【正文】 同，超級電容器的儲能機理各有不同，但是儲能過程基本相同。本章最后對超級電容器組中超級電容器單體數(shù)量設計及串并聯(lián)組合方式設計進行了分析。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。圖26 超級電容器單獨放電通過上述分析可知，由于光伏發(fā)電能量的不穩(wěn)定性，需要用到超級電容器儲能系統(tǒng)對光伏發(fā)電系統(tǒng)進行能量的平衡控制，當光伏電池發(fā)出的能量很多時，光伏電池除了給負載供電外還需要給超級電容器充電，利用超級電容器去儲存光伏電池發(fā)出的多余的能量；當光伏電池發(fā)出的能量不足，不滿足負載所需的能量時，需要利用超級電容器放電補充光伏發(fā)電能量的不足。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。這種情況常出現(xiàn)于夜間或陰雨天，也是獨立光伏系統(tǒng)的一種主要工作方式。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，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。當增大到一定值時，系統(tǒng)進入這種工作模式，首先需要判斷超級電容端電壓，如果端電壓太小就采用恒流充電，防止電流過大，如果端電壓比較大，可以采用以控制直流母線電壓為目標的恒壓充電控制。這種方式是系統(tǒng)的主要工作方式。在充電過程中，系統(tǒng)控制器不斷檢測超級電容器組的端電壓，當上升到一定設定值時，充電控制器轉(zhuǎn)為涓流充電或恒壓充電方式，直至端電壓達到最高設定值，停止充電。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。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)以及負載的用電狀態(tài)等因素決定的。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)以及負載的用電狀態(tài)等因素決定的。隨著超級電容器儲能技術(shù)的不斷發(fā)展，將逐步取代蓄電池成為儲能的主流器件。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。(4)降低投資成本目前，超級電容器產(chǎn)品已經(jīng)開始批量生產(chǎn)，市場價格較為合理。(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，實現(xiàn)MPPT，使光伏陣列工作點保持在最大功率點附近，進一步提高了光伏電池的放電效率。(2)改善系統(tǒng)的電能質(zhì)量超級電容器具有較高的功率密度，比蓄電池快很多的充放電速度，能提供瞬時大功率。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，能夠適應惡劣的氣候條件，這使得系統(tǒng)的可靠性大大增強。Buck/Boost雙向變換器兩端連接直流母線和超級電容器，C3和C4為濾波電容，Q2和Q3為功率開關(guān)管，D2和D3分別為Q2和Q3的體二極管，L2為雙向變換器的電感。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?；诔夒娙萜鲀δ艿莫毩⒐夥l(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的電路圖如圖22所示，采用太陽能為一次能源，超級電容器作為儲能單元。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。圖21 光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖太陽光經(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。同時雙向變換器能夠保護超級電容器的充放電過程，保護超級電容器不受損壞；通過選擇兩個變換器的工作模式，有效實現(xiàn)系統(tǒng)能量流動過程。在光伏電池陣列與直流母線之間加入 DC/DC 變換器，在超級電容器與主流母線之間加入雙向 DC/DC 變換器，能量在直流母線與超級電容器之間雙向流動。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泛的應用前景。分析對比超級電容器儲能特性，設計儲能充放電電路，并研究各種能流模型下儲能控制策略。本課題的研究目的是設計應用于光伏發(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)負載和光伏發(fā)電系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。超級電容用于新能源發(fā)電，新能源主要為風能發(fā)電和光伏發(fā)電，由于太陽能和風能等新能源具有時間特異性，風速會時大時小，太陽光照會有強有弱，若將新能源發(fā)電進行直接并網(wǎng)，可能會造成電網(wǎng)運行不穩(wěn)定，為了彌補新能源發(fā)電的這些缺點，可以使用超級電容器作為中間的能量存儲環(huán)節(jié)，在風力或光照充足時，超級電容器儲能，當風力或光照不足時，超級電容器釋能，以使新能源發(fā)電輸出功率平滑，滿足電網(wǎng)需求。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%。70 第1章 緒論 超級電容器儲能系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應用于電動汽車，新能源發(fā)電儲能，電力系統(tǒng)中電能質(zhì)量調(diào)節(jié)等。北京金正平、石家莊高達、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)燃機的電子啟動系統(tǒng)、高壓開關(guān)設備、電子脈沖設備、電動汽車等領(lǐng)域得到了應用。其中，成都電子科技大學研制的基于碳納米管聚苯胺納米復合物超級電容器，并具有良好的功率特性。我國的超級電容器研制工作起步較晚，始于從20世紀80年代。新產(chǎn)品和新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，阻礙超級電容器應用的能量密度也在不斷提高。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備以提高其儲能利用率，即不斷改進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。1978年，日本電氣和松下公司合作研制了一種液體無極性卷繞型的雙電層電容器，1983年，日本NEC公司率先將超級電容器推向市場，實現(xiàn)商品化。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。1879年，亥姆霍茨（Helmholtz）發(fā)現(xiàn)界面雙電層現(xiàn)象，提出了平板電容器的解釋模型。電解液的成分不同，其分解電壓也不同。當電容器兩極板間電壓低于電解液的氧化還原電極電位時，電解液界面上的電荷不會脫離電解液，超級電容器為正常工作狀態(tài)。目前，單體超級電容器的最大電容量可以達到5000F。因而，超級電容器具有極大的電容量，可以存儲很大的靜電能量。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10003000m2/g。因此，其性能穩(wěn)定，能量存取速度快，充放電損耗小，與可充電蓄電池相比，具有較大的性能優(yōu)勢。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。當金屬插入電解液中時，金屬表面上的凈電荷將從溶液中吸引部分不規(guī)則分配的帶異種電荷的離子，使它們在電極溶液界面的溶液一側(cè)離電極一定距離排成一排，形成一個電荷數(shù)量與電極表面剩余電荷數(shù)量相等而符號相反的界面層。本文所研究和應用的超級電容器，主要是指基于雙電層原理工作的雙電層超級電容器。由于法拉第準電容的產(chǎn)生機理與電池反應相似，在相同電極面積的情況下，它的電容量是雙電層電容的幾倍。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。本文所研究的光伏系統(tǒng)為獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，據(jù)前人的文獻，本文首先對超級電容器本體做了介紹，對超級電容等效電路模型及超級電容器組的串并聯(lián)優(yōu)化設計做了一下整理，其次對超級電容儲能系統(tǒng)中的功率變換器(雙向DC/DC變流器)進行分析，對一具體應用于超級電容儲能系 統(tǒng)的雙向DC/DC變流器進行了硬件電路的搭建，并對雙向DC/DC變流器進行了建模及閉環(huán)參數(shù)設計，最后通過搭建的實驗平臺對超級電容儲能系統(tǒng)的超級電容儲能和超級電容釋能進行了驗證，仿真和實驗驗證了通過對雙向DC/DC變換器的閉環(huán)控制設計，超級電容器儲能系統(tǒng)可以平衡電能供需不平衡問題。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)還有待進一步發(fā)展。由于其具有儲能方面的獨特特點，已經(jīng)越來越受到人們重視。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。光伏系統(tǒng)采用儲能技術(shù)，不僅能提供穩(wěn)定而優(yōu)質(zhì)的電能，而且整個發(fā)電系統(tǒng)的運行可靠性及連續(xù)性都得到提高。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。而在可再生能源中太陽能由于其具有獨特的優(yōu)勢越來越受到人們的重視，豐富的太陽能是取之不盡、用之不竭的，分布范圍廣，為廣泛利用創(chuàng)造了條件，同時不污染環(huán)境，可再生，是國際上公認的理想替代能源。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。 超級電容器儲釋能雙向變換器設計與仿真畢業(yè)論文 目 錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 1 課題背景 1 2 2 3 4 5第2章 基于超級電容器儲能的獨立光伏系統(tǒng) 7 7 9 9 10 12第3章 超級電容器工作原理和特性分析 13 13 13 14 15 16 17 19第4章 超級電容器儲能系統(tǒng)設計及控制策略 21 21 21 22 25 26 29第5章 超級電容器儲能系統(tǒng)的仿真 31 31 34 35結(jié)論 36參考文獻 37致謝 39附錄1 40附錄2 46附錄3 51附錄4 59附錄5 65第1章 緒論 第1章 緒論 課題背景進入21世紀后，人類社會高速發(fā)展，同時卻帶來了眾多的能源和環(huán)境問題。在有限的可利用能源和環(huán)境保護的雙重制約面前，人類面臨著實現(xiàn)經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。為了解決能源危機，全世界都把目光投向了可再生能源，人們希望可再生能源能夠緩解目前緊張的能源供應。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)設備的制等。為了充分利用太陽能，提供持續(xù)可靠的能源，通常在光伏發(fā)電系統(tǒng)中都需要增加儲能裝置。因此，儲能裝置是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分。20世紀70年代末出現(xiàn)了一種新型儲能元件—超級電容器，其電容量為法拉級甚至達到數(shù)千法拉，充電速度非?？?，單體可在數(shù)秒或數(shù)分鐘內(nèi)完成，并且具有大功率密度。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。基于以上背景，本文主要圍繞超級電容器儲能系統(tǒng)及其在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應用進行研究，將超級電容器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲能裝置，以改善系統(tǒng)的輸出電能質(zhì)量，并提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和供電持續(xù)性。目前，關(guān)于超級電容器的分類方法并未完全統(tǒng)一，一般認為超級電容器包括雙電層電容器(Electric Double Layer Capacitor，EDLC)和電化學電容器(Electrochemical Capacitor)兩大類。電化學電容器采用RuO，等貴金屬氧化物作電極，在氧化物電極表面及體相發(fā)生氧化還原反應而產(chǎn)生吸附電容，又稱為法拉第準電容。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。雙電層原理是德國人Helmholtz于1879年提出的。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)。由此可見，超級電容器的充放電過程始終是物理過程，不發(fā)生電化學反應。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。而且，雙電層之間的距離非常小，僅為幾個電解液分子，或者約為1010m。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。電解液的分解電壓決定了超級電容器的最高工作電壓。當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)。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。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一步的發(fā)展。1962年，標準石油公司(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。 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、物力進行超級電容器及其相關(guān)應用的研究，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。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到的最高值，創(chuàng)造了超級電容器儲能的新紀錄。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、上海交通大學、北京科技大學、哈爾濱工程大學、中科院電工研究所、解放