超级电容器的储能特性研究
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低压电器 ( 2008№5) 通用低压电器篇
·现场总线 ·
Station_ Type = 0
FM S_ supp = 1 Hardware_ Release = ″V1. 0″ Software_ Release = ″V2. 0″
/站类型 (DP 从站 ) / /对 FM S的支持 / / 硬件版本 / /软件版本 /
(6)
Idm in
= Id -
1 UdD T 2 Ld
耿 建 明 ( 1979—) , 男 ,助理工程师 ,研 究方向为电力电子 与电力传动 。
GEN G J ianm ing, L I T im ing, WAN G W ei ( Institute of M arine, Navy Equipment Research Institute, Beijing 100073, China)
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 从超级电容器向电网传递 ,电路处于升压模式 。
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 ,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
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 超级电容器 CSC / F 超级电容器等效内阻 RSC / Ω 电感 Ld / mH 滤波电容 C0 / mF 电网电压值 U s / V 开关频率 f / kHz 负载 RL / Ω
参数值 17. 5 0. 33 1、2、4 2 000 550 1、2、4 3
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 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)
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上下两个桥臂开
Key words: super2capac itor; energy storage system; DC power system
0 引 言
超级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 。
550 3
10. 05, 0. 1 3. 0 1、2、4
图 4 Ld = 4 mH时的仿真波形 图 5 f = 1 kHz的仿真波形
1. 2 仿真结果 储能系统不工作时仿真波形如图 3所示 。 ① f = 2 kHz情况下 ,改变电感值 , Ld = 4 mH ,其仿真 波形如图 4所示 ; ② Ld = 4 mH , f分别为 1 kHz, 4 kHz,仿真波形如图 5、6所示 。
稳态工作时 ,开关管导通期间电感电流的增 量 ΔiL 等于它在开关管截止期间的减小量 。因 此 ,升压比为
M = UBUS = 1
(2)
UCM 1 - D
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
关管的通 、断进行的 。
图 1 直流斩波电路基本拓扑结构
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
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
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 。
实验步骤如下 : (1) 充电 (先恒流 、后恒压 ) 。 ①先启动超级
电容器的控制器 ,即打开开关 ,先恒流充电 ; ②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。 ①无补偿装置 情况下 ,电网电压是否跌落 ; ② 加上补偿装置的 情况下 ,电网电压是否回升 ,超级电容器应向电网 放电 。
低压电器 ( 2008№5) 通用低压电器篇
·研究与分析 ·
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 。
参 数
表 1 仿真参数设定
参数值
CSC / F RSC / Ω Ld / mH
C0 / m F
17. 5 17. 5 1、2、4 2. 4 (按允许电压 脉动 2 %选取 )
理想直流电压源 ES / V 等效母线输电电阻 RS / Ω 初始负载 R1 / Ω , L1 / mH 增加负载 RL / Ω 开关频率 f / kHz
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通信功能的智能从站设备 ,对 推动国内现场总线工业的发展具有积极的作用 。
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
=
1
1 -D
I0
;电
感电流的脉动量为
— 16 —
·研究与分析 ·
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 。
低压电器 ( 2008№5) 通用低压电器篇 图 3 储能系统不工作时仿真波形
[ 4 ] 唐济扬. 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 : 2007 203 220
(上接第 18页 ) 的纹波也会有明显的改善 。
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) 0520016203
Research on the Character istics of Energy Storage for Super2Capac itor
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
550 + 550 = ES - 550 + I
(1)
RL
R1
RS
— 17 —
低压电器 ( 2008№5) 通用低压电器篇
ห้องสมุดไป่ตู้
·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 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 。
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 sw itching frequencies were 1, 2 and 4 kHz respectively. The experiment result show s that the super2capacitor energy storage system is correct in theory and feasible in app lication.
【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.
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 仿真模型和参数的设定 仿真参数如表 1所示 。
(3) 电感值不变 ,改变 IGB T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。
— 18 —
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)
Δ iL
= U0 (1 - D ) D T L
= (1 - D ) DU0 Lf
(3)
设 : Idmax为电感最大值 , Idm in为电感最小值 ,则
Idmax -
Idm in
=Δ Id
= UdD T Ld
(4)
Idmax + Idm in = 2ΔId
(5)
Idm ax
= Id
+ 1 UdD T 2 Ld
低压电器 ( 2008№5) 通用低压电器篇
·现场总线 ·
Station_ Type = 0
FM S_ supp = 1 Hardware_ Release = ″V1. 0″ Software_ Release = ″V2. 0″
/站类型 (DP 从站 ) / /对 FM S的支持 / / 硬件版本 / /软件版本 /
(6)
Idm in
= Id -
1 UdD T 2 Ld
耿 建 明 ( 1979—) , 男 ,助理工程师 ,研 究方向为电力电子 与电力传动 。
GEN G J ianm ing, L I T im ing, WAN G W ei ( Institute of M arine, Navy Equipment Research Institute, Beijing 100073, China)
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 从超级电容器向电网传递 ,电路处于升压模式 。
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 ,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
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 超级电容器 CSC / F 超级电容器等效内阻 RSC / Ω 电感 Ld / mH 滤波电容 C0 / mF 电网电压值 U s / V 开关频率 f / kHz 负载 RL / Ω
参数值 17. 5 0. 33 1、2、4 2 000 550 1、2、4 3
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 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)
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上下两个桥臂开
Key words: super2capac itor; energy storage system; DC power system
0 引 言
超级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 。
550 3
10. 05, 0. 1 3. 0 1、2、4
图 4 Ld = 4 mH时的仿真波形 图 5 f = 1 kHz的仿真波形
1. 2 仿真结果 储能系统不工作时仿真波形如图 3所示 。 ① f = 2 kHz情况下 ,改变电感值 , Ld = 4 mH ,其仿真 波形如图 4所示 ; ② Ld = 4 mH , f分别为 1 kHz, 4 kHz,仿真波形如图 5、6所示 。
稳态工作时 ,开关管导通期间电感电流的增 量 ΔiL 等于它在开关管截止期间的减小量 。因 此 ,升压比为
M = UBUS = 1
(2)
UCM 1 - D
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
关管的通 、断进行的 。
图 1 直流斩波电路基本拓扑结构
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
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
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 。
实验步骤如下 : (1) 充电 (先恒流 、后恒压 ) 。 ①先启动超级
电容器的控制器 ,即打开开关 ,先恒流充电 ; ②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。 ①无补偿装置 情况下 ,电网电压是否跌落 ; ② 加上补偿装置的 情况下 ,电网电压是否回升 ,超级电容器应向电网 放电 。
低压电器 ( 2008№5) 通用低压电器篇
·研究与分析 ·
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 。
参 数
表 1 仿真参数设定
参数值
CSC / F RSC / Ω Ld / mH
C0 / m F
17. 5 17. 5 1、2、4 2. 4 (按允许电压 脉动 2 %选取 )
理想直流电压源 ES / V 等效母线输电电阻 RS / Ω 初始负载 R1 / Ω , L1 / mH 增加负载 RL / Ω 开关频率 f / kHz
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通信功能的智能从站设备 ,对 推动国内现场总线工业的发展具有积极的作用 。
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
=
1
1 -D
I0
;电
感电流的脉动量为
— 16 —
·研究与分析 ·
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 。
低压电器 ( 2008№5) 通用低压电器篇 图 3 储能系统不工作时仿真波形
[ 4 ] 唐济扬. 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 : 2007 203 220
(上接第 18页 ) 的纹波也会有明显的改善 。
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) 0520016203
Research on the Character istics of Energy Storage for Super2Capac itor
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
550 + 550 = ES - 550 + I
(1)
RL
R1
RS
— 17 —
低压电器 ( 2008№5) 通用低压电器篇
ห้องสมุดไป่ตู้
·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 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 。
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 sw itching frequencies were 1, 2 and 4 kHz respectively. The experiment result show s that the super2capacitor energy storage system is correct in theory and feasible in app lication.
【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.
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 仿真模型和参数的设定 仿真参数如表 1所示 。
(3) 电感值不变 ,改变 IGB T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。
— 18 —
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)
Δ iL
= U0 (1 - D ) D T L
= (1 - D ) DU0 Lf
(3)
设 : Idmax为电感最大值 , Idm in为电感最小值 ,则
Idmax -
Idm in
=Δ Id
= UdD T Ld
(4)
Idmax + Idm in = 2ΔId
(5)
Idm ax
= Id
+ 1 UdD T 2 Ld