超级电容器储能系统的充放电研究

发布时间：2017-09-24 00:07

  本文关键词：超级电容器储能系统的充放电研究

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【摘要】：超级电容器在性能上介于蓄电池和传统电容器之间,是一种新型绿色储能元件,具有高功率密度、循环寿命长、无污染等特点,因此在储能领域得到了广泛的应用,如电动车辆、不间断电源、电力系统等。由于电容单体工作电压过低的限制,通常需要将电容单体进行串联使用。但电容单体内部参数存在一定的偏差,此参数偏差会导致电容单体的充放电速度不同。所以在串联使用时,会存在电压不均衡现象,从而导致电容单体的电压过充或者过放,影响了超级电容器的寿命和系统的稳定性。此外,超级电容器和传统电容器具有相同的放电特性,即放电过程中电容单体的电压下降过快,导致储能系统的端电压不能长时间满足负载对电压等级的要求。所以,采取适当的电压均衡方案和设计合理的放电稳压电路具有重要的意义。本文首先对超级电容器的基本结构、工作原理和特点进行了阐述,分析了超级电容器的三种等效电路模型:串联RC模型、经典模型和传输线模型,讨论了各等效电路模型的结构特点和适用场合,并确定了本课题所选用串联RC等效电路模型。同时,介绍了超级电容器的几种充电方式并对超级电容器的充放电特性进行了分析。其次,对能耗性和能量转移型的几种常见电压均衡电路进行了工作原理的分析、仿真验证和优缺点的比较。然后利用超级电容器自身的低内阻、线性好、和低能量密度等特点,将超级电容作为自身的均衡器,提出了基于超级电容器串并联切换的均压电路。该均压电路仅由超级电容器和开关管组成,通过控制两组开关的通与断实现单体电压的均衡,具有结构简单,均衡速度快等优点。并通过仿真实验对该均衡电路的可靠性和有效性进行了验证,结果表明该均压电路均压速度快、效果好,使储能系统的储能达到最大化。最后,针对超级电容器放电过程中电压下降过快问题,本文采用PID调节器控制Boost变换器使超级电容器输出的已下降电压升压至负载所需的电压范围内,解决了超级电容放电过程中输出电压下降过快的问题。使超级电容储能系统放电稳压效果最优化和储能利用率最大化。
【关键词】：超级电容器 电压均衡 PID控制器 Boost变换器
【学位授予单位】：南华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM53
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 课题研究背景及意义10-11
• 1.1.1 课题研究背景10-11
• 1.1.2 超级电容器储能存在的问题及研究意义11
• 1.2 国内外研究现状11-15
• 1.2.1 超级电容器结构研究现状11-13
• 1.2.2 超级电容器应用现状13-14
• 1.2.3 串联超级电容器电压均衡策略研究现状14-15
• 1.3 本文的主要研究内容15-17
• 1.3.1 本文的主要工作15-16
• 1.3.2 论文的内容安排16-17
• 第2章 超级电容器的电路模型及充放电特性分析17-27
• 2.1 超级电容器的储能原理及特点17-19
• 2.1.1 超级电容器的储能原理17-18
• 2.1.2 超级电容器的特点18-19
• 2.2 超级电容器的几种等效模型分析19-21
• 2.2.1 串联RC模型19-20
• 2.2.2 经典等效电路模型20
• 2.2.3 传输线模型20-21
• 2.3 超级电容器充放电特性的分析21-25
• 2.3.1 超级电容器的充电特性分析21-23
• 2.3.2 超级电容器的放电特性分析23-24
• 2.3.3 超级电容器放电电压下限值24-25
• 2.4 本章小结25-27
• 第3章 超级电容器电压均衡策略的仿真分析27-45
• 3.1 影响电压均衡的因素分析27-29
• 3.2 电压不均衡对储能系统的影响29-30
• 3.3 常见电压均衡策略的分析30-43
• 3.3.1 能耗型电压均衡策略30-33
• 3.3.2 能量转移型电压均衡策略33-43
• 3.4 各种超级电容器电压均衡策略的比较43-44
• 3.5 本章小结44-45
• 第4章 串并联切换电压均衡技术的研究与设计45-53
• 4.1 超级电容器串并联切换的均衡电路45-47
• 4.2 等效电路分析47-48
• 4.3 仿真分析48-51
• 4.4 本章小结51-53
• 第5章 超级电容器储能系统恒压输出电路的研究与设计53-64
• 5.1 基于Boost变换器的稳压放电电路53-55
• 5.2 Boost变换器的传递函数推导及其系统稳定性分析55-61
• 5.2.1 参数选取55-56
• 5.2.2 Boost变换器的传递函数推导56-57
• 5.2.3 PWM小信号模型57
• 5.2.4 Boost变换器的PID补偿网络设计57-61
• 5.3 电路仿真结果与性能分析61-63
• 5.4 本章小结63-64
• 第6章 总结与展望64-66
• 6.1 总结64-65
• 6.2 展望65-66
• 参考文献66-71
• 攻读学位期间的科研成果71-72
• 致谢72

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本文编号：908221