超級電容器儲能控制技術(shù)研究

　　勞斯佳，尹忠東，單任仲

　?。ㄈA北電力大學(xué)電力系統(tǒng)保護(hù)與動態(tài)安全監(jiān)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，北京102206)

　　摘要：提出了雙向DC-DC變換器在超級電容器充放電過程中的控制方法，能夠解決絕大多數(shù)需要對超級電容器充放電的場合。在PSCAD/EMTDC電力系統(tǒng)仿真軟件中構(gòu)建超級電容器的充放電電路模型，通過對無補(bǔ)償時雙向控制模型分析，采用PI或者PID補(bǔ)償環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定，并進(jìn)行仿真驗證。為減小充電電流脈動，進(jìn)一步提出對超級電容器進(jìn)行多重充電的思路，給出仿真結(jié)果。仿真系統(tǒng)的穩(wěn)定和良好的仿真結(jié)果說明所提出的方法可行。

　　超級電容器是近年來新型能源器件的一個研究熱點(diǎn)，它與常規(guī)電容器不同，其容量可達(dá)到法拉級甚至數(shù)萬法拉，而且能在電極端電壓超過額定電壓的過充電狀態(tài)下不被擊穿。作為一種理想的新型能源器件，它的比功率和比能量介于常規(guī)電容器和充電電池之間，在眾多的應(yīng)用領(lǐng)域里彌補(bǔ)了常規(guī)儲能器件的單方面缺陷。此外，它還具有內(nèi)阻小，充放電效率高（90％～95％）、循環(huán)壽命長（幾萬至十萬次）、低溫性能優(yōu)越、無污染等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[1]。這些優(yōu)點(diǎn)使得超級電容器非常適合用于短時間高功率輸出的場合。

　　追求穩(wěn)定運(yùn)行、可靠供電的電力系統(tǒng)近幾年也引進(jìn)超級電容器作為新型儲能設(shè)備，使其在電力系統(tǒng)出現(xiàn)電壓波動、短時間供電中斷等情況下快速充放電，從而保證系統(tǒng)的安全性及可靠性。目前對超級電容器在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的研究才掀起熱潮，實(shí)用化的超級電容器充放電控制尚未成熟。本文將雙向DC-DC變換器應(yīng)用于超級電容器的充放電過程，對雙向控制模型分析，采用PWM的控制策略，并針對充放電情況的不同分別加裝PI及PID補(bǔ)償環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)比較穩(wěn)定，滿足絕大多數(shù)需要快速對超級電容器充放電的場合。

　　1雙向DC-DC變換器模型

　　雙向DC-DC變換器是直流母線和超級電容器之間的一個周期性通斷的開關(guān)控制裝置，它的作用是改變供給超級電容器的電壓，實(shí)際上是作為一個電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)而工作的。

　　為了滿足使用需要，采用的變換器應(yīng)該是電流可反向的兩象限變換器，當(dāng)電容對外放電時，DC-DC變換器處于升壓狀態(tài)，而對電容充電時，電流反饋，DC-DC變換器處于降壓狀態(tài)。

　　系統(tǒng)設(shè)計變換器可采用半橋式，由全控型晶體管IGBT∶S1和S2，以及續(xù)流二極管D1和D2，保護(hù)超級電容器的二極管D3和D4，電感L組成，見圖1。

　　當(dāng)S1處于工作狀態(tài)，S2關(guān)斷，S1和D2構(gòu)成降壓斬波電路，此時雙向DC-DC變換器處于Buck狀態(tài)。在一個開關(guān)周期Ts內(nèi)，當(dāng)S1閉合時（即0＜t＜ton，其中t為時間變量），二極管D2承受反向電壓，電流反向向電容充電，能量從直流母線直接充入超級電容器，同時電感L存儲部分能量；當(dāng)S1斷開時（即ton＜t＜Ts），二極管D2承受正向偏壓為電感L釋放能量構(gòu)成通路，向電容充電。當(dāng)電路處于降壓Buck狀態(tài)時，兩端電壓的相互關(guān)系為：

　　2雙向DC-DC變換器的控制模型

　　系統(tǒng)測量直流母線和超級電容器的電壓，以確定雙向DC-DC變換器是工作在Boost狀態(tài)還是Buck狀態(tài)。當(dāng)直流母線電壓迅速增大，調(diào)節(jié)雙向DC-DC變換器工作于Buck狀態(tài)，將系統(tǒng)能量傳送到超級電容器。在此之前，系統(tǒng)的控制必然使電容電壓處于較低狀態(tài)。相反，當(dāng)直流母線電壓迅速降低，則會控制雙向DC-DC變換器轉(zhuǎn)入Boost狀態(tài)，將超級電容器儲存的能量釋放到系統(tǒng)。通過控制S的占空比來調(diào)節(jié)雙向DC-DC變換器兩端電壓。

　　2.1Buck型雙向DC-DC變換器的控制

　　2.2Boost型雙向DC-DC變換器的控制

　　在圖2所示電路Vi側(cè)穩(wěn)壓時，為Boost型的直流斬波器。設(shè)圖2中S2的占空比為D，則D1的占空比（即S2開斷時間占空比）為（1－D）。

　　2.3雙向DC-DC變換器的控制框圖

　　由自動控制理論的知識，對于雙向DC-DC變換器在超級電容器充電過程中處于Buck工作狀態(tài)，通過比例積分（PI）補(bǔ)償環(huán)節(jié)校正就可使系統(tǒng)具有一定的相角裕度，從而使系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定。PI補(bǔ)償環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)模型：

　　3仿真驗證

　　3.1恒流充電仿真

　　在PSCAD/EMTDC電力系統(tǒng)仿真軟件建立了對超級電容器以電流為控制量的恒流充電仿真模型。仿真參數(shù)見表1。仿真圖形見圖6和圖7。

　　由圖6可見，對超級電容器進(jìn)行恒定的大電流充電，其電壓隨時間近似直線上升直至飽和，這種電壓隨時間大幅度上升表明超級電容器可以在短時間內(nèi)吸收高能量。由圖7可見，采用PI補(bǔ)償環(huán)節(jié)可以得到僅有5％脈動的較為恒定的充電電流，同時使系統(tǒng)較開環(huán)時穩(wěn)定。

　　單路充電時電流存在脈動，考慮采用多重電路減小充電電流的脈動，仍將超級電容器充電直至飽和。本文以二重充電為例，將兩個雙向DC-DC變換器并聯(lián)后向超級電容器充電。

　　在PSCAD/EMTDC電力系統(tǒng)仿真軟件建立其仿真模型，各路仿真參數(shù)同單路恒流充電的參數(shù)，進(jìn)行仿真。仿真圖形見圖8。

　　由圖8可見，可得到相對圖7的電流脈動有所減小的較恒定的充電電流。可見采用二重電路能減小充電電流脈動，此方法可以推廣到多重電路。

　　3.2恒壓放電仿真

　　在PSCAD/EMTDC電力系統(tǒng)仿真軟件中建立了超級電容器以電壓為控制量的恒壓放電仿真模型。仿真參數(shù)見表2。仿真圖形見圖9。

　　由圖9可見，在超級電容器放電時采用PID補(bǔ)償，直流母線電壓穩(wěn)定在參考值。所以，加裝PID補(bǔ)償環(huán)節(jié)能使系統(tǒng)較開環(huán)時穩(wěn)定，滿足電力系統(tǒng)的穩(wěn)定要求。

　　4總結(jié)

　　本文通過雙向DC-DC變換器向超級電容器充放電，根據(jù)變換器不同的工作狀態(tài)選擇不同的控制量，經(jīng)PWM控制驅(qū)動TGBT，快速穩(wěn)定。利用PSCAD/EMTDC電力系統(tǒng)仿真軟件對超級電容器進(jìn)行單路充放電的仿真，綜合分析超級電容器充放電的控制具有以下特點(diǎn)：

　　（1）分別采用PI和PID補(bǔ)償環(huán)節(jié)可使超級電容器充放電過程平穩(wěn)，滿足電力系統(tǒng)的穩(wěn)定要求；

　　（2）在電路其它參數(shù)不變的前提下，根據(jù)相應(yīng)關(guān)系選擇電感L，可以控制電流脈動為設(shè)定值；

　?。?）在保證電路參數(shù)不變的前提下，為減小充電電流脈動，可進(jìn)一步采用多重充電方式。仿真結(jié)果說明本文提出的控制方法可行。

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