【正文】 EPR一般很大，可以達(dá)數(shù)萬歐姆，所示超級電容器的漏電流一般很小，只有幾十或幾百微安培。ESR的大小對超級電容器的放電能力有重要的影響，放電電流的不同會引起其產(chǎn)生不同的壓降，在一定程度上影響了超級電容器的最大放電電流，此外還表征了超級電容器在充放電過程中產(chǎn)生的內(nèi)部發(fā)熱損耗。由于超級電容器的內(nèi)部電阻和電容的形成較復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中，不適合采用這種復(fù)雜的模型，就需要提出實(shí)用化的等效模型。為了配合光伏發(fā)電系統(tǒng)的不穩(wěn)定性以及保證負(fù)載的供電質(zhì)量，還需要考慮光伏電池和超級電容器共同給負(fù)載供電的情況，以及何種狀態(tài)下控制超級電容器充放電。超級電容器儲能系統(tǒng)主要的目的是穩(wěn)定直流母線電壓，并且要求在系統(tǒng)工作時能夠通過控制電感電流來控制超級電容器組的充電電流和放電電流 因此雙向 buckboost 變換器采用直流母線電壓外環(huán)控制和電感電流內(nèi)環(huán)控制的控制策略。 按照畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書和開題報告中的要求，首先調(diào)研了解了光伏發(fā)電系統(tǒng)中儲能單元的作用原理，掌握了超級電容器充放電特性，建立了適當(dāng)?shù)某夒娙萜髂Ｐ?。四、存在問題目前，由于超級電容器的成本較高，以及控制較復(fù)雜，所以造成其沒有大規(guī)模的應(yīng)用。 雖然離蓄電池還有一段距離，但隨著技術(shù)的發(fā)展，其能量密度要達(dá)到并超過蓄電池不是不可能，到那時，超級電容器將會給儲能帶來革命性的變化。(5)分布式發(fā)電系統(tǒng)由于可再生能源發(fā)電或分布式發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電設(shè)備的輸出功率具有不穩(wěn)定性和不可預(yù)測的特點(diǎn)，采用超級電容器儲能后，就能充分發(fā)揮其儲能特點(diǎn)。 (4)電網(wǎng)/配電網(wǎng)的電力調(diào)峰和電能質(zhì)量改善超級電容器在這方面主要是用于電網(wǎng)或配電網(wǎng)的動態(tài)電壓補(bǔ)償(DvR)系統(tǒng)，以改善電網(wǎng)電能質(zhì)量。 (2)工業(yè)電器工業(yè)電器方面的應(yīng)用主要是儀器儀表、UPS(不間斷電源)和安防設(shè)備方面現(xiàn)在大部分的儀器儀表采用的是電池供電，電池的使用壽命短，需要經(jīng)常換，這給數(shù)據(jù)的長期保存、顯示等帶來不便。二、研究主要成果 超級電容器作為產(chǎn)品己經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，其應(yīng)用范圍也越來越廣泛，無論是從小容量的特殊儲能到大容量大規(guī)模的電力儲能，還是從單獨(dú)儲能到混合儲能，超級電容器都展現(xiàn)了其在儲能領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢。超級電容器也叫做電化學(xué)電容器，它性能穩(wěn)定，比容量為傳統(tǒng)電容器的20～200 倍，比功率一般大于1 000 W/ kg，循環(huán)壽命大于105 次，可存儲的能量比傳統(tǒng)電容要高得多，并且充電快速。充分開發(fā)利用太陽能是世界各國可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略決策，其中光伏發(fā)電最受矚目。提出采用適宜的方法進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動靜態(tài)性能，結(jié)合應(yīng)用，對超級電容器直流儲能單元進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并計算相關(guān)參數(shù)。制定的光伏系統(tǒng)初步框架為下圖所示。擬解決的主要問題：根據(jù)數(shù)學(xué)模型搭建光伏發(fā)電系統(tǒng)各元件的仿真模型[3][10][15]，分析超級電容器的充放電特點(diǎn)[47]。 超級電容器在儲能領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛:可以改善分布式發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、提高配電網(wǎng)的電能質(zhì)量、減小電動機(jī)車運(yùn)行時對電網(wǎng)的沖擊、加速UPS的啟動等等，國內(nèi)外的專家、學(xué)者在這些應(yīng)用方面都進(jìn)行了探索性研究[5]。研究結(jié)果表明 ,不論外界條件如何變化 ,應(yīng)用超級電容器的光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠輸出平穩(wěn)的電流和電壓 ,可實(shí)現(xiàn)不間斷供電 ,從而提高光伏電池的利用率。但蓄電池存在一些難以克服的缺點(diǎn)，如循環(huán)壽命短、嚴(yán)格的充放電電流，限制了獨(dú)立光伏系統(tǒng)的大規(guī)模發(fā)展[12]。太陽能光伏發(fā)電能緩解能源危機(jī)和減少環(huán)境污染，并具有廣闊的應(yīng)用前景。同時我還要感謝在我學(xué)習(xí)期間給我極大關(guān)心和支持的各位老師以及關(guān)心我的同學(xué)和朋友。通過對超級電容器儲能系統(tǒng)中的雙向DC/DC變換器的閉環(huán)設(shè)計及仿真，超級電容器儲能系統(tǒng)在充電儲能時，能夠根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)置先恒流后恒壓充電到系統(tǒng)設(shè)置值，超級電容儲能系統(tǒng)在放電釋能時，能夠根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)置迅速放電，從而維持并網(wǎng)變換器母線恒定。獨(dú)立光伏發(fā)電技術(shù)作為光伏發(fā)電的主要形式，限制其發(fā)展的主要是光伏電池和儲能裝置，而儲能裝置又是其主要部件。圖55a 放電時超級電容器端電壓圖55b 負(fù)載兩端電壓從上面的仿真波形可以看出，當(dāng)超級電容器組向電網(wǎng)釋放能量時，雙向變換器開始向電網(wǎng)輸送有功功率，相當(dāng)于系統(tǒng)工作于Boost電路模式突然加載，此時，通過對超級電容器儲能系統(tǒng)中的雙向DC/DC變流器Boost電路模式的閉環(huán)控制，超級電容組能夠快速放電，以維持直流母線電壓的恒定，從而使雙向變換器能夠恒功率的向電網(wǎng)輸送功率。當(dāng)超級電容器組電壓達(dá)到預(yù)充電壓時，電壓瞬時值環(huán)起作用，超級電容器組轉(zhuǎn)為恒壓充電模式進(jìn)行充電儲能。設(shè)置恒流區(qū)的充電電流為20A。圖51 基于超級電容器儲能的光伏系統(tǒng)上述基于超級電容器儲能的光伏系統(tǒng)，其中包含兩個DCDC電路，即Boost升壓電路，用于控制太陽能電池的最大功率點(diǎn)跟蹤，以及雙向BuckBoost變換器，用于控制超級電容器充電，使用電阻模擬母線負(fù)載。本章主要針對光伏發(fā)電系統(tǒng)儲能環(huán)節(jié)進(jìn)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。 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)。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(shí)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(jìn)入調(diào)制器，最終生成開關(guān)管開關(guān)信號。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。雙向 DC/DC 電路等效于一個 Buck電路。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。電容電壓波動主要是由電容等效串聯(lián)電阻ESR造成的。（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。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 電感 L1 、輸入端電容C3 、輸出端電容 C4 的選取和設(shè)計。在獨(dú)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(shí)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(shí)現(xiàn)。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)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。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。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。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。但是，由于超級電容器本身電壓波動范圍比較大，實(shí)現(xiàn)上述功能要結(jié)合功率變換器。同樣，光伏發(fā)電系統(tǒng)所帶的負(fù)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(shí)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(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性 針對獨(dú)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(fù)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。上述現(xiàn)象可以通過超級電容器儲能系統(tǒng)得到改善。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。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(jìn)行了介紹，并對超級電容器的特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，根據(jù)文獻(xiàn)對超級電容器的等效電路進(jìn)行了綜述。超級電容器的電壓波動范圍比較大。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(dá)式。超級電容器進(jìn)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)。因此，采用浮充充電方式時浮充電壓的選取非常重要。的存在會在電容開路時通過其放電，可以認(rèn)為RREP消耗了這部分電能。比如，對電動客車充電站等對時間要求敏感的場合，可以采用大電流、短時充電方式。所以超級電容器的充電控制可以借鑒蓄電池的充電方式，也可以利用大脈沖對其進(jìn)行快速充電。由于系統(tǒng)中功率變換器的要求，系統(tǒng)需要由88臺小的超級電容器進(jìn)行串并聯(lián)，以使超級電容器組端電壓滿足功率變換器的要求，所以系統(tǒng)采用44臺超級電容串聯(lián)，2臺小的超級電容器組并聯(lián)。對于單臺超級電容器組，此時最小放電電壓Vsmin=。因此，超級電容器組的等效電路也可以近似為 RC 結(jié)構(gòu)，其等效串聯(lián)內(nèi)阻Rarray: (31)其中，NS為串聯(lián)器件數(shù)，NP為并聯(lián)支路數(shù)。REPR主要影響超級電容器的漏電流，從而影響電容器的長期儲能性能。圖21 超級電容器經(jīng)典等效電路模型其中，RESR(equivalent series resistance)為等效串聯(lián)電阻，REPR(equivalent parallel resistance)為等效并聯(lián)電阻，C為等效電容。每一個支路都是由不同的電阻、電容以及相應(yīng)的特性時間常數(shù)組成。與此同時，超級電容器也有自身的缺點(diǎn)，如能量密度跟蓄電池相比較低，從而在大容量的電力儲能場合下，它的應(yīng)用就受到了限制；端電壓的波動范圍比較大，因此在要求端電壓穩(wěn)定的場合，超級電容器與負(fù)載之間需要有一個電壓適配器。(3) 充放電速率快、效率高 超級電容器的內(nèi)阻小，因此充放電時間常數(shù)小，充放電過程中的能量損耗小。因此與普通電容器相比，在相同體積或質(zhì)量的條件下，超級電容器儲存的能量要多，即能量密度大，可達(dá)2070 MJ/m3。當(dāng)兩極板間的電勢高于電解液的氧化還原電極電位時，電解液將發(fā)生分解，這時電容器處于非正常狀態(tài)。當(dāng)外加電壓加到超級電容器的兩個電極上時，與普通電容器一樣，電極導(dǎo)體與電解液接觸后會在其表面產(chǎn)生符號相反的電荷層，這種正電荷與負(fù)電荷排列在兩個不同相之間的接觸面上，而且是以極短間隙排列的，這個電荷分布層就叫做界面雙電層。在實(shí)用過程中，出于對安全及價格因素的考慮，碳材料雙電層電容器使用的比較廣泛，且技術(shù)也相對成熟。超級電容儲能系統(tǒng)需要一定數(shù)量的超級電容器單體串并聯(lián)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的要求，如何確定超級電容器的數(shù)量，如何對超級電容器進(jìn)行串并聯(lián)，使得超級電容器組即滿足系統(tǒng)的儲能要求，同時系統(tǒng)的可靠性又最高，也是設(shè)計超級電容儲能系統(tǒng)的一個重要問題。另外，對負(fù)載進(jìn)行能量管理，優(yōu)先滿足重要負(fù)載的用電需求，關(guān)閉不重要的負(fù)載。圖25 光伏電池和超級電容器同時給負(fù)載供電4）當(dāng)光伏陣列不能發(fā)電時，由超級電容器單獨(dú)向負(fù)荷供電，如圖26所示。這個時候，由于功率輸出增大，直流母線電壓值首先會增大。在這個工作模式中，由于超級電容器組經(jīng)過較深放電，因而初始電壓較低，當(dāng)光伏陣列的全部輸出能量都用于對其充電時，超級電容相當(dāng)于短路，充電電流會非常大，有可能燒壞功率開關(guān)器件，因此要對充電電流進(jìn)行限制，防止因電流過大而損壞充電控制器及相關(guān)電路。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(fù)載供電，又可以作為負(fù)載，將光伏陣列輸出的電能儲存起來。超級電容器作為新型儲能裝置，具有許多優(yōu)越的儲能優(yōu)勢，其發(fā)展速度很快。隨著儲能技術(shù)的不斷發(fā)展，超級電容器的放電深度將進(jìn)一步提高，能夠釋放更多的電能，系統(tǒng)的能量利用率將大大提高。此外，由于單體超級電容器具有較高的能量密度和功率密度，因此超級電容器組作為能量儲存裝置，可以儲存較大的能量，在夜間或陰雨天均能向負(fù)載供電，保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的持續(xù)供電能力。圖22 光伏發(fā)電系統(tǒng)原理圖C1和C2分別為其輸入端儲能電容和輸出端濾波電容，L1是電感，Q1和D1分別為功率開關(guān)管和續(xù)流二極管。如果光照充足，發(fā)出的電能在滿足負(fù)載使用的同時，通過雙向DC/DC變換器將多余的電能儲存在儲能元件中，當(dāng)夜間或太陽光照不充足時，光伏電池發(fā)出的電能無法滿足負(fù)載的要求，此時儲能環(huán)節(jié)就會利用自身所存儲的能量，通過系統(tǒng)控制器為負(fù)載提供所需電能，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。該系統(tǒng)中單向 DCDC變換器為提供穩(wěn)壓輸出給負(fù)載，利用雙向 DCDC 變換器控制超級電容器的充放電，給負(fù)載輔助供電或吸收多余電能，結(jié)構(gòu)與圖 21 相似。本文以超級電容器組作為儲能裝置，構(gòu)建了獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、能量流動、控制系統(tǒng)等進(jìn)行了分析和研究。分析超級電容器的儲能原理，提出一種超級電容器的等效電路模型，研究超級電容器的儲能特性，并對超電容器儲能的幾個關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。如果加入超級電容儲能器對汽車啟動加速和剎車減速進(jìn)行能量管理，既可以降低對電動汽車中蓄電池或燃料電池的傷害，又可以回收多余的能量，延長電動汽車的行駛里程。我國在超級電容器基礎(chǔ)技術(shù)上的研究，以及產(chǎn)業(yè)化的形成，為開展超級電容器儲能系統(tǒng)的研究和應(yīng)用，奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)和物質(zhì)條件。電子部49所率先研制出用于電子電路的容量為法拉級的產(chǎn)品，近年來，清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京科技大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、中科院電工研究所、解放軍防化研究院、成都電子科技大學(xué)等，都開展了超級電容器的基礎(chǔ)研究和器件研制。近年來，超級電容器的研究開發(fā)熱潮席卷全球，許多國家先后投入大量的人力、物力進(jìn)行超級電容器及其相關(guān)應(yīng)用的研究，并取得了顯著的研究成果，美國、俄羅斯、日本等國在超級電容器的很多領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。1962年，標(biāo)準(zhǔn)石油公司(SOHIO)生產(chǎn)了一種工作電壓為6V的碳材料電極雙電層電容器，其大小和汽車蓄電池差不多。一般地，采用水電解液的雙電層電容器的單體工作電壓約為1V。電解液的分解電壓決定了超級電容器的最高工作電壓。而且，雙電層之間的距離非常