制動能量回收系統中超級電容充放電特性研究?

任璐，張紅娟，靳寶全，高妍，宋朝鋒

（1．太原理工大學電氣與動力工程學院，太原030024；2．太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室，太原030024）

0 引 言

隨著綠色經濟的提出及人類環保意識的增強，節能技術得到大力的發展［1］。采用節能技術有利于發展循環經濟，實現可持續發展［2］。我國是工業大國，電機耗電約占全國電力消費的64%［3］，如果能夠通過回收電機制動時產生的制動能量來提高電機驅動系統的運行效率，將對節能減排具有重要的意義。目前電機制動能量處理方式有能耗型、電網回饋型、能量存儲型［4］。能耗型是將回收的能量通過電阻以熱量的形式消耗，仍會造成很大的能源浪費；電網回饋型是將能量回饋給電網，此方式回收的電能往往質量不高，存在很大的諧波，會污染電網，而且結構復雜，一般很少采用；能量存儲型是將多余的能量存儲起來，待負載需要時再將其釋放［5］。能量存儲型結構較簡單且能夠維持網側電壓穩定，廣泛應用于各種場合。能量存儲型的儲能方式有很多，如：飛輪儲能、蓄電池儲能、超級電容儲能等［6］。其中，超級電容是一種新型環保儲能元件，因其充放電速度快、循環壽命長、功率密度高［7］等優點逐漸取代其他儲能方式，成為廣被應用的儲能元件。超級電容是儲能系統中的重要元件，對超級電容的充放電特性進行研究對提高儲能系統的穩定性和效率具有重要意義。

本文采用Buck-Boost型雙向DC／DC變換器和超級電容組成的儲能系統，進行了一系列的充放電實驗。根據實驗波形研究超級電容在該系統下的充放電特性，分析得出超級電容應具備自動匹配負載的能力，為儲能系統的控制策略設計提供了條件和思路。

1 基于儲能系統的超級電容參數設計

本方案采用超級電容和雙向DC／DC組成儲能系統。超級電容在儲能和放能的過程中，需要對DC／DC變換電路進行控制，才能實現超級電容與負載側之間的能量流動［8］。儲能系統中，雙向DC／DC變換器低壓側接超級電容，高壓側接負載組成，儲能系統基本結構如圖1所示。

圖1 儲能系統基本結構Fig．1 Basic structure of energy storage system

負載側一方面可以通過逆變器接三相交流負載，另一方面可以直接供電給直流負載。當負載側產生制動能量時，制動能量回饋到直流母線上，通過雙向DC／DC變換器將能量存儲到超級電容；當電機電動運行或突然加載時，超級電容通過雙向DC／DC變換器將存儲的能量釋放，給負載側提供能量，同時可以彌補突然加載或啟動時供電電壓的不足，維持直流母線電壓的穩定［9］。

本研究儲能系統用于中小功率場合，超級電容模組作為主要元件，其計算和選取是首要的。超級電容儲能表達式為：

式中U1為超級電容額定電壓；U2為超級電容初始電壓；超級電容模組電容量表達式為：

式中n為串聯支路個數；m為并聯支路個數；CS為單體電容值。

本方案選用2．7 V，400 F的電容單體組成超級電容模組。根據系統要求，超級電容的額定功率取為15 kW，充放電電壓范圍取100 V～200 V，充放電時間按照10 s計算，代入式（1）得超級電容的容值為10 F。根據超級電容的尖峰電壓220 V可知需要至少80個單體電容串聯。再根據式（2）得m的值應為2。

此外，根據式（1）、式（2）可知，當存儲能量和電壓變化范圍一定時，超級電容的額定電壓越大，計算所的電容值越小，所需的超級電容單體就越多。從經濟性以及最終設計的超級電容模組的體積考慮，所用超級電容的單體數量應盡可能少。因此，本方案選用上述單體160個，由兩組80只電容單體先串聯再并聯組成的超級電容模組。選取的超級電容模組參數如表1所示。

表1 超級電容模組參數Tab．1 Module parameters of super-capacitor

2 超級電容充放電特性建模分析

超級電容有多種充放電方式，如：恒流、恒壓、恒負載、恒功率等［10］。恒負載充放電方式的效率很低，一般很少使用。恒流恒壓充放電方式控制簡單、容易實現，因此在大多數場合被采用。目前使用較多的是先恒流后恒壓的充放電方式［11］。本研究儲能系統也采用先恒流后恒壓的方式充電。為了更好地研究超級電容充放電特性，應先對其進行建模分析。如圖2為超級電容恒流充電的模擬電路圖。

圖2 超級電容恒流充電模擬電路圖Fig．2 Circuit diagram of super-capacitor constant current charging analog

設電路的恒流充電電流為IS，則：

t=0 時，uc-0()=uc+（0）=UC，其中UC為超級電容的初始電壓值，故：

由式（3）和式（4）可得：

可以看出在超級電容充電過程中，充電電流越大，充電時間越短。

另一方面，超級電容中的能耗主要由RS決定，則單位時間內內阻RS消耗的能量為：

又：

將式（6）積分得：

超級電容端實際存儲的能量為：

則充電效率為：

假設儲能系統中超級電容端電壓的最大最小值一定，根據上述所選超級電容模組參數以及公式（10）建立Matlab仿真，得到超級電容充電效率曲線如圖3所示。

從圖中可以看出，充電電流IS越大，充電效率越低。為了使充電效率保持在90以上，要保證充電電流不超過55 A。

超級電容放電時，因等效并聯電阻RP很大，一般會忽略RP的影響。超級電容恒流放電模擬電路圖如圖4所示。

超級電容器的端電壓u（t）為：

圖3 超級電容充電效率曲線Fig．3 Charging efficiency curve of super-capacitor

放電過程中，超級電容端電壓不斷減小。為了不影響負載側電壓，必須在超級電容與負載之間接雙向變流器。此外，在檢測到超級電容端電壓達到電壓下限值時會停止放電，但事實上，由于電阻RS的分壓作用，超級電容本身的電壓還未達到其電壓下限值。因此，超級電容內阻一定時，放電電流越大，其放電效率越低。

3 超級電容充放電特性實驗研究

在以上建模和理論分析的基礎上，搭建了基于儲能系統的超級電容充放電特性實驗系統。搭建的儲能系統的實驗方案如圖5所示。圖中雙向DC／DC變換器低壓側接超級電容，高壓側接在變頻器的直流母線上，負載側接功率電阻。利用該實驗平臺進行實驗，得到超級電容充放電波形，進而對超級電容的充放電特性進行分析研究。

3．1 充電特性實驗

超級電容充電特性的實驗步驟如下：

（1）閉合開關 S1、S2，斷開開關 S3，接通三相電源；

（2）限流值設置為6 A，啟動電機直至運行平穩后，突然加大負載，拖動電機M1使其工作在發電狀態。立即斷開S1并開啟雙向DC／DC變換器控制其工作在Buck模式，給超級電容充電；

圖5 儲能系統實驗方案Fig．5 Experimental scheme of energy storage system

（3）改變充電電流分別為 9 A，12 A，14 A，重復上述步驟。

實驗中超級電容的初始電壓均為100 V，直到超級電容充滿后停止充電。不同電流限定值下超級電容的電壓電流波形如圖6所示，圖6（a）～圖6（d）分別對應電流限定值為6 A、9 A、12 A、14 A的電壓電流波形。

圖中可以看出，超級電容以先恒流后恒壓的方式進行充電，且充電電流越大，充電時間越短。此外，改變充電電流主要引起恒流充電時間變化，而恒壓充電時間沒有很大的變化。

圖6 不同充電電流下超級電容的電流電壓波形Fig．6 Current and voltage waveforms of super-capacitors under different charging currents

由圖3建立的超級電容充電效率曲線可知，當充電電流在6 A、9 A、12 A、14 A時，充電效率基本保持在97%以上。因此在這里不考慮充電電流對儲能系統充電效率的影響。

3．2 放電特性實驗

超級電容放電特性的實驗步驟如下：

（1）設置限流值為14 A，負載電阻阻值為200 Ω，斷開開關 S1、S2，閉合開關 S3；

（2）開啟雙向 DC／DC變換器并控制其工作在Boost模式，超級電容放電；

（3）待超級電容放電至100 V時關斷雙向DC／DC變換器；

（4）改變電阻阻值分別為 350 Ω、500 Ω，重復上述步驟。

超級電容的放電電流電壓波形如圖7所示，圖7（a）～圖 7（c）分別對應電阻阻值為 200 Ω、350 Ω、500 Ω時的超級電容放電電流電壓波形。

圖7 不同負載下超級電容的電流電壓波形Fig．7 Current and voltage waveforms of super-capacitors under different loads

從圖7中可以看出，隨著負載減小，超級電容的放電時間越短，且放電電流越大。而且每一組的放電電流在整個放電過程中均呈現增大的趨勢，這是因為超級電容端電壓隨著放電過程越來越低，根據功率守恒，放電電流越來越大。圖7（a）中，放電電流在大約5秒時突然減小，經分析得知原因是電流限定值的設置限制了電流的增大。為了驗證這一結論，在500 Ω負載下超級電容進行放電實驗，改變充電電流設定值得到超級電容放電電流電壓波形，如圖8所示。

從圖8中可以看出，超級電容的電流限定值較大時，可以滿足放電時負載端的電流需求，超級電容側的放電電流在放電過程中隨著超級電容端電壓減小而持續增大；當電流限定值過小，不能滿足負載側電流的需求時，超級電容的電流會在放電過程中突然減小，隨后以較小的電流值進行放電。因此，超級電容放電時要充分考慮負載的大小，根據負載確定合適的限流值。

圖8 不同限流值下超級電容的放電電流Fig．8 Discharge current of super-capacitor under different current limiting values

4 結束語

本文研究了儲能系統超級電容充放電特性。首先根據系統要求，計算和選取超級電容模組參數。接著理論建模分析了超級電容充放電特性。最后搭建了實驗系統。經實驗分析可知，充電電流越大，超級電容的充放電速度越快，但是會導致儲能系統充電效率降低。因此，在大功率場合，既要使得充電速度快又要保證充電效率在90%以上，就要設定合適的充電電流值。在超級電容放電過程中，放電電流能夠根據負載大小自動匹配，且在放電過程中有一定的增大，但是當限流設定值過小而負載要求電流較大時，會限制放電電流的增加，導致負載側電壓不穩定。因此，根據負載運行特性，設定合適的限流設定值以自動匹配負載，對提高系統運行的穩定性具有重要作用。本文為儲能系統的進一步完善和設計提供了思路，對節能技術的研究和發展具有重要意義。