超級(jí)電容器是近年來(lái)新型能源器件的一個(gè)研究熱點(diǎn)，它與常規(guī)電容器不同，其容量可達(dá)到法拉級(jí)甚至數(shù)萬(wàn)法拉，而且能在電極端電壓超過(guò)額定電壓的過(guò)充電狀態(tài)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(guī)電容器和充電電池之間，在眾多的應(yīng)用領(lǐng)域里彌補(bǔ)了常規(guī)儲(chǔ)能器件的單方面缺陷。此外，它還具有內(nèi)阻小，充放電效率高（90％～95％）、循環(huán)壽命長(zhǎng)（幾萬(wàn)至十萬(wàn)次）、低溫性能優(yōu)越、無(wú)污染等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使得超級(jí)電容器非常適合用于短時(shí)間高功率輸出的場(chǎng)合。
追求穩(wěn)定運(yùn)行、可靠供電的電力系統(tǒng)近幾年也引進(jìn)超級(jí)電容器作為新型儲(chǔ)能設(shè)備，使其在電力系統(tǒng)出現(xiàn)電壓波動(dòng)、短時(shí)間供電中斷等情況下快速充放電，從而保證系統(tǒng)的安全性及可靠性。目前對(duì)超級(jí)電容器在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的研究才掀起熱潮，實(shí)用化的超級(jí)電容器充放電控制尚未成熟。本文將雙向DC-DC變換器應(yīng)用于超級(jí)電容器的充放電過(guò)程，對(duì)雙向控制模型分析，采用PWM的控制策略，并針對(duì)充放電情況的不同分別加裝PI及PID補(bǔ)償環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)比較穩(wěn)定，滿(mǎn)足絕大多數(shù)需要快速對(duì)超級(jí)電容器充放電的場(chǎng)合。
1、雙向DC-DC變換器模型
雙向DC-DC變換器是直流母線(xiàn)和超級(jí)電容器之間的一個(gè)周期性通斷的開(kāi)關(guān)控制裝置，它的作用是改變供給超級(jí)電容器的電壓，實(shí)際上是作為一個(gè)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)而工作的。
為了滿(mǎn)足使用需要，采用的變換器應(yīng)該是電流可反向的兩象限變換器，當(dāng)電容對(duì)外放電時(shí)，DC-DC變換器處于升壓狀態(tài)，而對(duì)電容充電時(shí)，電流反饋，DC-DC變換器處于降壓狀態(tài)。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)變換器可采用半橋式，由全控型晶體管IGBT∶S1和S2，以及續(xù)流二極管D1和D2，保護(hù)超級(jí)電容器的二極管D3和D4，電感L組成，見(jiàn)圖1。
當(dāng)S1處于工作狀態(tài)，S2關(guān)斷，S1和D2構(gòu)成降壓斬波電路，此時(shí)雙向DC-DC變換器處于Buck狀態(tài)。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期Ts內(nèi)，當(dāng)S1閉合時(shí)（即0＜t＜ton，其中t為時(shí)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(xiàn)直接充入超級(jí)電容器，同時(shí)電感L存儲(chǔ)部分能量；當(dāng)S1斷開(kāi)時(shí)（即ton＜t＜Ts），二極管D2承受正向偏壓為電感L釋放能量構(gòu)成通路，向電容充電。當(dāng)電路處于降壓Buck狀態(tài)時(shí)，兩端電壓的相互關(guān)系為：
2、雙向DC-DC變換器的控制模型
系統(tǒng)測(cè)量直流母線(xiàn)和超級(jí)電容器的電壓，以確定雙向DC-DC變換器是工作在Boost狀態(tài)還是Buck狀態(tài)。當(dāng)直流母線(xiàn)電壓迅速增大，調(diào)節(jié)雙向DC-DC變換器工作于Buck狀態(tài)，將系統(tǒng)能量傳送到超級(jí)電容器。在此之前，系統(tǒng)的控制必然使電容電壓處于較低狀態(tài)。相反，當(dāng)直流母線(xiàn)電壓迅速降低，則會(huì)控制雙向DC-DC變換器轉(zhuǎn)入Boost狀態(tài)，將超級(jí)電容器儲(chǔ)存的能量釋放到系統(tǒng)。通過(guò)控制S的占空比來(lái)調(diào)節(jié)雙向DC-DC變換器兩端電壓。
2.1Buck型雙向DC-DC變換器的控制
2.2Boost型雙向DC-DC變換器的控制
在圖2所示電路Vi側(cè)穩(wěn)壓時(shí)，為Boost型的直流斬波器。設(shè)圖2中S2的占空比為D，則D1的占空比(即S2開(kāi)斷時(shí)間占空比)為(1-D)。
2.3雙向DC-DC變換器的控制框圖
由自動(dòng)控制理論的知識(shí)，對(duì)于雙向DC-DC變換器在超級(jí)電容器充電過(guò)程中處于Buck工作狀態(tài)，通過(guò)比例積分(PI)補(bǔ)償環(huán)節(jié)校正就可使系統(tǒng)具有一定的相角裕度，從而使系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定。PI補(bǔ)償環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)模型：
3、仿真驗(yàn)證
3.1恒流充電仿真
在PSCAD/EMTDC電力系統(tǒng)仿真軟件建立了對(duì)超級(jí)電容器以電流為控制量的恒流充電仿真模型。仿真參數(shù)見(jiàn)表1。仿真圖形見(jiàn)圖6和圖7。
由圖6可見(jiàn)，對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行恒定的大電流充電，其電壓隨時(shí)間近似直線(xiàn)上升直至飽和，這種電壓隨時(shí)間大幅度上升表明超級(jí)電容器可以在短時(shí)間內(nèi)吸收高能量。由圖7可見(jiàn)，采用PI補(bǔ)償環(huán)節(jié)可以得到僅有5%脈動(dòng)的較為恒定的充電電流，同時(shí)使系統(tǒng)較開(kāi)環(huán)時(shí)穩(wěn)定。
單路充電時(shí)電流存在脈動(dòng)，考慮采用多重電路減小充電電流的脈動(dòng)，仍將超級(jí)電容器充電直至飽和。本文以二重充電為例，將兩個(gè)雙向DC-DC變換器并聯(lián)后向超級(jí)電容器充電。
在PSCAD/EMTDC電力系統(tǒng)仿真軟件建立其仿真模型，各路仿真參數(shù)同單路恒流充電的參數(shù)，進(jìn)行仿真。仿真圖形見(jiàn)圖8。
由圖8可見(jiàn)，可得到相對(duì)圖7的電流脈動(dòng)有所減小的較恒定的充電電流。可見(jiàn)采用二重電路能減小充電電流脈動(dòng)，此方法可以推廣到多重電路。
3.2恒壓放電仿真
在PSCAD/EMTDC電力系統(tǒng)仿真軟件中建立了超級(jí)電容器以電壓為控制量的恒壓放電仿真模型。仿真參數(shù)見(jiàn)表2。仿真圖形見(jiàn)圖9。
由圖9可見(jiàn)，在超級(jí)電容器放電時(shí)采用PID補(bǔ)償，直流母線(xiàn)電壓穩(wěn)定在參考值。所以，加裝PID補(bǔ)償環(huán)節(jié)能使系統(tǒng)較開(kāi)環(huán)時(shí)穩(wěn)定，滿(mǎn)足電力系統(tǒng)的穩(wěn)定要求。
4、總結(jié)
本文通過(guò)雙向DC-DC變換器向超級(jí)電容器充放電，根據(jù)變換器不同的工作狀態(tài)選擇不同的控制量，經(jīng)PWM控制驅(qū)動(dòng)TGBT，快速穩(wěn)定。利用PSCAD/EMTDC電力系統(tǒng)仿真軟件對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行單路充放電的仿真，綜合分析超級(jí)電容器充放電的控制具有以下特點(diǎn)：
(1)分別采用PI和PID補(bǔ)償環(huán)節(jié)可使超級(jí)電容器充放電過(guò)程平穩(wěn)，滿(mǎn)足電力系統(tǒng)的穩(wěn)定要求;
(2)在電路其它參數(shù)不變的前提下，根據(jù)相應(yīng)關(guān)系選擇電感L，可以控制電流脈動(dòng)為設(shè)定值;
(3)在保證電路參數(shù)不變的前提下，為減小充電電流脈動(dòng)，可進(jìn)一步采用多重充電方式。仿真結(jié)果說(shuō)明本文提出的控制方法可行。
