超級電容器儲能控制技術研究

　　勞斯佳，尹忠東，單任仲

　　（華北電力大學電力系統保護與動態安全監控教育部重點實驗室，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，能夠解決絕大多數需要對超級電容器充放電的場合。在PSCAD/EMTDC電力系統仿真軟件中構建超級電容器的充放電電路模型，通過對無補償時雙向控制模型分析，采用PI或者PID補償環節實現系統的穩定，并進行仿真驗證。為減小充電電流脈動，進一步提出對超級電容器進行多重充電的思路，給出仿真結果。仿真系統的穩定和良好的仿真結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，它與常規電容器不同，其容量可達到法拉級甚至數萬法拉，而且能在電極端電壓超過額定電壓的過充電狀態下不被擊穿。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電容器和充電電池之間，在眾多的應用領域里彌補了常規儲能器件的單方面缺陷。此外，它還具有內阻小，充放電效率高（90％～95％）、循環壽命長（幾萬至十萬次）、低溫性能優越、無污染等獨特的優點[1]。這些優點使得超級電容器非常適合用于短時間高功率輸出的場合。

　　追求穩定運行、可靠供電的電力系統近幾年也引進超級電容器作為新型儲能設備，使其在電力系統出現電壓波動、短時間供電中斷等情況下快速充放電，從而保證系統的安全性及可靠性。目前對超級電容器在電力系統中應用的研究才掀起熱潮，實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補償環節，使系統比較穩定，滿足絕大多數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控制裝置，它的作用是改變供給超級電容器的電壓，實際上是作為一個電壓調節系統而工作的。

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

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

　　當S1處于工作狀態，S2關斷，S1和D2構成降壓斬波電路，此時雙向DC-DC變換器處于Buck狀態。在一個開關周期Ts內，當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釋放能量構成通路，向電容充電。當電路處于降壓Buck狀態時，兩端電壓的相互關系為：

　　2雙向DC-DC變換器的控制模型

　　系統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狀態還是Buck狀態。當直流母線電壓迅速增大，調節雙向DC-DC變換器工作于Buck狀態，將系統能量傳送到超級電容器。在此之前，系統的控制必然使電容電壓處于較低狀態。相反，當直流母線電壓迅速降低，則會控制雙向DC-DC變換器轉入Boost狀態，將超級電容器儲存的能量釋放到系統。通過控制S的占空比來調節雙向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側穩壓時，為Boost型的直流斬波器。設圖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，通過比例積分（PI）補償環節校正就可使系統具有一定的相角裕度，從而使系統閉環穩定。PI補償環節的傳遞函數模型：

　　3仿真驗證

　　3.1恒流充電仿真

　　在PSCAD/EMTDC電力系統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吸收高能量。由圖7可見，采用PI補償環節可以得到僅有5％脈動的較為恒定的充電電流，同時使系統較開環時穩定。

　　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變換器并聯后向超級電容器充電。

　　在PSCAD/EMTDC電力系統仿真軟件建立其仿真模型，各路仿真參數同單路恒流充電的參數，進行仿真。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補償，直流母線電壓穩定在參考值。所以，加裝PID補償環節能使系統較開環時穩定，滿足電力系統的穩定要求。

　　4總結

　　本文通過雙向DC-DC變換器向超級電容器充放電，根據變換器不同的工作狀態選擇不同的控制量，經PWM控制驅動TGBT，快速穩定。利用PSCAD/EMTDC電力系統仿真軟件對超級電容器進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：

　　（1）分別采用PI和PID補償環節可使超級電容器充放電過程平穩，滿足電力系統的穩定要求；

　　（2）在電路其它參數不變的前提下，根據相應關系選擇電感L，可以控制電流脈動為設定值；

　　（3）在保證電路參數不變的前提下，為減小充電電流脈動，可進一步采用多重充電方式。仿真結果說明本文提出的控制方法可行。

　　參考文獻：

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