【正文】 Annual APEC，Dallas，TX，USA，2002．[15] 張芳華，朱成花，[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，25(11)：4649[16] 張步涵, 王云玲, 曾杰. 超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)及其應(yīng)用. 水電能源科學(xué), 2006,24(5):5052[17] 魯蓉, 張建成. 超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)在分布式發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用. 電力科學(xué)與工程, 2006, (3):6367[18] Pay S, Baghzouz Y. Effectiveness of batterysupercapacitor bination in electricvehicles. IEEE Power Tech Conference Proceedings, Bologna, 2003:6165[19] ,李珊,崔軍飛. , 2010, 32(12):3233[20] 閆曉金, 孫晉豪, 徐利娜. 超級(jí)電容器的電特性及在獨(dú)立光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用. 北華航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào), 2009, 19(4):1619[21] . [中國(guó)科學(xué)院電工研究所博士學(xué)位論文]. 2006:1215[22] . [華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文]. 2007:3235[23] 田軍 , 朱永強(qiáng) , 陳彩虹 . 儲(chǔ)能技術(shù)在分布式發(fā)電中的應(yīng)用 . 電氣技術(shù) , 2010,(8):2832[24] 李奇睿. 基于超級(jí)電容器的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的研發(fā). [華北電力大學(xué)碩士學(xué)位文]. 2005:1114[25] Gualous H, Bouquain D, Berthon A Experimental study of supercapacitor serial resistance and capacitance variations with temperature. Journal of Power Sources,2010, 123(1):8693[26] 張國(guó)駒, 唐西勝, 周龍, , 2011, 31(6):1521致謝 致謝經(jīng)過(guò)大學(xué)四年的學(xué)習(xí)，籍論文完成之際，我特向指導(dǎo)和幫助我的老師、同學(xué)、朋友及支持我的家人表示誠(chéng)摯的謝意。根據(jù)超級(jí)電容器的充放電特性，利用雙向DC/DC設(shè)計(jì)了超級(jí)電容器充放電控制器。目前儲(chǔ)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(shí)間長(zhǎng)、循環(huán)壽命短、污染環(huán)境等儲(chǔ)能缺陷，而超級(jí)電容器儲(chǔ)能完全能彌補(bǔ)蓄電池的缺陷。結(jié)論結(jié)論本文主要研究了超級(jí)電容器的儲(chǔ)能特性，對(duì)超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了探討。本章對(duì)超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的兩種工作模式進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)在兩種工作模式時(shí)的可行性，在超級(jí)電容進(jìn)行充電儲(chǔ)能時(shí)，系統(tǒng)能夠根據(jù)控制方式先恒流，后恒壓進(jìn)行充電。圖54 放電等效電路圖圖55中，55（a）為超級(jí)電容器組的電壓，圖55(b)為負(fù)載兩端電壓。由于系統(tǒng)的充電電流為人為設(shè)定，所以儲(chǔ)能系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定充電電流的大小。從上面的仿真波形可以看出，超級(jí)電容器組電壓較低時(shí)，充電電流逐漸增大，此時(shí)電流環(huán)快速調(diào)節(jié)，超級(jí)電容器組以期望的電流進(jìn)行恒流充電。將超級(jí)電容器組充電到96V的波形見(jiàn)圖53。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(shí)間，這里設(shè)置超級(jí)電容器組由0V充電到96V。本文主要仿真的是超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)中雙向變換器的兩種工作狀態(tài)。第5章 超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的仿真第5章 超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的仿真前面介紹了超級(jí)電容器儲(chǔ)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。本章對(duì)雙向buckboost變換器的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析，同時(shí)計(jì)算了雙向buckboost變換器的相關(guān)參數(shù)。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)。其控制電路框圖如圖49所示。超級(jí)電容將儲(chǔ)存的能量經(jīng)過(guò)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(shí)的等效電路如圖48所示。在這個(gè)過(guò)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(jí)電容中儲(chǔ)存能量。當(dāng)超級(jí)電容電壓達(dá)到耐壓值的90%時(shí)，為了防止過(guò)充損壞超級(jí)電容，充電模式改為恒壓充電，圖47是恒壓充電控制框圖。圖46 恒流控制下電流波形設(shè)給定值為i，環(huán)寬為 i△。如果超級(jí)電容端電壓小于V，為了防止電流過(guò)大，使用恒流控制策略。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(shí)，直流母線電壓UDC會(huì)升高，這對(duì)直流負(fù)載都有不利影響，因此可把直流母線電壓做為充電判據(jù)。超級(jí)電容器充電工作模式時(shí)的等效電路如44所示，此時(shí)開(kāi)關(guān)管 Q1工作在 PWM 狀態(tài)，開(kāi)關(guān)管Q2工作于二極管狀態(tài)。(1)超級(jí)電容器充電控制策略光伏電池陣列輸出的功率大于負(fù)載功率，有能量剩余，此時(shí)需要向蓄電池充電，將多余的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)。計(jì)算可得： C4=163μF,仿真取220 μF。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(shí)取460μF C4用于Boost模式下，平滑母線輸出電壓，減小電壓紋波。計(jì)算得：Dmin=110200=Dmax=130200=將計(jì)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(jì) C3用于Buck模式下，平滑蓄電池輸入電流，減小電流紋波。10V。選擇mosfet功率管的型號(hào)為mur1560。 BuckBoost 雙向變換器性能指標(biāo)： 1)超級(jí)電容器電壓：120 V 2)輸出電壓：200 V 3)輸出功率：1 kW 4)開(kāi)關(guān)頻率： fs = 20 kHz(1)開(kāi)關(guān)管Q1,Q2的選取由前面分析可知，開(kāi)關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，可選用同一型號(hào)的開(kāi)關(guān)，雙向變換器同樣選用 Mosfet 作為功率開(kāi)關(guān)管。BuckBoost 雙向變換器有兩種工作模式，Buck 模式下，蓄電池充電儲(chǔ)存能量，Boost 模式下，蓄電池放電釋放能量?；パa(bǔ)PWM控制的方法中兩個(gè)開(kāi)關(guān)管Q1/D1和Q2/D2同時(shí)動(dòng)作，該法使Buck/Boost雙向變換器獲得軟開(kāi)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。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。當(dāng)功率開(kāi)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(jí)電容器儲(chǔ)能陣列向直流電網(wǎng)側(cè)放電，釋放能量。圖43是超級(jí)電容器組成的儲(chǔ)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(jí)電容器等效的理想電容，RS是超級(jí)電容器的等效串聯(lián)內(nèi)阻。若iLmaxiLmin，則能量從V1向V2側(cè)傳輸。t=ton時(shí)，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(shí)，t=tont2，iL=0后，才有電流流過(guò)Q2，iL反向增加，到t=T時(shí)iL=iLmin，Q2截止，進(jìn)入下一周期。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，電感電流iL出現(xiàn)正負(fù)交替。(3)第三種方式是交替工作方式。(2)第二種方式是boost工作方式，iL自右向左，如圖（b）所示。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(dòng)，iL自左至右，電流波形如圖33(a)所示。若兩側(cè)都有電源，則能量流動(dòng)方向取決于兩電源電壓大小和占空比D的大小。若能量從V2向V1方向流動(dòng)，即V2為電源端，則該變換器為Boost變換器，此時(shí)Q2為PWM工作方式，Q1不工作，或與Q2互補(bǔ)方式工作。其中的功率變換器可以選擇雙DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)能量配置作用。該系統(tǒng)通過(guò)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。在并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)中，超級(jí)電容器儲(chǔ)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(shí)供電等動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題；(3)保證光伏發(fā)電單元的可調(diào)度性 超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的存在，實(shí)現(xiàn)固定容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)制定而不需要實(shí)時(shí)考慮負(fù)載功率的變化。具體的可分為三個(gè)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(guò)能量型的超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存的能量來(lái)維持系統(tǒng)工作，即相當(dāng)于備用電源的作用。在獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，常見(jiàn)的超級(jí)電容器儲(chǔ)能模塊可見(jiàn)圖 21 所示，本章的功率變換器就是雙向DC/DC 變換器這一個(gè)部分。光伏發(fā)電的一個(gè)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(huì)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。本章主要是考慮到超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用在穩(wěn)定直流母線時(shí)的要求，選擇合適的雙向變換器，以及控制器的設(shè)計(jì)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，超級(jí)電容器與功率變換器組成的儲(chǔ)能系統(tǒng)在不斷的完善。最后根據(jù)前人的分析，對(duì)超級(jí)電容器組數(shù)量的設(shè)計(jì)和串并聯(lián)方式的設(shè)計(jì)做了介紹。充電時(shí)根據(jù)條件是恒流轉(zhuǎn)恒壓充電，放電時(shí)采用的是恒壓放電。當(dāng)它接負(fù)載時(shí)，為提高儲(chǔ)能利用率，可以在超級(jí)電容器與負(fù)載之間接入功率變換器。同時(shí)，如果小電流放電，RESR 上的電壓值比超級(jí)電容器端電壓小很多時(shí)，可以把超級(jí)電容器當(dāng)做理想電容處理。因此，可以從能效的觀點(diǎn)出發(fā)，求取超級(jí)電容器在充電過(guò)程中充電能效的最大化。超級(jí)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(shí)間t的二元函數(shù)。可以看出，這部分能量消耗主要損耗在等效串聯(lián)阻抗RES上。這種方式適合大多數(shù)超級(jí)電容器的充電，將會(huì)是超級(jí)電容器采用最廣泛的充電方式之一。(3)組合充電方式為了有效利用超級(jí)電容器的儲(chǔ)能容量，可以采用靈活的組合充電方式。同時(shí)選擇的浮充電壓也不能過(guò)高，太高不僅增加能量損耗而且嚴(yán)重時(shí)會(huì)使超級(jí)電容器使用壽命縮短。因此，在一些長(zhǎng)期使用需要不斷充放電的場(chǎng)合，超級(jí)電容器儲(chǔ)能的最佳方式就是給其不斷浮充充電，以備儲(chǔ)能的不斷減少。另外，從等效電路模型也可以看出，超級(jí)電容器由于等效并聯(lián)阻抗RREP。而對(duì)于UPS等備用電源設(shè)備，則可以用小電流補(bǔ)充充電。由于超級(jí)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(jí)電容器自身狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化控制。目前常用的充電方式簡(jiǎn)介如下: (1)恒流充電方式恒流充電方式的主要特點(diǎn)是具有較大的適應(yīng)性，可以在允許范圍內(nèi)任意選擇充電電流。另外，對(duì)充放電過(guò)程的監(jiān)測(cè)非常方便，因?yàn)槠鋬?chǔ)存的電荷及能量就要通過(guò)檢測(cè)電壓就能近似確定。超級(jí)電容器組的串并聯(lián)等效電阻及電容器容值可以根據(jù)電容器的串并聯(lián)等效電路求得，這里可以得到本系統(tǒng)的超級(jí)電容器組的參數(shù):C=，Res=，Rep=l0kΩ。在本系統(tǒng)中，系統(tǒng)儲(chǔ)能量設(shè)計(jì)為:Ws=40kJ。超級(jí)電容器組用能量約束法來(lái)求取。超級(jí)電容器組的最大放電功率為1kw，在超級(jí)電容器組電壓最低時(shí)，超級(jí)電容器組的放電電流最大，此時(shí)超級(jí)電容器組的電壓為Vmin=60V，根據(jù)計(jì)算，可以求出此時(shí)超級(jí)電容器組的放電電流為isc=。超級(jí)電容器組的等效電容為： (32)本文系統(tǒng)要求超級(jí)電容電壓范圍為60V100V，所以采用88臺(tái)超級(jí)電容組串并聯(lián)，此時(shí)超級(jí)電容器組允許的最高充電電壓為 Vmax=120V。RC 等效模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠較準(zhǔn)確地反映出超級(jí)電容器在充放電過(guò)程中的外在電氣特征，將器件并聯(lián)或串聯(lián)不會(huì)影響其特性。REPR一般很大，可以達(dá)數(shù)萬(wàn)歐姆，所示超級(jí)電容器的漏電流一般很大，只是幾十或幾百微安排。生產(chǎn)超級(jí)電容器的廠家對(duì)參數(shù)的定義各有不同，但一般會(huì)給出以上兩個(gè)參數(shù)。RESR的大小對(duì)超級(jí)電容器的放電能力有重要的影響，放電電流的不同會(huì)引起其產(chǎn)生不同的壓降，在一定程度上影響了超級(jí)電容器的最大放電電流，此外還表征了超級(jí)電容器在充放電過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)部發(fā)熱損耗。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。由于超級(jí)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。實(shí)際上，超級(jí)電容器是一個(gè)復(fù)雜的阻容網(wǎng)絡(luò)，超級(jí)電容器的等效模型就不能只用一個(gè)電容器來(lái)準(zhǔn)確描述了。電壓適配器的存在，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本，降低了能量轉(zhuǎn)化效率；超級(jí)電容器的單體電壓比較低、儲(chǔ)存能量少，一般通過(guò)串并聯(lián)達(dá)到要求的電壓等級(jí)和儲(chǔ)能量。在許多場(chǎng)合超級(jí)電容器比系統(tǒng)中功率變換器、控制器等裝置壽命更長(zhǎng)，可視為永久性器件。(4) 受環(huán)境限制小 超級(jí)電容器在儲(chǔ)能的過(guò)程中只發(fā)生電荷的遷移、吸附與解吸附，未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新物質(zhì)，因此它的工作溫度范圍廣，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。這個(gè)特點(diǎn)使超級(jí)電容器能夠在一些短時(shí)大功率充放電或者脈動(dòng)負(fù)載的功率輸出等場(chǎng)合中，實(shí)現(xiàn)以較小容量得到較大的功率。(2) 功率密度大 與蓄電池相比較，超級(jí)電容器的內(nèi)阻很小，且在電極溶液界面以及電極材料本體內(nèi)，電荷可以快速儲(chǔ)能和釋放，因而可以實(shí)現(xiàn)大電流的充放電。(1) 能量密度大 超級(jí)電容器的電容量很大，可達(dá)2300 F。與靜電電容器類似，超級(jí)電容器進(jìn)行充放電的過(guò)程也是正負(fù)電荷的轉(zhuǎn)移，始終是物理過(guò)程，沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)，因此與利用化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)能的蓄電池是不同的。當(dāng)兩極板間的電勢(shì)低于電解液的氧化還原電極電位時(shí)，界面雙電層上的電荷不會(huì)脫離電解液，電容器工作在正常狀態(tài)(一般低于3V)?；钚蕴慷嗫谆姌O和電解液是緊密接觸的，這樣就使實(shí)際電極可以獲得極大的有效電極表面積，一般可達(dá)1200m2/g。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(jí)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。對(duì)超級(jí)電容器工作原理的理解可以利用傳統(tǒng)靜電電容器的工作原理進(jìn)行考慮。 由于使用的電極材料和電解質(zhì)的不