超级电容器的储能特性研究.pdf

1、低 压 电 器 ( 2008 5)通 用 低 压 电 器 篇 研 究 与 分 析 耿 建 明 ( 1979 ) ,男 ,助 理 工 程 师 ,研究 方 向 为 电 力 电 子与 电 力 传 动 。超 级 电 容 器 的 储 能 特 性 研 究耿 建 明 , 李 体 明 , 王 炜(海 军 装 备 研 究 院 舰 船 所 ,北 京 100073 )摘 要 : 分 析 了 超 级 电 容 器 储 能 系 统 在 直 流 电 网 中 的 工 作 状 态 ,对 该 储 能 系 统 进行 了 建 模 ,并 对 开 关 频 率 分 别 为 1、 2、 4 kHz时 的 储 能 系 统 模 型 进 行 仿

2、真 和 实 验 。 实 验结 果 表 明 ,超 级 电 容 器 储 能 系 统 理 论 上 是 正 确 的 ,应 用 上 也 是 可 行 的 。关 键 词 : 赵 级 电 容 器 ; 储 能 系 统 ; 直 流 电 网中 图 分 类 号 : TM 531. 4 文 献 标 识 码 : B 文 章 编 号 : 100125531 (2008) 0520016203Research on the Character istics of EnergyStorage for Super2Capac itorGENG J ianm ing, L I Tim ing, WAN G W ei( Instit

3、ute ofMarine, Navy Equipment Research Institute, Beijing 100073, China)Abstract: A super2capacitor energy storage system app lied in DC power system was analyzed and modeled.The energy storage system model was simulated and experimented on when switching frequencies were 1, 2 and 4kHz respectively.

4、The experiment result shows that the super2capacitor energy storage system is correct in theoryand feasible in app lication.Key words: super2capac itor; energy storage system; DC power system李 体 明 (1956 ) ,男 ,高 级 工 程 师 ,研 究 方 向 为 船 舶 机 电 。王 炜 (1982 ) ,男 ,助 理 工 程 师 ,研 究 方 向 为 船 舶 与 海 洋 工 程 。0 引 言超 级

5、电 容 器 是 新 型 的 储 能 元 件 ,它 能 对 直 流电 网 电 压 的 瞬 时 跌 落 起 到 能 量 补 偿 的 作 用 。 在 直流 电 网 中 ,超 级 电 容 器 靠 直 流 斩 波 电 路 进 行 充 、 放电 。 直 流 斩 波 电 路 是 直 流 电 源 和 负 载 间 的 一 个 周期 性 通 断 开 关 控 制 装 置 ,它 与 超 级 电 容 器 、 负 载 构成 超 级 电 容 器 储 能 系 统 ,包 括 2个 IGBT、 滤 波 电感 及 滤 波 电 容 。 其 基 本 拓 扑 结 构 如 图 1所 示 。图 1 直 流 斩 波 电 路 基 本 拓 扑 结

6、 构图 中 : T1、 T2 为 IGBT; L0 为 滤 波 电 感 ; C0 为 滤波 电 容 ; CSC和 RSC分 别 为 超 级 电 容 器 及 其 等 效 内阻 。 电 路 中 ,电 网 电 压 Udc必 须 总 是 大 于 超 级 电容 器 的 电 压 USC ,否 则 ,超 级 电 容 器 上 的 能 量 会 通过 T1 的 续 流 二 极 管 流 向 直 流 电 网 。 由 图 可 知 ,若T1 导 通 、 T2 关 断 ,电 能 从 电 网 向 超 级 电 容 器 传 递 ,电 路 处 于 降 压 模 式 ;若 T2 导 通 、 T1 关 断 ,则 电 能从 超 级 电 容

7、 器 向 电 网 传 递 ,电 路 处 于 升 压 模 式 。基 于 直 流 斩 波 电 路 的 基 本 原 理 ,在 超 级 电 容器 储 能 系 统 中 ,突 然 加 大 功 率 负 载 后 ,电 网 电 压 势必 有 所 跌 落 ,这 时 储 能 系 统 开 始 工 作 ,超 级 电 容 器向 电 网 电 压 提 供 能 量 补 偿 ,使 电 网 电 压 值 回 升 ;当电 网 电 压 值 回 升 后 ,超 级 电 容 器 也 放 电 完 毕 ,这 时电 网 电 压 开 始 为 超 级 电 容 器 充 电 。 整 个 储 能 系 统的 工 作 就 是 依 靠 控 制 直 流 电 路 中

8、上 下 两 个 桥 臂 开关 管 的 通 、 断 进 行 的 。1 储 能 系 统 建 模 仿 真为 验 证 超 级 电 容 器 储 能 系 统 的 运 行 ,本 文 搭建 了 实 验 平 台 ,并 对 实 验 中 的 各 个 器 件 进 行 了 建61 研 究 与 分 析 低 压 电 器 ( 2008 5)通 用 低 压 电 器 篇模 仿 真 。 通 过 实 验 和 仿 真 波 形 的 对 比 ,来 判 断 储能 系 统 的 正 确 性 。在 能 量 的 双 向 传 输 过 程 中 ,通 常 要 求 储 能 系统 向 电 网 释 放 电 能 时 输 出 电 压 恒 定 ;储 能 系 统 的放

9、 电 工 况 应 优 先 考 虑 ,图 2为 升 压 电 路 模 型 。 这里 仅 对 储 能 系 统 放 电 时 的 工 况 进 行 分 析 。图 2 升 压 电 路 模 型首 先 ,作 如 下 设 定 :(1) 图 中 RSC包 括 超 级 电 容 器 内 阻 、 滤 波 电感 器 Ld 的 直 流 内 阻 或 通 态 电 阻 及 线 路 电 阻 。(2) 不 考 虑 T1、 T2、 D1、 D2 通 断 时 的 开 关 过程 。(3) 不 考 虑 线 路 的 分 布 电 感 。(4) 输 出 电 压 无 纹 波 ,即 滤 波 电 容 C0 足 够 大 。1. 1 仿 真 模 型 和 参

10、数 的 设 定仿 真 参 数 如 表 1所 示 。表 1 仿 真 参 数 设 定参 数 参 数 值CSC / F 17. 5RSC / 17. 5Ld / mH 1、 2、 4C0 / mF 2. 4 (按 允 许 电 压脉 动2 %选 取 )理 想 直 流 电 压 源 ES / V 550等 效 母 线 输 电 电 阻 RS / 3初 始 负 载 R1 / , L1 / mH 10. 05, 0. 1增 加 负 载 RL / 3. 0开 关 频 率 f / kHz 1、 2、 41. 2 仿 真 结 果储 能 系 统 不 工 作 时 仿 真 波 形 如 图 3所 示 。 f = 2 kHz情

11、 况 下 ,改 变 电 感 值 , Ld = 4 mH,其 仿 真波 形 如 图 4所 示 ; Ld = 4 mH, f分 别 为 1 kHz, 4kHz,仿 真 波 形 如 图 5、 6所 示 。图 3 储 能 系 统 不 工 作 时 仿 真 波 形图 4 Ld = 4 mH时 的 仿 真 波 形图 5 f = 1 kHz的 仿 真 波 形图 6 f = 4 kHz的 仿 真 波 形由 图 3 6可 知 ,在 理 想 状 态 下 ,当 K1 断 开 ,直 流 母 线 可 提 供 电 流 为550RL +550R1 =ES - 550RS + I (1)71低 压 电 器 ( 2008 5)通

12、 用 低 压 电 器 篇 研 究 与 分 析 将 RL、 R1、 RS 代 入 式 (1) ,得 到 I = 40 A的 负载 电 流 ,此 时 负 载 处 端 电 压 为 550 V;在 0. 15 s时K1 闭 合 ,突 加 负 载 RL 后 ,由 于 RS 上 压 降 增 加 ,若储 能 系 统 不 工 作 ,负 载 端 口 处 母 线 电 压 下 降 为500 V,负 载 R1 上 电 流 降 低 。若 突 加 负 载 时 储 能 系 统 同 时 工 作 。 此 时 ,需要 储 能 系 统 在 稳 定 输 出 电 压 为 550 V。 同 样 ,在0. 15 s时 刻 突 加 负 载

13、RL ,负 载 端 电 压 、 电 流 波 形如 图 4 6所 示 (超 级 电 容 器 模 块 电 压 事 先 已 充到 360 V)。由 图 4 6可 知 ,当 电 感 参 数 不 变 ,随 着 开 关频 率 的 增 加 ,波 形 逐 渐 平 滑 ;当 开 关 频 率 不 变 ,随着 电 感 值 的 改 变 ,波 形 的 效 果 变 好 。2 实 验2. 1 实 验 参 数 设 定实 验 参 数 如 表 2所 示 。表 2 实 验 参 数 表参 数 参 数 值超 级 电 容 器 CSC / F 17. 5超 级 电 容 器 等 效 内 阻 RSC / 0. 33电 感 Ld / mH 1、

14、 2、 4滤 波 电 容 C0 / mF 2 000电 网 电 压 值 U s / V 550开 关 频 率 f / kHz 1、 2、 4负 载 RL / 3实 验 步 骤 如 下 :(1) 充 电 (先 恒 流 、 后 恒 压 )。 先 启 动 超 级电 容 器 的 控 制 器 ,即 打 开 开 关 ,先 恒 流 充 电 ; 当超 级 电 容 器 的 电 压 值 充 电 至 360 V时 ,停 止 充 电 。(2) 突 加 大 功 率 负 载 放 电 。 无 补 偿 装 置情 况 下 ,电 网 电 压 是 否 跌 落 ; 加 上 补 偿 装 置 的情 况 下 ,电 网 电 压 是 否 回

15、升 ,超 级 电 容 器 应 向 电 网放 电 。(3) 电 感 值 不 变 ,改 变 IGBT开 关 频 率 ,突 加大 功 率 负 载 时 ,超 级 电 容 器 对 电 网 进 行 补 偿 。 开关 频 率 可 分 别 设 定 为 1、 4 kHz。(4) 开 关 频 率 不 变 ,改 变 主 电 路 中 的 电 感 值 ,电 感 值 为 4 mH。2. 2 实 验 结 果(1) f = 2 kHz L0 = 4 mH时 的 实 验 波 形 如 图 7所 示 。图 7 超 级 电 容 器 放 电 电 压 与 电 网 电 压 、电 流 波 形 (2 kHz, 4 mH)(2) L0 = 4

16、mH, f分 别 为 1、 4 kHz时 的 试 验 波形 如 图 8、 9所 示 。图 8 超 级 电 容 器 放 电 电 压 波 形 和 电 网电 压 、 电 流 波 形 (4 mH, 1 kHz)图 9 超 级 电 容 器 放 电 电 压 波 形 和 电 网电 压 、 电 流 波 形 (4 mH, 4 kHz)从 图 7 9知 ,在 超 级 电 容 器 充 电 至 360 V ,突 加 大 功 率 负 载 后 ,电 网 电 压 开 始 跌 落 ,由 550 V降 至 400 V左 右 ;超 级 电 容 器 开 始 向 电 网 放 电 ,使电 网 电 压 又 抬 升 到 550 V左 右

17、,持 续 供 电 一 段 时间 后 停 止 放 电 。 此 时 电 流 为 反 向 电 流 (由 于 采 集装 置 的 原 因 ,放 电 时 电 网 电 压 纹 波 较 大 且 电 流 毛刺 较 多 )。由 上 述 试 验 波 形 看 ,这 几 种 状 态 的 波 形 基 本一 致 。 区 别 在 于 充 、 放 电 时 候 随 着 开 关 频 率 的 增加 ,输 出 波 形 的 纹 波 越 小 ,随 着 电 感 的 提 升 ,输 出(下 转 第 42页 )81低 压 电 器 ( 2008 5)通 用 低 压 电 器 篇 现 场 总 线 Station_ Type = 0 /站 类 型 (DP

18、从 站 ) /FMS_ supp = 1 /对 FMS的 支 持 /Hardware_ Release = V1. 0 /硬 件 版 本 /Software_ Release = V2. 0 /软 件 版 本 /3 结 语本 课 题 设 计 的 针 对 传 动 系 统 的 Profibus2DP从 站 通 信 接 口 设 计 方 案 具 有 通 用 性 ,可 针 对 不 同的 控 制 对 象 使 用 ,在 过 程 控 制 中 有 很 高 的 利 用 价值 。 设 计 Profibus2DP从 站 通 信 接 口 有 利 于 自 主研 发 具 有 Profibus通 信 功 能 的 智 能 从

19、站 设 备 ,对推 动 国 内 现 场 总 线 工 业 的 发 展 具 有 积 极 的 作 用 。【 参 考 文 献 】 1 阳 宪 惠 .现 场 总 线 技 术 及 其 应 用 M . 北 京 :清 华 大学 出 版 社 , 2002. 2 满 庆 丰 ,韩 锋 ,夏 继 强 . 开 发 Profibus2DP智 能 从 站M . 电 测 与 仪 表 , 2003 (3) : 37240. 3 商 高 平 ,马 伯 渊 . Profibus2DP现 场 总 线 在 反 渗 透 水处 理 中 的 应 用 J . 微 计 算 机 信 息 , 2006 (4) : 56258. 4 唐 济 扬 .

20、 Profibus产 品 开 发 及 总 线 桥 技 术 M . 上海 :中 国 现 场 总 线 专 业 委 员 会 , 2003. 5 刘 美 俊 . Profibus总 线 技 术 在 纸 厂 控 制 系 统 中 的 应用 J . 低 压 电 器 , 2006 (6) : 39241.收 稿 日 期 : 2007203220(上 接 第 18页 )的 纹 波 也 会 有 明 显 的 改 善 。稳 态 工 作 时 ,开 关 管 导 通 期 间 电 感 电 流 的 增量 iL 等 于 它 在 开 关 管 截 止 期 间 的 减 小 量 。 因此 ,升 压 比 为M = UBUSUCM= 11

21、- D (2)在 每 一 个 开 关 周 期 中 ,电 感 都 有 一 个 储 能 和能 量 通 过 二 极 管 的 释 放 过 程 ,也 就 是 它 必 须 有 能量 送 到 负 载 端 。 因 此 ,若 此 时 未 接 负 载 ,则 不 断 增加 的 电 感 值 储 能 不 能 消 耗 掉 ,于 是 负 载 端 的 输 出电 压 会 不 断 地 升 高 ,最 后 引 起 事 故 。 在 试 验 中 ,升压 变 换 器 不 宜 在 D 1的 情 况 下 工 作 。在 电 流 连 续 条 件 下 ,升 压 变 换 器 变 压 比 M 也仅 与 占 空 比 D有 关 而 与 负 载 无 关 。通

22、 过 二 极 管 的 电 流 平 均 值 等 于 负 载 电 流 即ID = I0 ;通 过 开 关 管 的 电 流 平 均 值 IT = 11 - D I0 ;电感 电 流 的 脉 动 量 为 iL = U0 (1 - D ) D TL = (1 - D ) DU0L f (3)设 : Idmax为 电 感 最 大 值 , Idm in为 电 感 最 小 值 ,则Idmax - Idm in = Id = UdD TLd(4)Idmax + Idm in =2 Id (5)Idmax = Id + 12 UdD TLd(6)Idm in = Id - 12 UdD TLd(7)当 Idm i

23、n = 0时 , Idc = Id = UdD T2Ld。 其 中 , Idc为 电感 的 临 界 续 流 状 态 。因 此 ,输 出 电 流 I0 的 连 续 临 界 值 I0c为I0c = Idc (1 - D ) = Ud T2LdD (1 - D ) (8)当 D = 0. 5时 , I0c有 最 大 值 ,为I0c = Ud T8LdD (1 - D ) (9)在 本 试 验 中 ,所 用 输 出 电 流 的 占 空 比 D 限 定在 0. 5。 因 为 当 放 电 时 超 级 电 容 器 的 电 压 为 360V,放 电 电 压 就 不 会 升 高 到 720 V,起 到 了 保

24、护 主电 路 的 作 用 。从 试 验 与 仿 真 的 波 形 对 比 可 知 ,两 者 基 本 吻合 ,说 明 了 理 论 分 析 的 正 确 性 和 超 级 电 容 器 储 能系 统 的 可 行 性 。【 参 考 文 献 】 1 陈 坚 . 电 力 电 子 学 M . 北 京 :高 等 教 育 出 版 社 ,2002. 2 ARNET B J, HA INES L P. H igh Power DC to DCConverter for Supercapacitors J . EPEL Electric De2vice Communication U sing Field Buses, 1998, Pas286(6) : 66269. 3 钟 云 ,张 建 成 .基 于 超 级 电 容 器 储 能 电 压 暂 降 补 偿分 析 J . 电 力 自 动 化 设 备 , 2005 (6) : 43244.收 稿 日 期 : 200720821024