【基于双向DC-DC变换器的超级电容器储能系统探究11000字（论文）】

基于双向DC-DC变换器的超级电容器储能系统研究目录TOC\o"1-2"\h\u11854基于双向DC-DC变换器的超级电容器储能系统研究 115316摘要 1118431绪论 2216021.1研究背景与课题意义 2159831.2超级电容器及其储能应用的研究 3115201.3本文选题意义与研究内容 5218432超级电容器的工作原理和特性分析 6209202.1超级电容器的工作原理及特点 6184612.2超级电容器的特性分析 9325503超级电容器储能系统 12134583.1超级电容器的数学模型 12187313.2非隔离型双向buck-boost电路 13244403.3功率变换器的选择 1321013.4控制策略 17213134系统实验分析 18188834.1模拟实验 18104914.2储能系统在单相光伏发电系统中的应用 1997425结论 2230162(1)进一步提高系统的电压等级、功率容量，提高系统的效率。 2211265参考文献 23摘要随着经济的发展，人类对电力的质量和可靠性的要求越来越高。而未来电网面临的一个重要问题是电网发电和电网负荷的不平衡，因而在用户负荷端加载储能系统解决电能供需不平衡是一件很有意义的事情。本文首先对超级电容器本身的工作原理和特性进行了详细的分析，然后通过恒流充放电的方式，观察超级电容器的端电压特性，对超级电容器的两种应用模型进行了比较，同时，对超级电容器储能阵列进行了优化。其次，针对超级电容器储能系统用于稳定直流母线电压这一个特定的场合，以及储能阵列自身的端电压波动大的特点，选择了相应的双向DC/DC变换器作为储能阵列和直流母线接口电路，并且对该变换器工作在不同状态时建立了相应的数学模型；同时，在对数学模型分析的基础之上，根据自动控制理论中的伯德图，对这三种工作状态设计了统一控制器：应用比例积分环节，就可以使储能系统在各自的工作状态下取得优良的动、静态性能。并且对统一控制器用于超级电容器储能系统进行了Matlab仿真和分析验证。关键词：超级电容器储能系统；双向DC/DC变换器；Buck储能态1绪论1.1研究背景与课题意义随着经济发展，社会对电网的依赖程度越来越高，未来电网所面临的主要问题为以下几个方面:①系统装机容量难以满足峰值负荷的需求。②现有电网在输电能力方面落后于用户需求。③用户对电能质量和供电可靠性的要求越来越高。④电力企业市场化促使用户侧需要能量管理技术支持等。由于我国电网的一些特殊因素:地域广泛，电网规模大，电力的远距离和超大容量的传输，负荷中心和能源中心联系非常薄弱等。这些问题使我国的电网安全性的问题更加突出。一方面，通过在电网负荷端加装先进的能量管理环节，提高电能质量，使电网高效运行。另一方面，随着能源短缺和环境保护的双重压力，各国政府都在加大对可再生能源和清洁能源的开发，发展可再生能源和清洁能源，以实现人类的可持续发展。当前主要的可再生能源和清洁能源主要为:风力发电，光伏发电，潮汐发电，地热发电，燃料电池等，这类发电系统的特点是规模和功率比较小，系统可靠，无污染，对环境比较友好。对于新能源系统，其最大缺点是受环境影响比较大，如风力发电和光伏发电系统，由于风速和光照具有随机性，所以发出的电能也是时刻变化的，所以需要储能系统对其进行能量管理，，对于清洁能源发电系统，由于其发电系统的机械惯性等原因，一般也需要储能系统对其进行能量管理。应用于电力系统中的能量管理系统主要是各种电力储能系统，在电力系统中的储能系统一般为:超级电容储能系统，抽水储能系统，超导储能系统，蓄电池储能系统，飞轮储能系统，压缩空气储能系统等。下面对这些储能系统的特点及其主要应用的领域进行介绍。超级电容储能系统:由于材料和结构技术的发展，大容量的电容制造成为可能，大容量的电容为储能提供了条件，目前超级电容大多用于高峰值功率，低容量的场合。由于自放电水平比较低，因此其可以在电压跌落和瞬态干扰期间提高供电水平，超级电容器储能系统特点是体积小，安装简单，效率可以达到95%,充放电速度快。限制其发展因素为能量成本高，每千瓦时达到三万多美元。目前，实用化的超级电容，其单体的超级电容耐压都比较低，储存的能量有限，通过对超级电容的串并联可以提高超级电容储存的能量，由于超级电容器本身具有的一些缺点(串联等效电阻相对一般电容要大)及超级电容器储能系统需要一定数量的超级电容器进行串并联，这都需要对超级电容有一个基本了解，根据前人的文献，本文首先对超级电容器本体做了介绍，对超级电容等效电路模型及超级电容器组的串并联优化设计做了一下整理，其次对超级电容储能系统中的功率变换器(双向DC/DC变流器)进行分析，对一具体应用于超级电容储能系统的双向DC/DC变流器进行了硬件电路的搭建，并对双向DC/DC变流器进行了建模及闭环参数设计，最后通过搭建的实验平台对超级电容储能系统的超级电容储能和超级电容释能进行了验证，仿真和实验验证了通过对双向DC/DC变流器的闭环控制设计，超级电容器储能系统可以平衡电网的电能供需不平衡问题。1.2超级电容器及其储能应用的研究1.2.1超级电容器的研究早在1897年，德国人Helmholtz就提出基于超级电容器双电层理论。1957年，美国的Becker首先提出了超级电容器用作储能元件，具有接近于电池的能量密度。1962年，标准石油公司(SOHIO)生产了一种工作电压为6V、以碳材料作为电极的电容器。稍后，该技术被转让给NEC电气公司，该公司从1979年开始生产超级电容器，1983年率先推向市场。随后，超级电容器作为一种新型事物，开始得到了世界的广泛关注。美国《探索》杂志2007年1月，将超级电容器列为2006年世界七大科技发现之一，认为超级电容器是能量储存领域的一项革命性发展，并将在某些领域取代传统蓄电池。针对超级电容器本身的研究主要集中在对两个电极材料的研究。20世纪80年代以来，利用金属氧化物或氮化物作为电极活性物质的研究也引起广大科研工作者的兴趣。目前，超级电容器生产的工艺流程一般都是：配料-混浆-制电极-裁片-组装-注液-活化-检测-包装。在超级电容器产业化方面，全球生产超级电容器的厂家有数千家。美国、日本、俄罗斯等国家的公司凭借多年的研究开发和技术积累，处于领先地位。如美国的Maxwell，日本的松下和俄罗斯的Econd等。在国内生产的大多是液体双电层电容器，主要企业有锦州凯美公司、北京集星公司、上海奥威公司等十多家。1.2.2超级电容器储能系统应用研究伴随着超级电容器规模化的生产，它的应用领域也在不断的扩大。1996年欧洲共同体制定了超级电容器的发展计划；日本“新阳光计划”中列出了超级电容器的研制；美国能源部及国防部也制定了发展超级电容器的研究计划。超级电容器储能系统广泛用于电动汽车的动力源，新能源发电中的能量储存和电力系统中的电能质量调节等领域。用于电车电源或者混合动力汽车中脉冲功率的吸收和回馈汽车在启动时的加速电动机所需要的启动电流会对蓄电池或者燃料电池造成很大的损害；汽车的减速制动时，所需要的能量仅为驱动能量的50%。超级电容器与蓄电池的配合使用既可以降低对蓄电池的损害，又可以提高能量的利用率，延长汽车行驶的距离。国内超级电容在公交电车的应用方面处于世界先进水平。国家863计划制定了电动汽车重大专项(2001)超级电容器课题。2006年8月28日，上海11路超级电容公交电车，即“上海科技登山行动计划超级电容公交电车示范线”投入运营。该车采用的是上海奥威科技公司开发的具有完全自主知识产权的超级电容。用于分布式发电DG(DistributedGeneration)系统中能量的存储随着电力系统的发展，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。因为太阳能和风能具有时间和地域的特异性，风速会时大时小，光照有强有弱，此时如果直接并网，会造成电网的不稳定。利用超级电容器储能系统将不稳定的能量以电场能的形式储存起来，当能量紧急缺乏或需要时，将存储的能量通过控制单元释放出来，快速地补偿负载所需的有功和无功，实现电能的平衡与稳定控制。图1-1分布式发电系统组成图2005年，美国加利福尼亚州建造了1台450kW的超级电容器储能装置，用以减小950kW风力发电机组向电网输送功率的波动。日本的北工大(学)已经将超级电容器储能系统结合到太阳能发电系统的应用中，构成了PV-ECS(PhotovolticEnergyControlSystem)系统，实验结果显示了超级电容器在效率、充放电循环等方面均优于常规化学蓄电池的性能。图1-1是超级电容器用于由风力发电和太阳能光伏发电组成的分布式发电系统中储能的原理图。1.3本文选题意义与研究内容电能的特点是一旦发出必须用掉，为了提高能量的利用率同时提高系统的稳定性，在负载侧选择合适的储能系统平衡电网中电能的稳定极为重要。本文中针对于超级电容器本身的特点和电网的需求，设计了相应的超级电容器储能系统中的双向DC/DC变换器，根据指令来决定超级电容器储能系统在用电低谷和高峰时，分别工作在充电储能和放电释能状态。本文的主要工作包括以下几个方面：通过对我国电网所具有的特点和用户对负荷的特殊需求，以及各种超级电容器储能系统在各个领域的应用进行了概述，选择超级电容器储能系统调节直流母线电压。介绍了超级电容器的工作原理和特性，对超级电容器的等效模型进行了分析和各种充放电方式的比较。对适应于超级电容器储能的功率变换器进行了工作过程分析和数学建模，通过伯德图的方法设计了双向DC/DC变换器工作在三种状态时的闭环控制器。根据本课题的具体要求，设计了超级电容器储能系统的硬件需要的元器件参数以及实现控制的软件流程设计。对超级电容器储能系统工作在三种工作状态进行了仿真和实验验证，并给出了波形。2超级电容器的工作原理和特性分析2.1超级电容器的工作原理及特点2.1.1超级电容器的工作原理超级电容器(supercapacitor)，又叫电化学电容器(ElectrochemicalCapacitor,EC)，双电层电容器(ElectricalDouble-LayerCapacitor)、黄金电容(GoldCapacitor)、法拉电容，作为一种用作储能的新型电容器，是建立在1879年德国物理学家亥姆霍兹(Helmholtz)提出的界面双电层理论基础上，通过极化电解质来储能。双电层理论就是：当金属电极插入电解质溶液中时，由于金属电极表面的净电荷的作用，电解液液面会出现符号与金属电极所带电荷相反的等量电荷，从而在金属电极和液面的界面层之间会产生电位差。这界面层由两个电荷层组成，其中一层在金属电极上，另一层在电解液中，因此叫做双电层。如果在电解液中同时插入两个电极，并在其间施加一定的电压，该电压的值要小于电解质溶液分解电压。这时在电场作用下，电解液中的正、负离子会迅速向两个电极运动，并分别在两上电极的表面形成符号与电极上电荷相反的电荷层，由于离子之间的相互作用力，在界面上存在一个位垒，两层电荷都不能越过边界彼此中和，从而形成双电层。双电层的形成与传统电容器极为相似，紧密的双电层近似于平板电容器。所以很多特性也与传统电容器相似。双电层电容器主要由电极、电解液、集电极、隔离层、连线极柱、密封材料和排气阀等组成。图2-1是超级电容器的基本结构图。图2-1超级电容器的基本结构2.1.2超级电容器的性能指标超级电容器作为新型的储能元件，对它的一些性能指标的了解，可以达到安全正确使用的目的。额定电容量超级电容器按规定的恒定电流下，充电到额定电压后，保持2~3min。在相同的电流下，记录该超级电容器恒流放电到端电压为零时所需要的时间。将得到的时间与电流的乘积再除以额定电压，得到的值就是该超级电容器的额定电容量。额定电压超级电容器最高安全工作端电压。浪涌电压是额定电压的105%。击穿电压是额定电压的1.5~3倍。额定电流指超级电容器在5s内恒流放电到额定电压一半的电流值。最大存储能量指超级电容器的端电压从额定电压放电到零所释放的能量。单位为焦耳J或瓦时Wh。能量密度又称比能量。指单位质量或单位体积的超级电容器提供的能量。单位为Wh/kg，Wh/L。功率密度又称比功率。指单位质量或单位体积的超级电容器在匹配电荷负荷下产生电/热效应各半时的放电能量。它表征了超级电容器承受电流的能力。2.1.3超级电容器的特点超级电容器作为储能或者功率型的元件，一般是通过与传统电池和电容器进行比较来突出它的特点。能量密度大超级电容器的电容量很大，可达2300F。因此与普通电容器相比，在相同体积或质量的条件下，超级电容器储存的能量要多，即能量密度大，可达20-70MJ/m3。功率密度大与蓄电池相比较，超级电容器的内阻很小，且在电极/溶液界面以及电极材料本体内，电荷可以快速储能和释放，因而可以实现大电流的充放电。它的功率密度约为铅酸蓄电池的20倍。这个特点使超级电容器能够在一些短时大功率充放电或者脉动负载的功率输出等场合中，实现以较小容量得到较大的功率。充放电速率快、效率高超级电容器的内阻小，因此充放电时间常数小，充放电过程中的能量损耗小。受环境限制小超级电容器在储能的过程中只发生电荷的迁移、吸附与解吸附，未发生化学反应生成新物质，因此它的工作温度范围广，对环境无污染。使用寿命长超级电容器的使用寿命长得益于它的储能机理，它的循环充放电次数可达50万次以上。在许多场合超级电容器比系统中功率变换器、控制器等装置寿命更长，可视为永久性器件。与此同时，超级电容器也有自身的缺点，如能量密度跟蓄电池相比较低，从而在大容量的电力储能场合下，它的应用就受到了限制；端电压的波动范围比较大，因此在要求端电压稳定的场合，超级电容器与负载之间需要有一个电压适配器。电压适配器的存在，增加了系统的复杂度和成本，降低了能量转化效率；超级电容器的单体电压比较低、储存能量少，一般通过串并联达到要求的电压等级和储能量。这时由于在生产制作的过程中引起的单体电容量和等效电阻等参数的不一致，从而引起了串联均压问题。2.2超级电容器的特性分析为充分利用超级电容器的充电快的特点，超级电容器充电方式一般采用恒流充电。此时，充电电流值的选取是极为重要的。电流值的选取对超级电容器的充电效率、充电时间、充电储能和电容量都有影响。下面就从这四个方面出发，得出充电电流选取的原则。下面测量所用的超级电容仍然是上述型号。充电电流对充电时间影响在超级电容器的工作电压范围一定的情况下，假设恒定电流下超级电容器的电容量是不变化的。超级电容器最大工作电压为Umax为180V，工作的放电深度为50%，工作下限电压值Umin为90V。超级电容器由Umin充电至端电压为Umax时，充电时间t与充电电流i的关系的线性拟合曲线公式为(2-1)：(2-1)在Matlab中画出该公式对应的曲线，如图2-6所示。图2-2充电时间与充电电流的关系曲线通过该曲线可以看出，充电电流小于30A时，充电时间变化比较明显，当充电电流大于30A时，时间的变化曲线不明显，即并不是电流越大充电时间越短。充电电流对储存能量的影响超级电容器可用能量与充电电流、工作电压范围和环境温度等因素有关。任意t时刻，超级电容器的储能Ec可根据公式(2-2)计算：（2-2）其中，U表示t时刻，超级电容器的端电压。公式(2-2)是能量与电流的关系式，同样在Matlab中，得到该公式对应的曲线如图2-3所示。图2-3储能量与电流的关系从曲线中可以看到，超级电容器储存的能量随着电流的增加而减少。所以大电流在实现快速充电的同时，也减小了超级电容器的储能量。（3）充电电流对充电效率的影响超级电容器在恒流充电过程中，由于等效电阻能耗，充电消耗的能量要大于储存在电容器中的能量。效率η的定义：在充电过程中，超级电容器的可用能量与实际过程中消耗的能量W的比值，如公式(2-3)表示：（2-3）其中，u(t)是超级电容器充电过程中端电压的变化。利用描点法，得到该公式对应的曲线，如图2-4所示。通过曲线可以看到，在充电电流过小和过大时，充电效率会降低，但是幅度不大。总体来说，在最大允许电流范围内，充电效率都是很高的。图2-4充电效率与充电电流的关系综合上述四个主要因素，以及在实际储能系统中，器件对电流的承受能力。充电电流的选择原则是满足系统时间要求的条件下，充电能效越高越好；相同能效下，充电电流越小，电容量越大，功率变换器的电流应力越低。3超级电容器储能系统3.1超级电容器的数学模型超级电容器由于内部电阻和电容的形成机理比较复杂，因此相关文献提出了很多超级电容器的应用模型，其中，RC电路模型是最简单的一种(见图3-1)。它包括理想电容器C、等效串联内阻Rs和等效并联内阻Rp。等效串联内阻Rs表示超级电容器的总串联内阻，在充放电过程中会产生能量损耗，该损耗一般以热的形式表现出来。此外，Rs的存在还会使端电压出现波动，进而产生电压纹波。等效并联内阻Rp反映了超级电容器总的漏电情况，一般只影响长期储能过程，称为漏电电阻。超级电容器自放电回路的时间常数长达数十小时甚至上百小时，远远高于充放电的时间常数。而且，在实际应用中超级电容器一般通过功率变换器与电源连接，并处于较快的和频繁的充放电循环过程中，因此，Rp影响可以忽略。因而，可以进一步将超级电容器模型简化为理想电容器和等效串联内阻的串联结构(见图3-2)。图3-1超级电容器电路模型图3-2超级电容器电路简化模型当超级电容器以恒定电流I放电时，电量Q等于容量C与额定时间内的电压降ΔUc的乘积，如式(3-1)所示。因此，可以根据式(3-2)计算出超级电容器组的容量值。3.2非隔离型双向buck-boost电路本研究采用图3-3所示的非隔离型双向buck-boost电路作为超级电容器储能系统的充放电电路。该电路元器件数量少，造价低廉，没有变压器损耗，效率高，易于包装和集成。图3-3非隔离型双向buck-boost变换器该电路能够实现两象限运行，即变换器两端电压方向不变，电流方向可变，在功能上相当于buck变换器和boost变换器的组合。当开关管S1以一定占空比开关，D2为续流二极管时，变换器等效为buck变换器，能量由Udc流向Usc，超级电容器组吸收能量;当开关管S2以一定占空比开关，D1为续流二极管时，变换器等效为boost变换器，能量由Usc流向Udc，超级电容器组释放能量。换言之，当直流母线电压升高或降低时，通过控制两个开关管的通断即可实现超级电容器组的储能或释能，从而抑制直流母线电压的波动。3.3功率变换器的选择3.3.1超级电容器储能系统对功率变换器的要求光伏发电的一个显著的缺点就是输出的电能受外界环境比如光照强度、温度等影响，使系统不能持续、稳定的输出电能，这会导致系统的稳定性降低，跟踪负荷的能力减弱，夜晚光伏电池不能给负载提供能量。上述现象可以通过超级电容器储能系统得到改善。在独立式光伏发电系统中，常见的超级电容器储能模块可见图3-4所示，本章的功率变换器就是双向DC/DC变换器这一个部分。图3-4独立光伏发电系统框图级电容器储能系统在该系统中主要功能是实现能量的缓冲，平滑光伏发电系统的脉动性。具体的可分为三个方面的作用：实现系统持续、可靠地供电光伏发电随环境因素变化比较大，在夜间就可以通过能量型的超级电容器储能系统储存的能量来维持系统工作，即相当于备用电源的作用。同样，光伏发电系统所带的负荷也会引起系统的脉动，此时可以通过功率型的超级电容器实现瞬间功率的调节；改善直流母线的电能质量，增强系统的稳定性针对独立光伏发电系统，超级电容器储能系统在光伏输出功率或者负荷功率波动等系统扰动时，通过释放或吸收瞬间功率，改善直流母线的质量。在并网型光伏发电系统中，超级电容器储能系统的存在可以有效解决电网电压跌落、浪涌和瞬时供电等动态电能质量问题；保证光伏发电单元的可调度性超级电容器储能系统的存在，实现固定容量的光伏发电系统制定而不需要实时考虑负载功率的变化。超级电容器储能系统并联在直流母线上，根据直流母线的电压情况，进行储能、释能。该系统通过与光伏发电直流系统的能量交换，使得直流母线电压的稳定，进而向用户提供高质量的电能。但是，由于超级电容器本身电压波动范围比较大，实现上述功能要结合功率变换器。超级电容器储能系统功率变换器的配置可参照图3-5。其中的功率变换器可以选择双DC/DC变换器实现能量配置作用。图3-5超级电容器储能系统功率变换器配置3.3.2双向功率变换器的确定传统的设计方案中，实现能量传输的双向性，一般用两个单向的DC/DC的组合。本文选取的双向DC/DC变换器只需要一个DC/DC组合就可以达到能量双向流动的目的。这种变换器与传统的设计方案相比，使用的器件数目减少、电路的转化效率提高、易于实现控制等优势。双向功率变换器根据能量双向流动过程中是电流还是电压工作在双象限，可以分为电流型双向DC/DC变换器和电压型双向DC/DC变换器。光伏发电系统的超级电容储能系统中，无论是超级电容器端电压还是直流母线电压的极性都是固定的，所以要选择电流型双向DC/DC变换器。双向DC/DC变换器拓扑根据有无变压器可以分为隔离型和非隔离型两大类。非隔离式双向DC/DC变换器的电路相对简单、采用的器件少、体积小、重量轻和安装成本低等，而且，太阳能电池的输出电压经过一个单向的DC/DC变换器以后转化为直流母线的电压控制的不是很低。所以在这里选择非隔离型双向DC/DC变换器。目前应用较多的典型双向DC/DC变换器主要由四种：即双向Buck/Boost变换器、双向半桥变换器、双向Cuk变换器和双向SEPIC变换器。这四种变换器的电路图分别见图3-6(a)、(b)、(c)、(d)。双向Buck/Boost变换器双向半桥变换器双向Cuk变换器双向SEPIC变换器图3-6双向变换器拓扑结构上述四种电路从工作原理分析都能达到能量双向流动的目的，因此，选择拓扑结构时考虑以下四个方面的因素，即功率器件能承受的最大电压值、最大电流等级、滤波功率电容和储能电感上的纹波。在上述表格中，四种变换器中，双向半桥变换器开关管和二极管的电压应力最小，因此，在相同条件下，该拓扑选择相应器件所需要的电压额定值也最小。由于前两种电路拓扑通过电感传递能量，因此，他们可以节省一个大容量和高耐压的传递电容器。在超级电容器的功率缓冲和负载平衡应用中，开关器件的电应力是电压的函数，因此，在输出电压确定的情况下，双向半桥变换器开关器件的电流有效值最小。这对于提高系统的效率和降低装置对冷却条件方面起着重要的作用。总之，通过上述各方面的比较，得出双向半桥变换器具有以下四个方面的优点：功率开关器件和二极管的电流、电压应力最小；有源开关器件对应的开通损耗最小，对应的电路转换效率最高；由于电感的传递能量，可以省掉一个大容量高电压的电容器。3.4控制策略超级电容器储能系统主要的目的是稳定直流母线电压，并且要求在系统工作时能够通过控制电感电流来控制超级电容器组的充电电流和放电电流。因此双向buck-boost变换器采用直流母线电压外环控制和电感电流内环控制的控制策略。在buck工作模式下，超级电容器组处于充电状态，此时超级电容器类似短路状态，充电电流可以达到很大值，因此采用电感电流内环控制使超级电容器组的充电电流得以控制，在限制充电电流的同时，保护开关管。在boost工作模式下，超级电容器组放电，电感电流内环控制实现了对超级电容器组放电电流的控制。非隔离型双向buck-boost电路的控制框图见图3-7。图中直流母线电压给定值U*dc与实际输出电压Udc的偏差通过PI电压调节器进行调节，最终得到电流的给定值I*L。I*L与实际电感电流信号IL的偏差通过PI电流调节器所得到的输出，经过脉宽调制产生双向DC-DC变换器开关器件的控制信号。图3-7双向buck-boost电路的控制框图图3-8为超级电容器组充放电的控制流程图。可以根据直流母线电压的平均值与额定值之间的关系来判断超级电容器组是充电状态还是放电状态。图3-8超级电容器组充放电的控制流程图4系统实验分析4.1模拟实验用单相二极管整流电路模拟直流母线电压波动，利用超级电容器储能系统抑制其波动，将其直流母线电压稳定于100V。超级电容器组由50支1800F/2.7V超级电容器串联组成，总容量值为36F，总额定电压为135V，总串联等效内阻为35mΩ。模拟实验原理框图见图4-1。图4-1模拟直流母线电压波动的实验原理框图图4-2为直流母线电压正负波动10%且波动频率为100Hz时，超级电容器储能系统动作前后的直流母线电压Udc、超级电容器组电压Usc以及电感电流IL的实验波形。从图4-2可以看出，储能系统动作之前直流母线电压在90～110V之间波动，当超级电容器储能系统开始工作后，直流母线电压的波动迅速减小，且稳态时直流母线电压的峰峰值均接近100V，波动范围由原来的±10%缩小为约±3%，抑制直流母线电压波动的目的得以实现。而同时超级电容器组处于接近恒流充放电的交替工作状态，当直流母线电压高于100V时超级电容器组恒流充电，电容组电压上升，吸收能量。当直流母线电压低于100V时超级电容器组恒流放电，电容组电压下降，释放能量。图4-2直流母线电压正负波动10%时的实验波形4.2储能系统在单相光伏发电系统中的应用将超级电容器储能系统应用于实际的单相两级式光伏发电系统，实验系统的结构如图4-3所示。整体系统由单相两级式光伏发电系统和超级电容器储能系统两大部分组成。超级电容器组参数与模拟实验一致，光伏电池板的参数为:标准条件下最大功率85W，开路电压22.2V，短路电流为5.15A，最大功率点下最优工作电压为17.8V，最优工作电流为4.8A。实验中将10块光伏电池板进行串联，对应的最大功率为850W。图4-3储能系统应用于单相光伏发电系统的总体框图图4-4为单相光伏发电系统突加负载(即实际负载电阻阻值由16Ω变为8Ω)时超级电容器储能系统工作前后的直流母线电压Udc、光伏阵列输出电压UPV以及逆变输出电流Iinv波形。图4-4突加负载时储能系统工作前后的实验波形由图4-4(a)的无储能系统波形可以看出，单相两级式光伏发电系统突加负载时，Udc和UPV都会突降，同时Iinv增大。由图9(b)可见，系统突加负载时，有储能系统的情况不会发生电压突降，可以将Udc稳定在给定值100V附近。并且UPV也没有突降。由于突加负载时电阻减小，而直流母线电压基本不变，因此逆变输出电流增大。图4-5为单相光伏发电系统突减负载(即实际负载电阻阻值由8Ω变为16Ω)时超级电容器储能系统工作前后的直流母线电压Udc、光伏阵列输出电压UPV以及逆变输出电流Iinv波形。图4-5突减负载时储能系统工作前后的实验波形由图4-5(a)的可以看出，系统突减负载，即系统输出功率减小时UPV会突升，动态过程结束后，UPV又回到原来的值。同时Udc增大，Iinv减小。由图4-5(b)可以看出，系统突减负载，有储能系统情况下不会发生电压突升，系统可以将Udc稳定在给定值100V附近，并且UPV也没有发生突升。由于突减负载时电阻增大，而直流母线电压基本不变，因此逆变输出电流减小。5结论储能系统对电网和负载进行能量管理对于提高电能的利用率和使负载可靠工作具有重要意义。超级电容器储能系统作为能量管理的一个重要选择，对它的研究十分必要。本课题在查阅了大量的国内外文献资料的基础上，对超级电容器本身的工作原理和充放电特性进行了阐述，对超级电容器的等效电路模型进行了比较和选择。对超级电容器储能系统用于稳定直流母线电压所必须的双向DC/DC变换器进行了分析和设计。针对于这个变换器工作于Buck储能态，Boost型BDC状态和备用状态建立了相应的数学模型，并以此为基础设计了三种工作状态的控制器。在理论分析、计算机仿真的基础上，设计制作了能实现三种状态之间平滑切换的双向DC/DC变换器实验样机。经过理论分析、仿真及实验研究，得出以下结论：超级电容器的应用模型的选取对于仿真和实验都有指导意义。传统等效模型的选取对于简化系统的建模起着重要的作用。超级电容器应用于储能时，通过超级电容器充放电特性分析，得出相应的充放电流大小的选择，这对于控制方式的