超级电容管理系统

2024-08-03

超级电容管理系统（精选十篇）

超级电容管理系统篇1

新能源超级电容储能装置具有功率密度大、工作温度范围广、工作寿命长、充电速度快、动态响应快、内阻小等显著优点, 现阶段与锂离子电池配合使用, 可以弥补锂离子电池在功率密度等方面的不足[1]。目前, 它已经应用于航空机载设备、新能源汽车以及多种机电设备中, 能够大幅提升储能元件的各项技术指标, 以满足近乎苛刻的复杂的使用环境。随着技术的进步, 它们将替代众多产品中的可充电电池, 从计算机、数码相机、手机到其它手持设备, 具有广阔的应用前景。

超级电容器由于其端电压较低, 一般只有2.7V, 而在使用中要大量的进行串、并联才能满足电压与容量需求。因此对电容器进行管理就成为保证电容器安全使用的前题。超级电容管理系统可以对电容器进行管理控制, 从而保证电容器在使用的过程中的可靠性, 安全性, 延长电容器使用寿命[2]。国外目前比较著名的超级电容生产商, 如日本的Panasonic、NEC公司, 美国的Maxwell、Powerstor公司, 法国的AcatelAlsthom (SAFT) 公司等, 已经在工程中用到的超级电容器的电压均衡系统主要分为两种, 分别是电阻消耗式均压与能量转移式均压[3]。消耗式均压法是最简单的均衡方法, 著名的超级电容器制造厂家MAXWELL通过在超级电容器表面安装电阻器实现超级电容器单体电压均衡。但是其缺点是耗费能量, 均压电阻发热量大, 均衡电流小, 且在超级电容大量串并联的情况下, 该方法起到的均压作用有限。而能量转移性的均压方式, 目前各国还处于研究试验阶段, 并没有成熟的应用技术, 国内对于超级电容器组电压动态均衡系统的研究工作[4]起步比较晚, 还是处于前沿探索阶段, 对超级电容器生产和应用的水平还落后于世界先进水平。目前国内最为普遍的使用的还是电阻消耗式均压法[5], 总的来说国内超级电容均压方式没有统一的衡量标准。但是, 高效、快速、能量转移型均压可认为是达到比较好的均衡效果, 也是超级电容均压方式的发展趋势。

本文设计开发的新能源超级电容智能管理系统, 通过大量试验, 确定合适匹配的采集频率和隔离技术, 实现多路电压 (可同时采集18路电压) 高精度采集, 通过MCU计算电容的SOC进行智能均衡, 保证单体电压的一致性, 实现了对单体电容工作状态的实时监控、测量、保护并上报信息, 具有电压均衡、过压保护、故障定位、自行诊断、监测报警等功能, 管理系统对超级电容工作状态进行实时监控与控制, 可大大提高其安全性、可靠性, 保证模块稳定运行, 具有节能减排、绿色能源的实质性技术特点和显著效果, 在工程上具有广阔的应用前景, 从而推动锂离子电池的市场应用[6], 推进新能源动力的发展, 具有重大的社会意义和经济效益。

2 设计分析

新能源超级电容储能系统的“细胞”是单体电容, 基于此设计智能管理系统对超级电容模块内单体进行必要的保护, 管理系统由MCU控制部分、电源部分、采集部分、通信部分和均衡部分组成, 系统原理如图1所示。主要技术指标及性能要求见表1。

3 关键技术和电路设计

3.1 采集电路

单体采集板供电电压为24V, 工作电压为5V, 根据性能可靠性要求, 系统总功耗≤5W, 选择24V转5V隔离DC-DC电源模块, 采集部分功耗在0.1~0.3W, 选择5V转5V隔离DC-DC电源模块, 通过DC-DC将采集板与系统电源隔离;CAN通信模块隔离性能为2500VDC, 通信速率≤1Mbps, 与上一级通信采用隔离CAN通信模块, 提高了整个系统的可靠性和抗干扰能力。

为了满足单体测量电压的精度指标, 单体采集板采用12位ADC, 内部基准电压4.096V, 全量程精度±6LSB, 完全满足±15m V精度要求。采集方式采用浮地隔离采集, 采集前端通过Photo MOS将单体电容接入采集电路, 采集部分供电通过DC-DC与数字部分隔离, MCU通过I2C磁耦隔离方式读取采集值, 减少了超级电容对系统的冲击, 降低了外部系统对采集部分的干扰。经计算, 使用Photo Mos光电继电器搭建的采集前端在掉电状态下单个模块单体放电差异小于0.5u A, 15个模块串联的单体放电差异小于50u A, 超级电容单体2.0V电压72h后漏电流小于178u A, 保证了超级电容单体一致性。同时光电继电器耐压600V能够满足极端情况下MOS管两端的耐压要求。

采集电路如图2、图3所示, 为了避免增益电阻的冲击损坏, R57、R58、R59、R60耐冲击玻璃釉插装电阻, 采集电路误差小于等于输入电压的2%, 由于误差是线性的, 经过软件校准后能够满足±15m V的精度要求。

采集电路设计中, 高精度多路电压 (可同时采集18路电压) 隔离采集技术, 可有效的防止电压瞬变对系统的影响, 增加了系统的可靠性, 同时采用的12位AD芯片, 采集精度可达到1m V;CAN总线的采用, 增加了数据传输的可靠性, 并可在总线上同时挂20个数据采集器, 解决了储能系统中对电容串并联使用的要求。

3.2 均衡电路

均衡电路采用消耗式均衡, 超级电容工作区间均衡电流大于200m A, 通过Photo MOS隔离控制, 降低了均衡器件承受的应力, 提高了系统的可靠性。

均衡电路如图4所示, 均衡电压和均衡电流如表2所示, 20欧电阻工作功率小于0.45W, 输出端工作功率小于30m W, 满足设计要求。

均衡电路设计中, 隔离式智能均衡技术, 采用Photo MOS管把电容和MCU部分进行隔离, 通过MCU计算电容的SOC对其进行智能均衡, 保证电容单体的一致性。

3.3 可靠性设计

可靠性设计中, 系统电源采用隔离变压器与共模扼流圈设计, 可以增加系统可靠性;差分运放选择单运放芯片, 工作电压5V, 具有满摆幅、输入偏置电流低、封装小等特点, 最大输入偏置电压±4m V, 每一个单体通过运放切换进入差分运放, 进行1比1转换后输出, 浮地测量的优点在于降低了增益电阻的应力, 每个电阻所受的应力均小于3V, 减少了器件损坏的几率;为了防止多路开关失效造成超级电容短路, 每一路开关前端串联5.9K耐冲击玻璃釉插装电阻, 多路开关控制逻辑芯片进行互锁控制, 保证控制端每次只能开启一个运放, 在软件控制上采取死区控制, 运放切换之间留有一定死区时间, 同时每一轮对器件是否失效进行检测及时发现问题。

4 结论

新能源超级电容智能管理系统, 实现高精度多路电压隔离采集技术和隔离式智能均衡技术, 保证电容单体的一致性, 采用CAN总线增加了数据传输的可靠性。该系统能够对单体电容工作状态的实时监控、测量和保护, 可大大提高超级电容储能系统的安全性、可靠性、精确性、实时性, 保证系统安全运行, 具有节能减排、绿色能源的实质性技术特点和显著效果, 在工程上具有广阔的应用前景, 可进一步推动锂离子电池的市场应用, 推进新能源动力 (如汽车、列车) 的发展, 还可满足微网系统实时性、精确性的储能管理要求, 实现超级电容在民用电网的应用, 具有重大的社会意义和经济效益。

摘要：新能源超级电容储能装置与锂离子电池配合使用, 可以弥补电池功率密度不足, 但其安全性、实时性较差。本文设计开发的超级电容智能管理系统, 通过大量试验, 确定合适匹配的采集频率, 利用隔离技术, 实现多路电压高精度采集, 通过MCU计算电容的SOC进行智能均衡, 保证单体电压的一致性, 实现了对电容工作状态的实时监控、测量、保护并上报信息, 具有电压均衡、过压保护、故障定位、自行诊断、监测报警等功能, 可大幅提高电容的安全性, 保证了超级电容安全运行, 在工程上具有广阔的应用前景。

关键词：新能源,储能装置,超级电容,智能管理

参考文献

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超级电容器介绍篇2

超级电容器类型简介

超级电容器的类型比较多，按不同方式可以分为多种产品，以下作简单介绍。

按原理分为双电层型超级电容器和赝电容型超级电容器：

双电层型超级电容器，包括

1.活性碳电极材料，采用了高比表面积的活性炭材料经过成型制备电极。

2.碳纤维电极材料，采用活性炭纤维成形材料，如布、毡等经过增强，喷涂或熔融金属增强其导电性制备电极。

3.碳气凝胶电极材料，采用前驱材料制备凝胶，经过炭化活化得到电极材料。

4.碳纳米管电极材料，碳纳米管具有极好的中孔性能和导电性，采用高比表面积的碳纳米管材料，可以制得非常优良的超级电容器电极。

以上电极材料可以制成：

1.平板型超级电容器，在扣式体系中多采用平板状和圆片状的电极，另外也有Econd公司产品为典型代表的多层叠片串联组合而成的高压超级电容器，可以达到300V以上的工作电压。

2.绕卷型溶剂电容器，采用电极材料涂覆在集流体上，经过绕制得到，这类电容器通常具有更大的电容量和更高的功率密度。

赝电容型超级电容器：

包括金属氧化物电极材料与聚合物电极材料，金属氧化物包括NiOx、MnO2、V2O5等作为正极材料，活性炭作为负极材料制备的超级电容器，导电聚合物材料包括PPY、PTH、PAni、PAS、PFPT等经P型或N型或P/N型掺杂制取电极，以此制备超级电容器。这一类型超级电容器具有非常高的能量密度，目前除NiOx型外，其它类型多处于研究阶段，还没有实现产业化生产。

按电解质类型可以分为水性电解质和有机电解质类型：

水性电解质，包括以下几类

1.酸性电解质，多采用36％的H2SO4水溶液作为电解质。

2.碱性电解质，通常采用KOH、NaOH等强碱作为电解质，水作为溶剂。

3.中性电解质，通常采用KCl、NaCl等盐作为电解质，水作为溶剂，多用于氧化锰电极材料的电解液。

有机电解质

通常采用LiClO4为典型代表的锂盐、TEABF4作为典型代表的季胺盐等作为电解质，有机溶剂如PC、ACN、GBL、THL等有机溶剂作为溶剂，电解质在溶剂中接近饱和溶解度。

另外还可以分为：

1.液体电解质超级电容器，多数超级电容器电解质均为液态。

2.固体电解质超级电容器，随着锂离子电池固态电解液的发展，应用于超级电容器的电解质也对凝胶电解质和PEO等固体电解质进行研究。

超级电容器应用简介

超级电容器的应用范围极为广泛，小到存储器的备用电源、电动玩具的电源，大到航天导弹发射的大功率启动系统、电动汽车的能量功率系统等一切与能量功率相关的仪器设备系统均有超级电容器的身影。

超级电容器在军用、民用领域均有广泛的应用前景。小电流放电的双电层电容器可用作微机等的备用电源或小型装置如玩具、打印机、报警器、信号灯等的一次电源；安培级大电流放电双电层电容器可单独或与蓄电池一起构成电源系统，既可作为起动电源也可作为小型负载的驱动电源，如用于坦克、飞机、火箭、导弹等作为起动电源；人造卫星、宇宙飞船空间站、潜艇水下推进，尤其是在电动车辆方面的应用越来越多；利用其良好充放电性能可作为快速充电简易电源；利用其输入小电流输出大电流可作为充放电周期循环的电源；因其容量大，还可用于微分和积分电路、简易计时电路、超低频信号处理电路等。随着电极材料的改进和电解质的合理选用，双电层电容器的功率密度和能量密度逐步向理论值靠近，其应用前景更为广阔。

超级电容器最近的研究目标之一是单独用双电层电容器或将其与蓄电池联用，作为电动汽车和混合动力汽车的动力电源。上千法拉级的双电层电容器用作电动汽车的短时驱动电源，可以在汽车启动和爬坡时快速提供大电流从而获得大功率以提供强大的动力；在正常行驶时由蓄电池快速充电；在刹车时快速存储发电机产生的瞬时大电流，回收能量。这可以减少电动汽车对蓄电池大电流放电的限制，极大的延长蓄电池的循环使用寿命，提高电动汽车的实用性。目前日本富士重工推出的电动汽车已经使用日立机电制作的锂离子蓄电池和松下电器制作的储

能电容器的联用装置；日本本田公司更是将双电层电容器与汽油机相结合，研制出一种综合电动机助力器系统，使内燃机主要工作在最佳工况点附近，大大降低内燃机的排放，并可回收制动能量，通过装在小客车上极大的降低汽油机燃油消耗量成为低排放的节能汽车；日本丰田公司研制的混合电动汽车，其排放与传统汽油机车相比CO2下降50％，HC、CO和NOx排放降低90％，燃油节省一半。

目前，电动助力车市场正在大力扩展，其电源与电动汽车相似，蓄电池由于其充放电电流要求苛刻，能量难以进行瞬时回收，同时其功率性能不佳也直接影响其应用，而超级电容器非常容易满足这些要求，采用超级电容器在其起动、加速与爬坡时对系统进行能源补充，并在刹车时完全回收能量，提高系统性能。在风力发电或太阳能发电系统中，由于风力与太阳能的不稳定性，会引起蓄电池反复频繁充电，结果大大缩短电池寿命，利用双电层电容器吸收或补充电能的波动，可以轻易解决这一问题。此外，在有瞬间强负载系统中，利用双电层电容器可以起到稳定系统电压，减少系统电源容量配制的作用。

超级电容器在有些场合可以替代电池工作，同时，可以避免由于瞬间负载变化而产生的误操作。在便携式仪器仪表中驱动微电机、继电器、电磁阀等，在一些带有机械动作功能的电话中，由于电话网的电流较小，不可能实现动作功能，因此要有一个电源对这一动作进行支持，电池也是一种选择，由于存在更换及维修的问题，超级电容器显示出优越性。

超级电容器还可用于对照相机闪光灯进行供电，可以使闪光灯达到连续使用的性能，从而提高照相机连续拍摄的能力；另外，德国Epcos公司还用该器件对相机快门进行控制。机动无线通讯设备往往采用脉冲的方式保持联络，由于双电层电容器的瞬时充放电能力强，可以提供的功率大，在这一领域的应用也非常广阔。

大容量超级电容器的另一个重要应用在电力系统上，运用超级电容器进行重要系统的瞬态稳压稳流，特别是在大功率系统上，几乎是不可替代的器件。在这方面，据华北电力大学电能质量所的调查，在众多大型石化、电子、纺织等企业，各企业每年因电力波动的损失可能高达上千万；另外，芯片企业在选址时考虑电力的波动也是一个非常重要的环节，而超级电容器系统则可以完全解决这个问题。

超级电容管理系统篇3

关键词：超级电容；户用型住宅供电系统；充放电控制；稳定性

中图分类号：TM912 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）01-0044-03

在当今社会，干净、高效的能源获取变得极其重要，这使得太阳能和风力发电在能源领域异军突起，成为新型能源的“新贵”。在户用型住宅供电系统中，主要采用新型能源保证电力输出，而新型能源具有不稳定性，必须找到自由存取电能的储能方式。传统的蓄电池易老化、价格高、二次污染严重，极易成为经济情况一般住户的经济负担。超级电容采用非化学储能方式，具有强大的可操作性，可以很好地满足当前小户型住宅供电的需求。光伏能源是主要的能源提供方式，但需要进行具体的量化分析使其正常应用于各个负载。为此，对超级电容器的稳定性及充放电控制进行研究，使其可以更高效、安全、可靠的并入系统。

1 超级电容应用于系统的优势

超级电容作为新型储能方式，在户用型系统中的优势非常明显，其主要表现为：超级电容器可在额定电压范围内被充电到任意电位，并可完全放出；超级电容的荷电状态（SOC）可与电压构成简单函数；与体积相似的传统电容器相比，超级电容器可存储更多的能量；超级电容可反复传输能量脉冲，且无任何不良影响；超级电容器可反复循环使用几十万次，循环利用率极高。

超级电容具有三大功能：一是作为基本储能装置，在因阴雨、黑夜、室外阳光不足导致的供电短缺时为系统负载提供电能输出；二是作为滤波器，对太阳能电池板向系统传输的不稳能量进行滤波，确保电能输出稳定；三是与充、放电控制器进行配合，实现最大功率点跟踪。

由于光伏发电系统极易受外界因素影响，所以系统设计了充、放电控制器，对光伏输出系统进行细部控制。根据系统运行状况，通过充电控制器发出的脉冲宽度调制信号对功率开关管进行调节，并回馈到控制系统，实现超级电容器组充放电的有效控制，其主要方式为最大功率点跟踪、限流输出与恒压输出。

由于太阳能系统的原因，超级电容器两端的电压不稳定，需要放电控制器对输出电压进行稳压调节，调节后的交流电压可直接使用或经DC/AC逆变，以保证持续向负载输送220 V的稳频电压。

控制系统的主要作用是实现能量的分配与控制、检测当前系统的状态参数、当系统故障时发出警报。其中，能量管理主要实现充电控制器充电方式选择，并观测放电控制器和负载单位的数据，当外界供给与内部能量不足时及时并入外界电源，保证用户正常供电。简易离网型光伏发电系统的结构如图1所示。

2 系统稳定性分析

由于超级电容在户用型住宅供电系统中计算困难，因此采用等效模型进行计算。等效电路模型的运行方式与规划设计更为直观。充电控制器的主要结构为BUCK，由功率二极管F、功率开关管M和电感L构成。为使分析过程简单化，将超级电容器组分别简化为等效串联内阻Rs和串联结构理想电容器C，并用等效电阻R代替放电控制器和负载。等效电路如图2所示。

设BUCK变换器处于电感电流连续状态中，开关的占空比为D，以电感电流IL和理想电容器的电压Uc作为状态变量，利用状态平均法得到状态平均方程：

x=Ax+Bu

y=Cx （1）

式中，A=

-；B=

0，x=[ILUC]T，u=U，y=UO。

向基本型状态平均方程添加扰动，瞬时值d=D+，iL=IL+L，uc=Uc+c，u=U+，得到扰动方程：

+B+

0Tu

y=C

（2）

将扰动方程转至S域，并用拉普拉斯变换，忽略高次分量，得到系统的控制—输出传递函数（设Rs<

│（s）=0= （3）

由式（3）可知，放电控制器的内部架构对系统稳定性有着至关重要的影响。当电感L与负载R确定时，决定系统稳定性的是超级电容的电容量C和Rs，并且可知系统的开环传递函数是0型，为有差系统。为消除系统余差，在控制系统中设置PI调节器的积分时间常数，用以串联校正。限流输出与恒压输出方式参与系统校正，校正后的系統为1型，稳态性能得到提升，在能量输入不稳定的环境下，可保障系统安全运行。

3 系统充放电控制

超级电容器具有能量密度大、循环和储能效率高、使用次数多、经济性较好等优点，因此设定一套与之相适应的控制系统尤为重要。对系统进行充放电控制，可以提高系统的稳定性，确保其运行更加灵活，提升使用效率，避免造成不必要的能源浪费。

3.1 充电控制

以太阳能电池板作为系统的电源。系统对光能源的依赖性非常大，但该能源不能直接用于负载，需要用Boost-Buck DC/DC换流器调节。为保证负载起到最大功率点跟踪的作用，将换流器置于放电控制器中，使电压稳定在负载需求的区间范围内。通过使用换流器，超级电容器组具有CCCM恒流充电、CVCM恒压充电、CPCM恒功充电3种充电模式。

在充电模式确定前，保证超级电容器组的温度T低于其可承受的最高温度Tmax。在充电初始期间，电容器组的端电压很小，而电流强度非常大，高于给定电流Ir，此时系统采用CCCM控制模式；随着时间推移，端电压上升，高于给定电压值Ur，电流值下降，系统切换到CPCM控制模式；随着时间继续推移，当电压达到系统满电压Ufull时，系统切换至CVCM控制模式。这3种模式之间的切换，能使超级电容器组的充电时间大大缩短。离网型系统中超级电容器的充电控制流程见图3。

3.2 放电控制

根据系统负载的需求，需要通过串、并联来形成特定结构的超级电容器组。系统的瞬时功率往往不大，一般不会超出超级电容器的承受范围，且功率能够满足电气设备的要求，因此，储能容量对超级电容器组至关重要。当单个超级电容器即时电压低于其额定输出电压最低值Um时，则认为其已达到最大放电，放电深度为：

d=1-×100% （4）

式中，UM为单个电容器的输出电压最高值。

所需单个电容器数量N由负载使用的总电量W决定，即

N= （5）

式中：C为单体电容量；η为设备放电效率。

超级电容器组中单个电容器串联数为Ns，并联支路个数为Np。其中放电控制器的输入电压范围决定Ns。放电控制器的输入电压应在超级电容器组的最高和最低工作电压区内，以确保放电控制器正常工作，并且满足负载用电需求。成型后的超级电容器组端电压变化范围为dNsUm～NsUm。

4 结论

利用超级电容作为储能装置的户用型住宅供电系统，不论是在经济性上，还是在分布式电源的研究上，都具有重要的参考价值。随着科技的发展和新能源政策的逐步推进，户用型住宅小型光伏供电模式必将大面积推广，超级电容器组储能方式的应用也将越来越广泛。对超级电容器组的架构与稳定性进行深入分析，有利于其更加高速、有效的存储电能。

超级电容器组管理监控系统设计篇4

1 系统总体设计方案

本文设计基于Visual Basic的超级电容器组管理监控系统, 系统采用上、下位机式, 上位机使用个人PC机, 采用Visual Basic语言开发平台设计监控界面, 使系统具有良好的人机交互界面, 下位机使用51系列的单片机ATS89S52作为核心控制器, 单片机控制LTC6803电池组监视器实时采集超级电容器组的单体、组的电压和温度[1,2], 并控制单体电容器的过充和过放, LTC6803电池组监视器采集的数据经过单片机处理后, 通过串行口通信方式传送给上位机。系统总体框图如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 单片机最小系统

系统采用AT89S52系列单片机, 单片机的最小系统包括单片机的电源电路、晶振电路和复位电路3个主要部分, 电路如图2所示。

2.2 LTC6803数据采集电路

该系统采用LTC6803芯片对超级电容器的电压和电流值进行数据采集[3,4,5,6,7,8]。LTC6803特点为: (1) 可测量多达12节串联电池的电压; (2) 可堆迭式架构; (3) 可支持多种化学电池和超级电容器; (4) 至相邻器件的串行接口为菊式连接; (5) 0.25%的最大总测量误差; (6) 专门针对符合ISO26262标准的系统进行设计; (7) 内置温度传感器和热敏电阻输入。

本系统中LTC6803采集电路与六个超级电容器相连接, 芯片的右侧的CSBI、SDO、SDI、SCKI四个引脚与单片机的P2.7、P2.6、P2.5和P2.4四个引脚相连接。在采集电路中, 电容起着滤波的作用, 可以消除小信号以及谐波的干扰, 使采集的数据更加精确。采集电路如图3所示。

2.3 电压均衡电路

本设计的电压均衡电路如图4所示, 每个超级电容器输入端口并联一个6.2 V稳压管, 实现端口保护。电容器并入一个MOSFET-N管和一个15Ω的功率电阻。单片机通过ADC输入引脚采集电压, 并通过控制引脚控制MOSFET-N管的导通和关闭, 当过充时, 通过15Ω的功率电阻放电, 实现电压均衡。2.8 V的超级电容器放电时最大可达到180 m A电流。每个电压采集引脚前加阻容滤波电路, 用来滤除高频干扰。

2.4 温度采集电路

LTC6803中自带温度传感器, 分别使用内部基准电压3 V作为电源进行设计, 采用100 kΩ精密电阻作为标准电阻, 对温度传感器NTC进行采样, 并通过SPI通信, AT89S52进行AD转换后把温度数据通过串口传送给上位机。温度采集电路如图5所示。

2.5 下位机显示电路

下位机可显示每个超级电容器实时采集出来的电压和温度值。系统采用的显示器是LCD1602液晶显示屏, LCD1602液晶显示器采用的是8位的并行数据口, DB0~DB7分别与单片机的P0.0~P0.7相连接, 该显示器的三个控制引脚RS、RW、EN分别与单片机的P2.3、P2.2、P2.1三个I/O口相连接。

2.6 串口通信电路

单片机的P3.0和P3.1分别与MAX232芯片的R2OUT和T2IN相连接, MAX232的输出采用9针的串行数据端口与PC机相连接。

2.7 键盘与报警电路

系统的输入键盘采用6个独立式按键, 分别为K1、K2、K3、K4、K5和K6。当按下K1~K6时, LCD1602液晶显示器上就会显示出超级电容器1~6的电压和温度的实时数据。

系统采用6路LED指示灯作为下位机报警信号。6路LED的报警信号灯与单片机的P1.6、P1.7、P3.2、P3.3、P3.4和P3.5引脚相连接, 当系统检测到的任何一个超级电容器的电压和温度值出现异常的时候, 系统就会点亮相应的LED信号灯进行报警, 具体说明为:LED1灯亮, 表示欠电压报警;LED2灯亮, 表示过电压报警;LED3灯亮, 表示欠电流报警;LED4灯亮, 表示过电流报警;LED5灯亮, 表示温度异常报警;LED6灯点亮, 表示电量异常报警。

3 系统软件设计

3.1 系统流程图

该系统在正常运行时, 可以实时地对超级电容器组进行管理监控, 即对超级电容器的电压、电流、温度等数据实时采集、处理并显示出来。系统总体流程图如图6所示。

3.2 单体和组的温度及电压采集界面

在上位机采用Visual Basic语言设计监控显示界面, 并实时更新从下位机传送过来的数据。进入到登录界面后, 输入密码进入系统, 在此界面中, 可以显示6组超级电容器的单体电压、电流和温度, 显示组的总电压、总电流及组内最高温度。

3.3 异常情况报警界面

当超级电容器组总电压、总电流或单体温度异常时, 可在报警界面上显示出来。当系统正常运行时, 各指示灯均为绿色, 当出现过电压、过电流、单体温度过限、电容器电量过限时, 指示灯变为红色, 当出现欠电压和欠电流时, 指示灯变为黄色。

4 结语

本文以LTC6803为数据采集芯片, 设计超级电容器组管理监控系统, 采用的超级电容器电压为2.8 V, 电容为100 F。经过调试运行, 系统采集的单体电压误差小于5%;电压均衡电路稳定性高, 短暂的过电压和欠电压后, 系统能自动调节电压值, 防止过充和过放;系统性能良好, 可为大容量和多个超级电容器组的监控管理提供经验。

参考文献

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电器行业：超级电容器成长空间巨大篇5

2010-05-12

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利用过期馒头制备超级电容器篇6

一个城市有很多超市、食堂，每天有大量的馒头到达保质期但没有被售出。它们通常被当作垃圾填埋、焚烧，或用于喂养牲畜、堆肥，回收利用价值较低，十分可惜。

超级电容器是目前国际储能领域的研究热点，其性能主要受电极材料影响，而碳基材料是当前使用最广泛的电极材料。

本创意利用过期馒头富含碳元素这一特点，将其回收利用，制备成活性炭，构建超级电容器，变废为宝。

二、研究思路

以过期馒头为原料，先通过碱活化和碳化制备活性炭，再用制备的活性炭制作电极极片，构建超级电容器。

三、研究过程

1.制备活性炭

先将过期馒头置于管式炉中，进行高温碳化，形成碳材料。然后将其研磨成碳粉末样品，取适量装入已装有KOH的烧杯，加入蒸馏水搅拌均匀。再将烧杯放入干燥烘箱内烘干，然后放入活化炉内活化，自然冷却后，取出样品进行酸洗和水洗至中性，烘干备用，即得到活性炭。

2.活性炭结构表征

对制备的活性炭进行氮气吸附-脱附测试，采用气体吸附BET法计算样品材料比表面积，采用DFT算法绘制样品孔径分布曲线，并用扫描电子显微镜，观察样品的表面形貌。

经过测试，制备的活性炭以微孔为主，比表面积约1500 m2·g-1。

3.制备电极极片和组装超级电容器

将制备的活性炭样品分别与导电碳黑、粘结剂PTFE、乙醇和水制成混合液，涂抹于泡沫镍表面，经烘干、冷压，制备成电极极片。用电极极片，以Pt丝为对比电极，以Hg/HgO为参比电极，采用KOH溶液为电解液，组装水系超级电容器三电极体系。

4.超级电容器电化学性能测试

对制备的超级电容器，分别进行恒流充放电测试、循环伏安测试。测试结果表明，超级电容器具有良好的电容特性，充放电电流效率较高，比电容较高，电容保持率也较高。1000次循环充放电过程，超级电容器始终维持着稳定的高倍率和大容量特性，有着良好的循环稳定性。

四、研究结论

本创意成功利用已过保质期的馒头制成高比表面积、高吸附性能的活性炭材料，并应用该活性炭材料制备电极极片，成功组装超级电容器。组装的超级电容器充放电速度快、电容量大，循环充放电性能好，是绿色环保的储能装置。

本创意成果为过期馒头的回收利用提出了一种新的环保、经济的处理方法，并为新型储能装置——超级电容器的电极材料开发提供了一种新思路。既可以废物利用，又利于储能，节约资源，市场前景广阔。

责编/彭砚淼

超级电容管理系统篇7

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。

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超级电容管理系统篇8

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

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超级电容管理系统篇9

1 风电系统低电压穿越能力分析

就2010年全球风电装机容量统计分析, 其容量已经超过了1.5亿千瓦, 但是由于风能本身的间歇性和随机性, 随着并入电网的风电装机容量越来越大, 其对电网的运行安全性、稳定性产生了重大的影响。特别是在发生电力故障的时候, 电压必然会出现瞬间降低, 如果这个时候没有电能及时的补充到其中, 必然会产生电网供电故障, 甚至是风电机脱网, 最终导致电网故障的发生, 严重的时候还容易引发电网奔溃。目前, 风电公司几乎普遍要求电网具备风电机组能力, 这也是一个具备一定低电压穿越能力的内容。近几年来, 根据我国《风电场接入电网技术规定》得出, 风电场低电压穿越要求十分严格, 它也对风电机组的设计和制造提出了挑战。比较明显和突出的风电设计在目前主要包含了定速异步发电机、永磁同步发电机以及双馈异步发电机等。这些发电机组的产生为风力发电事业的进步做出了重大贡献, 就实现低电压穿越要求有着至关重要的意义。在目前的工作中, 永磁同步发电机的应用最为广泛, 这主要是因为这种发电技术与传统的发电机组相比优势突出, 能够与电网科学连接, 实现在功率相同的变换器基础上实现低电压穿越。经过几年工作实践分析, 受到超级电容、双向变换器的影响, 吸收、释放电能为主的直流目前电流工作体系受到重视, 它在保持直流母线电压的稳定性、减少电网故障和分离电网故障方面有着至关重要的意义, 有效提高了风电系统中低电压穿越能力。

2 风电系统低电压穿越中超级电容系统分析

在当前工作中, 我们选择超级电容作为储能元件优势明显, 不仅有着功率大、循环使用且不污染环境的有丝毫, 而且还能延长系统的使用寿命, 调节电网中的功率不平衡状态, 为电能的循环利用和发展做出应有贡献。

2.1 系统结构分析。

一般来说, 在风电系统低电压穿越中是按照永磁同步发电机机组模型、全功率背靠背转换模型以及超级电容模型三方面进行分析的。

2.1.1系统结构。按照图中所示, 风力发电机之驱动永磁同步发电机同传统的发电机存在着很大的差异, 这种发电机在应用的过程中能够通过功率背靠背变换器, 一般都是按照电网连接要求, 其在超级电容机组和变换器两方面有着重要的意义, 一般来说都是同直流母线连接起来。具体的连接体系如图1。2.1.2系统模型。2.1.2.1永磁同步发电机模型永磁同步发电机d-q旋转坐标系下的模型方程为:

式中:usdusq为发电机定子输出电压;IsdIsq为定子电流;LsRs分别为定子电感和电阻;为电机转速;f为转子永磁体磁链。2.1.2.2全功率背靠背变换器模型。全功率变换器标注了端口电压和电流从输入端与到输出端之间的有功功率平衡通过控制直流母线上的功率来实现, 功率平衡方程可表达为式中:Pdc为直流母线上吸收 (或释放) 的有功功率;Pg为电网侧变换器输出到电网的有功功率。2.1.2.3超级电容模型。超级电容是一种双层电容, 它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得益于纳米技术的进步, 超级电容技术获得了突破性的进展, 其性能进一步提高, 制造成本大大降低。作为一种理想的短期储能元件, 超级电容具有功率密度高大电流充放电能力强能量转换效率高和循环使用寿命长等优点。

2.2 系统控制电路分析与设计。

2.2.1电机侧变流器控制电路设计。电机侧变流器主要作用是控制发电机输出的用功率以实现最大风能跟踪控制。由于调节发电机电磁阻转矩可实现对发电机电磁功率和输出有功的准确控制, 因此, 结合发电机的最佳风能跟踪控制原理, 电机侧变流器控制系统外环可采用有功功率的闭环PI控制, 其调节输出量作为发电机定子电流的q轴分量给定;控制系统内环则分别实现定子轴电流的闭环控制。2.2.2电网侧变流器控制电路设计。网侧变流器是永磁直驱风风力发电机与电网相连的重要组成部分, 其控制策略的主要目标, 一方面要保持直流母线电压恒定;另一方面要实现并网无功功率控制。

2.3 仿真分析。

根据前面的分析与设计, 将图所示系统在MATLAB/Simulink环境下进行仿真。为简化仿真模型, 风速设为恒定值, 且在此风速下发电机输出有功功率为1.5MW系统其他主要参数:直流母线参考电压 (Vdc-ref) 为11k V;直流滤波电容 (Cdc) 为6.8m F;双向变换器控制系统载波频率 (fs) 为2140Hz;超级电容串联等效电阻 (Ri) 为0.012, 容量 (Ci) 为1500F;电网电压跌落25%, 持续时间为0.5s (0.2s至0.7s) 由于仿真目标主要考察储能系统在风电机组低电压穿越过程中的功率平衡效果, 设定网侧变流器工作在单位功率因数条件下。

3 结论

世界各国在在大力发展风电产业的同时, 也开始重视风电并入电网后对电网的影响, 新的电网规则都要求并网风电机组具有一定的低电压穿越能力。永磁直驱同步风电系因省掉了故障率较高的齿轮箱, 整体可靠性大大提高, 而且这种风电系统在结构上容易实现低电压穿越, 从而成为风电发展的一个重要方向新型储能元件超级电容, 作为短期储能元件, 其循环使用寿命长等特点显示了作为风电系统储能设备的优势。

参考文献

[1]姚骏, 廖勇, 庄凯.电网故障时永磁直驱风电机组的低电压穿越控制策略[J].电力系统自动化, 2009 (12) .

[2]赵紫龙, 吴维宁, 王伟.电网不对称故障下直驱风电机组低电压穿越技术[J].电力系统自动化, 2009 (21) .

[3]肖盛, 张建华, 郭世繁, 朱天生, 肖河.并网双馈风电机组低电压穿越能力研究[J].电网与清洁能源, 2010 (2) .

超级电容管理系统篇10

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。