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超级电容器储能系统充电模式控制设计


第2 7卷第 7期 
21 0 0年 7月 

机 

电 

工 

程 

Vo12   .   . 7 No 7

Ju nlo  c a ia o ra fMeh n cl& E e t c   n ie r g lcr a E gn e n

  il i

J1 0 0 u .2 1  

超 级 电容 器 储  系  充 电模 式 控 制 设 计  能 统
马奎 安 , 陈  敏 
( 江大 学 电气工 程学 院 , 江 杭州 3 0 2 ) 浙 浙 10 7  
摘要 : 针对 电网供 电系统存在用 电负荷和电能供应不平衡问题 , 计 了超级 电容器储能 系统 。对设计 的超 级电容器储 能系统两 种  设
工作模式 ( 电储能模式 和放 电释能模式 ) 行 了介绍 , 充 进 对超 级 电容器储 能系统充电储能运行模式 时的双向 D / C变 流器 工作 方  CD 式进 行了分析 , 同时设计了闭环控制参数 , 而实现 了对超级 电容器储 能系统 充 电储 能过程 的控制 。实 验结 果表 明 , 从 通过 对双 向  D / C变流器在超级 电容器充 电工作模式 时的闭环控制 , CD 有效地实现了对超级电容充 电储能过程的控制 。   关键词 : 储能 ; 超级 电容器 ; 双向 D / C变流器 ; 电控制  CD 充 中图分类号 :M ;P 5  T 5 T 13 文献标识码 :  A 文章编号 :0 1— 5 1 2 1 )7一 0 5— 4 10 4 5 (0 0 0 O 8 0 

Cha g   o   o t o   e i n f r s e - a a io   n r y s o a e s se   r e m de c n r ld sg   o   up r c p ct r e e g   t r g   y t m
MA  ia Ku — n,CHEN  i  M n

( o eeo  l t cl nier g Z e a gU i r t, n zo  10 7 hn ) C l g f e r a E g e n , hj n  nv s y Haghu3 0 2 ,C ia  l E c i   n i i ei
Ab t a t sr c :Ai n   t h   r b e o   e u b ln eb t e n t e l a   n  h   o rs p l    dd,t es p rc p ct re e g   trg   y tm  mi g a  e p o lm  f h   n aa c   ew e  h   d a d t e p we  u p y i g t t o n h   u e — a a i  n ry so a e s s o e

w sds n d h  ooea n  oe( hrem d    o  nryaddsh g  oet rl eeeg )o spr aair nr  t ae a ei e .T et  prt gm ds cag  oet s r eeg n i a em d    e  nr g w i o te cr oea s y f u e? pco  eg s r     c t e y og
s se d sg e   e e i t d c d y tm  e i d w r n r u e .T e b — i ci n   /   o v re  p rt g mo e,w e   u e — a a i re e g   t r e s se r n i g n o h   i r t a DC DC c n etro e ai   d d e ol n h n s p rc p ct   n r so a   y tm  u nn   o y g

i cag  oet s r nr ,w saa zd n   ec sdl pcnrl a me rW   ei e oraz h o t l ft  h g g n h em d   t ee e   r o o y g a nl e ,a dt   l e — o ot   r t   a ds nd t e i tecnr     ecai   y h o o op a e s g  l e oo h r n
p o e s h   x e me tlr s l   h w t a h o g  h   ls d lo   o to  e i e  o   i i cin   /DC c n e e  p l d i  u e —a   r c s .T e e p r na  e u t s o  h t r u h t e co e — p c n r l sg d frb — r t a DC i s t o d n d e ol   o v  ̄ r p i   s p rc ? a e n

pc o e e  t aess m, h h gn rcs o  prcpct  nr   oaess m t s r eeg a eef t e  ot l d air nr s r  yt t   g og y e tec a gpoes f ue—a ai r eg s rg  t     oe nryC b f cvl cnr l . r i   s oe y t ye ot   n ei y oe  
Ke   r s n r   tr g y wo d :e e g so a e;s p rc p ct r id r cin lDC DC;c ag n   o to  y u e ? a a i ;b — i t a  / o e o h r ig c n r l

用 率低 、 价 比不 高 。 可通 过 在 用 户 负荷 端 加 超级 电  性

0 引  言   
超 级 电容器作 为近 几 十年来 发展起 来 的新型储 能 

容器储 能 系统对 电网 能量 进行 管 理 , 决 供 电 系统 存  解 在 的用 电负 荷 和电能 供 应 不平 衡 问题 , 电 网 负荷 低  在 谷 时对 多余 电能 进行 存 储 , 电 网 负荷 高 峰 时将 储 能  在
回馈 给 电网 , 以满 足 电 网峰值 负 荷 需 要 。这 样 既满 足 

元件 , 具有 电容值 大 、 放 电 寿命 长 、 够 快 速充 放 电  充 能

及比功率高等一系列优点 , 在混合电动汽车 、 起重机 、   燃 料 电池发 电系统 等一 些小 容量且 需要 功率 快速交 换 
的系统 中得 到广泛 应用 ¨ 。    

了 电网峰值 负荷 的需要 又充 分利用 电网低谷 负荷 时的 
电能 , 对 于应用 于光伏 发 电系统 和燃 料 电池 系统 中 , 相   超 级 电容器 储 能 系统 应 用 于 电 网 中 不仅 起 到 能 量缓 

随着经济 社会 的发展 , 人类 社 会 对 电网 电能 的质 
量 和可靠 性要 求越 来越 高 , 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  。在 当 前 的  电 网系 统 中 , 了满 足峰 值负 荷 的需 要 , 为 通常需 要一 些 

冲, 还起 到缓 冲 电网负荷 、 提供 短 时供 电等作用 J 。   本研 究首 先对 应用 于 电网系统 中解决 供 电系统存  在 用 电负荷 和 电能 供应 不平衡 问题 的超 级 电容 器储 能  系 统运行 模式 做介 绍 , 超级 电容 器储 能系 统 运行 于  对

调 峰 电厂进行 高峰 负荷调 节 , 而调 峰 电厂 的成本 高 、 利 
收 稿 日期 :00一 1 4 2 1 O —1 

作者简介 : 马奎安 (9 5一) 男 , 18 , 山东诸城人 , 主要从事逆变器数字控制、 C D D / C变流器数字控制方面的研究. - i aua @ u eu c  Ema :m k i l n .d . a
通信 联 系人 : 陈 敏, , 男 副教 授 , 士 生 导 师 . — i: evn z e z .d .n 硕 Emal h ae @ j m.j eu c  n u

?

8   6?

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电 

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程 

第2 7卷 

充 电储 能模 式时 双 向 D / C变 流器 工 作方 式 进 行 分  CD 析 , 计 此时变 流器 的闭环 控制参 数 , 并设 实现对 超级 电  容器充 电储 能过 程 的控 制 。最 后 , 建 一个 小 容量 的  搭 超 级 电容器储 能 系统 , 行超级 电容器 充 电储 能实 验 , 进   以验证 超级 电容器储 能 系统运行 于充 电储能模 式 时闭 
环 控制设 计 的有 效性 。  

效 为一个 直流 电压 源 , 根据 文 献 [ ] 超级 电容器 组等  5 , 效 为一个 理想 电容 器并联一 个 阻值较 大 的电阻  。并  ( 联 等效 阻抗 ) 串一 个 阻值 较 小 电 阻 R ( 和   等效 串联 阻  抗) 。超级 电容 器充 电工 作模 式 时 的等 效 电路 如 图 3  
所示 , 此时 开关 管 S 工 作 在 P   WM 状 态 , 关 管 S 工  开   作 于二极管 状态 。双 向 D / C电路 等效 于一 个 B c  CD uk
电路 。  

1 超 级 电容储 能 系统 运 行模 式 分 析   
应用 于 电网 中的超 级 电容储 能 系统 的 电路 如 图 1   所示 , 超级 电容 通过双 向 D / C变 换器 和并 网变流器  CD 与 电网连 接 , 电网处 于用 电高峰时 , 网变 流器工 作 于  并
逆变 状态 , 电网输 送 能量 , 向 D / C变 换 器 工作  向 双 CD

于升 压 电路 模式 , 持并 网逆 变器 的直 流 B s 压恒  维 u电
定 , 时超级 电容 处于放 电释 能状态 ; 此 电网处于用 电低  谷 时 , 网变流器 工作 于 整 流状 态 , 电 网吸 收能 量 , 并 从  
图 3 充 电模式等效 电路 

超级 电容 器充 电 工 作 模 式 的控 制 框 图如 图 4所  示 , 了限制超 级 电容器 储 能 系 统充 电储 能 时 的充 电  为
电流和实 现对超 级 电容 器组 充 电 电流进 行 控 制 , 电  充

并且 维持直 流 B s u 电压恒定 , 向 D / C变换器 工作  双 CD

于降压 电路模式 , 给超级电容器充电储能, 使超级电容  充 电储 能到预 定值 。  

时采 用超级 电容 充 电电流 内环和充 电电压瞬 时值外环  的双环 控制 。在 图 4中 : 为 电感 电 流 的采 样 系 数 ;     为 了方 便 电感 电流 采样 , 流采 样 后通 过 滤 波 器将 其  电 开 关纹 波滤 掉 , 统 只 采样 电感 电流 的直 流 分 量 ,  系 G,   () 电感 电流滤 波 器 的传 递 函数 ; () 电流环 控  s为   s为
制器 ; 为 超级 电容 电压 的采样 系 数 ; 1 为 电压 瞬    G(    ) 时值 环控 制 器 ;/ 为 P 1  WM 调 节 器 的 增益 。从 控 制 

: 向 = 并 q   } 网 -  双 I   = +    
==- =L 

:  

DCDC  /

交流  器 

=  流  一 . 交器 l . ] _ L r - .  
图 1 超级 电容储能系统 电路 

本 系统 中双 向 D / C变 换器 选 用 半桥 型非 隔 离  CD

式双 向 D / C, 电路结构 如 图 2所 示 。这种 电路 结  CD 其

框 图可 以看 出 : 当超 级 电容 电压 较低 时 , 电压瞬时值 环  输 出值饱 和 , 限幅后作 为 电感 电流 的给定 , 此时超级 电 

构简单 , 采用的有源器件少 , 控制容易 , 效率较高, 适用 
于 电压 变 比不 大 、 中小 功率 的情况 , 大功 率应用 时一般  采 用 多重化结 构 。  


容处于恒流充电状态 , 当超级电容 电压达到预定值时,  
电压 瞬时值 环起 作用 , 时处于恒 压充 电状 态 。 此  

_’ 仝 

图 2 双 向 D / C变 流 器  CD

下面对 超级 电容器储 能 系统充 电工作模 式 时双 向 

图 4 超 级电容充电时的控制框图 

D / C变 流 器运 行 模 式 进 行 分 析 , 进 行 闭 环 控 制  CD 并
设计。  

这里采样电流 滤波器 采用美信 公司生产 的 MA 21 X9 

芯片来实现。根据文献 [ ]文献 [ ] 6、 7 可知滤波器 的传 

2 充 电工 作模 式 时分 析及 控 制设 计 
超级 电容器充 电工 作模 式 时双 向 D / C变 流 器  CD

递 函数 G ( )   s 如下 :   () s 
l  

8  
Ⅱ( s一 ∞  j e  
l  

㈩  
)  

工作 于降压 电路模 式 , 网变 流器工 作 于整流 状态 , 并 等 

第 7期 

马奎安 , : 等 超级 电容器储能系统充电模式控制设计 

? 7? 8  

式中  

一滤波器的截止角频率。  

Bd oe图如 图 5所 示 , 见 : 偿 后 电流 环 的 相 位 裕 量  可 补
为 4 。增 益裕 量为 5 6d 。 5, .  B  

根据文 献 [ ] 知 , 8可 电流 环 的 被 控 系 统 占空 比到  电感 电流 的传 递 函数 G () :   s为  
, 、  

( 印   +1  R C5 )


式 中 

 
() 2 

一 直 流 B s电压 ; — 储 能 电感 ;  超 级  u   C~

电容 器 组 等 效 电容 ;   超 级 电 容 器 组 等 效 串 联 电  R一
阻 ; 一 超级 电容器 组等效 并联 电阻 。     电流 环控 制器 G ( ) 用 P 调节器 , :  s 采 I 即 
i+ p s G ( ):Ki Ki    5



1  

1  0

10 0 

1 1  1l  1 1  ?0 ?0 .0

l   f z H () a 幅频特 性曲线 

() 3 

式 中 

一 电流环 的积 分调 节 器 ; 一 电流 环 的 比例   

调节器 。  

对 超 级 电容 充 电 时 电 压 瞬 时 值 环 进 行 闭 环 控  制   , 。 电压 瞬时值 环 的被 控 系统为 G s × ( )   ( )   s ,

其 中 电流 环闭 环传递 函数 为 :  



30 0  1  0 10 0   卜 1   1 l  1 1   0 ?0 ?0 ,   7 Hz

= 丽  

一 后  一 前 
∞ , 馨  p 
●  

㈩  p  /
∞   0  

一 后  一 前 

() b 相频特性 曲线 

一 后  一 前  ∞/ p  颦 

图 5 电流环补偿前后 的 B d oe图 
∞  

超级 电容 电压到 电感 电流 的传 递如  为 : 函数   ∞: ∞ 2   ∞ 一m 一     ∞      
G s    ) lp t  e

∞ 加们m加如 ∞ 一 一 一 ∞ 加 ∞二      _
∞  

() 5 

在 低频 段 , 电流环 等效 为一个 比例环节 , 电压 瞬时 

值 环等 效为 一个 积 分环 节 。根 据 被 控 系 统 的特 性 , 这  电压瞬 时值环 控制 器 G()  s 采用 P 调 节器 : I  
s G ( ):—i Kv   ,s K + p , v


里 设计 电压 瞬时 值环 的穿越 频率 为 1H , P 调节 器    z取 I
() 6 

的转 折频 率 为 0 1H 。求 得 电压 瞬 时值 环 P 调 节 器  .  z I 参数 为 : K = 3 .   :59 3 电压 瞬 时值 环 补 偿  979, 8.。 前后 的 B d oe图如 图 6所 示 , 见 : 偿 后 电压 瞬 时 值  可 补
环 的相位 裕量 为 8 。  4。

式 中 

一 电压 瞬时值 环 的积分 调 节器 ; 一 电压 瞬   

时值环 的 比例调 节器 。   本研究 搭建 了一 个最 大充放 电功 率为 2k , 大   W 最

储 能 量 为 6  J的 超 级 电 容 器 储 能 系 统 , 中 双 向  0k 其
D / C变 流器 主 电路参 数 为 : CD   超级 电容器 组 :  = 2 5F; C 1 .  电感 L 4 8 t    = 1 z . H;

直 流 B s电容 : u  

=70 i , 流 B s电压 : 5  F 直 x u  
=10 V。 0   
z 

=30 V, 0   超级 电容 最高充 电电压 :  

超级 电容 组等 效 电路 为: 个 电容 值 为 C = 一     1.  的理 想 电容 器 并 联 一 个 阻值 为 1 n 的 电阻  25F 0k
R 后 串联一个 阻值 为 0 2   的 电阻 R 。 。 . 8Q   

() a 幅频特 性曲线 

设置 开关 管 的开 关 频 率 为 i =2 H , s 0k z 电感 电流  滤 波器 的截止频 率  =  H ,WM 调 制 器 的增 益  5k zP


补偿 后  补偿 前 

1 电感 电流采 样 系数 K =12 , 级 电容 电压 采样  ,   /5 超

系数  =1 3 0   /0 。

由于 电感 电流 采样 的 滤 波器 截 止 频 率 为 5k z   H ,
系统 设置 电流 环 的 P 调 节 器 的 转 折 频率 为8   , I OHz 电 

流环 的穿越频 率为 80H , 得 : 0  z求 电流 环 P 调节 器 参  I 数为 : =0 16 K  8 39 电流 环 补 偿 前 后 的    . 7 , i=8. 4 。

?

8   8?

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第2 7卷 

3 实 验验 证   
本 研究 在双 向 D / C实 验 平 台上对 超 级 电容 充  CD
电模式 功能进 行 了验证 , 实验参 数如 下 : 流母线 电压  直 V = 0   b 3 0V,电感 L 4 8 H,  = 1  开关 频率  = 0 k z 2 H ,   巴特沃斯 滤波 器 转 折 频 率  =5k z   H 。超 级 电容 器 采  用 1本贵 弥功公 司 生产 的超 级 电容 , 单 台 电容 参 数  3 其

模 式进 行充 电 。图 8与 图 7类 似 , 充 电 的前 3  超  在 5S 级 电容 器 组 以设 定 的 2   电流 进 行 恒 流 充 电 ,5 S 0A 3   后, 超级 电容 器组转 人恒 压充 电模式进 行充 电 。  

4 结 束 语   
本研 究对应 用 于解决供 电系统 电能供应 和用 电负  荷不 平衡 问题 的超级 电容储 能 系统运行模 式进《0  . 行 了分  仙  ; 一   【 p r  、 析 , 对超 级 电容 器储 能系 统充 电储 能模 式 时 的双 向  并 D / C变 流 器 进 行 了闭 环 控 制 设 计 , 后 进 行 了实  CD 最

为: 电容值 C  =10F 内阻抗 为 R = 5m 最大充 电  0  ,   3  n,
电压 为 r =1  系统采 用 8台超 级 电容 串联 , 数  m 5V, 参 为 : =1 .  , C 2 5 F 串联 等 效 阻抗 R =0 2  并 联 等    . 8 n,
效 电阻 R l  Q。  = 0k   实 验 中 对 超 级 电 容 组 从 零 开 始 对 其 预 充 电 到 

验 , 定 了不 同的恒流 充 电区充 电 电流值 对 超 级 电容  设
m  

~  

器组进 行充 电储 能 。实 验结 果 表 明 : 通过 对 应 用 于超  级 电容器储 能系统 中的双 向 D / C变流  C D 一器闭环 控制 ,   能够实 现对超 级 电容 器储 能 系 统 充 电储 能过 程 控 制 ,  

7  5V。为 了验 证设 计对 超 级 电容 器组 的充 电控 制 , 实  验分别 采用 恒 流 充 电 电 流 为 1  和 2  的充 电模  0A 0A 式 。超级 电容器组充 电电流为 1  0A时 的充 电电压 电流  波形如 图 7 示 。超级 电容器 组充 电电流为 2  所 0A时 的  充 电电压电流波形如 图 8所示 。其 中 , 超级 电容 器组 的  充 电电流波形为经过 巴特 沃斯 滤波器滤波后 的波形 。  

从 而能 够解 决 供 电 系统 电能 供 应 和 用 电负 荷 不 平 衡 
问题 

参 考文献 ( eee cs : R frn e ) 
[ ] L  a , H N   a—hn , H N   u .A N vl hr 1 I n Z A G J nce g Z O G Y n   oe C a— N i    
gn   nr l c e   o   u rCa a   r ig Co to S h me fr S pe . p c  En r y tr g  i  e g  So a e n

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[ ] H A C egyn , E L   B S C EV D, t 1 n  2 U   hn—og MIR OV, O S H     e a.E —  
e g   o r e   n r l n   n g me t n Hy r   l cr   e   r y S u c sCo t   d Ma a e n    b i E e t c V — oa i d i

M  50 2 .   …  

( 充 电电压波形  a )

() 电电流波形  b充

hc s C]/ P —E  0 6  hItra oa. ot o: ie [ / E E P MC2 0 .1 t ne tn 1 P r r   l 2  n i oz
f. .f20 :2 5 0   n ,0 6 54— 3 . S  

图 7 超 级 电容 器 组 充 电 电流 为 1  OA时 的 充 电电 压 电 流 波 形 
A   曼  熙黔  

动 作 

艘  

[ ] 程时杰 , 3  文劲 宇 , 孙海 顺. 能技术及 其在现代 电力 系统  储 中的应用 [ ] 电气应用 ,0 52 ( ) 1 . J. 2 0 , 4 : —8 4   [] 王 4  鑫, 郭佳欢 , 谢清华 , 超 级电容器在微 电网中的应  等. 用 [ ] 电网与清 洁能源 ,0 9 2 ( ) 1 2 . J. 20 ,5 6 :8— 2  
[ ] N L    5  E MSR M,C HE A D R,N wS M R L ta.A A L   E 0     ,e 1    
C mp r o   fT o E u v ln   r ut o   o b e ly r C ? o ai n o   w   q iae tCi i fr D u l?a e   a  s c s ? -

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M 1 .  00 s  

M l .s 00    

() 电电压波形  a充

( 充电电流 波形  b )

pcos C / A E  9 o r et A na V lm  .D l air『 ] / P C9 .Fut nh n u   o e t e   l u 2 a  。 l :[. . ,99 6 2— 9 . a Sn ] 19 :9 6 8 s  

图 8 充 电 电流 为 2  时 的充 电 电压 电流 波 形  0A

[ ] 冯乙引. 关 电容 滤波 器 MA 2 12 2 25 2 6的特性  6  开 X 9 /9 / 9 /9

从上 面 的实 验波 形 可 以看 出 , 级 电容器 组 电压  超

与应用 [ ] 集成 电路应用 ,9 6 5 :8— 0 J. 19 ()1 2 .  

较低 时 , 电压 瞬 时值 环 输 出饱 和 , 不起 作 用 , 级 电 容  超
器组 以期望 的 电流进 行恒 流充 电 ; 当超 级 电容 器 组 电  压达 到预充 电压 时 , 电压 瞬 时值 起作 用 , 级 电容器组  超

[ ] 祁才君 . 7 数字信号处 理技术算 法分析 与应用 [ . M] 北京 :  
机械 工业 出版 社 ,0 5 20 .  

[ ] 徐德鸿. 8 电力 电子 系统建模及 控制 [ . M] 北京 : 机械 工业 
出版 社 ,0 5 20.  

转 为恒 压充 电模式进 行充 电储 能 。由于系 统 的充 电 电  流为人 为设定 , 储能 系 统 可 以按 实 际需 要 设 定充 电 电 
流的大 小 。从 图 7可看 出在 超 级 电 容 器 组 充 电 的前 

[ ] 张慧妍. 9  超级 电容器直 流储能 系统分析与 控制技术 的研  究[ . D] 北京 : 中科 院电工所 ,06  20.

7 , 0S由于超级 电容器 组 的电压 较 低 , 超级 电容器 组 以 
设定 的 1  电流进 行 恒 流充 电 ,0S后 , 0A 7  由于超 级 电  容器 组充 电到 预定 电压 , 级 电容 器 组 转 入恒 压 充 电  超

[0 朱选才. 1] 燃料 电池发 电系统 功率 变换及 能量管理 [ . D]  
杭州 : 江大学电气工程学 院 ,09 浙 20 .  

[ 辑: 编 李

辉]  


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文中 主要探讨了超级电容储能系统控制策略, 针对系统储能模式进行了建模与仿 真,定性分析了仿真结果,提出了安全可靠的控制策略,对城轨列车超级电容储 能系统的...
替代蓄电池的超级电容储能模块设计
传统蓄电池已经越来 越无法满足人们对储能系统的要求...采用 4 个超级电容单体串联,两组并联的方式构成, ...三、相关电路的设计 电路的总体构图,它包括充电电路...
超级电容器储能
这种均衡充电方法一般控制网络复杂, 安全性管理要求高...蓄电池健康状态评估 SOH 对锂电池整个寿命运行曲线充...超级电容器储能系统在微... 5页 免费 超级电容器...
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