高电压增益型超级电容储能系统研究

发布时间：2020-10-09 23:59

　　随着传统化石能源的快速消耗和电力需求的不断增长,可再生能源得到了人们的重视。传统电力系统涵盖了大量的交直流负载以及电力变换装置,而大量可再生能源的接入对其稳定性提出了更高的要求。为提高电力系统稳定性,满足供电形式的多样化和能量多向流动的要求,能量路由器得到了广泛关注。作为一种融合了信息与电力电子变换技术,实现分布式能量高效利用和传输的电力装备,能量路由器能够与配电网协调配合,实现电力网络能量流的主动管理。而储能系统作为能量路由器中的关键环节之一,不仅能够实现电力网络的能量供应与回收,并可平抑因可再生能源接入带来的功率波动,进而提高电力网络运行的稳定性。超级电容储能具有功率密度高,充放电速度快,循环寿命长,可靠性高的特点。为此,本文基于能量路由器中的超级电容储能系统作为研究对象,对超级电容储能及其系统中高电压增益型双向变换器的设计和控制方法进行研究。本文首先对超级电容的特性、等效电路模型以及充电方式进行了分析,并对比研究了超级电容储能系统中的双向DC-DC变换器拓扑。由于能量路由器中包含多种电压等级,为实现储能的灵活接入,本文研究了“三相交错并联+四电平谐振”的级联型高电压增益双向DC-DC变换器拓扑。该拓扑能够实现超级电容储能的高电压变比,满足不同电压等级下的要求。为对拓扑功能进行验证,本文对所研究的级联型变换器进行了理论和实验分析。对前级三相交错并联变换器,阐述了其工作原理,并建立了状态空间模型;针对超级电容的充放电控制设计了恒流-恒压充电策略和恒压放电策略。对后级四电平谐振变换器,设计了移相闭环控制策略,解决了开环控制下的支撑电容电压不均衡问题。在完成级联变换器参数设计基础上,搭建了相应的硬件实验平台,实验结果证明了控制策略的正确性。为进一步提升超级电容储能系统的输出电压水平,可以对多个前级三相交错并联变换器的输入侧(高压侧)串联,得到输入串联输出(储能侧)独立(input-series output-independent,ISOI)拓扑。但由于储能模块电路寄生参数、超级电容初始电压或一致性等原因,会导致各储能模块中的超级电容出现荷电状态(state of charge,SOC)分布不均衡的问题。为此本文对ISOI拓扑的SOC均衡控制进行了研究,并设计了一种SOC快速均衡控制策略,仿真结果证明了控制策略的正确性。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM53
【部分图文】：

超级电容,工作原理,电场

图１－１超级电容工作原理逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｔｈｅ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ邋ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒ邋ｏｐｅｒａｔｉｏｎ逡逑如图１－１所示为超级电容工作原理其在电极与电解液接触面形成了极性逡逑相反的两个电荷层。当外部接通电源时，正极板和负极板之间形成电场，在电场逡逑２逡逑

超级电容,等效电路模型

超级电容与普通电容内部组成类似，但特性方面差别很大，若直接等效为电逡逑容器，会导致理论结果和实际出现较大偏差，因此有必要考虑超级电容的等效模逡逑型。如图１－２为超级电容的几种等效模型ｔｍ。图１－２⑷为简化的超级电容ＲＣ串逡逑联模型，主要考虑了超级电容等效电容Ｃ和串联电阻ｒｓｃ＿ａｌ，能够反映超级电容的逡逑基本特性，其中Ｃ反映其储存能量的能力，ｒｓｃ＿ａｌ能够反映其在充放电过程的能量逡逑损耗，阻值很小；图ｌ－２（ｂ）为经典ＲＣ模型，考虑了等效电容Ｃ、串联电阻ｒｓｃ＿ｂｌ逡逑和漏电阻ｒｓｃ＿ｂ２，且ｒｓｃ＿ｂ２与超级电容静置时的能量衰减有关，阻值很大。图ｌ－２（ｃ）逡逑为经典德拜极化模型，考虑了超级电容等效电容Ｃ、吸附电容Ｃｃｌ、分离电阻ｒｓｃ＿ｃｌ逡逑以及电荷转移电阻ｒｓｃ＿ｃ２

拓扑图,交错并联,多相,半桥

这就要求作为接口电路的双向变换器具有灵活的电压调节能力和大电流承载能逡逑力。目前在超级电容储能中应用最为广泛的是由半桥变换器经多相并联得到的多逡逑相半桥结构变换器。如图１－７所示，半桥变换器经过并联可降低电流应力，采用交逡逑错控制可以有效减小超级电容储能侧电流纹波，降低电感设计难度，减小电感体逡逑积和重量，在大功率场合有着明显的优势［３６，３７］。逡逑ｓ＞ｊ邋＾邋７＼邋ｓｌｌ邋＾邋７＼逦＾邋２＼逡逑低压侧逦高压侧逡逑Ｔ逦—逦—＂逦￣＂逡逑－ｈＷＹＶＸ＿逡逑－邋逦邋＾２逡逑＋邋：逦Ｃ２邋＝邋＝逡逑逦逡逑Ｕ＇邋ｃ，逦ｓＪｌ｜＾２ｒ＊＊Ｓ２ｕ｜＾ｉ逡逑图１－７多相交错并联半桥双向ＤＣ－ＤＣ拓扑逡逑Ｆｉｇ．邋１－７邋Ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ邋ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ邋ｈａｌｆ－ｂｒｉｄｇｅ邋ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ邋ＤＣ－ＤＣ邋ｔｏｐｏｌｏｇｙ逡逑为适应高电压应用场合，有必要进一步拓展该变换器的电压增益，为此本文逡逑增加了如图ｌ－８（ｂ）所示的四电平谐振变换器作为二次升压环节，以提尚储能变换器逡逑的输出电压范围［３８］。该变换器由如图卜８（ａ）所示的模块化谐振单元和支撑电容组逡逑成，对模块化谐振单元可以通过开关管的控制实现能量在两个端口（Ｐ0ｒｔｌ／Ｐ0ｒｔ２）逡逑之间的传递，并由此得到图ｌ－８（ｂ）的四电平谐振变换器拓扑，以实现三倍的电压变逡逑换。本文选择将三相交错并联变换器的高压侧与四电平谐振变换器低压侧级联

【参考文献】