超級(jí)電容器儲(chǔ)能控制技術(shù)研究

勞斯佳，尹忠東，單任仲

（華北電力大學(xué)電力系統(tǒng)保護(hù)與動(dòng)態(tài)安全監(jiān)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206)

摘要：提出了雙向DC-DC變換器在超級(jí)電容器充放電過(guò)程中的控制方法，能夠解決絕大多數(shù)需要對(duì)超級(jí)電容器充放電的場(chǎng)合。在PSCAD/EMTDC電力系統(tǒng)仿真軟件中構(gòu)建超級(jí)電容器的充放電電路模型，通過(guò)對(duì)無(wú)補(bǔ)償時(shí)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(yàn)證。為減小充電電流脈動(dòng)，進(jìn)一步提出對(duì)超級(jí)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(shuō)明所提出的方法可行。

超級(jí)電容器是近年來(lái)新型能源器件的一個(gè)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(jí)甚至數(shù)萬(wàn)法拉，而且能在電極端電壓超過(guò)額定電壓的過(guò)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(chǔ)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(zhǎng)（幾萬(wàn)至十萬(wàn)次）、低溫性能優(yōu)越、無(wú)污染等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[1]。這些優(yōu)點(diǎn)使得超級(jí)電容器非常適合用于短時(shí)間高功率輸出的場(chǎng)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(jí)電容器作為新型儲(chǔ)能設(shè)備，使其在電力系統(tǒng)出現(xiàn)電壓波動(dòng)、短時(shí)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(duì)超級(jí)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(jí)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(jí)電容器的充放電過(guò)程，對(duì)雙向控制模型分析，采用PWM的控制策略，并針對(duì)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(duì)超級(jí)電容器充放電的場(chǎng)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(jí)電容器之間的一個(gè)周期性通斷的開關(guān)控制裝置，它的作用是改變供給超級(jí)電容器的電壓，實(shí)際上是作為一個(gè)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(duì)外放電時(shí)，DC-DC變換器處于升壓狀態(tài)，而對(duì)電容充電時(shí)，電流反饋，DC-DC變換器處于降壓狀態(tài)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jí)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(shí)雙向DC-DC變換器處于Buck狀態(tài)。在一個(gè)開關(guān)周期Ts內(nèi)，當(dāng)S1閉合時(shí)（即0＜t＜ton，其中t為時(shí)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(jí)電容器，同時(shí)電感L存儲(chǔ)部分能量；當(dāng)S1斷開時(shí)（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(shí)，兩端電壓的相互關(guān)系為：