(已读)超级电容器储能系统统一模型的研究

第24卷第2期电力科学与工程Vol.24,No.22008年3月Electric Power Science and Engineering Mar.,2008
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收稿日期：2007-10-21.
基金项目：国家自然科学基金资助项目（50677018）；华北电力大学重大项目预研基金（20041303）.
作者简介：汪娟华(1978－),女,华北电力大学电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室硕士研究生.
超级电容器储能系统统一模型的研究
汪娟华，范
伟，张建成，阮军鹏
（华北电力大学电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室，河北保定071003）
摘要：从超级电容器储能系统的运行机理出发，设计了含双向DC-AC-DC 变换器的超级电容器储能系统主电路结构，并建立了其统一模型。

仿真结果证明了所建统一模型的正确性和有效性,并表明超级电容器储能系统提高了分布式发电系统的运行稳定性。

关键词：电容器储能系统；模型；双向DC-AC-DC 变换器中图分类号：TM761
文献标识码：A
0引言
随着电力系统的发展，分布式发电技术越来越受到人们的重视[1]。

储能系统作为分布式发电系统必要的能量缓冲环节，其作用越来越重要。

除此之外，储能系统对提高电力系统的运行稳定性也具有非常重要的作用。

超级电容器储能系统利用多组超级电容器（称为超级电容器组件阵列）将能量以电场能的形式储存起来，当能量紧急缺乏或需要时，再将存储的能量通过控制系统释放出来，准确快速地补偿系统所需的有功和无功，从而实现电能的平衡、稳定控制[2]。

超级电容器具有非常突出的优点，其具有如下的特性：（1）其功率密度高，为7000~18000W/g ，可以在短时迅速放出能量；（2）循环寿命长，高低温性能好，效率高，其循环寿命大于500000次，效率高于95%；（3）超级电容器的充放电速度快，充放电效率高，其充电方式比起其他的储能系统简单，控制也相对容易；（4）超级电容器的材料几乎没有毒性，环境友好，而且在使用中无需维护[3，4]。

本文从超级电容器储能系统的运行机理出发，设计了超级电容器系统的主电路结构，并运用了双向DC-AC-DC 变换器；对超级电容器充、放电过
程分别进行了分析，并建立了该系统的统一模型；最后进行了仿真，仿真结果验证了该统一模型的正确性,并表明超级电容器储能系统提高了分布式发电系统的运行稳定性。

1超级电容器储能系统的主电路结构
超级电容器储能系统的主电路结构如图1所示，其主要由3部分组成，分别为储存能量用的超级电容器组件阵列、进行能量变换与传输的电能转换系统和综合控制系统。

超级电容器组阵列由2×6个0.6F/400V/400A 超级电容器组成。

采用的超级电容器是近年来出现的一种新型能源器件，其极板为活性炭材料，
具
双向DC-AC-DC 交换器
图
电力科学与工程22008年
有极大的有效表面积，容量可达到法拉级甚至数千法拉。

超级电容器不存在电介质，系统为达到电化学的平衡，电荷在电极和电解质的界面之间自发地分配形成阴阳离子层，从而达到保存能量的目的。

超级电容器必须两两串联才能满足充电时电压要求，若将大量超级电容器并联起来，同时提高电能转换系统中电力电子器件的容量，还可以方便地组成更大容量的超级电容器储能系统，而在运行可靠性和控制灵活性方面却不会受到影响。

电能转换系统为一个双向DC-AC-DC 变换器，主要包括AC/DC 整流器、高频变压器和DC/AC 逆变器三部分。

整流器和逆变器部分都采用全控电力电子器件组成，且采用PWM 控制方式，从而实现能量的双向流动。

根据超级电容器整体容量大小和功率大小以及负载的不同，选择相应的电力电子器件。

通过双向DC-AC-DC 变流电路来控制系统能量的传输方向，使超级电容器储存或释放能量，从而维持分布式发电系统的直流母线电压稳定在正常运行值。

当直流电网母线电压下降时，超级电容器释放能量，通过双向DC-AC-DC 变流电路将能量传输给直流电网，从而提高直流母线电压使其稳定运行。

反之，当直流母线电压上升时，能量由直流电网端经双向DC-AC-DC 变流电路向超级电容器端传输，此时超级电容器进行充电，而分布式电网直流母线端电压则会下降直至其稳定运行。

综合控制系统主要包括数据分析计算系统、双向DC-AC-DC 变换器输出控制系统和开关控制系统，其结构如图2所示。

系统运行时，检测电路实时测量分布式电网直
流母线电压、超级电容器的端电压、双向DC-AC-DC 变换器中逆变器和整流器的占空比，由数据分析计算系统快速计算出直流电网的运行状态。

当直流电网电压出现波动与闪变时，双向DC-AC-DC 变换器输出控制系统根据数据分析计算系统的计算
结果实时调整双向DC-AC-DC 变换器中逆变器、整流器的运行状态，消除或减弱电压波动与闪变现象。

当电网电压过高、过低或瞬时停电时，开关控制系统迅速跳变到相应的控制状态上，使超级电容器处于充或放电状态，从而维持直流母线电压的稳定运行。

当电网出现其他电能质量问题时，综合控制系统均会做出快速响应，使得被控直流母线的电能质量得到有效的控制[5]。

2超级电容器储能系统的工作原理
超级电容器储能系统并联在分布式电网直流母线上，其基本原理是在超级电容器与太阳能等分布式直流电网之间配置一个电压适配器，即间接直流变流电路（DC-AC-DC 电路），以达到稳压的目的。

根据分布式发电负载的要求，间接直流变流电路需要具有再生反馈电力的能力，所以本文采用逆变电路和整流电路均为PWM 控制的间接直流变流电路，即双向DC-AC-DC 变流器。

此变流器可实现能量的双向流动，具体电路结构如图3所示。

当分布式发电系统直流母线电压低于稳定运行电压时，超级电容器储能系统释放能量，通过控制DC-AC-DC 变流器，能量由超级电容器端向直流电网端传输，这样在放电过程中，即使超级电容器储能阵列的端电压U 1不断下降，也可以保持直流母线电压U 2的恒定，同时又能够提高超级电容器储能阵列的储能有效利用率。

反之，当直流母线电压高于稳定运行电压时，同样通过控制DC-AC-DC 变流器，使得直流电网能量流向超级电容器端，超级电容器处于充电的过程，从而维持直流母线电压的稳定在正常运行值。

本文所设计的超级电容器储能系统优点在于：（1）此变换器功率较大，从而使得超级电容器充放电速度快，效率高。

（2）在偏远的乡村，
采用此装置一方面可以把
开关控制信号
双向DC-AC-DC 控制信号
图
1
3
5
1
3
5
4
6
2
4
6
2
U 1
U 2
a b
c
a
b
c
原边
副边+
图
汪娟华，等超级电容器储能系统统一模型的研究第2期3
太阳能等分布式直流系统的多余能量用超级电容器储存起来，另一方面，还可以利用超级电容器储存的能量对直流母线电压进行调节，从而维持直流电网的稳定运行。

（3）所设计双向DC-AC-DC 变换器相比于其他类型的双向DC-DC 变换器，该变换器通过超级电容器储或释放能量，可较大范围调节直流母线电压，使其稳定运行[6，7]。

3超级电容器储能系统统一模型的建立
如图3所示，
超级电容器端电压为
"
，变比为
2。

（1）当直流母线电压低于稳定运行值时，能量由超级电容器端向直流母线端传输，此时双向DC-AC-DC 变换器由左到右各器件的工作状态为：PWM 逆变器－升压变压器－PWM 整流器,此时
超级电容器储能系统的统一数学模型为
1
（1
）
１
为PWM 逆变器的占空比，PWM 整流
器工作在二极管整流状态；式（2）中PWM 整流器工作在可控整流状态，其占空比为
1
=1.17
12
（3
）１
2
（4）
式（1
）中
=6.72F ，其初始端电压为300V ，分布式电网直流母线电压稳定运行在300V 。

高频变压器频率100Hz,原、副边电压比为1:2，PWM 开关频率为15000Hz 。

图4所示为直流母线电压波动较小时超级电容器储能系统仿真波形，其超级电容器端电压变换范围为150
V
1
³¬¼¶µçÈÝÆ÷´¢ÄÜϵͳ·ÂÕ沨ÐΣ¨Ä¸Ïßµçѹ²¨¶¯½ÏС£©
200
100
0.05
0.10
3002902800
0.05
0.10
300290
0.05
0.10
310
图
／ｓ
／ｓ
Ｕ1/V
U 20/V
U 2/V
(a )
(b )
(c )
/s
电力科学与工程
42008年
5结论
超级电容器储能密度大，充放电速度快且没有环境污染，是非常理想的储能元件。

其储能系统的统一模型是超级电容器储能系统中的关键，对提高超级电容器储能系统的效率和能量利用率，增强储能系统的可靠性有着重要的意义。

本文从超级电容器储能系统的运行机理出发，设计了超级电容器系统的主电路结构，其中运用了双向DC-AC-DC变换器，最后针对超级电容器储、释能过程的不同，分别建立了该系统的统一模型。

通过仿真试验研究，进一步证明了所建立的超级电容器储能系统统一模型的正确性和控制的灵活性。

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（责任编辑：马坤英）
Research on the Unified Model of Super Capacitor Energy Storage System
Wang Juanhua,Fan Wei,Zhang Jiancheng,Ruan Junpeng
(Key Laboratory of Power System Protection and Dynamic Security Monitoring and Control under Ministry of Edu-cation,North China Electric Power University,Baoding071003,China)
Abstract:A Super Capacitor Energy Storage(SCES)system plays an important role in improving operation stability of power system.According the operation mechanics of the SCES system,its main circuit containing bi-directional DC-AC-DC converter was designed and its unified model was built.Simulation of the SCES system was carried out.The simulation results showed that the unified model was validity and SCES can improve the operation stability of distribution generation system.
Key words:SCES;model;bi-directional DC-AC-DC
converter。