【文章內(nèi)容簡介】 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。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。超級電容器進行充電時產(chǎn)生的能量損耗主要是等效內(nèi)阻引起的，系統(tǒng)的充電效率也與其有關(guān)?？梢钥闯?，這部分能量消耗主要損耗在等效串聯(lián)阻抗RES上。在進行恒流充電方式時，若充電電流為Is，則 ut=uct+ISRESR (33)解式(33)關(guān)于超級電容器電容電壓uc(t)的微分方程，并假設(shè)t=0時的則初始條件為uc(t)= uc+(t)=UC，其中Uc表示某一狀態(tài)時超級電容器的初始電容電壓值，則: uct=REPIS+(UCISREP)etCREP (34)由式(33)和式(34)，得：ut=ISREP+RES+(UCISREP)etCREP (35)顯然，充電電流越大，充電時間越短。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)。充電過程中，超級電容器等效電阻能耗的最小化是追求的目標(biāo)，但由于這個二元函數(shù)關(guān)系復(fù)雜，難以直接給出解析表達式。因此，可以從能效的觀點出發(fā)，求取超級電容器在充電過程中充電能效的最大化。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。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。超級電容器的電壓波動范圍比較大。當(dāng)它接負載時，為提高儲能利用率，可以在超級電容器與負載之間接入功率變換器。超級電容器應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中穩(wěn)定直流母線電壓時，采用的充放電方式是上述各種方式的組合。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。第4章 超級電容器儲能系統(tǒng)設(shè)計及控制策略本章首先對超級電容器中的雙層電容器的原理進行了介紹，并對超級電容器的特點進行了介紹，根據(jù)文獻對超級電容器的等效電路進行了綜述。最后根據(jù)前人的分析，對超級電容器組數(shù)量的設(shè)計和串并聯(lián)方式的設(shè)計做了介紹。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。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。超級電容器的直流和低頻特性，一般應(yīng)用在直流儲能單元中。本章主要是考慮到超級電容器儲能系統(tǒng)應(yīng)用在穩(wěn)定直流母線時的要求，選擇合適的雙向變換器，以及控制器的設(shè)計。作為儲能環(huán)節(jié)主電路，必須滿足能量可以雙向流動的條件，本論文采用電路結(jié)構(gòu)簡單，控制容易的雙向 BuckBoost變換器作為儲能控制主電路，電路拓撲如圖41所示: 圖41雙向buckboost變換器電路圖雙向buckboost變換器具有以下三個方面的優(yōu)點：(1)功率開關(guān)器件和二極管的電流、電壓應(yīng)力最??；(2)有源開關(guān)器件對應(yīng)的開通損耗最小，對應(yīng)的電路轉(zhuǎn)換效率最高；(3)由于電感的傳遞能量，可以省掉一個大容量高電壓的電容器。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。上述現(xiàn)象可以通過超級電容器儲能系統(tǒng)得到改善。在獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，常見的超級電容器儲能模塊可見圖 21 所示，本章的功率變換器就是雙向DC/DC 變換器這一個部分。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。具體的可分為三個方面的作用：(1)實現(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。同樣，光伏發(fā)電系統(tǒng)所帶的負荷也會引起系統(tǒng)的脈動，此時可以通過功率型的超級電容器實現(xiàn)瞬間功率的調(diào)節(jié)；(2)改善直流母線的電能質(zhì)量，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性 針對獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，超級電容器儲能系統(tǒng)在光伏輸出功率或者負荷功率波動等系統(tǒng)擾動時，通過釋放或吸收瞬間功率，改善直流母線的質(zhì)量。在并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)中，超級電容器儲能系統(tǒng)的存在可以有效解決電網(wǎng)電壓跌落、浪涌和瞬時供電等動態(tài)電能質(zhì)量問題；(3)保證光伏發(fā)電單元的可調(diào)度性 超級電容器儲能系統(tǒng)的存在，實現(xiàn)固定容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)制定而不需要實時考慮負載功率的變化。超級電容器儲能系統(tǒng)并聯(lián)在直流母線上，根據(jù)直流母線的電壓情況，進行儲能、釋能。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。但是，由于超級電容器本身電壓波動范圍比較大，實現(xiàn)上述功能要結(jié)合功率變換器。其中的功率變換器可以選擇雙DC/DC變換器實現(xiàn)能量配置作用。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。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互補方式工作。因此，BuckBoost雙向直流變換器能量流動方向僅取決于電源的接入位置。若兩側(cè)都有電源，則能量流動方向取決于兩電源電壓大小和占空比D的大小。雙向BuckBoost變換器共有以下三種工作方式。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。Q1導(dǎo)通，iL增加，到t=ton:時，Q1截止，Q2導(dǎo)通，但因二極管D2續(xù)流，故Q2沒有電流流過。(2)第二種方式是boost工作方式，iL自右向左，如圖（b）所示。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。(3)第三種方式是交替工作方式。如圖33（c）所示是Q1，Q2交替工作是的電感電流穩(wěn)態(tài)波形。在一個開關(guān)周期內(nèi)，電感電流iL出現(xiàn)正負交替。在t=0ton期間Q1導(dǎo)通，但Q1僅在t=0ton期間通過電流，在t=tt1期間iL為負，實際上是D1續(xù)流。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。當(dāng)iLmax=iLmin則在一個開關(guān)周期內(nèi)，電感電流iL大于零的部分面積等于小于零的部分面積，即iL，平均值為零，這表示在一個開關(guān)周期中從v1流向v2的能量等于從V2反向v1的能量，平均傳遞功率為零。若iLmaxiLmin，則能量從V1向V2側(cè)傳輸。若iLmaxiLmin,則能量從V2向V1側(cè)傳輸。圖43是超級電容器組成的儲能系統(tǒng)的主電路拓撲，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。當(dāng)功率開關(guān)管Q二極管D2工作時，雙向BuckBoost變換器相當(dāng)于Buck降壓模態(tài)，直流母線側(cè)給超級電容器儲能陣列充電。當(dāng)功率開關(guān)管Q二極管D1工作，雙向BuckBoost變換器相當(dāng)于Boost升壓模態(tài)，超級電容器儲能陣列向直流電網(wǎng)側(cè)放電，釋放能量。圖43 超級電容器儲能系統(tǒng)電路圖Buck/Boost雙向變換器體積小，器件數(shù)量少，工作效率較高。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。在獨立PWM控制中，兩個開關(guān)管Q1/D1和Q2/D2不同時動作，可以等效為單向Buck電路和單向Boost電路的反并聯(lián)組合，為了保證雙向功率流動的平滑穩(wěn)定，避免瞬時沖擊，需要一個狀態(tài)邏輯單元來實現(xiàn)Buck和Boost狀態(tài)的平穩(wěn)切換，這種狀態(tài)邏輯單元一般采用滯環(huán)的形式來實現(xiàn)。互補PWM控制的方法中兩個開關(guān)管Q1/D1和Q2/D2同時動作，該法使Buck/Boost雙向變換器獲得軟開關(guān)環(huán)境，不需要狀態(tài)邏輯單元就可以獲得雙向狀態(tài)切換，系統(tǒng)響應(yīng)更快。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。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。雙向變換器參數(shù)的設(shè)計需要綜合考慮這兩種工作模式，下面介紹開關(guān)管 QQ電感 L1 、輸入端電容C3 、輸出端電容 C4 的選取和設(shè)計。 BuckBoost 雙向變換器性能指標(biāo)： 1)超級電容器電壓：120 V 2)輸出電壓：200 V 3)輸出功率：1 kW 4)開關(guān)頻率： fs = 20 kHz(1)開關(guān)管Q1,Q2的選取由前面分析可知，開關(guān)管互補導(dǎo)通，可選用同一型號的開關(guān)，雙向變換器同樣選用 Mosfet 作為功率開關(guān)管。計算可知， A，最大值為10 A，最大電壓為 200V。選擇mosfet功率管的型號為mur1560。（2）電感L1參數(shù)的設(shè)計 雙向變換器工作在電感電流連續(xù)模式，電感電流按 Buck 模式設(shè)計，計算公式為：L2=VBUSDfs (41)由于超級電容器組充放電影響，超級電容器組端電壓會有所波動,波動范圍為177。10V。受端電壓波動影響，占空比會有所變化。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。電容電壓波動主要是由電容等效串聯(lián)電阻ESR造成的。電解電容與ESR關(guān)系為：C=65106ESR電容等效串聯(lián)電阻為：ESR=可得電容值為: C3 =241 μ F 仿真時取460μF C4用于Boost模式下，平滑母線輸出電壓，減小電壓紋波?？梢园凑沼嬎鉉3方式得到。計算可得： C4=163μF,仿真取220 μF。系統(tǒng)工作的四種能流模型，在每種能流模型工作方式下，超級電容的充放電方式都和其端電壓有關(guān)，端電壓不同，采取的控制目標(biāo)，控制策略也不同。(1)超級電容器充電控制策略光伏電池陣列輸出的功率大于負載功率，有能量剩余，此時需要向蓄電池充電，將多余的能量儲存起來。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。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)。雙向 DC/DC 電路等效于一個 Buck電路。圖44充電模式等效電路充電控制策略，當(dāng)Ps增大或PDC減小時，直流母線電壓UDC會升高，這對直流負載都有不利影響，因此可把直流母線電壓做為充電判據(jù)。當(dāng)母線電壓升高到一定值時，啟動充電過程，首先判斷超級電容端電壓，如果端電壓大于一定值，為了防止超級電容超過耐壓值，采用以直流母線端電壓為控制目標(biāo)的閉環(huán)控制策略。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。充電過程邏輯控制圖如圖45所示：圖45充電過程控制框圖其中恒流充電過程采用滯環(huán)電流控制，電流波形圖如圖46所示。圖46 恒流控制下電流波形設(shè)給定值為i，環(huán)寬為 i△。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。當(dāng)超級電容電壓達到耐壓值的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。圖47超級電容器充電控制框圖恒壓充電控制方案中，以直流母線電壓為控制目標(biāo)，給定值為功率平衡時母線電壓值，給定值和實際值的誤差信號經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后作為內(nèi)環(huán)給定信號，內(nèi)環(huán)為流過電感電流，內(nèi)環(huán)誤差信號再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)和限幅環(huán)節(jié)后進入調(diào)制器，最終生成開關(guān)管開關(guān)信號。在這個過程中，充電電流非常小，起到了限流作用，又盡可能多的向超級電容中儲存能量。(2)超級電容器放電控制策略光伏電池陣列輸出的能量不能滿足負載的需要，需要超級電容器組放電放電提供不足的能量。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。 圖48 放電模式等效電路雙向DC/DC變流器工作于Boost電路模式時，控制采用電感電流內(nèi)環(huán)和直流母線電壓外環(huán)。其控制電路框圖如圖49所示。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)。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)。本章主要針對光伏發(fā)電系統(tǒng)儲能環(huán)節(jié)進行了研究，設(shè)計了基于超級電容儲能的系統(tǒng)，選取了相應(yīng)的功率變換器。本章對雙向buckboost變