【正文】 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)。 二、簡要說明畢業(yè)設(shè)計具體實施方案，查閱的主要文獻資料、設(shè)計思路、圖表繪制、設(shè)計方法進展情況。并且在此基礎(chǔ)上完成了獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的主電路的搭建。作為需要采用儲能裝置的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，其儲能容量將大大提高，能量利用率也將大幅提升，也將引起能源結(jié)構(gòu)的巨大變化。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)電壓突降、驟升甚至間斷時，超級電容器能夠快速釋放其能量，及時補償電網(wǎng)功率，以維持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。(1)消費類電子設(shè)備在一些小功率的電子設(shè)備和各種消費類電子產(chǎn)品中，超級電容器作為電源或備用電源顯現(xiàn)出與眾不同的優(yōu)勢，在某些性能上優(yōu)于蓄電池等化學(xué)電池，如，照相機的閃光燈采用超級電容器后相機更加節(jié)能，性能也得到提升。目前儲能裝置主要是蓄電池，蓄電池雖然在現(xiàn)階段被廣泛應(yīng)用，但是其具有充電時間長、循環(huán)壽命短、污染環(huán)境等儲能缺陷，而超級電容器儲能完全能彌補蓄電池的缺陷。超級電容器通過一個BuckBoost雙向變換器并聯(lián)在直流母線上，使其既可以作為負載通過Buck將太陽能電池產(chǎn)生的能量儲存起來，即進行充電，又可以作為電源，單獨或者和光伏系統(tǒng)一起，向負載提供能量。設(shè)計一個光伏供電、適于超級電容充放電控制的雙向DC/DC變換器系統(tǒng)[1114]。超級電容器儲能系統(tǒng)利用多組超級電容器（稱為超級電容器組件陣列）將能量以電場能的形式儲存起來，當(dāng)能量緊急缺乏或需要時，再將存儲的能量通過控制系統(tǒng)釋放出來，準(zhǔn)確快速地補償系統(tǒng)所需的有功和無功，從而實現(xiàn)電能的平衡、穩(wěn)定控制[3]。附錄附錄1燕 山 大 學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告課題名稱：超級電容器儲釋能雙向變換器設(shè)計與仿真學(xué)院（系）： *** 年級專業(yè)： 08應(yīng)用電子2班 學(xué)生姓名： *** 指導(dǎo)教師： *** 完成日期： 2012年3月20日 一、綜述本課題國內(nèi)外研究動態(tài)，說明選題的依據(jù)和意義 隨著化石能源迅速消耗，以及由此帶來的能源危機與環(huán)境污染日益加劇，近年來世界各國都在積極尋找和開發(fā)新的、清潔的可再生能源。本文通過搭建超級電容器儲能電路結(jié)構(gòu)。當(dāng)電網(wǎng)處于用電高峰時，超級電容器放電釋能，維持直流母線電壓恒定，以使變換器能夠恒定的向負載輸送有功功率，在這里，由于變換器工作于恒功率放電狀態(tài)，所以可以將其等效為一個恒定的電阻，其等效電路圖如圖54所示。對超級電容進行充電模式仿真，此時雙向DC/DC變流器工作于Buck電路模式，母線電壓等效為Vbus=200V的理想電壓源。圖49雙向DC/DC變流器Boost電路模式控制框圖由圖49可見，外環(huán)為直流母線電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為電感電流環(huán)。當(dāng)電流小于給定值的時候，開關(guān)管開通，因為母線電壓大于超級電容電壓，電流上升，當(dāng)電流大于i+i△時，開關(guān)管關(guān)斷，電流通過二極管續(xù)流并減小，當(dāng)電流小于ii△時，開關(guān)管開通，電流增大，母線能量繼續(xù)流向超級電容，當(dāng)電流大于i+i△時，重復(fù)剛才的過程。超級電容器充電工作模式時雙向 DC/DC 變流器工作于降壓電路模式，直流母線電壓等效一個直流電壓源。受端電壓波動影響，占空比會有所變化。在微型電網(wǎng)中，超級電容器作為快速儲能，需要迅速且頻繁的吸收/發(fā)出有功功率，其雙向狀態(tài)切換頻繁，更適合采用互補PWM方法。若iLmaxiLmin,則能量從V2向V1側(cè)傳輸。若Q2在t=ton期間導(dǎo)通，iL在V2作用下增加，t=T時，Q2截止，Q1導(dǎo)通，iL經(jīng)D1向負載側(cè)即V1端流動，知道下一個Ton時Q1再次開通為止。當(dāng)能量從V1側(cè)向V2側(cè)流動，即以V1為電源端，該變換器就是一個Buck變換器，此時Q1為PWM工作方式，Q2不工作，或與Q1互補方式工作。超級電容器儲能系統(tǒng)在該系統(tǒng)中主要功能是實現(xiàn)能量的緩沖，平滑光伏發(fā)電系統(tǒng)的脈動性。第4章 超級電容器儲能系統(tǒng)設(shè)計及控制策略第4章 超級電容器儲能系統(tǒng)設(shè)計及控制策略超級電容器的諸多優(yōu)勢，使它在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。超級電容器存儲的能量Wc為Wc=12Cuc2Uc2 (36)充電過程中消耗的總電能Wo為Wo=0tISutdt (37)由能量守恒定律，整個充電過程中充電所消耗的能量為：Wo=Ws+Wc因此，變得到超級電容器的橫流充電效率η為：η=WCWO=WCWC+WS (38)超級電容器的放電特性考慮放電電流，采用大電流放電可以提高功率密度，但是能量密度隨之會降低。這種充電方式時對上述兩種方式的補充，即在低壓時采用大電流的恒流充電，隨電壓升高不斷改變充電電流或改用恒壓充電，直至充到額定電壓為止。(2)浮充充電方式超級電容器在不工作時會以漏電流的形式自放電，而且采用電解液的不同漏電流的大小也有很大差異。超級電容器具有很長的循環(huán)壽命，在理論上可以進行無限次地充放電，在使用過程中老化現(xiàn)象不明顯，同時能量存儲沒有一記憶效應(yīng)。對于每臺小的超級電容器組，則其最大充電電壓為Vsmax=，最小的放電電壓為Vsmin=。C為超級電容器的等效電容量，是直接表征其儲電能力的參數(shù)，單位為法拉級。這時由于在生產(chǎn)制作的過程中引起的單體電容量和等效電阻等參數(shù)的不一致，從而引起了串聯(lián)均壓問題。它的功率密度約為鉛酸蓄電池的20倍。如此大的電極表面積使超級電容器的電容量非常大，故可以儲存很多的靜電能量。超級電容器(supercapacitor)，又叫電化學(xué)電容器(Electrochemical Capacitor , EC)，雙電層電容器(Electrical DoubleLayer Capacitor)、黃金電容(Gold Capacitor)、法拉電容，是利用電極和電解質(zhì)之間形成的界面雙電層來儲存能量的一種新型電容器，是建立在德國物理學(xué)家Helmholz(亥姆霍茲)提出的界面雙電層理論基礎(chǔ)上的一種全新的儲能器件。由超級電容器提供負載所需的全部能量。圖23超級電容器單獨充電儲能2）當(dāng)日照強度突然變大時，Boost升壓電路進行MPPT控制，功率輸出增大，但負載消耗功率不變，如果這個時候超級電容器組端電壓比較低，仍然可以存儲大量能量，系統(tǒng)就轉(zhuǎn)入光伏陣列同時給超級電容器和負載供電模型，如圖24所示。在本系統(tǒng)中，能源來自于光伏陣列，超級電容器組既可以作為電源，向負載供電，又可以作為負載，將光伏陣列輸出的電能儲存起來。因此，當(dāng)電網(wǎng)受到某些因素干擾，電網(wǎng)電壓發(fā)生波動時，超級電容器組與放電控制器配合，快速吸收紋波峰值功率，可以較快地補償電壓驟降或突升，改善直流母線輸出電壓，進而改善電能質(zhì)量。系統(tǒng)中光伏電池通過單向變換器連接負載，能量單向流動。這種結(jié)構(gòu)能很好的解決光伏電池陣列與超級電容器組串并聯(lián)數(shù)不匹配的問題，可以根據(jù)電路結(jié)構(gòu)和功率容量比較靈活的選擇；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也比較簡單，超級電容器的充放電過程通過一個雙向變換器實現(xiàn)，可減輕系統(tǒng)重量。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)實的供電系統(tǒng)中，由于非線性負載的廣泛應(yīng)用及大型電機的突然啟停，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。在產(chǎn)業(yè)化方面，大慶華隆電子有限公司是首家實現(xiàn)超級電容器產(chǎn)業(yè)化的公司，、11V等系列。 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。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)。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。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。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。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。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。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。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。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。目前，單體超級電容器的最大電容量可以達到5000F。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。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。而汽車進行減速制動時，根據(jù)研究制動所需要的能量占驅(qū)動能量的50%。第2章 基于超級電容器儲能的獨立光伏系統(tǒng) 第2章 基于超級電容器儲能的獨立光伏系統(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。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 供給負載使用。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。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105次以上，維護周期長，因此，系統(tǒng)的運行成本將降低。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到一定程度，端電壓上升到較高的水平，達到其耐壓值，不能再存儲能量為止。光伏陣列和超級電容器組一起提供負載所需的能量，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。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)文獻對超級電容器的原理和超級電容器的特點進行了介紹，并對超級電容器的等效電路模型做了介紹。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。(1) 能量密度大 超級電容器的電容量很大，可達2300 F。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。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，是目前被各種文獻引用最多的一種，主要用于原理性分析中。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。在本系統(tǒng)中，系統(tǒng)儲能量設(shè)計為:Ws=40kJ。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)進行優(yōu)化控制。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。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)。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。光伏發(fā)電的一個顯著的缺點就是輸出的電能受外界環(huán)境比如光照強度、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，跟蹤負荷的能力減弱，夜晚光伏電池不能給負載提供能量。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，進而向用戶提供高質(zhì)量的電能。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。t=ton時，iL=iLmax，Q1關(guān)斷，Q2導(dǎo)通，在t=tont2期間，實際上是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，進入下一周期。該變換器有兩種PWM控制方法：1）獨立PWM控制方法；2）互補PWM控制方法。選擇mosfet功率管的型號為mur1560。計算可得： C4=163μF,仿真取220 μF。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。超級電容將儲存的能量經(jīng)過雙向DC/DC變流器向直流負載釋放能量，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。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)境進行仿真研究，驗證控制策略的正確性。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行恒流充電。