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：