超級電容器儲(chǔ)釋能雙向變換器設(shè)計(jì)與仿真畢業(yè)論文-wenkub.com

　 　

【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(huì)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(chǔ)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(shí)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(jì)任務(wù)書和開題報(bào)告中的要求，首先調(diào)研了解了光伏發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)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汀Ｋ摹⒋嬖趩栴}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(shí)，超級電容器將會(huì)給儲(chǔ)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(chǔ)能后，就能充分發(fā)揮其儲(chǔ)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(dòng)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(chǔ)能到大容量大規(guī)模的電力儲(chǔ)能，還是從單獨(dú)儲(chǔ)能到混合儲(chǔ)能，超級電容器都展現(xiàn)了其在儲(chǔ)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(chǔ)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(dòng)靜態(tài)性能，結(jié)合應(yīng)用，對超級電容器直流儲(chǔ)能單元進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并計(jì)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(chǔ)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(dòng)機(jī)車運(yùn)行時(shí)對電網(wǎng)的沖擊、加速UPS的啟動(dòng)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(shí)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(chǔ)能系統(tǒng)中的雙向DC/DC變換器的閉環(huán)設(shè)計(jì)及仿真，超級電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)在充電儲(chǔ)能時(shí)，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(chǔ)能系統(tǒng)在放電釋能時(shí)，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(chǔ)能裝置，而儲(chǔ)能裝置又是其主要部件。圖55a 放電時(shí)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(shí)，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(shí)，通過對超級電容器儲(chǔ)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(shí)，電壓瞬時(shí)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(chǔ)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(chǔ)能的光伏系統(tǒng)上述基于超級電容器儲(chǔ)能的光伏系統(tǒng)，其中包含兩個(gè)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(chǔ)能環(huán)節(jié)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了基于超級電容儲(chǔ)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(shí)，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(shí)母線電壓值，給定值和實(shí)際值的誤差信號(hào)經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后作為內(nèi)環(huán)給定信號(hào)，內(nèi)環(huán)為流過電感電流，內(nèi)環(huán)誤差信號(hào)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(hào)。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(gè) 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(dòng)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(jì) 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(jì)，計(jì)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(huì)有所波動(dòng),波動(dòng)范圍為177。雙向變換器參數(shù)的設(shè)計(jì)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(jì)。在獨(dú)立PWM控制中，兩個(gè)開關(guān)管Q1/D1和Q2/D2不同時(shí)動(dòng)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(dòng)的平滑穩(wěn)定，避免瞬時(shí)沖擊，需要一個(gè)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(shí)，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(chǔ)能陣列充電。當(dāng)iLmax=iLmin則在一個(gè)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(gè)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(shí)，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(dòng)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(dòng)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(huì)引起系統(tǒng)的脈動(dòng)，此時(shí)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(chǔ)能系統(tǒng)在光伏輸出功率或者負(fù)荷功率波動(dòng)等系統(tǒng)擾動(dòng)時(shí)，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(chǔ)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(chǔ)能單元中。第4章 超級電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)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(gè)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(shí)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(shí)浮充電壓的選取非常重要。的存在會(huì)在電容開路時(shí)通過其放電，可以認(rèn)為RREP消耗了這部分電能。比如，對電動(dòng)客車充電站等對時(shí)間要求敏感的場合，可以采用大電流、短時(shí)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(tái)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(tái)超級電容串聯(lián)，2臺(tái)小的超級電容器組并聯(lián)。對于單臺(tái)超級電容器組，此時(shí)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(chǔ)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(gè)支路都是由不同的電阻、電容以及相應(yīng)的特性時(shí)間常數(shù)組成。與此同時(shí)，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(chǔ)能場合下，它的應(yīng)用就受到了限制；端電壓的波動(dòng)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(gè)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(shí)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(chǔ)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(shí)，電解液將發(fā)生分解，這時(shí)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(gè)電極上時(shí)，與普通電容器一樣，電極導(dǎo)體與電解液接觸后會(huì)在其表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷層，這種正電荷與負(fù)電荷排列在兩個(gè)不同相之間的接觸面上，而且是以極短間隙排列的，這個(gè)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(jià)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(chǔ)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(chǔ)能要求，同時(shí)系統(tǒng)的可靠性又最高，也是設(shè)計(jì)超級電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的一個(gè)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(shí)給負(fù)載供電4）當(dāng)光伏陣列不能發(fā)電時(shí)，由超級電容器單獨(dú)向負(fù)荷供電，如圖26所示。這個(gè)時(shí)候，由于功率輸出增大，直流母線電壓值首先會(huì)增大。在這個(gè)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(shí)，超級電容相當(dāng)于短路，充電電流會(huì)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(chǔ)存起來。超級電容器作為新型儲(chǔ)能裝置，具有許多優(yōu)越的儲(chǔ)能優(yōu)勢，其發(fā)展速度很快。隨著儲(chǔ)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(chǔ)存裝置，可以儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)，通過雙向DC/DC變換器將多余的電能儲(chǔ)存在儲(chǔ)能元件中，當(dāng)夜間或太陽光照不充足時(shí)，光伏電池發(fā)出的電能無法滿足負(fù)載的要求，此時(shí)儲(chǔ)能環(huán)節(jié)就會(huì)利用自身所存儲(chǔ)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(chǔ)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(dòng)、控制系統(tǒng)等進(jìn)行了分析和研究。分析超級電容器的儲(chǔ)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(chǔ)能特性，并對超電容器儲(chǔ)能的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。如果加入超級電容儲(chǔ)能器對汽車啟動(dòng)加速和剎車減速進(jìn)行能量管理，既可以降低對電動(dòng)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(dòng)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(chǔ)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