456 西安理工大学学报Journal of Xi’all Univemity of Technology(201 1)Vo1.27 No.4 文章编号:1006-4710(201 1)04-0456-05 基于双向DC—DC变换器的超级电容器储能系统研究 杨惠,孙向东,钟彦儒,陶柳英,张鹏程 (西安理工大学自动化与信息工程学院,陕西西安710048) 摘要:介绍了超级电容器的经典RC模型,详细分析了双向DC—DC变换器的工作原理及控制策略。 构建了基于双向buck—boost电路的超级电容器储能系统模型,并进行了验证实验。实验结果表明 不论是模拟直流母线电压波动实验还是单相两级式光伏发电系统突加、突减负载实验,超级电容器 都能够工作在优化的充放电状态,使得储能系统能够很好地抑制直流母线电压波动,从而提高整个 系统的稳定性。 关键词:超级电容器;储能;双向DC.DC变换器;波动抑制 中图分类号:TM46 文献标志码:A Research on a Supercapacitor Energy Storage System Based on Bi-Directional DC-DC Converter YANG Hui,SUN Xiangdong,ZHONG Yanru,TAO Liuying,ZHANG Pengcheng (Faculty of Automation and Information Engineering,Xi’an University of Technology,Xi’an 710048,China) Abstract:The classical RC model of a supercapacitor is presented.The work principle and control strat— egy of the bi—directional DC—DC converter are analyzed in detil.Tahe supercapacitor energy storage sys— tern on the basis of he bit--directional buck・-boost converter is developed and experimentl staudy is carried out.The experimentl raesults show that the supercapacitor can operate in the optimal charge or discharge state and the energy storage system can restrain effectively the DC—・bus voltage fluctuation SO that the sys-・ tern stability is improved no matter when the hardware simulation is implemented or when the load chan— ges suddenly in the single—phase two—stage PV generation system. Key words:supercapacitor;energy storage;bi・directional buck—boost converter;fluctuation control 超级电容器亦称双电层电容器,是20世纪60 年代发展起来的一种新型储能元件。与常规电容器 不同的是它的容量可达到法拉级甚至千法拉级,且 具有功率密度高,充放电速度快,寿命长,工作温度 范围宽,可靠性高以及无污染等特点。超级电容器 的出现填补了传统静电电容器和化学电源之间的空 白,并以优越的性能及广阔的应用前景而受到了许 多国家的重视¨ 。由于超级电容器储能密度大, 且能快速地吸收和释放能量,因而在光伏发电、风力 间供电中断等情况时,超级电容器可快速充放电以 改善负荷电压,从而保证系统的安全性和可 靠性 4。。 本研究将非隔离型双向buck.boost电路应用到 超级电容器的充放电过程中,采用电压电流双闭环 控制策略,有效地抑制系统直流母线电压的波动。 1超级电容器储能系统 分布式发电系统的结构如图1所示。由分布式 发电电路、超级电容器储能系统、逆变电路及负载组 发电等分布式发电系统中对提高电能质量的作用重 大。当分布式发电系统出现电压波动、大电网短时 成。简化的储能系统如图1中的虚线框所示,主要 收稿日期:2011-09-02 基金项目:陕西省自然科学基金资助项目(2009JM7008);陕西省教育厅专项基金资助项目(09JK651、09JK647);陕西省 重点学科建设专项资金资助项目。 作者简介:杨惠(1978.),女,陕西咸阳人,博士生,研究方向为电力电子与电力传动及新能源发电技术。E-mail:ivyyang@ xaut.edu.cn。孙向东(1971.),男,辽宁辽中人,教授,博士,研究方向为现代交流调速、新型电力电子装置及新 能源发电系统。E—mail:sxdl030@163.com。 杨惠等:基于双向DC-DC变换器的超级电容器储能系统研究 457 由超级电容器组和双向DC—DC电路组成。由于超 级电容器单体的额定电压一般只有1—3 V,所以, 必须通过超级电容器串并联组合构成超级电容器组 才能满足实际系统对电压和能量等级的需要 。 当系统的直流母线电压高于额定值时,双向DC—DC 电路工作在降压模式,超级电容器组处于充电状态, 从而将多余的能量储存起来。当直流母线电压低于 额定值时,双向DC—DC电路工作在升压模式,超级 电容器组处于放电状态,为负载提供能量。 储能系统 图1 含有超级电容器储能系统的分布式发电系统 Fig.1 Distributed power generation system with a supereapaeitor energy storage system 1.1超级电容器的数学模型 超级电容器由于内部电阻和电容的形成机理比 较复杂,因此相关文献提出了很多超级电容器的应 用模型,其中,RC电路模型是最简单的一种(见图2 (a))。它包括理想电容器c、等效串联内阻R。和等 效并联内阻 。。等效串联内阻尺。表示超级电容器的 总串联内阻,在充放电过程中会产生能量损耗,该损 耗一般以热的形式表现出来。此外,R 的存在还会 使端电压出现波动,进而产生电压纹波。等效并联内 阻R。反映了超级电容器总的漏电情况,一般只影响 长期储能过程,称为漏电电阻。超级电容器自放电回 路的时间常数长达数十小时甚至上百小时,远远高于 充放电的时间常数。而且,在实际应用中超级电容器 一般通过功率变换器与电源连接,并处于较快的和频 繁的充放电循环过程中,因此,R。影响可以忽略 J。 因而,可以进一步将超级电容器模型简化为理想电容 器和等效串联内阻的串联结构(见图2(b))。 R (a)RC电路模型 (b)简化模型 图2超级电容器模型 Fig.2 Equivalent model of supercapacitor 当超级电容器以恒定电流,放电时,电量Q等 于容量c与额定时间内的电压降△u 的乘积,如式 (1)所示。因此,可以根据式(2)计算出超级电容器 组的容量值。 Q=C・aUo=,・△t (1) c= (2) 1.2 非隔离型双向buck.boost电路 本研究采用图3所示的非隔离型双向 buck—boost电路作为超级电容器储能系统的充放电 电路。该电路元器件数量少,造价低廉,没有变压器 损耗,效率高,易于包装和集成 ]。 l + 。, l I卜___J ] 1=产  G= = : 一 I J 本D.  图3 非隔离型双向buck-boost变换器 Fig.3 The non—isolated bi-directional buck-boost eonve ̄er 该电路能够实现两象限运行,即变换器两端电 压方向不变,电流方向可变,在功能上相当于buck 变换器和boost变换器的组合。当开关管S.以一定 占空比开关,D 为续流二极管时,变换器等效为 buck变换器,能量由U 流向U ,超级电容器组吸 收能量;当开关管s 以一定占空比开关,D,为续流 二极管时,变换器等效为boost变换器,能量由 流 向 。,超级电容器组释放能量。换言之,当直流母线 电压升高或降低时,通过控制两个开关管的通断即 可实现超级电容器组的储能或释能,从而抑制直流 母线电压的波动 。 1.3 控制策略 超级电容器储能系统主要的目的是稳定直流 母线电压,并且要求在系统工作时能够通过控制 电感电流来控制超级电容器组的充电电流和放电 电流。因此双向buck—boost变换器采用直流母线电 压外环控制和电感电流内环控制的控制策略。在 buck工作模式下,超级电容器组处于充电状态,此 时超级电容器类似短路状态,充电电流可以达到 很大值,因此采用电感电流内环控制使超级电容 器组的充电电流得以控制,在充电电流的同 时,保护开关管。在boost工作模式下,超级电容器 组放电,电感电流内环控制实现了对超级电容器 组放电电流的控制。 458 西安理工大学学报(2011)第27卷第4期 非隔离型双向buck.boost电路的控制框图见 图4。图中直流母线电压给定值 盎与实际输出电 压 的偏差通过PI电压调节器进行调节,最终得 到电流的给定值, 。 与实际电感电流信号,..的 偏差通过PI电流调节器所得到的输出,经过脉宽 调制产生双向DC.DC变换器开关器件的控制 信号。 图4 双向buck—boost电路的控制框图 Fig.4 The control diagram of the bi・dictionary buck.boost conve ̄er 图5为超级电容器组充放电的控制流程图。 可以根据直流母线电压的平均值与额定值之间的 关系来判断超级电容器组是充电状态还是放电 状态。 图5 超级电容器组充放电的控制流程图 Fig.5 Flow chart of charging and discharging control of the supercapacitors 2 系统实验分析 2.1 模拟实验 用单相二极管整流电路模拟直流母线电压波 动,利用超级电容器储能系统抑制其波动,将其直流 母线电压稳定于100 V。超级电容器组由50支1 800 17/2.7 V超级电容器串联组成,总容量值为36 F,总 额定电压为135 V,总串联等效内阻为35 mft。模拟 实验原理框图见图6。 图6 模拟直流母线电压波动的实验原理框图 Fig.6 The experimental block diagram for the DC—bus voltage fluctuation 图7为直流母线电压正负波动10%且波动频率 为100 Hz时,超级电容器储能系统动作前后的直流母 线电压 、超级电容器组电压 以及电感电流,I_的 实验波形。从图7可以看出,储能系统动作之前直流 母线电压在90~110 V之间波动,当超级电容器储能 系统开始工作后,直流母线电压的波动迅速减小,且 稳态时直流母线电压的峰峰值均接近100 V,波动范 围由原来的±10%缩小为约4-3%,抑制直流母线电 压波动的目的得以实现。而同时超级电容器组处于接 近恒流充放电的交替工作状态,当直流母线电压高于 100 V时超级电容器组恒流充电,电容组电压上升,吸 收能量。当直流母线电压低于100 V时超级电容器组 恒流放电,电容组电压下降,释放能量。 图7 直流母线电压正负波动10%时的实验波形 Fig.7 The experimental waveforms with±10% lfuctuation of the DC—bus voltage 2.2 储能系统在单相光伏发电系统中的应用 将超级电容器储能系统应用于实际的单相两级 式光伏发电系统,实验系统的结构如图8所示。整体 系统由单相两级式光伏发电系统和超级电容器储能 系统两大部分组成。超级电容器组参数与模拟实验 一致,光伏电池板的参数为:标准条件下最大功率 85 w,开路电压22.2 V,短路电流为5.15 A,最大功 率点下最优工作电压为l7.8 V,最优工作电流为 4.8 A。实验中将10块光伏电池板进行串联,对应的 460 西安理工大学学报(2011)第27卷第4期 Wang Dong.Research on Voltage BMance of Supercapaci— 参考文献: [1]胡毅,陈轩恕,杜砚,等.超级电容器的应用与发展[J]. 电力设备,2008,9(1):19-22. 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