发布时间 : 星期日 文章毕业设计-新能源分布式发电储能系统相关基础研究 - 能量管理策略更新完毕开始阅读e9c5c84d3b3567ec102d8aa5
广西工学院鹿山学院本科生毕业设计（论文）
3.4.2 超级电容器主要优点：
超级电容器的内阻很小，且在电极/溶液界面和电极材料本体内部均能够实现电荷的快速贮存和释放，因此它的输出功率密度高达数千瓦/千克，是任何一种化学电源都无法比拟的，是一般技术大于蓄电池的数十倍。
超级电容器在充放电过程中只有离子和电荷的传递，没有发生电化学反应而引起相变，因此其容量几乎没有衰减，循环寿命可达万次以上，远远大于蓄电池的充放电循环寿命。
从目前已经做出的超级电容器充电试验结果来看，在电流密度为7mA/cm2时（相当于一般蓄电池充电电流密度），全充电时间只要10~12分钟，而蓄电池在这么短的时间内是无法实现全充电的。
对于普通蓄电池来说，如果能量密度高，其功率密度不会太高；而功率密度高，其能量密度则不会太高。但超级电容器在提供1～5kW/kg高功率密度输出的同时，其能量密度可以达到5～20Wh/kg。若将它与蓄电池组合起来，就会组成为一个兼有高能量密度和高功率密度输出的储能系统。
超级电容器充电之后的贮存过程中，虽然也存在微小的漏电电流，但这种发生在超级电容器内部的离子或质子迁移运动是在电场的作用下产生的，并没有出现化学或电化学反应，电极材料在电解质中也是相对稳定的，因此超级电容器的贮存寿命几乎是无限的。
超级电容器可在-50～+75℃的温度条件下工作，性能优于传统电容器和蓄电池。
3.4.3 超级电容器的应用
超级电容器的脉冲功率性能、较长的应用产品寿命、能够在极端的温度环境中可靠操作的特点，完全适合于那些需要在几分之一秒至几分钟时间的重复电能脉冲的应用产品，使其成为运输、可再生能源、工业与消费电子以及其它应用产品的首选蓄能与电力传输解决方案，例如在电动汽车（EV/HEV）、军工、轻轨、航空、电动自行车、后备电源、发电（风能发电、太阳能发电）、通讯、消费和娱乐电子、信号监控等领域的电源应用方面具有广阔的市场前景。
近年来，由于能源问题和环境保护的要求，世界上对电动汽车和混合动力汽车的需求越来越紧迫，电动汽车的关键部分是蓄电池，但蓄电池的峰值功率特性无法满足汽车在启动、加速和爬坡等特殊情况下对功率的需求。超级电容器在电动汽车中与蓄
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电池并联作辅助电源上的应用，可以弥补蓄电池在功率特性方面的不足。当汽车处于正常行驶状态时，超级电容器处于充电状态，在加速或载重爬坡特殊情况下由超级电容器实现高功率放电，突然制动时，则通过超级电容器的高功率充电吸收制动过程中产生的能量。超级电容器的使用可以满足电动汽车的启动、制动和爬坡时对高功率放电的需求，起到平衡蓄电池负载的作用，可以延长蓄电池的使用寿命。 3.5 双电层超级电容器的等效电路模型
双电层超级电容器的采用高表面积、多孔的碳结构，其电极和电解液构成的两相界面是空间分布的，理论上不能用一个独立的电容描述双电层超级电容器特性。考虑超级电容器多孔电极特性的等效电路模型，如图3.4所示：
图3.4考虑超级电容器多孔电极特性的等效电路模型
图3.4是根据双电层超级电容器的内部结构建立的考虑了双电层电容器多孔电极的等效电路模型。图3.4中：Cp1、Cp2、Cp3、Cp3、Cpn、C'p1、C'p2、C'p3、C'pn为电极单个膜孔等效电容：rp1、rp2、rp3、rpn、r'p1、r'p2、r'p3、r'pn为电极单个膜孔等效电阻；Ranode为引线的等效电阻；Rmemb为电极间多孔膜等效电阻；Rin为两极间的绝缘电阻。
但是这种模型过于复杂，为了分析计算的简化，在计算中往往采用简化的双电层电容器等效电路模型，如图3.5~图3.6所示。
图3.5简单串联RC模型
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图3.5所示为由一个简单RC等效电路表征的双电层超级电容器等效电路模型。该简单串联RC模型中：C为超级电容器理想等效电容；RESR为等效串联电阻。在双电层超级电容器的充放电过程中，等效串联电阻RESR不仅体现了双电层超级电容器内部的发热损耗，还体现在超级电容器向负载放电时，随着电流的大小变化等效串联电阻RESR两端不同的压降，因此，等效串联电阻RESR对双电层超级电容器的最大放电电流有所约束。但是，串联 RC模型只考虑了双电层超级电容器的瞬时动态响应。
图3.6改进的串联RC模型
图3.6所示的改进串联RC模型在简单RC模型的基础上增加了一个表征漏电流效应的等效并联电阻REPR。等效并联电阻REPR代表了自放电的过程，是影响双电层电容器长期储能的一个参数。
图3.6所示的改进串联RC模型与图3.5所示的简单RC模型的区别在于改进串联RC模型增加了一个代表自放电过程的电阻支路，由于本论文主要仿真超级电容器在较短时间内的特性，可不考虑仅对长时间段影响的自放电电阻支路，因此，本文采用图3.5所示的超级电容器简化模化模型。 3.6 小结
本章分析了铅酸蓄电池和超级电容器特性，并在分析对比了这两种储能元件的等效电路模型的基础上，确定了本文仿真分析所采用储能元件模型。对于铅酸蓄电池，采用考虑超电势和自放电行为的改进Theveain等效电路模型作为线性仿真，该模型可以模拟蓄电池放电时的端电压下降过程。对于超级电容器，采用简单串联RC等效电路模型进行仿真分析，该模型可以用以仿真超级电容器在较短时间内的特性。
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4 双向DC/DC变换器及控制
4.1 引言
多端口DC/DC变换器作为一种新型的电力电子变换装置，在以风力发电、光伏发电等为代表的可再生能源发电系统中具有很好的应用前景。可以实现各种储能元件的有效结合，实现各种发电设备的优势互补，更大限度的发挥储能装置在发电系统中的应用，提高电能利用率。
本章以三端口电流型双向DC/DC变换器作为储能装置主拓扑，连接蓄电池、超级电容器和负载所组成的系统，该变换器具有以下优点：
1.连接两个个输入电源，各个电源单独或同时向负载侧传送能量，且能量可双向流动；
2.采用高频隔离变压器进行电气隔离，且可通过设计变压器的匝数比，来匹配不同的电压值；
3.不需要外接辅助电路，仅利用开关管的并联结电容和变压器漏感谐振，实现软开关(ZCS/ZVS)；
4.输入侧加有电感，有效减少电流纹波，适合用来连接蓄电池和超级电容器。 4.2 三全桥DC/DC变换器拓扑 4.2.1 三全桥主电路拓扑结构
图4.1为所提出的三全桥双向DC/DC变换器，采用电流型全桥结构作为输入变换单元，电压型全桥结构作为输出变换单元，用三绕组高频耦合变压器作为能量传输元件。每个开关管均工作在额定频率下，低压侧(LVS)以蓄电池和超级电容作为输入端，高压侧（HVS）为驱动负载，负载要通过逆变器连接到牵引电动机驱动。根据各个开关管占空比和导通时刻的不同，可分别在变压器三个端口产生具有相位角之差的矩形波电压vr1，vr2，vr3。因输入输出均采用相同的全桥结构，故可根据变压器三端口电压相位角的大小改变功率传输的方向和大小。
正向模式时，超级电容和蓄电池一起给负载供电，反向模式时，负载回馈电能给蓄电池和超级电容。图中Lr1，Lr2，Lr3分别为隔离变压器三个端口的漏感。采用全桥结构的优点是可以根据输入电压的大小，调节移向角以及占空比的大小，使得变换器能适应较宽的输入电压范围。
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