVR的控制策略

3.1 双向DC/DC变换器的控制策略

已有研究表明, 在恒定功率负载条件下, 由于恒定功率负载的负阻特性, 使得控制系统存在正极点, 所以开环不稳定, 并且为非最小的相位系统。同时, Buck-Boost双向变换器为二阶非线性仿射系统, 即使在某一稳态点处对其进行线性化, 也可能失去大信号稳定性;且参考输入或者输出功率变化的动态过程体现了非线性, 不宜用线性模型表示。因此, 为了保证Buck-Boost双向变换器在各种负载条件下, 尤其是恒功率负载条件下的静态、动态特性, 根据本文串级控制的思想以及稳定直流侧电压的控制目标, 可以采用电感电流和电容电压状态双闭环反馈控制, 控制系统框图如图7所示[14,15,16]。

由图4和图7可建立电流的内环传递函数:

其中, D0为稳态占空比, 其值在 (0, 1) 范围内。如果不考虑控制系统的延时, 电流内环则可表示成增益为K的比例环节。而对于电容电压外环, 采用恒压控制时有ΔuC_ref=0, 则可建立电压外环传递函数:

由式 (23) 可知, Δus和Δiload的变化将引起母线电压的波动ΔuC。为了减少母线电压的波动, 一是可以增大母线的电容, 但会使得系统的体积增大, 同时也会减缓系统的响应速度;二是通过加强控制器GVR (s) 的作用, 但是如果负荷波动较大, 短时间内仍然会引起母线的电压波动。为了抑制Δus和Δiload的变化对母线电压的影响, 可以引入功率前馈的方法, 其系统控制框图如图8所示。

由图8可建立电压外环传递函数:

结合式 (12) , 由式 (25) 可知, 如果忽略电源损耗rs及电感, 取Kf=1/K则可完全消除Δus和Δiload带来的影响, 即理论上直流母线电压不再受电源电压和负荷电流的影响, 暂态情况下仍然保持稳定。

3.2 双向DC/AC变换器的控制策略

电压相位一般通过锁相环 (PLL) 来监测, 假定同步旋转坐标系d轴的方向和a相电压的方向一致, 根据abc/dq坐标变换可求得负荷电压的d轴和q轴分量:

其中, uf为负荷额定电压的标幺值;ufd和ufq分别为负荷电压d轴和q轴分量的标幺值。根据负荷变化和电源电压可得到负荷电压的d轴和q轴参考值:

其中, Pf为负荷额定功率的标幺值;ufd, ref为负荷电压d轴分量的参考值;ufq, ref为负荷电压q轴分量的参考值。

为了通过实现解耦控制来提高DVR的响应速度, 本文采用前馈补偿的PI反馈控制法来控制此DVR, 控制原理如图9所示。图中, ufa、ufb和ufc为负荷相电压;usa、usb和usc为电源相电压;ia、ib和ic为双向DC/AC变换器交流侧的输入电流[16,17,18,19]。

实现控制策略的关键是如何选择滤波器。为滤除经过同步旋转坐标变换后的电流和电压的负序分量, 本文采用陷波低通滤波器, 此种滤波器的响应速度较快。当负荷电压信号变化时, 控制信号Δufd和Δufq分别通过比例积分 (PI) 环节产生电流控制信号id, ref和iq, ref, 采用解耦前馈控制得到电压控制量urd和urq后, 再经过dq/abc坐标变换成参考电压ura、urb和urc, 最后将其输入到SPWM调制器中。

4 系统仿真实验

基于PSCAD/EMTDC软件平台对所设计的DVR进行了仿真分析。电源功率因数为0.99;供电频率为50 Hz;负荷的线电压额定值为0.4 k V, 额定功率为15 k W;负载为三相对称电阻。超级电容器采用ESMA公司30EC402U模块, 单个电容器模块电压为45 V、电容为330 F、等效串联电阻为9 mΩ、最大功率为20 k W, 超级电容器组由上述4个模块串联而成。在0.2~0.3 s, a、b、c三相分别发生10%、50%的电压暂降和电压中断, 仿真结果如下。

a.a、b、c三相同时发生10%的电压暂降。仿真波形如图10、11所示。

b.a、b、c三相同时发生50%的电压暂降。仿真波形如图12—15所示。

c.a、b、c三相同时发生电压中断。仿真波形如图16、17所示。

由图10、12、16可见, 相电压瞬时值从分别暂降到0.297 k V、0.165 k V、0.03 k V。图11、图13、图17为连接DVR补偿后的电压波形, 负载相电压经过约20 ms恢复至额定值。

5 结论

本文对DVR的补偿特性进行了分析, 可以看出无储能DVR补偿时电压幅值和电压相位无法完全兼顾, 且补偿范围有限, 补偿前后对负载的冲击较大。因此, 为了达到比较好的补偿效果, 利用超级电容器作为直流侧的储能单元, 在电源电压发生暂降时可调节负荷电压, 提高负荷电压的稳定性。仿真结果表明了本文所设计的DVR具有良好的动态补偿性能和负载适应性, 同时也验证了其拓扑结构及控制策略的正确性和有效性。

超级电容储能 篇8

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.