【正文】 指導(dǎo)教師： *** 完成日期： 2012年3月21日 一、 課題國內(nèi)外現(xiàn)狀能源枯竭與環(huán)境污染問題已是目前全世界面臨的重大問題，許多國家采取了提高能源利用率、改善能源結(jié)構(gòu)、探索新能源和可再生能源等措施，以達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目的。對超級電容器儲能單元進(jìn)行系統(tǒng)化設(shè)計，給出超級電容器直流儲能單元的設(shè)計流程。 參考收集的數(shù)據(jù)和資料，對基于光伏發(fā)電系統(tǒng)的超級電容器的工作方法以及如何實(shí)現(xiàn)超級電容器充放電的控制方法進(jìn)行分析，并對其經(jīng)典模型進(jìn)行分析，選擇合適的器件，確定初步方案和控制策略。并對其系統(tǒng)進(jìn)行工作原理分析、控制策略設(shè)計、PSPICE仿真實(shí)現(xiàn)[315]。與傳統(tǒng)的單一充電模式相比 ,設(shè)計的充電控制方案能更大限度地利用光伏電池發(fā)出的電能[4]。 將超級電容器用于光伏發(fā)電系統(tǒng)可以更充分地利用超級電容器的特性。傳統(tǒng)的能量存儲普遍采用鉛酸蓄電池彌補(bǔ)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)輸入能量的不穩(wěn)定性。太陽能具有取之不盡、用之不竭等優(yōu)點(diǎn)，是理想的可再生能源。本文是在顧和榮導(dǎo)師的精心知道下完成的，從論文的選題、設(shè)計方案直至完成論文的整個過程中，都得到了顧老師的耐心細(xì)致的指導(dǎo)。根據(jù)超級電容器的充放電特性，利用雙向DC/DC設(shè)計了超級電容器充放電控制器。結(jié)論結(jié)論本文主要研究了超級電容器的儲能特性，對超級電容器儲能系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了探討。圖54 放電等效電路圖圖55中，55（a）為超級電容器組的電壓，圖55(b)為負(fù)載兩端電壓。從上面的仿真波形可以看出，超級電容器組電壓較低時，充電電流逐漸增大，此時電流環(huán)快速調(diào)節(jié)，超級電容器組以期望的電流進(jìn)行恒流充電。圖52 充電控制等效電路等效電路圖如圖52所示，為了縮短充電時間，這里設(shè)置超級電容器組由0V充電到96V。第5章 超級電容器儲能系統(tǒng)的仿真第5章 超級電容器儲能系統(tǒng)的仿真前面介紹了超級電容器儲釋能雙向變換器的工作模式和控制策略，下面利用PSPICE環(huán)境進(jìn)行仿真研究，驗(yàn)證控制策略的正確性。電壓外環(huán)的作用是維持直流母線電壓恒定，電流環(huán)的作用是提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)。超級電容將儲存的能量經(jīng)過雙向DC/DC變流器向直流負(fù)載釋放能量，以恒定功率向電網(wǎng)輸雙向DC/DC變流器工作于Boost電路模式時的等效電路如圖48所示。當(dāng)超級電容電壓達(dá)到耐壓值的90%時，為了防止過充損壞超級電容，充電模式改為恒壓充電，圖47是恒壓充電控制框圖。如果超級電容端電壓小于V，為了防止電流過大，使用恒流控制策略。超級電容器充電工作模式時的等效電路如44所示，此時開關(guān)管 Q1工作在 PWM 狀態(tài)，開關(guān)管Q2工作于二極管狀態(tài)。計算可得： C4=163μF,仿真取220 μF。計算得：Dmin=110200=Dmax=130200=將計算所得占空比代入式(59)得出L1=3mH(3) 電容 C3 、C4 參數(shù)的設(shè)計 C3用于Buck模式下，平滑蓄電池輸入電流，減小電流紋波。選擇mosfet功率管的型號為mur1560。BuckBoost 雙向變換器有兩種工作模式，Buck 模式下，蓄電池充電儲存能量，Boost 模式下，蓄電池放電釋放能量。該變換器有兩種PWM控制方法：1）獨(dú)立PWM控制方法；2）互補(bǔ)PWM控制方法。圖43是超級電容器組成的儲能系統(tǒng)的主電路拓?fù)?，U1是直流母線的電壓，RL是等效電阻，Ca代表超級電容器等效的理想電容，RS是超級電容器的等效串聯(lián)內(nèi)阻。t=ton時，iL=iLmax，Q1關(guān)斷，Q2導(dǎo)通，在t=tont2期間，實(shí)際上是D2續(xù)流，直到t= t2時，t=tont2，iL=0后，才有電流流過Q2，iL反向增加，到t=T時iL=iLmin，Q2截止，進(jìn)入下一周期。(3)第三種方式是交替工作方式。圖42 雙向buckboost變換器電感電流波形(1)第一中方式是Buck方式，能量從V1側(cè)向V2側(cè)流動，iL自左至右，電流波形如圖33(a)所示。若能量從V2向V1方向流動，即V2為電源端，則該變換器為Boost變換器，此時Q2為PWM工作方式，Q1不工作，或與Q2互補(bǔ)方式工作。該系統(tǒng)通過與光伏發(fā)電直流系統(tǒng)的能量交換，使得直流母線電壓的穩(wěn)定，進(jìn)而向用戶提供高質(zhì)量的電能。具體的可分為三個方面的作用：(1)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)持續(xù)、可靠地供電 光伏發(fā)電隨環(huán)境因素變化比較大，在夜間就可以通過能量型的超級電容器儲能系統(tǒng)儲存的能量來維持系統(tǒng)工作，即相當(dāng)于備用電源的作用。光伏發(fā)電的一個顯著的缺點(diǎn)就是輸出的電能受外界環(huán)境比如光照強(qiáng)度、溫度等影響，使系統(tǒng)不能持續(xù)、穩(wěn)定的輸出電能，這會導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，跟蹤負(fù)荷的能力減弱，夜晚光伏電池不能給負(fù)載提供能量。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，超級電容器與功率變換器組成的儲能系統(tǒng)在不斷的完善。充電時根據(jù)條件是恒流轉(zhuǎn)恒壓充電，放電時采用的是恒壓放電。同時，如果小電流放電，RESR 上的電壓值比超級電容器端電壓小很多時，可以把超級電容器當(dāng)做理想電容處理。超級電容器的充電能耗WS(t)為Is2RESt，可知WS(t)是充電電流Is與充電時間t的二元函數(shù)。這種方式適合大多數(shù)超級電容器的充電，將會是超級電容器采用最廣泛的充電方式之一。同時選擇的浮充電壓也不能過高，太高不僅增加能量損耗而且嚴(yán)重時會使超級電容器使用壽命縮短。另外，從等效電路模型也可以看出，超級電容器由于等效并聯(lián)阻抗RREP。由于超級電容器具有承受大電流的能力，故給其充電的電流選擇范圍就較大，因此可以結(jié)合不同應(yīng)用需求及超級電容器自身狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化控制。另外，對充放電過程的監(jiān)測非常方便，因?yàn)槠鋬Υ娴碾姾杉澳芰烤鸵ㄟ^檢測電壓就能近似確定。在本系統(tǒng)中，系統(tǒng)儲能量設(shè)計為:Ws=40kJ。超級電容器組的最大放電功率為1kw，在超級電容器組電壓最低時，超級電容器組的放電電流最大，此時超級電容器組的電壓為Vmin=60V，根據(jù)計算，可以求出此時超級電容器組的放電電流為isc=。RC 等效模型結(jié)構(gòu)簡單，能夠較準(zhǔn)確地反映出超級電容器在充放電過程中的外在電氣特征，將器件并聯(lián)或串聯(lián)不會影響其特性。生產(chǎn)超級電容器的廠家對參數(shù)的定義各有不同，但一般會給出以上兩個參數(shù)。其中，應(yīng)用最多的模型為電容串并聯(lián)電阻型，如圖21所示，該模型稱為經(jīng)典模型，是目前被各種文獻(xiàn)引用最多的一種，主要用于原理性分析中。實(shí)際上，超級電容器是一個復(fù)雜的阻容網(wǎng)絡(luò)，超級電容器的等效模型就不能只用一個電容器來準(zhǔn)確描述了。在許多場合超級電容器比系統(tǒng)中功率變換器、控制器等裝置壽命更長，可視為永久性器件。這個特點(diǎn)使超級電容器能夠在一些短時大功率充放電或者脈動負(fù)載的功率輸出等場合中，實(shí)現(xiàn)以較小容量得到較大的功率。(1) 能量密度大 超級電容器的電容量很大，可達(dá)2300 F。當(dāng)兩極板間的電勢低于電解液的氧化還原電極電位時，界面雙電層上的電荷不會脫離電解液，電容器工作在正常狀態(tài)(一般低于3V)。靜電電容器的電容量取決于電極間的距離和電極表面積，超級電容器的工作原理與其類似，只是電極表面積非常大，因此電容量很大。 由于使用的電極材料和電解質(zhì)的不同，超級電容器的儲能機(jī)理各有不同，但是儲能過程基本相同。第3章 超級電容器工作原理和特性分析第3章 超級電容器工作原理和特性分析超級電容器是超級電容儲能系統(tǒng)中最重要的器件之一，本章根據(jù)文獻(xiàn)對超級電容器的原理和超級電容器的特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，并對超級電容器的等效電路模型做了介紹。在工作過程中，系統(tǒng)控制器檢測超級電容器組的端電壓，防止發(fā)生過放電。光伏陣列和超級電容器組一起提供負(fù)載所需的能量，這種模式下，以直流母線電壓為控制目標(biāo)，電壓低到一定值時，啟動雙向BuckBoost變換器放電模式，采用恒壓控制，使母線電壓上升。這種方式是系統(tǒng)的主要工作方式。只要外界環(huán)境條件可以使光伏電池輸出功率，這種工作模式一直維持到超級電容器的儲能量達(dá)到一定程度，端電壓上升到較高的水平，達(dá)到其耐壓值，不能再存儲能量為止。因此，系統(tǒng)在工作過程中存在著多種能流關(guān)系，主要是由光伏陣列的發(fā)電狀態(tài)、超級電容器組的儲能狀態(tài)以及負(fù)載的用電狀態(tài)等因素決定的。另外，與蓄電池相比，超級電容器的循環(huán)使用壽命很長，可達(dá)105次以上，維護(hù)周期長，因此，系統(tǒng)的運(yùn)行成本將降低。(3)提高系統(tǒng)的能量利用率超級電容器組可以與光伏陣列及充電控制器配合，實(shí)現(xiàn)MPPT，使光伏陣列工作點(diǎn)保持在最大功率點(diǎn)附近，進(jìn)一步提高了光伏電池的放電效率。與傳統(tǒng)儲能裝置的蓄電池相比，超級電容器在系統(tǒng)中具有以下作用:(l)提高系統(tǒng)的可靠性和持續(xù)性與蓄電池相比，超級電容器具有更好的高低溫特性，能夠適應(yīng)惡劣的氣候條件，這使得系統(tǒng)的可靠性大大增強(qiáng)。超級電容器儲能裝置通過一個雙向變換器連接在直流母線上，能量雙向流動。太陽光經(jīng)過光伏電池將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，由系統(tǒng)控制器控制將電能通過DC/DC 供給負(fù)載使用。同時雙向變換器能夠保護(hù)超級電容器的充放電過程，保護(hù)超級電容器不受損壞；通過選擇兩個變換器的工作模式，有效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量流動過程。第2章 基于超級電容器儲能的獨(dú)立光伏系統(tǒng) 第2章 基于超級電容器儲能的獨(dú)立光伏系統(tǒng)由于超級電容器作為一種儲能元件具有充放電速度快、循環(huán)使用次數(shù)多、壽命長、功率密度高等優(yōu)良特性，因此以超級電容器作為儲能裝置可以解決蓄電池使用壽命短、維護(hù)不方便等缺陷，在光伏發(fā)電領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V泛的應(yīng)用前景。本課題的研究目的是設(shè)計應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的超級電容器儲能系統(tǒng)，并能通過儲能環(huán)節(jié)很好的調(diào)節(jié)負(fù)載和光伏發(fā)電系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。而汽車進(jìn)行減速制動時，根據(jù)研究制動所需要的能量占驅(qū)動能量的50%。北京金正平、石家莊高達(dá)、北京集星、江蘇雙登、錦州錦容和上海奧威等公司都開展了超級電容器的批量生產(chǎn)，并已在內(nèi)燃機(jī)的電子啟動系統(tǒng)、高壓開關(guān)設(shè)備、電子脈沖設(shè)備、電動汽車等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。我國的超級電容器研制工作起步較晚，始于從20世紀(jì)80年代。對超級電容器的研究主要集中在兩個方面，一是研制性能更穩(wěn)定、價格更低的新型電極及電解液材料；另一方面則是通過研究超級電容器的附加設(shè)備以提高其儲能利用率，即不斷改進(jìn)超級電容器儲能技術(shù)使儲能系統(tǒng)具有更高的可靠性和穩(wěn)定性。到目前為止，超級電容器的發(fā)展有50多年了，這期間的研究主要集中研究電極活性物質(zhì)上。電解液的成分不同，其分解電壓也不同。目前，單體超級電容器的最大電容量可以達(dá)到5000F。采用活性炭或活性炭纖維多孔化電極的雙電層電容器，電極與電解液的接觸面積大幅度增加，可以獲得極大的比面積，高達(dá)10003000m2/g。由于界面上存在一個位壘，兩層電荷都不能越過邊界彼此中和，按照電容器原理將形成一個平板電容器。本文所研究和應(yīng)用的超級電容器，主要是指基于雙電層原理工作的雙電層超級電容器。其中，雙電層電容器采用高比表面積活性炭，并基于碳電極與電解液界面上的電荷分離而產(chǎn)生雙電層電容。超級電容器作為儲能裝置具有很多優(yōu)越的性能，在很多場合己經(jīng)取代了蓄電池進(jìn)行儲能，但同時也要看到超級電容器不利于儲能的地方，超級電容器儲能技術(shù)還有待進(jìn)一步發(fā)展。而目前，光伏發(fā)電系統(tǒng)普遍采用的是蓄電池儲能，但蓄電池自身并不完善，循環(huán)壽命短、污染環(huán)境、對環(huán)境溫度要求高、充電時間長和瞬時功率輸出小等缺陷制約了光伏發(fā)電系統(tǒng)的大規(guī)模發(fā)展，增加了系統(tǒng)發(fā)電成本。此外，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)也已經(jīng)取得了長足發(fā)展，但作為能源，太陽能最大的缺陷就在于其具有不穩(wěn)定性及不連續(xù)性。能源和環(huán)境問題越來越突出，主要表現(xiàn)在傳統(tǒng)能源的不斷減少及其對環(huán)境造成的危害日益突出。在有限的可利用能源和環(huán)境保護(hù)的雙重制約面前，人類面臨著實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。太陽能開發(fā)利用技術(shù)發(fā)展很快，已經(jīng)形成了一個產(chǎn)業(yè)鏈即光伏產(chǎn)業(yè)，包括純多晶硅原材料生產(chǎn)、光伏電池生產(chǎn)、光伏電池組件生產(chǎn)及相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備的制等。因此，儲能裝置是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分。近年來，超級電容器取得了飛速發(fā)展，在諸多需要儲能的領(lǐng)域已經(jīng)開始廣泛使用超級電容器。目前，關(guān)于超級電容器的分類方法并未完全統(tǒng)一，一般認(rèn)為超級電容器包括雙電層電容器(Electric Double Layer Capacitor，EDLC)和電化學(xué)電容器(Electrochemical Capacitor)兩大類。但雙電層電容器瞬間大電流放電的功率特性比法拉第電容器好。這個界面層由兩個電荷層組成，一層在電極上，另一層在溶液中，因此形成雙電層(Helmholtz Layer)。根據(jù)電容器原理，電容的容值取決于電極間距和電極的表面積。一般地，雙電層電容器的電容量很容易超過1F，比普通電解電容器高3~4個數(shù)量級。當(dāng)兩極板間電壓超過電解液的氧化還原電極電位時，電解液將分解，為非正常狀態(tài)。1957年，Becker獲得了第一個雙電層電容器的專利，這使得超級電容器的有更進(jìn)一步的發(fā)展。 限制超級電容器發(fā)展的因素主要是超級電容器的功率密度和能量密度，尤其是其能量密度。近日，美國的Nanotek Instuments公司新研制了一種石墨烯超級電容器，相當(dāng)于鎳氫電池，這是有史以來基于碳納米材料雙電層電容器所達(dá)到的最高值，創(chuàng)造了超級電容器儲能的新紀(jì)錄。在產(chǎn)業(yè)化方面，大慶華隆電子有限公司是首家實(shí)現(xiàn)超級電容器產(chǎn)業(yè)化的公司，、11V等系列。超級電容器用于混合電動汽車中，由于汽車在行駛過程中經(jīng)常需要加速啟動或減速剎車，由于加速電動機(jī)需要很大的啟動電流，大的啟動電流對不論是蓄電池還是燃料電池都會造成大的傷害。超級電容儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用目前主要為電能質(zhì)量調(diào)節(jié)，在現(xiàn)實(shí)的供電系統(tǒng)中，由于非線性負(fù)載的廣泛應(yīng)用及大型電機(jī)的突然啟停，電網(wǎng)電壓諧波會增加，出現(xiàn)波形畸變，電壓瞬間跌落等問題，這會對需要高質(zhì)量的供電設(shè)備造成傷害，為了提高供電質(zhì)量，超級電容儲能系統(tǒng)作為儲能元件來改善電能質(zhì)量己經(jīng)被廣泛應(yīng)用。重點(diǎn)主要放在對搭建的超級電容器