【基于雙向DC-DC變換器的超級電容器儲能系統(tǒng)探究11000字（論文）】

基于雙向DC-DC變換器的超級電容器儲能系統(tǒng)研究目錄TOC\o"1-2"\h\u11854基于雙向DC-DC變換器的超級電容器儲能系統(tǒng)研究 115316摘要 1118431緒論 2216021.1研究背景與課題意義 2159831.2超級電容器及其儲能應(yīng)用的研究 3115201.3本文選題意義與研究內(nèi)容 5218432超級電容器的工作原理和特性分析 6209202.1超級電容器的工作原理及特點 6184612.2超級電容器的特性分析 9325503超級電容器儲能系統(tǒng) 12134583.1超級電容器的數(shù)學(xué)模型 12187313.2非隔離型雙向buck-boost電路 13244403.3功率變換器的選擇 1321013.4控制策略 17213134系統(tǒng)實驗分析 18188834.1模擬實驗 18104914.2儲能系統(tǒng)在單相光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用 1997425結(jié)論 2230162(1)進一步提高系統(tǒng)的電壓等級、功率容量，提高系統(tǒng)的效率。 2211265參考文獻 23摘要隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人類對電力的質(zhì)量和可靠性的要求越來越高。而未來電網(wǎng)面臨的一個重要問題是電網(wǎng)發(fā)電和電網(wǎng)負荷的不平衡，因而在用戶負荷端加載儲能系統(tǒng)解決電能供需不平衡是一件很有意義的事情。本文首先對超級電容器本身的工作原理和特性進行了詳細的分析，然后通過恒流充放電的方式，觀察超級電容器的端電壓特性，對超級電容器的兩種應(yīng)用模型進行了比較，同時，對超級電容器儲能陣列進行了優(yōu)化。其次，針對超級電容器儲能系統(tǒng)用于穩(wěn)定直流母線電壓這一個特定的場合，以及儲能陣列自身的端電壓波動大的特點，選擇了相應(yīng)的雙向DC/DC變換器作為儲能陣列和直流母線接口電路，并且對該變換器工作在不同狀態(tài)時建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；同時，在對數(shù)學(xué)模型分析的基礎(chǔ)之上，根據(jù)自動控制理論中的伯德圖，對這三種工作狀態(tài)設(shè)計了統(tǒng)一控制器：應(yīng)用比例積分環(huán)節(jié)，就可以使儲能系統(tǒng)在各自的工作狀態(tài)下取得優(yōu)良的動、靜態(tài)性能。并且對統(tǒng)一控制器用于超級電容器儲能系統(tǒng)進行了Matlab仿真和分析驗證。關(guān)鍵詞：超級電容器儲能系統(tǒng)；雙向DC/DC變換器；Buck儲能態(tài)1緒論1.1研究背景與課題意義隨著經(jīng)濟發(fā)展，社會對電網(wǎng)的依賴程度越來越高，未來電網(wǎng)所面臨的主要問題為以下幾個方面:①系統(tǒng)裝機容量難以滿足峰值負荷的需求。②現(xiàn)有電網(wǎng)在輸電能力方面落后于用戶需求。③用戶對電能質(zhì)量和供電可靠性的要求越來越高。④電力企業(yè)市場化促使用戶側(cè)需要能量管理技術(shù)支持等。由于我國電網(wǎng)的一些特殊因素:地域廣泛，電網(wǎng)規(guī)模大，電力的遠距離和超大容量的傳輸，負荷中心和能源中心聯(lián)系非常薄弱等。這些問題使我國的電網(wǎng)安全性的問題更加突出。一方面，通過在電網(wǎng)負荷端加裝先進的能量管理環(huán)節(jié)，提高電能質(zhì)量，使電網(wǎng)高效運行。另一方面，隨著能源短缺和環(huán)境保護的雙重壓力，各國政府都在加大對可再生能源和清潔能源的開發(fā)，發(fā)展可再生能源和清潔能源，以實現(xiàn)人類的可持續(xù)發(fā)展。當(dāng)前主要的可再生能源和清潔能源主要為:風(fēng)力發(fā)電，光伏發(fā)電，潮汐發(fā)電，地?zé)岚l(fā)電，燃料電池等，這類發(fā)電系統(tǒng)的特點是規(guī)模和功率比較小，系統(tǒng)可靠，無污染，對環(huán)境比較友好。對于新能源系統(tǒng)，其最大缺點是受環(huán)境影響比較大，如風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)，由于風(fēng)速和光照具有隨機性，所以發(fā)出的電能也是時刻變化的，所以需要儲能系統(tǒng)對其進行能量管理，，對于清潔能源發(fā)電系統(tǒng)，由于其發(fā)電系統(tǒng)的機械慣性等原因，一般也需要儲能系統(tǒng)對其進行能量管理。應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的能量管理系統(tǒng)主要是各種電力儲能系統(tǒng)，在電力系統(tǒng)中的儲能系統(tǒng)一般為:超級電容儲能系統(tǒng)，抽水儲能系統(tǒng)，超導(dǎo)儲能系統(tǒng)，蓄電池儲能系統(tǒng)，飛輪儲能系統(tǒng)，壓縮空氣儲能系統(tǒng)等。下面對這些儲能系統(tǒng)的特點及其主要應(yīng)用的領(lǐng)域進行介紹。超級電容儲能系統(tǒng):由于材料和結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，大容量的電容制造成為可能，大容量的電容為儲能提供了條件，目前超級電容大多用于高峰值功率，低容量的場合。由于自放電水平比較低，因此其可以在電壓跌落和瞬態(tài)干擾期間提高供電水平，超級電容器儲能系統(tǒng)特點是體積小，安裝簡單，效率可以達到95%,充放電速度快。限制其發(fā)展因素為能量成本高，每千瓦時達到三萬多美元。目前，實用化的超級電容，其單體的超級電容耐壓都比較低，儲存的能量有限，通過對超級電容的串并聯(lián)可以提高超級電容儲存的能量，由于超級電容器本身具有的一些缺點(串聯(lián)等效電阻相對一般電容要大)及超級電容器儲能系統(tǒng)需要一定數(shù)量的超級電容器進行串并聯(lián)，這都需要對超級電容有一個基本了解，根據(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(shè)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(yīng)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(shè)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變流器的閉環(huán)控制設(shè)計，超級電容器儲能系統(tǒng)可以平衡電網(wǎng)的電能供需不平衡問題。1.2超級電容器及其儲能應(yīng)用的研究1.2.1超級電容器的研究早在1897年，德國人Helmholtz就提出基于超級電容器雙電層理論。1957年，美國的Becker首先提出了超級電容器用作儲能元件，具有接近于電池的能量密度。1962年，標準石油公司(SOHIO)生產(chǎn)了一種工作電壓為6V、以碳材料作為電極的電容器。稍后，該技術(shù)被轉(zhuǎn)讓給NEC電氣公司，該公司從1979年開始生產(chǎn)超級電容器，1983年率先推向市場。隨后，超級電容器作為一種新型事物，開始得到了世界的廣泛關(guān)注。美國《探索》雜志2007年1月，將超級電容器列為2006年世界七大科技發(fā)現(xiàn)之一，認為超級電容器是能量儲存領(lǐng)域的一項革命性發(fā)展，并將在某些領(lǐng)域取代傳統(tǒng)蓄電池。針對超級電容器本身的研究主要集中在對兩個電極材料的研究。20世紀80年代以來，利用金屬氧化物或氮化物作為電極活性物質(zhì)的研究也引起廣大科研工作者的興趣。目前，超級電容器生產(chǎn)的工藝流程一般都是：配料-混漿-制電極-裁片-組裝-注液-活化-檢測-包裝。在超級電容器產(chǎn)業(yè)化方面，全球生產(chǎn)超級電容器的廠家有數(shù)千家。美國、日本、俄羅斯等國家的公司憑借多年的研究開發(fā)和技術(shù)積累，處于領(lǐng)先地位。如美國的Maxwell，日本的松下和俄羅斯的Econd等。在國內(nèi)生產(chǎn)的大多是液體雙電層電容器，主要企業(yè)有錦州凱美公司、北京集星公司、上海奧威公司等十多家。1.2.2超級電容器儲能系統(tǒng)應(yīng)用研究伴隨著超級電容器規(guī)模化的生產(chǎn)，它的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷的擴大。1996年歐洲共同體制定了超級電容器的發(fā)展計劃；日本“新陽光計劃”中列出了超級電容器的研制；美國能源部及國防部也制定了發(fā)展超級電容器的研究計劃。超級電容器儲能系統(tǒng)廣泛用于電動汽車的動力源，新能源發(fā)電中的能量儲存和電力系統(tǒng)中的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)等領(lǐng)域。用于電車電源或者混合動力汽車中脈沖功率的吸收和回饋汽車在啟動時的加速電動機所需要的啟動電流會對蓄電池或者燃料電池造成很大的損害；汽車的減速制動時，所需要的能量僅為驅(qū)動能量的50%。超級電容器與蓄電池的配合使用既可以降低對蓄電池的損害，又可以提高能量的利用率，延長汽車行駛的距離。國內(nèi)超級電容在公交電車的應(yīng)用方面處于世界先進水平。國家863計劃制定了電動汽車重大專項(2001)超級電容器課題。2006年8月28日，上海11路超級電容公交電車，即“上海科技登山行動計劃超級電容公交電車示范線”投入運營。該車采用的是上海奧威科技公司開發(fā)的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的超級電容。用于分布式發(fā)電DG(DistributedGeneration)系統(tǒng)中能量的存儲隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，儲能系統(tǒng)作為分布式發(fā)電系統(tǒng)必要的能量緩沖環(huán)節(jié)，其作用越來越重要。因為太陽能和風(fēng)能具有時間和地域的特異性，風(fēng)速會時大時小，光照有強有弱，此時如果直接并網(wǎng)，會造成電網(wǎng)的不穩(wěn)定。利用超級電容器儲能系統(tǒng)將不穩(wěn)定的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，將存儲的能量通過控制單元釋放出來，快速地補償負載所需的有功和無功，實現(xiàn)電能的平衡與穩(wěn)定控制。圖1-1分布式發(fā)電系統(tǒng)組成圖2005年，美國加利福尼亞州建造了1臺450kW的超級電容器儲能裝置，用以減小950kW風(fēng)力發(fā)電機組向電網(wǎng)輸送功率的波動。日本的北工大(學(xué))已經(jīng)將超級電容器儲能系統(tǒng)結(jié)合到太陽能發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用中，構(gòu)成了PV-ECS(PhotovolticEnergyControlSystem)系統(tǒng)，實驗結(jié)果顯示了超級電容器在效率、充放電循環(huán)等方面均優(yōu)于常規(guī)化學(xué)蓄電池的性能。圖1-1是超級電容器用于由風(fēng)力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電組成的分布式發(fā)電系統(tǒng)中儲能的原理圖。1.3本文選題意義與研究內(nèi)容電能的特點是一旦發(fā)出必須用掉，為了提高能量的利用率同時提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在負載側(cè)選擇合適的儲能系統(tǒng)平衡電網(wǎng)中電能的穩(wěn)定極為重要。本文中針對于超級電容器本身的特點和電網(wǎng)的需求，設(shè)計了相應(yīng)的超級電容器儲能系統(tǒng)中的雙向DC/DC變換器，根據(jù)指令來決定超級電容器儲能系統(tǒng)在用電低谷和高峰時，分別工作在充電儲能和放電釋能狀態(tài)。本文的主要工作包括以下幾個方面：通過對我國電網(wǎng)所具有的特點和用戶對負荷的特殊需求，以及各種超級電容器儲能系統(tǒng)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用進行了概述，選擇超級電容器儲能系統(tǒng)調(diào)節(jié)直流母線電壓。介紹了超級電容器的工作原理和特性，對超級電容器的等效模型進行了分析和各種充放電方式的比較。對適應(yīng)于超級電容器儲能的功率變換器進行了工作過程分析和數(shù)學(xué)建模，通過伯德圖的方法設(shè)計了雙向DC/DC變換器工作在三種狀態(tài)時的閉環(huán)控制器。根據(jù)本課題的具體要求，設(shè)計了超級電容器儲能系統(tǒng)的硬件需要的元器件參數(shù)以及實現(xiàn)控制的軟件流程設(shè)計。對超級電容器儲能系統(tǒng)工作在三種工作狀態(tài)進行了仿真和實驗驗證，并給出了波形。2超級電容器的工作原理和特性分析2.1超級電容器的工作原理及特點2.1.1超級電容器的工作原理超級電容器(supercapacitor)，又叫電化學(xué)電容器(ElectrochemicalCapacitor,EC)，雙電層電容器(ElectricalDouble-LayerCapacitor)、黃金電容(GoldCapacitor)、法拉電容，作為一種用作儲能的新型電容器，是建立在1879年德國物理學(xué)家亥姆霍茲(Helmholtz)提出的界面雙電層理論基礎(chǔ)上，通過極化電解質(zhì)來儲能。雙電層理論就是：當(dāng)金屬電極插入電解質(zhì)溶液中時，由于金屬電極表面的凈電荷的作用，電解液液面會出現(xiàn)符號與金屬電極所帶電荷相反的等量電荷，從而在金屬電極和液面的界面層之間會產(chǎn)生電位差。這界面層由兩個電荷層組成，其中一層在金屬電極上，另一層在電解液中，因此叫做雙電層。如果在電解液中同時插入兩個電極，并在其間施加一定的電壓，該電壓的值要小于電解質(zhì)溶液分解電壓。這時在電場作用下，電解液中的正、負離子會迅速向兩個電極運動，并分別在兩上電極的表面形成符號與電極上電荷相反的電荷層，由于離子之間的相互作用力，在界面上存在一個位壘，兩層電荷都不能越過邊界彼此中和，從而形成雙電層。雙電層的形成與傳統(tǒng)電容器極為相似，緊密的雙電層近似于平板電容器。所以很多特性也與傳統(tǒng)電容器相似。雙電層電容器主要由電極、電解液、集電極、隔離層、連線極柱、密封材料和排氣閥等組成。圖2-1是超級電容器的基本結(jié)構(gòu)圖。圖2-1超級電容器的基本結(jié)構(gòu)2.1.2超級電容器的性能指標超級電容器作為新型的儲能元件，對它的一些性能指標的了解，可以達到安全正確使用的目的。額定電容量超級電容器按規(guī)定的恒定電流下，充電到額定電壓后，保持2~3min。在相同的電流下，記錄該超級電容器恒流放電到端電壓為零時所需要的時間。將得到的時間與電流的乘積再除以額定電壓，得到的值就是該超級電容器的額定電容量。額定電壓超級電容器最高安全工作端電壓。浪涌電壓是額定電壓的105%。擊穿電壓是額定電壓的1.5~3倍。額定電流指超級電容器在5s內(nèi)恒流放電到額定電壓一半的電流值。最大存儲能量指超級電容器的端電壓從額定電壓放電到零所釋放的能量。單位為焦耳J或瓦時Wh。能量密度又稱比能量。指單位質(zhì)量或單位體積的超級電容器提供的能量。單位為Wh/kg，Wh/L。功率密度又稱比功率。指單位質(zhì)量或單位體積的超級電容器在匹配電荷負荷下產(chǎn)生電/熱效應(yīng)各半時的放電能量。它表征了超級電容器承受電流的能力。2.1.3超級電容器的特點超級電容器作為儲能或者功率型的元件，一般是通過與傳統(tǒng)電池和電容器進行比較來突出它的特點。能量密度大超級電容器的電容量很大，可達2300F。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20-70MJ/m3。功率密度大與蓄電池相比較，超級電容器的內(nèi)阻很小，且在電極/溶液界面以及電極材料本體內(nèi)，電荷可以快速儲能和釋放，因而可以實現(xiàn)大電流的充放電。它的功率密度約為鉛酸蓄電池的20倍。這個特點使超級電容器能夠在一些短時大功率充放電或者脈動負載的功率輸出等場合中，實現(xiàn)以較小容量得到較大的功率。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。受環(huán)境限制小超級電容器在儲能的過程中只發(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，對環(huán)境無污染。使用壽命長超級電容器的使用壽命長得益于它的儲能機理，它的循環(huán)充放電次數(shù)可達50萬次以上。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。與此同時，超級電容器也有自身的缺點，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，超級電容器與負載之間需要有一個電壓適配器。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；超級電容器的單體電壓比較低、儲存能量少，一般通過串并聯(lián)達到要求的電壓等級和儲能量。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。2.2超級電容器的特性分析為充分利用超級電容器的充電快的特點，超級電容器充電方式一般采用恒流充電。此時，充電電流值的選取是極為重要的。電流值的選取對超級電容器的充電效率、充電時間、充電儲能和電容量都有影響。下面就從這四個方面出發(fā)，得出充電電流選取的原則。下面測量所用的超級電容仍然是上述型號。充電電流對充電時間影響在超級電容器的工作電壓范圍一定的情況下，假設(shè)恒定電流下超級電容器的電容量是不變化的。超級電容器最大工作電壓為Umax為180V，工作的放電深度為50%，工作下限電壓值Umin為90V。超級電容器由Umin充電至端電壓為Umax時，充電時間t與充電電流i的關(guān)系的線性擬合曲線公式為(2-1)：(2-1)在Matlab中畫出該公式對應(yīng)的曲線，如圖2-6所示。圖2-2充電時間與充電電流的關(guān)系曲線通過該曲線可以看出，充電電流小于30A時，充電時間變化比較明顯，當(dāng)充電電流大于30A時，時間的變化曲線不明顯，即并不是電流越大充電時間越短。充電電流對儲存能量的影響超級電容器可用能量與充電電流、工作電壓范圍和環(huán)境溫度等因素有關(guān)。任意t時刻，超級電容器的儲能Ec可根據(jù)公式(2-2)計算：（2-2）其中，U表示t時刻，超級電容器的端電壓。公式(2-2)是能量與電流的關(guān)系式，同樣在Matlab中，得到該公式對應(yīng)的曲線如圖2-3所示。圖2-3儲能量與電流的關(guān)系從曲線中可以看到，超級電容器儲存的能量隨著電流的增加而減少。所以大電流在實現(xiàn)快速充電的同時，也減小了超級電容器的儲能量。（3）充電電流對充電效率的影響超級電容器在恒流充電過程中，由于等效電阻能耗，充電消耗的能量要大于儲存在電容器中的能量。效率η的定義：在充電過程中，超級電容器的可用能量與實際過程中消耗的能量W的比值，如公式(2-3)表示：（2-3）其中，u(t)是超級電容器充電過程中端電壓的變化。利用描點法，得到該公式對應(yīng)的曲線，如圖2-4所示。通過曲線可以看到，在充電電流過小和過大時，充電效率會降低，但是幅度不大?？傮w來說，在最大允許電流范圍內(nèi)，充電效率都是很高的。圖2-4充電效率與充電電流的關(guān)系綜合上述四個主要因素，以及在實際儲能系統(tǒng)中，器件對電流的承受能力。充電電流的選擇原則是滿足系統(tǒng)時間要求的條件下，充電能效越高越好；相同能效下，充電電流越小，電容量越大，功率變換器的電流應(yīng)力越低。3超級電容器儲能系統(tǒng)3.1超級電容器的數(shù)學(xué)模型超級電容器由于內(nèi)部電阻和電容的形成機理比較復(fù)雜，因此相關(guān)文獻提出了很多超級電容器的應(yīng)用模型，其中，RC電路模型是最簡單的一種(見圖3-1)。它包括理想電容器C、等效串聯(lián)內(nèi)阻Rs和等效并聯(lián)內(nèi)阻Rp。等效串聯(lián)內(nèi)阻Rs表示超級電容器的總串聯(lián)內(nèi)阻，在充放電過程中會產(chǎn)生能量損耗，該損耗一般以熱的形式表現(xiàn)出來。此外，Rs的存在還會使端電壓出現(xiàn)波動，進而產(chǎn)生電壓紋波。等效并聯(lián)內(nèi)阻Rp反映了超級電容器總的漏電情況，一般只影響長期儲能過程，稱為漏電電阻。超級電容器自放電回路的時間常數(shù)長達數(shù)十小時甚至上百小時，遠遠高于充放電的時間常數(shù)。而且，在實際應(yīng)用中超級電容器一般通過功率變換器與電源連接，并處于較快的和頻繁的充放電循環(huán)過程中，因此，Rp影響可以忽略。因而，可以進一步將超級電容器模型簡化為理想電容器和等效串聯(lián)內(nèi)阻的串聯(lián)結(jié)構(gòu)(見圖3-2)。圖3-1超級電容器電路模型圖3-2超級電容器電路簡化模型當(dāng)超級電容器以恒定電流I放電時，電量Q等于容量C與額定時間內(nèi)的電壓降ΔUc的乘積，如式(3-1)所示。因此，可以根據(jù)式(3-2)計算出超級電容器組的容量值。3.2非隔離型雙向buck-boost電路本研究采用圖3-3所示的非隔離型雙向buck-boost電路作為超級電容器儲能系統(tǒng)的充放電電路。該電路元器件數(shù)量少，造價低廉，沒有變壓器損耗，效率高，易于包裝和集成。圖3-3非隔離型雙向buck-boost變換器該電路能夠?qū)崿F(xiàn)兩象限運行，即變換器兩端電壓方向不變，電流方向可變，在功能上相當(dāng)于buck變換器和boost變換器的組合。當(dāng)開關(guān)管S1以一定占空比開關(guān)，D2為續(xù)流二極管時，變換器等效為buck變換器，能量由Udc流向Usc，超級電容器組吸收能量;當(dāng)開關(guān)管S2以一定占空比開關(guān)，D1為續(xù)流二極管時，變換器等效為boost變換器，能量由Usc流向Udc，超級電容器組釋放能量。換言之，當(dāng)直流母線電壓升高或降低時，通過控制兩個開關(guān)管的通斷即可實現(xiàn)超級電容器組的儲能或釋能，從而抑制直流母線電壓的波動。3.3功率變換器的選擇3.3.1超級電容器儲能系統(tǒng)對功率變換器的要求光伏發(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3-4所示，本章的功率變換器就是雙向DC/DC變換器這一個部分。圖3-4獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖級電容器儲能系統(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：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)；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；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。超級電容器儲能系統(tǒng)功率變換器的配置可參照圖3-5。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。圖3-5超級電容器儲能系統(tǒng)功率變換器配置3.3.2雙向功率變換器的確定傳統(tǒng)的設(shè)計方案中，實現(xiàn)能量傳輸?shù)碾p向性，一般用兩個單向的DC/DC的組合。本文選取的雙向DC/DC變換器只需要一個DC/DC組合就可以達到能量雙向流動的目的。這種變換器與傳統(tǒng)的設(shè)計方案相比，使用的器件數(shù)目減少、電路的轉(zhuǎn)化效率提高、易于實現(xiàn)控制等優(yōu)勢。雙向功率變換器根據(jù)能量雙向流動過程中是電流還是電壓工作在雙象限，可以分為電流型雙向DC/DC變換器和電壓型雙向DC/DC變換器。光伏發(fā)電系統(tǒng)的超級電容儲能系統(tǒng)中，無論是超級電容器端電壓還是直流母線電壓的極性都是固定的，所以要選擇電流型雙向DC/DC變換器。雙向DC/DC變換器拓撲根據(jù)有無變壓器可以分為隔離型和非隔離型兩大類。非隔離式雙向DC/DC變換器的電路相對簡單、采用的器件少、體積小、重量輕和安裝成本低等，而且，太陽能電池的輸出電壓經(jīng)過一個單向的DC/DC變換器以后轉(zhuǎn)化為直流母線的電壓控制的不是很低。所以在這里選擇非隔離型雙向DC/DC變換器。目前應(yīng)用較多的典型雙向DC/DC變換器主要由四種：即雙向Buck/Boost變換器、雙向半橋變換器、雙向Cuk變換器和雙向SEPIC變換器。這四種變換器的電路圖分別見圖3-6(a)、(b)、(c)、(d)。雙向Buck/Boost變換器雙向半橋變換器雙向Cuk變換器雙向SEPIC變換器圖3-6雙向變換器拓撲結(jié)構(gòu)上述四種電路從工作原理分析都能達到能量雙向流動的目的，因此，選擇拓撲結(jié)構(gòu)時考慮以下四個方面的因素，即功率器件能承受的最大電壓值、最大電流等級、濾波功率電容和儲能電感上的紋波。在上述表格中，四種變換器中，雙向半橋變換器開關(guān)管和二極管的電壓應(yīng)力最小，因此，在相同條件下，該拓撲選擇相應(yīng)器件所需要的電壓額定值也最小。由于前兩種電路拓撲通過電感傳遞能量，因此，他們可以節(jié)省一個大容量和高耐壓的傳遞電容器。在超級電容器的功率緩沖和負載平衡應(yīng)用中，開關(guān)器件的電應(yīng)力是電壓的函數(shù)，因此，在輸出電壓確定的情況下，雙向半橋變換器開關(guān)器件的電流有效值最小。這對于提高系統(tǒng)的效率和降低裝置對冷卻條件方面起著重要的作用?？傊?，通過上述各方面的比較，得出雙向半橋變換器具有以下四個方面的優(yōu)點：功率開關(guān)器件和二極管的電流、電壓應(yīng)力最小；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；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。3.4控制策略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buck-boost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。在buck工作模式下，超級電容器組處于充電狀態(tài)，此時超級電容器類似短路狀態(tài)，充電電流可以達到很大值，因此采用電感電流內(nèi)環(huán)控制使超級電容器組的充電電流得以控制，在限制充電電流的同時，保護開關(guān)管。在boost工作模式下，超級電容器組放電，電感電流內(nèi)環(huán)控制實現(xiàn)了對超級電容器組放電電流的控制。非隔離型雙向buck-boost電路的控制框圖見圖3-7。圖中直流母線電壓給定值U*dc與實際輸出電壓Udc的偏差通過PI電壓調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)，最終得到電流的給定值I*L。I*L與實際電感電流信號IL的偏差通過PI電流調(diào)節(jié)器所得到的輸出，經(jīng)過脈寬調(diào)制產(chǎn)生雙向DC-DC變換器開關(guān)器件的控制信號。圖3-7雙向buck-boost電路的控制框圖圖3-8為超級電容器組充放電的控制流程圖?？梢愿鶕?jù)直流母線電壓的平均值與額定值之間的關(guān)系來判斷超級電容器組是充電狀態(tài)還是放電狀態(tài)。圖3-8超級電容器組充放電的控制流程圖4系統(tǒng)實驗分析4.1模擬實驗用單相二極管整流電路模擬直流母線電壓波動，利用超級電容器儲能系統(tǒng)抑制其波動，將其直流母線電壓穩(wěn)定于100V。超級電容器組由50支1800F/2.7V超級電容器串聯(lián)組成，總?cè)萘恐禐?6F，總額定電壓為135V，總串聯(lián)等效內(nèi)阻為35mΩ。模擬實驗原理框圖見圖4-1。圖4-1模擬直流母線電壓波動的實驗原理框圖圖4-2為直流母線電壓正負波動10%且波動頻率為100Hz時，超級電容器儲能系統(tǒng)動作前后的直流母線電壓Udc、超級電容器組電壓Usc以及電感電流IL的實驗波形。從圖4-2可以看出，儲能系統(tǒng)動作之前直流母線電壓在90～110V之間波動，當(dāng)超級電容器儲能系統(tǒng)開始工作后，直流母線電壓的波動迅速減小，且穩(wěn)態(tài)時直流母線電壓的峰峰值均接近100V，波動范圍由原來的±10%縮小為約±3%，抑制直流母線電壓波動的目的得以實現(xiàn)。而同時超級電容器組處于接近恒流充放電的交替工作狀態(tài)，當(dāng)直流母線電壓高于100V時超級電容器組恒流充電，電容組電壓上升，吸收能量。當(dāng)直流母線電壓低于100V時超級電容器組恒流放電，電容組電壓下降，釋放能量。圖4-2直流母線電壓正負波動10%時的實驗波形4.2儲能系統(tǒng)在單相光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用將超級電容器儲能系統(tǒng)應(yīng)用于實際的單相兩級式光伏發(fā)電系統(tǒng)，實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4-3所示。整體系統(tǒng)由單相兩級式光伏發(fā)電系統(tǒng)和超級電容器儲能系統(tǒng)兩大部分組成。超級電容器組參數(shù)與模擬實驗一致，光伏電池板的參數(shù)為:標準條件下最大功率85W，開路電壓22.2V，短路電流為5.15A，最大功率點下最優(yōu)工作電壓為17.8V，最優(yōu)工作電流為4.8A。實驗中將10塊光伏電池板進行串聯(lián)，對應(yīng)的最大功率為850W。圖4-3儲能系統(tǒng)應(yīng)用于單相光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體框圖圖4-4為單相光伏發(fā)電系統(tǒng)突加負載(即實際負載電阻阻值由16Ω變?yōu)?Ω)時超級電容器儲能系統(tǒng)工作前后的直流母線電壓Udc、光伏陣列輸出電壓UPV以及逆變輸出電流Iinv波形。圖4-4突加負載時儲能系統(tǒng)工作前后的實驗波形由圖4-4(a)的無儲能系統(tǒng)波形可以看出，單相兩級式光伏發(fā)電系統(tǒng)突加負載時，Udc和UPV都會突降，同時Iinv增大。由圖9(b)可見，系統(tǒng)突加負載時，有儲能系統(tǒng)的情況不會發(fā)生電壓突降，可以將Udc穩(wěn)定在給定值100V附近。并且UPV也沒有突降。由于突加負載時電阻減小，而直流母線電壓基本不變，因此逆變輸出電流增大。圖4-5為單相光伏發(fā)電系統(tǒng)突減負載(即實際負載電阻阻值由8Ω變?yōu)?6Ω)時超級電容器儲能系統(tǒng)工作前后的直流母線電壓Udc、光伏陣列輸出電壓UPV以及逆變輸出電流Iinv波形。圖4-5突減負載時儲能系統(tǒng)工作前后的實驗波形由圖4-5(a)的可以看出，系統(tǒng)突減負載，即系統(tǒng)輸出功率減小時UPV會突升，動態(tài)過程結(jié)束后，UPV又回到原來的值。同時Udc增大，Iinv減小。由圖4-5(b)可以看出，系統(tǒng)突減負載，有儲能系統(tǒng)情況下不會發(fā)生電壓突升，系統(tǒng)可以將Udc穩(wěn)定在給定值100V附近，并且UPV也沒有發(fā)生突升。由于突減負載時電阻增大，而直流母線電壓基本不變，因此逆變輸出電流減小。5結(jié)論儲能系統(tǒng)對電網(wǎng)和負載進行能量管理對于提高電能的利用率和使負載可靠工作具有重要意義。超級電容器儲能系統(tǒng)作為能量管理的一個重要選擇，對它的研究十分必要。本課題在查閱了大量的國內(nèi)外文獻資料的基礎(chǔ)上，對超級電容器本身的工作原理和充放電特性進行了闡述，對超級電容器的等效電路模型進行了比較和選擇。對超級電容器儲能系統(tǒng)用于穩(wěn)定直流母線電壓所必須的雙向DC/DC變換器進行了分析和設(shè)計。針對于這個變換器工作于Buck儲能態(tài)，Boost型BDC狀態(tài)和備用狀態(tài)建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計了三種工作狀態(tài)的控制器。在理論分析、計算機仿真的基礎(chǔ)上，設(shè)計制作了能實現(xiàn)三種狀態(tài)之間平滑切換的雙向DC/DC變換器實驗樣機。經(jīng)過理論分析、仿真及實驗研究，得出以下結(jié)論：超級電容器的應(yīng)用模型的選取對于仿真和實驗都有指導(dǎo)意義。傳統(tǒng)等效模型的選取對于簡化系統(tǒng)的建模起著重要的作用。超級電容器應(yīng)用于儲能時，通過超級電容器充放電特性分析，得出相應(yīng)的充放電流大小的選擇，這對于控制方式的