農村儲能裝置超級電容模組充放電控制研究

黃玉芳

(貴州農業職業學院，貴州 貴陽 550014)

1 引言

農村電網供電系統故障引發斷電，將會對農業生產造成損失以及對居民生活帶來諸多麻煩。采用蓄電池做后備電源維護工作量大，故障率高，成本高，切換復雜，且污染嚴重，以超級電容為代表的新型蓄能器件，既有靜電電容器的高放電功率優勢，且同蓄電池一樣具有較大電荷儲存能力，它的功率密度大，高溫性能好，充放電循環壽命長，容量配置靈活，因此超級電容大量用于后備電源。本文利用超級電容的良好儲能和釋能特性，當電網或負載穩定狀態失去平衡，以雙向DC-DC電路實現對超級電容的充電放電控制，保障負載恒定功率需求，以期解決因電網掉電或負載變化時給農業生產與農村生活造成的困擾，助力我國農業產業發展和農村現代化。

2 系統結構拓撲

農村備用儲能裝置—超級電容模組系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框

在圖1中，對儲能特性分析，超級電容需要將電網輸入端的交流電整流為直流電才能進行能量存儲，實現能量的流動與存儲備用。因此在電網和儲能設備—超級電容之間需要加入整流環節。農村地區產業鏈的作業設備具有不同的工作特性，有的以交流電作為設備電源，因此超級電容模組存儲的直流電經過逆變后才能為負載提供電能。

若農村電網供電系統故障引發斷電，超級電容隨著放電時間的持續，其端電壓會持續降低，但逆變器在一定電壓范圍內才能正常工作，因此為了維持系統的正常運行，有必要在超級電容和逆變電路間嵌入升壓環節。

在圖1中需要實時采樣電網狀態，電網穩定運行時為儲能設備充電，當超級電容端電壓達到閾值時停止充電，切斷供電回路；電網故障發生時超級電容進入供電模式，采樣的變量有超級電容端電壓和回路電流，并實時采樣電網狀態，電網恢復則儲能供電回路停止工作，切換為電網為負載供電模式。因此需要微機控制單元對系統進行自動控制，處理不同情況的系統工作模式。若控制電路(虛線部分)檢測到超級電容的端電壓過低，則能量從電網經DC-DC電路流向超級電容[1～3]，完成能量存儲；若檢測到電網掉電，則啟動超級電容經DC-DC電路逆變后為負載供電。

3 Buck-Boost電路控制策略

采用等效模型對超級電容進行充放電分析，超級電容電能具有能量雙向流動的特性，利用DC-DC電路將儲能設備超級電容植入電網系統，當超級電容模組儲能被充電時，電路工作于Buck模式；當超級電容模組釋能為負載供電時，電路工作于Boost模式[4]。

超級電容模組等效模型用電容與電阻串聯來表征。超級電容儲能充電過程中，雙向DC-DC變換器工作于Buck模式，為了實現實時測量、控制與保護，滿足穩態性能與動態響應特性的要求，因此采用電壓外環電流內環的雙閉環控制策略；而為了把被調參數控制在給定值，采用經典的PI算法即可[5～7]，控制算法與控制策略如圖2所示。

圖2 buck電路控制策略與算法

當電網意外斷電或發生故障檢修時，需要控制的變量有超級電容端電壓，負載的電壓，電感電流這3個變量，單閉環控制策略不能滿足控制需求，因此也采用了電壓外環電流內環的雙閉環控制策略[8]。對于Boost型變換器的控制，在算法抉擇上則采用PI控制算法[9]，可以在很大程度上減少外部擾動，保證系統閉環穩定性，其控制算法與控制策略如圖3所示。

圖3 boost電路控制策略與算法

4 仿真與試驗

圖4～7為MATLAB仿真結果示意圖，其中將電流內環等效電流跟隨器，電壓環以積分環節來表征[10]。

圖4 buck電路電流環的閉環系統波特圖

以美國Maxwell超級法拉電容單個2.7V，3000F組成超級電容試驗模組。超級電容模組采用恒流充電模式，當充電電流不同時，電流為3 A的充電模式較電流為2 A的先達到15 V，且用時縮短約40 min(圖8)。如圖9所示，當超級電容模組處于放電狀態，負載較大(800 W)則在3 min左右達到最低放電電壓。

圖5 buck電路電壓環的閉環系統波特圖

圖6 boost電路電流環的閉環系統波特圖

圖7 boost電路電壓環的閉環系統波特圖

圖8 超級電容充電曲線

圖9 超級電容放電曲線

5 實驗分析

實驗參數為[11]：超級電容模組的滿充電壓為15 V，Buck模式下，輸入電壓為30 V，恒流充電的電流為2 A，恒壓充電的電壓為15 V。在Boost模式下，負載為直流伺服電機，將負載的電源電壓控制恒為25 V。

通過調節PID參數，充電階段超級電容模組端電壓變化曲線如圖10所示。放電階段，為了給負載提供穩定的電壓值，超級電容端電壓從15 V下降到12 V，直流伺服電機的功率為40 W，拖動負載工作45 min，工作電壓為25 V，Boost模式輸出端電壓波形如圖11所示，由圖可知，低電壓基本恒定在25 V。

圖10 超級電容模組端電壓波形

圖11 boost模式輸出電壓波形

6 結論與討論

超級電容因其良好性能而廣泛被作為農村地區的備用電源，為了更好地管理超級電容能量，助力農村產業在電網故障時能為負載賡續供電。本文以超級電容模組為充放電研究對象，研究了電路在Buck-Boost工作模式時的控制方法，為滿足系統實時控制和穩定的需求，給出了超級電容模組采用電流內環和電壓外環的經典控制策略。結合計算機軟件仿真技術，將兩種工作模式進行仿真分析，最后進行了實驗驗證討論，仿真與實驗結果表明了系統穩定，算法有效可行，研究結果可為大容量或超大容量的超級電容模組研究奠定基礎。